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《空气动力学》大气物理学 ppt课件

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31
水平风
零度
水平风
同温层
20km 11km
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32
中间层、电离层的特点
中间层的特点
中间层从离地面50公里到80公里为止。
空气十分稀薄，温度随高度增加而下降。
空气在垂直方向有强烈的运动。
电离层(热层)的特点
中间层以上到离地面800公里左右就是电离层。
空气处于高度的电离状态，带有很强的导电性，能吸收、反射和折射无线电波。
同温层之上随着高度的增加，温度逐步升高，直到顶部温度升高到00C左右。
在平流层中，空气只有水平方向的流动。空气稀薄，几乎没有水蒸汽，故没有雷雨等现象，故得名为平流层。空气质量占整个大气的四分之一不到。
大气能见度好，气流平稳，空气阻力小，对飞行有利。现代喷气式客机多在11-12km的平流层底层（巡航）飞行。
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22
1.1 大气的重要物理参数
温度升高，气体粘度系数增大。
温度升高，液体粘度系数减小。
气体
液体
粘度系数ppt随课件温度变化情况
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1.1 大气的重要物理参数
可压缩性
流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度的特性。
流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示。即在相同压力变化量的作用下，密度（或体积）的变化量越大的物质，可压缩性就越大。
105 (千克/ 米秒)
1.780 1.749 1.717 1.684 1.652 1.619 1.586 1.552 1.517 1.482 1.447 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.912 2.047 1.667

高等大气动力学讲义

高等大气动力学讲义(第三稿)第一章引论1、大气动力学的内容，方法和意义2、高等大气动力学讲述的主要内容3、大气动力学发展(简)史1、大气动力学的内容，方法和意义1.1内容大气动力学把地球(行星)大气作为连续介质(流体)，用流体力学、热力学定律研究其中发生的各种尺度的宏观运动，总结运动规律，探索运动的机制，为预测大气的运动提供理论基础。

高等大气动力学：对物理内涵的阐释更加精准，使用的数学方法更加严谨，得出的结论更具普遍意义及一般性。

该课程与大学所修“动力气象学”之关系，类似普通物理学与理论物理学之关系。

大气(地球流体)大尺度运动与普通流体之运动主要异处有三：①层结性：层结性使之更具“弹性”；②旋转性：旋转性使之更具“刚性”；③斜压性：斜压性使之更具“活性”。

此为地球流体(大气与海洋)大尺度运动之主要特性，此外，大气运动还有以下独特属性：④气压场(质量场)、温度场、湿度场均与流场耦合，而非相互独立；⑤不同时空尺度的运动之间存在复杂的非线性相互作用。

