天气学原理和方法 第一章 大气运动的基本特征
天气学原理复习提纲
第一章大气运动的基本特征重点及难点：1、影响大气运动的作用力 2、“P”坐标系中的基本方程组 3、风场和气压场的关系思考题：1。
观测者站在转动地球上观测单位质量空气块所受到的力有哪些？写出其表达式及说明物理意义。
2。
在“Z”坐标系及“P”坐标系中，固定点温度变化由什么决定？ 3．质量通量散度定义及其表达式是什么？4．及含义是什么？ 5．大尺度系统运动可作为什么处理？ 6．位势及位势高度含义是什么？ 7．实际工作中分析高空图为什么分析等压面图而不分析等高面图？ 8．“Z”坐标系中，水平气压梯度力可以用“P”坐标系中什么表示？ 9．“Z”坐标系及“P”坐标系地转风表达式及其意义是什么？ 10．大尺度系统运动中，低压中心周围风场为什么逆时针旋转？高压中心周围风场为什么顺时针旋转？11．大尺度系统运动中，高压边缘等压线为什么可以分析密集些？风为什么可以加大或无限加大？ 12．热成风表达式及其意义是什么？ 13．正压大气、斜压大气定义及其意义是什么？ 14．解释某气层间风随高度逆转有冷平流。
15．注意地转风，梯度风，热成风在天气分析中应用。
16．会画图分析摩擦层中地转偏差的方向。
17．掌握自由大气中地转偏差分解。
第二章气团与锋重点及难点：1、锋的空间概念 2、锋及锋面附近气象要素场的特征3、物理解释锋生、锋消的原因思考题：1。
锋、锋区、锋面、锋线定义是什么？ 2．等压面图中，锋区内等温线为什么会密集？ 3．用密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式是什么？其意义如何？4．会画冷式、暖式锢囚锋剖面图。
5．用密度零级不连续面模拟锋时，锋面附近气压场、风场、变压场有何特征？ 6．锋生条件是什么？锋生锋消公式及其物理意义请说明。
7．稳定大气与不稳定大气中，冷锋爬山是锋生还是锋消？第三章气旋与反气旋重点及难点：1、用涡度方程及位势倾向方程解释天气系统的发生发展2、用“ω”方程诊断天气系统的上升及下沉运动区3、用动力因子及热力因子解释高空槽及温带气旋变化思考题：1。
大气运动的基本特征
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
1.1 影响大气运动的作用力
➢ 气压梯度力的数学表达式：G p x y z / x y z
➢ 气压梯度力的推导：
设气块为一个六面体，取局地直角坐标系，其体 积为 V x y z(图1.1)。
设周围大气作用于B 面上的压力为p y z ，
则作用于A面上的压 力应为 ( p p x) y z
一个沿x方向的作用力f zx，下部
流体必施于 z面0 上部流体层一个
反作用力- f ， zx
f zx
A u
z
摩擦力与作用面积,垂直切变成正比
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
1.1 影响大气运动的作用力
定义 为动力粘滞系数， 为 z作x 用于单位面积的粘滞
力，称为切应力或雷诺应力。
上部大气作用的X方向切应力
(p i p j p k) x y z p x y z 全矢量形式 x y z
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
体积元上的总净压力 (p i p j p k) x y z p x y z x y z
1.1 影响大气运动的作用力
按气压梯度，气压梯度力的定义
由于气压分布不均匀而造成的单位体积气块上
一、基本作用力-----气压梯度力
➢ 气压梯度的定义：当气压分布不均匀，气块就会受 到一个净压力的作用，作用于单位体积气块上的净 压力称为气压梯度。
➢ 气压梯度力的定义：当气压分布不均匀，气块就会 受到一个净压力的作用，作用于单位质量气块上的 净压力称为气压梯度力。
G p x y z / x y z 1 p ？？
用绳子牵引转动单位质量的球
高二上地理大气运动知识点
高二上地理大气运动知识点大气运动是地理学的重要内容之一，它是指大气中气象要素在时间和空间上的运动和变化。
了解大气运动的知识，对于我们理解天气、气候和自然灾害等具有重要的意义。
本文将介绍高二上学期地理课程中关于大气运动的知识点。
一、大气运动的概念和特征大气运动是指大气中水平和垂直方向上的空气质量的运动。
它有以下几个主要特征：1. 耦合性：大气中的各种运动相互联系、相互制约，形成复杂的运动系统。
2. 循环性：大气运动具有循环性，如地球纬度带状运动和气旋、锋面等。
3. 季节性：大气运动随季节的变化而变化，如气压带随着太阳直射点的移动而变动。
二、大气运动的分类大气运动可以根据不同的标准进行分类，主要包括风、气团运动和锋面运动。
1. 风：指大气中空气水平移动的一种运动形式。
根据气流的推动力不同，风可分为地形风、地转风、地理风和季节风等。
2. 气团运动：指大气中由于地表气氛颗粒受热而产生垂直运动的一种形式。
常见的气团有对流气团、上升气团和下沉气团等。
3. 锋面运动：指不同性质的空气团相互接触、冲击和混合的一种运动形式。
常见的锋面有冷锋、暖锋和静锋等。
三、大气运动的驱动力大气运动是受到多种力量的作用而发生的，主要有地球自转力、地球的地形、地球辐射平衡以及洋流等。
1. 地球自转力：地球自转产生的离心力和科里奥利力引起了风的产生和流向。
2. 地球的地形：地球的地形会影响风的产生和分布，如山地风、山谷风等。
3. 地球辐射平衡：地球表面的不均匀加热引起空气的上升和下沉运动，从而产生锋面和风系统。
4. 洋流：洋流通过海水的运动影响大气运动，如海陆风、季节风等。
四、大气运动的影响大气运动对于地球上的气候、天气和环境等方面有着重要的影响。
