第三章大气运动的基本规律
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垂直于地球自转角速度 和速度 V ；
So，地转偏向力不做功，只改变运动方向。
背风而立，地转偏向力指向运动方向的右边（北半球） 地转偏向力指向运动方向的左边（南半球）
V A
A V
北半球 向右偏
南半球 向左偏
伟大的发现
科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）
生平简介：
主要贡献
• 1792年5月21日出生于法国巴黎军官家庭 • 1816年，跟随著名数学家柯西在巴黎工艺学校进行数学
辅导 • 1829年成为巴黎中央艺术和制造学校力学教授 • 1830年后接替了柯西的所有工作 • 1836年当选为法兰西科学院力学部院士 • 1843年9月19日在巴黎病逝，享年51岁
• 研究领域：力学、工程数学、摩擦水力学 • 首先提出“功”和“动能”等科学概念 • 1835年，提出了科氏力，解决牛顿第二定律在旋转系的应用问题
t=t1 v=？ s=？
分析步骤：1、建立坐标系 2、分析小方块的受力情况
3、建立方程：F=ma
v0=0
4、求解方程得到t1时刻的v和s
怎么分析大气运动？
分析步骤：1、建立坐标系 2、分析空气的受力情况 3、建立方程 4、求解方程得到t1时刻的v和s
§1、坐标系
运动总是相对的
建立相应的坐标系
Run with Bolt ?
地球是旋转的，是非惯性参考系
局地直角坐标系
n s
n
p
s 自然坐标系
球坐标系
x
纽约
北京
x
北京的西风 Vs 纽约的西风
局地直角坐标系：
X方向：与纬圈相切，向东为正 Y方向：与经圈相切，向北为正 Z方向：向上为正
在地球上可随意移动，在地球上的不同地点（X,Y,Z）的方向 是变化的；
在一个不大的范围内，又可以将（X,Y,Z）的方向看成不变； 考虑全球范围或极地地区的大气运动问题时必须采用球坐标
气旋风暴把撒哈拉沙尘输送到 北大西洋
3
风欲静 而树不止
风和树
4
气流越过山地后形成的涡旋
5
大气是一种流体
在高中物理的力学部分, 我们学习的主要 是固态物体的运动.大气是一种流体，现在 , 我们从流体力学的观点出发来学习大气 的运动.
6
怎么分析大气运动？
光滑表面
推力F
t=0 v=0 s=0
x
第三章 关于大气运动的 基本规律
为什么要分析大气运动？
大气运动的状态及其变化对发生在大气中的各种物理 化学过程以及相应的天气气候有重要的影响，甚至于 决定性的影响。
1903年，挪威气象学家V.Bjerknes提出：天气预报问 题不过是一组控制大气运动的动力和热力物理方程的初 值问题，天气预报就是这一数学方程组的解。
试验设置：O点固定在转盘中心，A位置为转盘外
固定点，由O向A抛出小球
A
o
正上方视图
o A t1 t 2 t 3 t4 t 5
t1
t2
t3t t5
4
A
计划做匀速直线运动的兔子，在非惯性坐标系下 的运动轨迹却是曲线，且偏向于运动方向的右侧。
Why ??
引入地转偏向力， A2 V
地转偏向力的性质：
1、大小：与速度成正比 2、方向：
空间上的一个点，既有质量又有体积； 每个质点具有稳定的物理量。
流点是一个物理上的点，与数学上的点有区别。
将离散分子构成的实际流体看成由无数个上述流体质点没有 空隙连续分布而构成，这就是连续 介质假设。
二、作用于 “流点” 的力
1、万有引力
Fg GrM 2 m rr
r
M
m
2、摩擦力 外摩擦力：空气与地表之间的摩擦力 内摩擦力：空气之间的相对运动产生的摩擦力
3、气压梯度力-------气压分布不均匀造成
长方体：dx，dy，dz，密度ρ 则：m= ρ dxdydz
z
P1
P2
F1
y
dz
F2=？
dx dy
X
单位长度 气压的增长为：
A
A= p
x
P2 ----- 大小： P1+A*dx
p1 p dx x
方向：与x轴正方向反向
p
即：
P2
(p1 dx) x
因此，x方向的受到的力为：
1、气压梯度力大小：与气压梯度成正比 2、气压梯度力方向：由高压指向低压
两地之间存在气压梯度的话，气压梯 度就会把两地间的空气从气压高的一边 推向气压低的一边，于是空气流动，产 生了风
气压梯度力
30
气压梯度可以从天气图上看出
地面的等压线
500hpa(mb)等压面上的等高线
31
等压面和等高线
r
A
惯性坐标系（圆盘外的人）：
小球是旋转的，有向心力 2R
矛盾
非惯性坐标系（圆盘）： 小球是静止的
因此，对于非惯性坐标系（圆盘），小球受向心力， 但又是静止的，这是矛盾的，不满足牛顿运动定律。
引入惯性离心力，大小与向心力相等，方向相反.