就大气运动而言，水汽相变至为重要且困难；辐射过程为另一重要且复杂之过程。

这些过程令大气运动之动力过程与热力过程相耦合，能量过程与物质过程相耦合，使问题复杂化，然亦令大气运动运动丰富且独特。

此外，非线性过程令不同尺度(时间尺度、空间尺度)之运动间耦合，亦使大气运动复杂而多彩。

大气中各种时空尺度的运动规律及其物理机制，不同时空尺度运动间的相互作用，是大气动力学研究的核心内容。

本课程主要关注大气的大尺度运动。

图1.1 该图给出了辐射传输、水汽过程、大气运动等热力、动力过程的耦合。

大气辐射过程与大气中的水汽含量和分布密切相关，水汽的分布状况有强烈依赖于大气运动，而大气的运动多于热源强迫有关，热源的状况本质上又是辐射过程决定。

如此以来，热力过程与动力过程相耦合，形成一个相互作用的复杂的系统。

复杂系统往往较为稳定，形成观测到的相对稳定的气候。

1.2 方法①观测(实验)研究：获得(收集)观测资料加以分析，去粗取精，去伪存真，发现最核心的物理现象，提出科学问题。

大气的运动ppt16 人教课标版

课堂练习
1.引起大气运动的根本原因是: D A 海陆间热力差异 B 太阳风的驱动作用 C 地面高度不同 D 因纬度不同造成的地面热量差异 2.产生大气水平运动的直接原因: A 水平气压梯度力 B 地转偏向力 C 地面摩擦力 D 前三个力的合力 3.大气运动的最简单的形式是:
A
C
A 气旋和反气旋
C 热力环流
低压西高压
风压定律：北半球高空，背风而立，左侧为低压，右侧为高压近地面，背风而立，左前方为低压，右后方为高压
东
北半球近地面高、低压中心处想一想
大气的运动是怎样一种情形呢？
990 1010 1010 990
气压单位：（百帕）
北半球
低高
北半球低压中心 ——逆时针方向由四周向中心流入
1、天行健，君子以自強不息，地勢坤，君子以厚德载物。 2、如果放弃太早，你永远都不知道自己会错过什么。 3、你特么的看看你现在的样子?还是我爱的那个你么? 4、你的选择是做或不做，但不做就永远不会有机会。 5、你必须成功，因为你不能失败。 6、人生有两出悲剧：一是万念俱灰，另一是踌躇满志。 7、男儿不展风云志，空负天生八尺躯。 8、心灵纯洁的人，生活充满甜蜜和喜悦。 9、遇到困难时不要抱怨，既然改变不了过去，那么就努力改变未来。 10、只要功夫深，铁杵磨成针。 11、用理想去成就人生，不要蹉跎了岁月。 12、永不言败是追究者的最佳品格。 13、目标的实现建立在我要成功的强烈愿望上。 14、保持激情;只有激情，你才有动力，才能感染自己和其他人。 15、别人能做到的事，自己也可以做到。 16、学习必须如蜜蜂一样，采过许多花，这才能酿出蜜来。 17、通过辛勤工作获得财富才是人生的大快事。 18、努力了不一定能够成功，但是放弃了肯定是失败。 19、人活着就要快乐。 20、不要死，也不要的活着。 21、有努力就会成功! 22、告诉自己不要那么念旧，不要那么执着不放手。 23、相信他说的话，但不要当真。 24、人不一定要生得漂亮，但却一定要活得漂亮。 25、世事总是难以意料，一个人的命运往往在一瞬间会发生转变。 26、活在当下，别在怀念过去或者憧憬未来中浪费掉你现在的生活。 27、一份耕耘，份收获，努力越大，收获越多。 28、春来我不先开口，哪个虫儿敢吱声。 29、一切事无法追求完美，唯有追求尽力而为。这样心无压力，出来的结果反而会更好。 30、进则安居以行其志，退则安居以修其所未能，则进亦有为，退亦有为也。 31、有智者立长志，无志者长立志。 32、在生命里寻觅快乐的方法，就是了解你被赋予生命是为了奉献。 33、纯洁的思想，可使最微小的行动高贵起来。 34、心作良田耕不尽，善为至宝用无穷。我们应有纯洁的心灵，去积善为大众。就会获福无边。 35、坚强并不只是在大是大非中不屈服，而也是在挫折前不改变自己。 36、希望是厄运的忠实的姐妹。 37、世间上最美好的爱恋，是为一个人付出时的勇敢，即使因此被伤得体无完肤，也无悔无怨。 38、梦想不抛弃苦心追求的人，只要不停止追求，你们会沐浴在梦想的光辉之中。 39、人生最困难的不是努力，也不是奋斗，而是做出正确的抉择。 40、不管现在有多么艰辛，我们也要做个生活的舞者。 41、要成功，先发疯，头脑简单向前冲。 42、有智慧才能分辨善恶邪正;有谦虚才能建立美满人生。 43、无论什么时候，做什么事情，要思考。 44、不属于我的东西，我不要;不是真心给我的东西，我不稀罕! 45、我们从自然手上收到的最大礼物就是生命。 46、失败的定义：什么都要做，什么都在做，却从未做完过，也未做好过。 47、让我们将事前的忧虑，换为事前的思考和计划吧! 48、永远对生活充满希望，对于困境与磨难，微笑面对。 49、太阳照亮人生的路，月亮照亮心灵的路。 50、生活中的许多事，并不是我们不能做到，而是我们不相信能够做到。 51、不要说你不会做!你是个人你就会做! 52、学习这件事，不是缺乏时间，而是缺乏努力。 53、能够说出的委屈，便不是委屈;能够抢走的爱人，便不是爱人。 54、任何业绩的质变都来自于量变的积累。 55、胜利女神不一定眷顾所有的人，但曾经尝试过，努力过的人，他们的人生总会留下痕迹! 56、勤奋是学习的枝叶，当然很苦，智慧是学习的花朵，当然香郁。 57、人不能创造时机，但是它可以抓住那些已经出现的时机。 58、没有斗狼的胆量，就不要牧羊。 59、有时候，垃圾只是放错位置的人才。 60、不要怕被人利用，人家利用你，说明你还有利用的价值。 61、人的生命，似洪水奔流，不遇着岛屿和暗礁，难以激起美丽的浪花。 62、与积极的人在一起，可以让我们心情高昂。 63、向日葵看不到太阳也会开放，生活看不到希望也要坚持。 64、才华是血汗的结晶。才华是刀刃，辛苦是磨刀石。 65、一个人至少拥有一个梦想，有一个理由去坚强。