1. 气候影响：大气运动决定了地球不同地区的气候特征，如热带气候、温带气候和寒带气候等。
2. 天气影响：大气运动使得天气变化多端，如气旋、锋面和降水等。
3. 环境影响：大气运动是土地、水域和空气间能量交换的重要媒介，影响着生态系统和环境的稳定与变化。
天气学基础课件——大气运动的基本特征
二、地心引力
万有引力： 地球对单位质量空气的引力：
(地球半径为a,质量为M，空气块质量为m，离地高度为z)
因为 ：
即
所以 ：
—— 海平面的地心引力（常数）
P z
k
3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气的 密度成反比，即等压线越密集，气压梯度越大。
在同样的气压梯度下，高出的风就比低处的风大， 因为高空的密度小。
4. 水平气压梯度力 比垂直气压梯度力小很多。
水平方向: 100 km 相差1hpa 垂直方向: 8-10 m 相差1hpa 1000hpa~850hpa 平均相差1500m
研究方法：1、 天气图——工具 建立天气模式，分析天气过程的演变规律
2、定性的物理分析方法 a)天气图看懂 b)公式意义明确（不在于推导）
4.课程内容和参考书
内容：1——5章 参考书：梁必琪的《天气学》
5.要求
• 天气学 、天气分析、动力气象联系学习 • 认真阅读课本 • 每章思考题——记忆 • 考试：思考题范围之内
表达式:
单位：焦耳/千克
g=const
• 1位势米 因为当z=1米 Φ=9.8焦/千克 所以认为定义一位势米就是9.8焦/千克
位势高度:
g=9.8 常数
• 等位势面的优点:
等位势面不平行于等几何面,只在海平面上重合
等位势面处处与重力方向垂直,无重力分量——相 当于是空中水平面
三、惯性离心力 向心力～向心加速度
惯性离心力
• 讨论： 1. 的方向垂直于地轴，指向地球外侧。 2. 的大小随纬度变化：赤道最大，极地最小。 3. 地球自转角速度Ω=2π/24小时=7.29×10-5 /秒 . 4. 地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。
805天气学
南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试《天气学》考试大纲科目代码：805科目名称：天气学第一部分目标与基本要求一、目标：天气学原理与方法（天气学）主要内容是以天气动力学原理揭示大气运动的基本特征和用此原理论述天气系统及天气过程生、消演变规律的天气学原理及中国天气，为进一步学习动力气象学、低纬度天气动力学、中尺度天气学、大气环流及中长期预报，也为将来天气预报业务及研究工作打下基础。
二、基本要求：要求学生掌握有关内容基本概念、基本理论和基本方法，以便提高综合分析及解决问题的能力。
第二部分内容与考核目标第一章大气运动的基本特征1.了解大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义2.了解个别变化、局地变化、平流变化含义3. 会推导连续方程，了解质量散度、速度散度含义、表达式及其物理意义，4.了解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理5.理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子6.了解实际工作中高空分析等压面图而不分析等高面图（P坐标系的优越性）7.了解位势、位势高度、位势米、几何米概念8.理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示9.理解地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及掌握它的讨论10.了解正压大气、斜压大气概念；掌握热成风发生在斜压大气中11.了解地转风、梯度风及热成风实用意义12.掌握低压中心附近及其边缘，还有高压边缘等压线可以分析密大风经常出现，而高压中心附近不能有上述现象13.理解变压风及切向、法向地转偏差含义，要求会画图解释第二章气团与锋1.了解锋、锋面、锋线、锋区含义及锋倾斜原因2.了解冷性锢囚锋、暖性锢囚锋含义，要求会画出剖面图中锋位置及等温线分布3.了解以密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式物理意义4.理解锋附近温度分布特征及锋面附近气压、变压分布特征5.掌握锋面分析中，高空测风资料应用图2.27(a)(b)(c)6.了解锋生带（线）、锋生函数、锋生条件概念7.掌握锋生、锋消公式讨论第三章 气旋与反气旋1. 了解大气作水平运动、绝对涡度概念及理解 2h H ∇含义2. 理解大尺度系统运动中，固定点相对涡度变化可以用此点位势高度变化表示3. 掌握涡度方程、位势倾向方程及ω方程等式右端各项名称及画出有关图,用相关因子进行讨论4. 掌握在温带气旋发展中,动力因子(涡度因子)及热力因子对500hpa 高空槽及温带气旋变化,要求会画图解释5. 了解气旋族含义6. 了解北方、南方气旋活动范围及包括哪些气旋7. 掌握“倒槽锋生型”、“静止锋波动型”，要求画图解释江淮气旋生成过程第四章 大气环流1. 了解控制大气环流基本因子、了解三圈环流的形成2. 了解三圈径向环流、极锋锋区与副热带锋区及其对应急流概念3. 了解信风与季风概念4. 了解沃克环流含义5. 了解我国各季环流概况及主要天气天气过程特点第五章 天气形势及天气要素预报1. 理解运动学公式中t δδ及t∂∂含义，掌握用运动学公式推导锋面移速公式并会讨论冷锋、暖锋移速情况与变压分布特征2. 掌握用运动学公式讨论非闭合系统及闭合系统移动及强度3. 