C2R
5、地转偏向力
t=0
t=1
t=2
t=3
物理模型—转盘试验
p 1 d y d z (p 1 p d x )d y d z p d x d y d z
x
x
因此，单位质量的空气微团，
x方向的气压梯度力为：
Px：
p x
dxdydz
1
p
dxdydz x
同理， Py：
1
p y
Pz：
1
p z
写成矢量形式：
1p p p
PG(xiyjzk)
气压梯度力性质：
参考系
要描述一个物体的位置和运动情况 ，就应该首先选定其他物体作为标 准，并假定它是静止的，被选作标 准的物体叫做参考系。
惯性坐标系：适用于牛顿运动定律的参考系 相对于恒星是固定的
Biblioteka Baidu坐 标
F=ma
系
局地直角坐标系
非惯性坐标系： 球坐标系
柱坐标系
自然坐标系
F≠ma
参考系如何选择，原则上是任意 的。在气象研究中通常都选地球 作为参考系。
系，其余情况采用局地直角坐标系。
§2、受力分析
Q1：对谁做受力分析？ Q2：受到哪些力？
一、空气微团（流点、质块、质点）与连续介质假设
假设：流点的线尺度为L2
分子的平均间距为L1
L1
流动（运动）范围线尺度为L3
L2
L3
则： L1 << L2 << L3
即：要求流点足够大，包含足够多的气体分子 要求流点足够小，相对于运动范围可看成一个点
32
三维显示等压面和等高线
33
立体显示等压面和等高线
34
等压面上的等高线就好比在山 地表面画等高线
35
地面冷高压，高空低压 地面暖低压，高空高压
36
37
万有引力 摩擦力
气压梯度力
施力对象 受力对象
真实力
非惯性坐标系下，情况如何？？
4、惯性离心力 非惯性坐标系下静止的物体：
A点有一小球，随圆盘一起逆 时针旋转. 小球相对转盘静止.
So，地转偏向力不做功，只改变运动方向。
背风而立，地转偏向力指向运动方向的右边（北半球） 地转偏向力指向运动方向的左边（南半球）
V A
A V
北半球 向右偏
南半球 向左偏
伟大的发现
科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）
生平简介：
主要贡献
• 1792年5月21日出生于法国巴黎军官家庭 • 1816年，跟随著名数学家柯西在巴黎工艺学校进行数学
辅导 • 1829年成为巴黎中央艺术和制造学校力学教授 • 1830年后接替了柯西的所有工作 • 1836年当选为法兰西科学院力学部院士 • 1843年9月19日在巴黎病逝，享年51岁
• 研究领域：力学、工程数学、摩擦水力学 • 首先提出“功”和“动能”等科学概念 • 1835年，提出了科氏力，解决牛顿第二定律在旋转系的应用问题
t=t1 v=？ s=？
分析步骤：1、建立坐标系 2、分析小方块的受力情况
3、建立方程：F=ma
v0=0
4、求解方程得到t1时刻的v和s
怎么分析大气运动？
分析步骤：1、建立坐标系 2、分析空气的受力情况 3、建立方程 4、求解方程得到t1时刻的v和s
§1、坐标系
运动总是相对的
建立相应的坐标系
Run with Bolt ?
地球是旋转的，是非惯性参考系
局地直角坐标系
n s
n
p
s 自然坐标系
球坐标系
x
纽约
北京
x
北京的西风 Vs 纽约的西风
局地直角坐标系：
X方向：与纬圈相切，向东为正 Y方向：与经圈相切，向北为正 Z方向：向上为正
在地球上可随意移动，在地球上的不同地点（X,Y,Z）的方向 是变化的；
在一个不大的范围内，又可以将（X,Y,Z）的方向看成不变； 考虑全球范围或极地地区的大气运动问题时必须采用球坐标
气旋风暴把撒哈拉沙尘输送到 北大西洋
3
风欲静 而树不止
风和树
4
气流越过山地后形成的涡旋
5
大气是一种流体
在高中物理的力学部分, 我们学习的主要 是固态物体的运动.大气是一种流体，现在 , 我们从流体力学的观点出发来学习大气 的运动.