高空形势预报方程中，由于各层等温线平行，因此各层热成风方向相同，这样任意层风速 P p T V V AV =+注意理解A 的系数确定4. 掌握相对涡度平流在自然坐标系中展开分成三项，其中曲率项及散合项在实际天气图中会应用5. 掌握用高空形势预报方程有关项，结合等高线等温线分布解释500hpa 槽、脊变化6. 熟悉地面形势预报方程由哪几项组成，要求会讨论应用7. 掌握地形对低值系统(槽、低压)移动及强度影响8. 了解数值预报产品的“释用”第六章 寒潮天气过程1.了解极涡及上下游游效应含义2.了解长波波速公式的推导，会对该公式进行讨论3.会运用形势预报原理解释“小槽发展型”、“横槽转竖型”的寒潮短、中期过程第七章 大型降水天气过程1.理解水汽通量、水汽通量散度概念、表达式及物理意义2.了解中国及其各地暴雨有何天气系统影响3.熟悉我国东部雨带活动概况4.理解行星尺度、天气尺度系统对暴雨作用第八章对流天气过程1.了解飑中系统含义及飑线与冷锋区别2.理解对流性不稳定与条件性不稳定概念3.理解强雷暴发生发展有利条件第九章低纬度与高原环流系统1.熟悉西太平洋副热带高压变动与我国天气关系2.掌握南亚高压与西太平洋副热带高压区别3.掌握台风结构4.掌握台风发生发展第十章东亚季风环流1.了解季风的概念，了解东亚冬、夏季风环流系统的组成2.了解东亚季风形成的原因第三部分有关说明与实施要求1.考试目标的能力层次的表述本课程对各考核点的能力要求一般分为三个层次用相关词语描述: 较低要求——了解一般要求——理解、熟悉、会较高要求——掌握、应用一般来说,对概念、原理、理论知识等,可用“了解”、“理解”、“掌握”等词表述；对应用方面，可用“会”、“应用”、“掌握”等词。
《天气学原理》课程教学大纲
《天气学原理》课程教学大纲课程名称：天气学原理英文名称：Principle of Synoptic Meteorology学分：4 总学时：57 理论学时：46 实验（上机）学时：11适用专业：大气科学一、课程的性质、目的天气学原理是研究不同尺度的天气系统和天气现象发生发展及其变化的基本规律，并利用这些规律来预测未来天气的科学。
该课程是大气科学专业本科生的重要专业基础课程和主干课之一，属于专业核心课程。
该课程侧重理论教学，主要介绍天气学的经典理论：大气运动的基本特征、锋面理论、气旋与反气旋、大气环流概况、天气系统和天气形势的天气学预报方法。
通过本课程的学习使学生掌握天气学预报的基本原理、基本概念和基本分析方法。
二、教学基本要求通过学习“天气学原理”课程，学生应掌握天气学预报的基本原理和基本概念，掌握天气系统多维结构的建立，以及天气学理论和具体天气过程、天气系统的相互融合，掌握天气学预报的基本分析方法，具有推导基本方程和公式的能力，初步做到利用天气学原理的知识解释和分析基本天气事实，并为后续专业课程的学习和今后的业务与科研工作奠定坚实的理论基础。
三、课程教学基本内容第1章大气运动的基本特征1、教学内容1.1旋转坐标系运动方程及作用力分析熟练掌握大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义。
1.2控制大气运动的基本定律理解个别变化、局地变化、平流变化含义，熟练掌握质量散度（质量通量散度）含义、表达式及其物理意义。
1.3大气尺度系统的控制方程理解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理，理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子。
1.4“P”系统中的基本方程组掌握P坐标系的优越性，掌握位势、位势高度、位势米、几何米概念，理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示。
1.5风场和气压场的关系熟练掌握地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及有关讨论，并会应用。
大气运动基本特征课件
根据气象预报结果，建立预警系统， 及时发布灾害性天气预警信息，为公 众提供安全保证。
预测技术
采用数值预报、统计预报、模式预报 等预测技术，提高气象预报的准确性 和时效性。
04
大气运动的模拟与数 值模拟
气象模型的基本原理与分类
气象模型的基本原理
气象模型是利用数学和物理方法对大气运动进行模拟和预测的工具。它基于大 气运动的基本规律，通过建立数学方程来描述大气的运动状态和变化过程。
环境保护
大气运动对空气污染物的扩散和稀 释有着重要影响，通过对大气运动 的控制和调节，可以保护环境，减 少污染。
大气运动的研究方法
01
02
03
观测方法
通过气象观测站、卫星遥 感、雷达等手段对大气运 动进行观测和测量。
数值模拟方法
利用计算机数值模拟技术 对大气运动进行模拟和分 析，可以揭示大气运动的 规律和机制。
高空急流及其影响下的天气现象
高空急流定义
高空急流是一种高速流动的空气柱，存在于大气层较高的 位置。
高空急流类型
有水平急流和垂直急流两种。
天气现象
高空急流对天气的影响主要表现在它对空气流动的引导作用，常 常引导气流形成云层、降水等天气现象。同时，高空急流还与大
气环流和蔼候变化密切相关。
06
大气运动的未来发展 趋势与挑战
气象观测数据获取与分析
数据获取
通过地面气象观测站、自动气象 站和遥感设备获取气象观测数据
。
数据处理
对获取的数据进行预处理，如数 据清洗、格式转换等。
数据分析
利用统计学方法对处理后的数据 进行统计分析，提取有用的信息
。
气象预报与预测技术
气象预报
天气学原理问答题汇编1
天气学原理问答题汇编徐文金（南京信息工程大学大气科学学院，210044）本汇编是结合朱乾根等人编著的“天气学原理与方法”(第三版)一书而编，故应结合该书来复习本内容。
第一章 大气运动的基本特征§1.1影响大气运动的作用力问题：大气运动遵守那些定律？大气运动遵守流体力学定律。
它包含有牛顿力学定律，热力学定律，质量守恒定律。
水汽守恒定律，气体实验定律等。
问题：大气运动受到那些力的作用？那些力属于基本力（牛顿力）？那些属于惯性力？受到气压梯度力、地心引力、摩擦力、惯性离心力和地转偏向力等作用。
其中气压梯度力、地心引力、摩擦力是基本力，或称牛顿力。
而惯性离心力和地转偏向力是惯性力，也称为‘视示力’。
问题：气压梯度力的定义及其数学表达式？当气压分布不均匀时，气块就会受到净压力的作用。
我们定义：作用于单位质量气块上的净压力称为气压梯度力。
用符号G 表示之，其数学表达式为：p 1G ∇-=ρ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=k z p j y p i x p 1 ρ （1.1）式中表示气压梯度力是由气压在空间分布不均匀而产生的，与气压梯度成正比，并指向低压方向。
问题：何谓地心引力？根据牛顿万有引力定律，任何两个物体之间都有引力，其大小与两物体的质量乘积成正比，并于两物体之间的距离平方成反比。
地球对单位质量空气的引力称地心引力，它的方向指向地球中心。
地心引力是始终作用于大气的实在的力。
问题：何谓惯性离心力？我们都是站在地球上来观测大气运动，所以应选取随地球一起旋转的坐标系作为参考系。
旋转坐标系是一种非惯性参考系，在这个坐标系中观测到的静止或匀速运动的物体，相对于惯性（绝对）坐标系并不是静止或匀速运动，实际上是作加速运动。
因此只有计入坐标系的加速度才能应用牛顿运动定律。
对于一个匀角速转动的坐标系，只要引入惯性力就可以了。
设Ω为地球自转角速度(1-5107.29-⨯=秒)，R 为空气块垂直于自传轴的距离，惯性离心力C 的数学表达式是R C 2 Ω= (1.5)地表上每一静止的物体都会受到这一惯性离心力的作用。
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南京信息工程大学2012年硕士研究生招生入学考试《天气学》考试大纲科目代码：805科目名称：天气学第一部分目标与基本要求一、目标：天气学原理与方法（天气学）主要内容是以天气动力学原理揭示大气运动的基本特征和用此原理论述天气系统及天气过程生、消演变规律的天气学原理及中国天气，为进一步学习动力气象学、低纬度天气动力学、中尺度天气学、大气环流及中长期预报，也为将来天气预报业务及研究工作打下基础。
二、基本要求：要求学生掌握有关内容基本概念、基本理论和基本方法，以便提高综合分析及解决问题的能力。
第二部分内容与考核目标第一章大气运动的基本特征1.了解大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义2.了解个别变化、局地变化、平流变化含义3. 会推导连续方程，了解质量散度、速度散度含义、表达式及其物理意义，4.了解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理5.理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子6.了解实际工作中高空分析等压面图而不分析等高面图（P坐标系的优越性）7.了解位势、位势高度、位势米、几何米概念8.理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示9.理解地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及掌握它的讨论10.了解正压大气、斜压大气概念；掌握热成风发生在斜压大气中11.了解地转风、梯度风及热成风实用意义12.掌握低压中心附近及其边缘，还有高压边缘等压线可以分析密大风经常出现，而高压中心附近不能有上述现象13.理解变压风及切向、法向地转偏差含义，要求会画图解释第二章气团与锋1.了解锋、锋面、锋线、锋区含义及锋倾斜原因2.了解冷性锢囚锋、暖性锢囚锋含义，要求会画出剖面图中锋位置及等温线分布3.了解以密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式物理意义4.理解锋附近温度分布特征及锋面附近气压、变压分布特征5.掌握锋面分析中，高空测风资料应用图2.27(a)(b)(c)6.了解锋生带（线）、锋生函数、锋生条件概念7.掌握锋生、锋消公式讨论第三章气旋与反气旋1.了解大气作水平运动、绝对涡度概念及理解 含义2h H ∇2.理解大尺度系统运动中，固定点相对涡度变化可以用此点位势高度变化表示3.掌握涡度方程、位势倾向方程及ω方程等式右端各项名称及画出有关图,用相关因子进行讨论4.掌握在温带气旋发展中,动力因子(涡度因子)及热力因子对500hpa 高空槽及温带气旋变化,要求会画图解释5.了解气旋族含义6.了解北方、南方气旋活动范围及包括哪些气旋7.掌握“倒槽锋生型”、“静止锋波动型”，要求画图解释江淮气旋生成过程第四章大气环流1.了解控制大气环流基本因子、了解三圈环流的形成2.了解三圈径向环流、极锋锋区与副热带锋区及其对应急流概念3.了解信风与季风概念4.了解沃克环流含义5.了解我国各季环流概况及主要天气天气过程特点第五章天气形势及天气要素预报1.理解运动学公式中及含义，掌握用运动学公式推导锋面移速公式并会t δδt ∂∂讨论冷锋、暖锋移速情况与变压分布特征2.掌握用运动学公式讨论非闭合系统及闭合系统移动及强度3.高空形势预报方程中，由于各层等温线平行，因此各层热成风方向相同，这样任意层风速 注意理解A 的系数确定P p T V V AV =+ 4.