6
怎么分析大气运动？
光滑表面
推力F
t=0 v=0 s=0
x
第三章 关于大气运动的 基本规律
为什么要分析大气运动？
大气运动的状态及其变化对发生在大气中的各种物理 化学过程以及相应的天气气候有重要的影响，甚至于 决定性的影响。
1903年，挪威气象学家V.Bjerknes提出：天气预报问 题不过是一组控制大气运动的动力和热力物理方程的初 值问题，天气预报就是这一数学方程组的解。
试验设置：O点固定在转盘中心，A位置为转盘外
固定点，由O向A抛出小球
A
o
正上方视图
o A t1 t 2 t 3 t4 t 5
t1
t2
t3t t5
4
A
计划做匀速直线运动的兔子，在非惯性坐标系下 的运动轨迹却是曲线，且偏向于运动方向的右侧。
Why ??
引入地转偏向力， A2 V
地转偏向力的性质：
1、大小：与速度成正比 2、方向：
空间上的一个点，既有质量又有体积； 每个质点具有稳定的物理量。
流点是一个物理上的点，与数学上的点有区别。
将离散分子构成的实际流体看成由无数个上述流体质点没有 空隙连续分布而构成，这就是连续 介质假设。
二、作用于 “流点” 的力
1、万有引力
Fg GrM 2 m rr
r
M
m
2、摩擦力 外摩擦力：空气与地表之间的摩擦力 内摩擦力：空气之间的相对运动产生的摩擦力
3、气压梯度力-------气压分布不均匀造成
长方体：dx，dy，dz，密度ρ 则：m= ρ dxdydz
z
P1
P2
F1
y
dz
F2=？
dx dy
X
单位长度 气压的增长为：
A
A= p
x
P2 ----- 大小： P1+A*dx
p1 p dx x
方向：与x轴正方向反向
p
即：
P2
(p1 dx) x
因此，x方向的受到的力为：
1、气压梯度力大小：与气压梯度成正比 2、气压梯度力方向：由高压指向低压
两地之间存在气压梯度的话，气压梯 度就会把两地间的空气从气压高的一边 推向气压低的一边，于是空气流动，产 生了风
气压梯度力
30
气压梯度可以从天气图上看出
地面的等压线
500hpa(mb)等压面上的等高线
31
等压面和等高线
r
A
惯性坐标系（圆盘外的人）：
小球是旋转的，有向心力 2R
矛盾
非惯性坐标系（圆盘）： 小球是静止的
因此，对于非惯性坐标系（圆盘），小球受向心力， 但又是静止的，这是矛盾的，不满足牛顿运动定律。
引入惯性离心力，大小与向心力相等，方向相反.
C2R
5、地转偏向力
t=0
t=1
t=2
t=3
物理模型—转盘试验
p 1 d y d z (p 1 p d x )d y d z p d x d y d z
x
x
因此，单位质量的空气微团，
x方向的气压梯度力为：
Px：
p x
dxdydz
1
p
dxdydz x
同理， Py：
1
p y
Pz：
1
p z
写成矢量形式：
1p p p
PG(xiyjzk)
气压梯度力性质：
参考系
要描述一个物体的位置和运动情况 ，就应该首先选定其他物体作为标 准，并假定它是静止的，被选作标 准的物体叫做参考系。
惯性坐标系：适用于牛顿运动定律的参考系 相对于恒星是固定的
Biblioteka Baidu坐 标
F=ma
系
局地直角坐标系
非惯性坐标系： 球坐标系
柱坐标系
自然坐标系
F≠ma
参考系如何选择，原则上是任意 的。在气象研究中通常都选地球 作为参考系。
系，其余情况采用局地直角坐标系。
§2、受力分析
Q1：对谁做受力分析？ Q2：受到哪些力？
一、空气微团（流点、质块、质点）与连续介质假设
假设：流点的线尺度为L2
分子的平均间距为L1
L1
流动（运动）范围线尺度为L3
L2
L3
则： L1 << L2 << L3
即：要求流点足够大，包含足够多的气体分子 要求流点足够小，相对于运动范围可看成一个点
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三维显示等压面和等高线
33
立体显示等压面和等高线
34
等压面上的等高线就好比在山 地表面画等高线
35
地面冷高压，高空低压 地面暖低压，高空高压
36
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万有引力 摩擦力
气压梯度力
施力对象 受力对象
真实力
非惯性坐标系下，情况如何？？
4、惯性离心力 非惯性坐标系下静止的物体：
A点有一小球，随圆盘一起逆 时针旋转. 小球相对转盘静止.