掌握相对涡度平流在自然坐标系中展开分成三项，其中曲率项及散合项在实际天气图中会应用5.掌握用高空形势预报方程有关项，结合等高线等温线分布解释500hpa 槽、脊变化6.熟悉地面形势预报方程由哪几项组成，要求会讨论应用7.掌握地形对低值系统(槽、低压)移动及强度影响8.了解数值预报产品的“释用”第六章寒潮天气过程1.了解极涡及上下游游效应含义2.了解长波波速公式的推导，会对该公式进行讨论3.会运用形势预报原理解释“小槽发展型”、“横槽转竖型”的寒潮短、中期过程第七章大型降水天气过程1.理解水汽通量、水汽通量散度概念、表达式及物理意义2.了解中国及其各地暴雨有何天气系统影响3.熟悉我国东部雨带活动概况4.理解行星尺度、天气尺度系统对暴雨作用第八章对流天气过程1.了解飑中系统含义及飑线与冷锋区别2.理解对流性不稳定与条件性不稳定概念3.理解强雷暴发生发展有利条件第九章低纬度与高原环流系统1.熟悉西太平洋副热带高压变动与我国天气关系2.掌握南亚高压与西太平洋副热带高压区别3.掌握台风结构4.掌握台风发生发展第十章东亚季风环流1.了解季风的概念，了解东亚冬、夏季风环流系统的组成2.了解东亚季风形成的原因第三部分有关说明与实施要求1.考试目标的能力层次的表述本课程对各考核点的能力要求一般分为三个层次用相关词语描述:较低要求——了解一般要求——理解、熟悉、会较高要求——掌握、应用一般来说,对概念、原理、理论知识等,可用“了解”、“理解”、“掌握”等词表述；对应用方面，可用“会”、“应用”、“掌握”等词。
天气学原理和方法 第一章 大气运动的基本特征
V
>0 体积增大 辐散
<0 体积缩小 辐合
d 当流体不可压时： 0 dt
则
V 0
u v w 0 x y z
不可压缩流 体的速度散 度为零
u v x y
为水平散度:流体在单位时 间内水平面积的相对膨胀 率
第五节 风场和气压场的关系
大尺度系统的运动方程，揭示了中 纬度大尺度运动中相当简单的作用 力平衡关系，说明大尺度运动具有 平衡运动的特征，本节主要依据这 种力的平衡关系，讨论地转风、梯 度风、热成风等，并建立风场、气 压场和温度场之间的关系
地转风（geostrophic wind）
地转风是指自由大气中空气的水平等速直线 运动，是指无加速度、惯性离心力不起作用 情况下的运动。在这种运动中，只有水平气 压梯度力和地转偏向力起作用。地转风是自 由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平 衡时的空气的水平运动。 地转风是平衡运动，它受到的合外力等 于零，没有加速度。空气运动平行于等压线， 人背风而立，高压在右，低压在左。
此关系对任何 矢量均成立
d a r dr r dt dt Va V Ve V r
绝对速度 相对速度 牵连速度
绝对速度和相对速度
绝对加速度和相对加速度
d aVa d ( )Va dt dt d aVa dV 2 V ( r ) dt dt
（hPa）
热力学能量方程
de p V p Q dt dT d cv p Q dt dt
第三节 大尺度运动系统的控制方程
尺度分析:针对某种类型的运动估计基本 方程各项量级的一种简便方法
《天气学原理》复习重点(上)
天气学原理Char1 大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反。
C=Ω2R地转偏向力：由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立。
地转偏向力的特点：A= -2Ω×V（1）地转偏向力A与Ω相垂直，在纬圈平面内（2）地转偏向力A与风速V垂直，只改变气块运动方向，不改变其速度大小（3）在北半球A在水平速度的右侧，在南半球A在水平速度的左侧（4）地转偏向力的大小与相对速度成正比，V=0时，A=0；只有在做相对运动时A才存在重力：地心引力与惯性离心力的合力。
重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。
3、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？水平地转偏向力：大气中垂直运动一般比较小，气块的运动主要受x方向和y方向的影响。
通常情况下w很小，因而近似有Ax=2Ωv和Ay= -2Ωu。
对水平运动而言，北半球Ax、Ay 使运动向左偏，南半球右偏。
地转偏向力：包括垂直运动。
4、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程5、温度平流变化-V·▽h T是气块在温度水平分布不均匀的区域内保持原有的温度作水平运动而对局地温度变化所提供的贡献，称为温度平流变化。
-▽T温度梯度由高温指向低温。
当-V·▽h T<0时，有冷平流，夹角为钝角，风从冷区吹向暖区，使局地温度降低。
当-V·▽h T>0时，有暖平流，夹角为锐角，风从暖区吹向冷区，使局地温度升高。
天气学原理
天气学原理基础一、大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力不变，指向地心。
（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。
2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反地转偏向力(科氏力）：观测者站在旋转地球上观测单位质量空气块运动，发现在北半球有一个向右偏的力，在南半球向左偏的力。
称此力为地转偏向力，又名科氏力。
由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立地转偏向力的特点：在纬圈平面内；只改变气块运动方向，不改变其速度大小；在北半球，地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧；地转偏向力的大小与相对速度成正比重力：地心引力与惯性离心力的合力。
重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大重力是垂直方向上的，而大气运动是准水平的；科氏力始终垂直于速度方向，故只改变方向，不作功；所以，引起大气运动的最重要作用是：由于压力分布不均匀而产生的压力梯度力（热力作用引起的）。
3、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程4、地转风地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。
风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立低压在左高压在右地转风性质：1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的赤道上（φ=0）水平地转偏向力为零，地转风不存在2）地转风的大小与水平气压梯度力成正比3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）4）地转风速大小与纬度成反比，但在赤道上 =0地转平衡不成立。
天气学原理和方法(1-5)
天气学原理和方法2005年3月29日第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。
第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析一、旋转坐标系中运动方程1. （绝对速度）与（相对速度）t时刻一空气质点位于P点，经t 时间，质块移到Pa点，地球上的固定点假设P移到了Pe位置位移为R，质块相对固定地点的位移为R，图1.1 旋转坐标系显然当 0位移很小时单位时间内的位移为由此得此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和2．与的关系地球自转角速度为则于是由此可得微分算子将微分算子用于则有再将代入上式右端得（*）式中为地转偏向力加速度，即柯氏加速度为向心力加速度3．牛顿第二定律单位质量的空气块所受到的力在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有+：地心引力F：摩擦力将此式代入（*）式：二、作用力分析1．气压梯度力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力②表达式G=-(1.1)③推导：图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量x方向：B面 PA面：-（P+净压力：-同理y方向：z方向：净空气总压力④讨论：大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向2．地心引力① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力② 表达式(1.2)K：万有引力常量M：地球质量a：到地心的距离③ 推导：图1.1.3 地心引力受力分析图④ 讨论：大小：不变，常数方向：指向地球心3．惯性离心力① 定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力。
天气学原理
天气学原理基础一、大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力 不变，指向地心。
（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力 一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。
2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反地转偏向力(科氏力）：观测者站在旋转地球上观测单位质量空气块运动，发现在北半球有一个向右偏的力，在南半球向左偏的力。
称此力为地转偏向力，又名科氏力。
由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立地转偏向力的特点：在纬圈平面内；只改变气块运动方向，不改变其速度大小；在北半球，地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧；地转偏向力的大小与相对速度成正比重力：地心引力与惯性离心力的合力。
重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大重力是垂直方向上的，而大气运动是准水平的；科氏力始终垂直于速度方向，故只改变方向，不作功；所以，引起大气运动的最重要作用是：由于压力分布不均匀而产生的压力梯度力（热力作用引起的）。
3、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程4、地转风地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。
风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立低压在左高压在右地转风性质：1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的赤道上（φ=0）水平地转偏向力为零，地转风不存在2）地转风的大小与水平气压梯度力成正比3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）4）地转风速大小与纬度成反比，但在赤道上=0地转平衡不成立。
天气学原理与方法
F ma
力 真实力(基本力,牛顿力，在空间固定、绝对坐标 系中): 气压梯度力、地心引力、摩擦力 非真实力（视示力、外观力，在旋转坐标系中）： 惯性离心力、地转偏向力
一、基本作用力（真实力）
1. 气压梯度力
气压梯度力
当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的 净压力称为气压梯度力
单位质量空气的气压梯度力
• 一. 地转风
• 零级近似
1 p 0 fv x 1 p 0 fu y 1 p 0 g z
f 2 sin
-(1/) ▽p
低压
Vg
高压
A
du z g ( ) p fv dt x dv z g ( ) p fu dt y z 0 g ( ) p fv x z 0 g ( ) p fv x z z fu g ( ) p ( ) p , fv g ( ) p y y x
特征值或特征尺度：表示特定类型的运动 （如大尺度运动或中小尺度运动）的空间范 围和时间区间的物理量或其他特性的一种尺 度。
（2）用特征值比较方程中各项的大小 例：
3.大气运动系统的分类
行星尺 度
大尺度（天气尺度） 中尺度
对流或小尺度
104km 103km
102km
10km
4.大尺度系统的各场变量的特征尺度
变压风
---
+
思考题
1.什么是零级近似和一级近似? 2.写出零级近似和一级近似的方程组。 3.什么叫位势、位势米、位势高度？ 4.写出个别变化、局地变化、平流变化的P坐标与Z坐标转换关系。 5.写出P坐标系的基本方程。 6.什么是自然坐标？写出自然坐标水平运动方程。 7.什么是地转风？它有哪些基本性质？写出表达式。 8.什么是梯度风？它有哪些基本性质？写出表达式。 9.什么是热成风？它有哪些基本性质？写出表达式。 10.什么是偏差风？它有哪些基本性质？写出表达式。 11.地转偏差是哪些原因造成的？什么是变压风、法向和切向地 转偏差？
天气学原理和方法[1_5]
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天气学原理和方法第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。
第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析一、旋转坐标系中运动方程1. （绝对速度）与（相对速度）t时刻一空气质点位于P点，经t 时间，质块移到Pa点，地球上的固定点P移到了Pe位置位移假设为R，质块相对固定地点的位移为R，图1.1 旋转坐标系显然当 0位移很小时单位时间内的位移为由此得此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和2．与的关系地球自转角速度为则于是由此可得微分算子将微分算子用于则有再将代入上式右端得（*）式中为地转偏向力加速度，即柯氏加速度为向心力加速度3．牛顿第二定律单位质量的空气块所受到的力在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有+：地心引力F：摩擦力将此式代入（*）式：二、作用力分析1．气压梯度力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力②表达式G=-(1.1)③推导：图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量x方向：B面 PA面：-（P+净压力：-同理y方向：z方向：净空气总压力④讨论：大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向2．地心引力① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力② 表达式(1.2)K：万有引力常量M：地球质量a：到地心的距离③ 推导：图1.1.3 地心引力受力分析图④ 讨论：大小：不变，常数方向：指向地球心3．惯性离心力① 定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力。
天气学原理
6、降水的天气尺度系统及其作用
天气尺度系统的作用 A、制约和影响形成暴雨的中尺度系统的活动 B、供应暴雨区的水汽
7、暴雨中尺度系统
中尺度雨团、中尺度低压 中尺度辐合中七章 大型降水天气过程
8、中尺度系统的不稳定发展
对称不稳定理论 触发条件： 锋面抬升、露点锋抬升 能量锋的触发、地形抬升 近地层非均匀加热、重力波抬升 海陆风
2021/7/25
36
第七章 大型降水天气过程
4、大范围降水
A、华南前汛期降水 B、江淮梅雨 （梅雨锋：主要是湿度对比，温度梯度对比时 有时无） C、华北雨季
2021/7/25
37
第七章 大型降水天气过程
5、降水的形星尺度系统及其作用
A、西风槽 B、阻塞高压 C、副热带高压 D、热带环流系统 它们各自的作用是不一样的。请针对具体问题具体分 析。
3
第一章 大气运动的基本特征
4、风与气压场的关系 很复杂、准平衡情况 地转风关系 科氏力与气压梯度力平衡 fV=(1/ρ)▽φ 特点：风沿等压线吹，等压线越密，风速越大 在北半球，背风而立， 高压在右，低压在左
2021/7/25
6
第一章 大气运动的基本特征
4、风与气压场的关系
梯度风关系 科氏力与气压梯度力与惯性离心力平衡
静止锋
锢囚锋（两条锋面相遇）
2021/7/25
12
第二章 气团与锋
2、锋
锋附近的要素场特征
锋面两侧的要素场是有差异的，主要 表现在温度、湿度、气压、风、变压、变温、 天气等
在确定锋面位置时，应考虑上述要素的分布 特征
2021/7/25
13
第二章 气团与锋
2、锋
冷锋附近的要素场特征 锋后为冷区、高压、干燥、负变温、
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局地直角坐标系中的分量方程
du 1 p 2(v sin w cos ) Fx dt x dv 1 p 2u sin Fy dt y dw 1 p 2u cos g Fz dt z
连续方程：表示大气质量守恒 定律的数学表达式
绝对加速度 相对加速度
地转偏向 加速度
向心加速度
全导数和局地导数之间的关系
dT T T T T u v w dt t x y z T dT T V T w t dt z
局地 变化
个别 变化
平流 变化
对流变化
二、影响大气运动的作用力
dV d aVa 2 V ( r ) dt dt dV 2 Fi 2 V R dt i
影响大气运动的作用力为： 真实力：气压梯度力、 地心引力、摩擦力 虚拟力：惯性离心力、地转偏向力
气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压 力，由于气压分布不均匀而产生 性质：大小与气压梯度成正比，与空气密度 成反比，方向指向气压梯度方向，即由高 压指向低压
1 G p
气压梯度是由于气压分布不均匀而产生的，而气压 分布不均匀反映在天气图上就是等压线的分布有疏 有密，这种等压线的疏密程度表示了单位距离内气 压差的大小，等压线愈密集，表示气压梯度愈大。
2 g g R
第二节控制大气运动的基本定律
大气运动受到动量守恒、质量守恒、能量 守恒定律的控制
由上节分析可得旋转坐标系中大气 运动方程为
dV 1 p 2 V g F dt
向量形式的运动方程展开成分量形式， 可以在球坐标和局地直角坐标中进行。 球坐标系中的运动方程分量形式能够描 述从近地面层附近到全球大气环流的各 种各样的运动，它不仅含有旋转坐标系 中的各个作用力，还含有地球曲率对相 对运动加速度的影响，但形式复杂。在 天气学中除个别问题外，一般采用局地 直角坐标系的分量方程
某地的气压值， 等于该地单位面 积上大气柱的重 量。高度愈高， 压在其上的空气 柱愈短，气压也 就愈低。因此， 气压总是随着高 度的增加而降低
气压随高度变化示意图
几种常见的气压场形式
槽、槽线
脊、脊线
两种参考系中的时间全导数
d a A dA A dt dt
d a A dA A dt dt
u v w 0 t x y z
或
( V ) 0 t
质量散度：单位体积内流体的净流出量
( V )
>0 净流出
<0 净流入
( V ) t
表示固定在空间的单位体积内流体 的净流出量等于该单位体积内流体 质量的减少
天 气 学
引言
一、天气学研究的对象 天气学是研究不同尺度的天气系统 和天气现象发生发展及其变化的基本规 律，并利用这些规律来预测未来天气的 科学。而利用天气学的基本原理，提高 预报的准确率，研究并发展天气预报方 法，是天气学的最终目的。
• 二、天气学的发展
• 单站预报方法阶段 • 地面天气图阶段 • 单站与天气图预报结合阶段 • 高空天气图的引入与波动理论的建立阶段 • 开展数值天气预报的研究和应用阶段 • 数值预报与卫星、雷达等先进探测技术结合 应用阶段
此关系对任何 矢量均成立
d a r dr r dt dt Va V Ve V r
绝对速度 相对速度 牵连速度
绝对速度和相对速度
绝对加速度和相对加速度
d aVa d ( )Va dt dt d aVa dV 2 V ( r ) dt dt
连续方程也可变形为
u v w u v w ( ) 0 t x y z x y z d V 0 dt
第一章 大气运动的基本特征 第一节 影响大气运动的作用力
一、基本知识 •大气分层：对流层、平流层、中间 层、暖层和散逸层
大气分为五 层，自下而 上依次是： 对流层、平 流层、中间 层、暖层和 散逸层
Байду номын сангаас
•气压及其单位 在任何表面上，由于大气的重量所 产生的压力，也就是单位面积上所受 到的力，叫做大气压。其数值等于从 单位底面积向上，一直延伸到大气上 界的垂直气柱的总重量。气压是重要 的气象要素之一。 单位为：毫巴或百帕 1mb=1hPa=100Pa
A 2 V
地转偏向力的特点：
地转偏向力 A 与 相垂直，在纬圈平
面内
V 地转偏向力 A 与风速 垂直，只改变
气块的运动方向，不改变其速度大小
在北半球， A 在水平速度的右侧，在南 半球 A 在水平速度的左侧
旋转坐标系中的重力：单位质量 大气所受到的地心引力与惯性离 心力的合力。重力垂直于水平面， 赤道最小，极地最大
惯性离心力：在旋转坐标系中物 体受到向心力的作用却静止。违 反牛顿运动定律，从而引入此力 以平衡向心力，使牛顿运动定律 成立。惯性离心力在纬圈平面内， 与向心力大小相等，方向相反。
2 C R
地转偏向力：由于坐标系的旋 转导致物体没有受力却出现加 速度，违反牛顿运动定律，从 而引入，以使牛顿运动定律在 旋转参考系中成立
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，于是空气流动起来，风产生了
地心引力：指向地心真实存在 的力
GM r g0 2 ( ) a r
摩擦力：指大气因具有粘性，当 有相对运动时所受到的一种粘性 力。指向速度的反方向
2 2 2 u v w F ( 2 i 2 j 2 k) z z z