高等大气动力学

高等大气动力学高等大气动力学是研究大气运动和变化的学科。

大气是地球上最外层的气体，它与地球的平衡和稳定密不可分。

大气动力学研究着大气中的运动、能量传递、压力分布、热力学过程、气候变化等一系列重要现象，通过这些研究可以更好地理解和预测天气、气候和环境变化。

在大气运动方面，高等大气动力学关注着大气中的各种运动：从大尺度的大气环流到小尺度的湍流运动。

大气的运动是由地球自转、地球表面的不均匀加热以及气候因子的相互作用所驱动的。

通过分析和模拟大气运动，我们可以了解不同地区的气候区别，帮助气象预测，指导农业生产、城市规划和环境保护等。

能量传递是大气动力学的另一个重要方面。

太阳能是维持地球气候系统的主要能量来源，而大气则是能量在地球系统中的传递媒介。

通过了解热传递、辐射和对流等过程，我们可以理解气温变化、降水模式以及云的形成等现象。

这对于气候模拟和可持续发展的研究具有重要的指导意义。

压力分布是大气动力学中的基本概念之一。

大气中的气压随着高度的变化而变化，从而形成了气压梯度力。

这种气压梯度力与地球的自转和地形的影响相结合，驱动着大气的水平运动。

了解这种压力分布对于预测气候变化和天气系统的形成至关重要。

热力学过程也是大气动力学的研究重点之一。

大气中的物质是以气体形式存在的，它遵循着热力学的基本原理。

研究大气中的热力学过程，可以帮助我们理解气溶胶、化学反应和云微观结构等与大气密切相关的现象。

最后，高等大气动力学研究实际应用领域广泛。

大气动力学的成果可以广泛应用于气象预报、天气灾害预警、工程设计和环境保护等方面。

例如，通过模拟大气运动，我们可以预测台风路径和飑线的形成；通过分析气候变化，我们可以评估气候变暖对海平面上升和自然灾害的影响。

这些研究成果为我们提供了指导，并帮助我们更好地保护地球的气候系统和生态环境。

总之，高等大气动力学是一门关于大气运动和变化的重要学科，它通过对大气中的运动、能量传递、压力分布和热力学过程等方面的研究，为我们提供了更深入地了解和预测天气、气候和环境变化的能力。

高等大气动力学Rossbywave

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Restoring force is the north-south gradient of background potential vorticity (f/H). That gradient can be due to either the variation in f with latitude, or to a variation in H (“topographic Rossby waves” and when trapped near the coast “continental shelf waves”). Note that Rossby waves are tranverse waves, that is the particles move perpendicular to the direction of propagation. Conserves PV = (f+ζ)/H.
White and red indicated higher than average levels; purple and magenta indicate lower than average levels. These scenes show eastward-moving Kelvin waves and westward-moving Rossby waves. Superimposed black circles show how the elevated sea surface moves east in April, then west as Rossby 10 waves during July and December.
Ocean
Mechanism of Rossby Wave

动力气象学-大气波动学-PPT

考虑大气的斜压性
基本气流的取法：依据研究的问题决定
（2）基本量满足原方程。
（3）扰动量的二次及二次以上乘积项（非线性项），可作为高阶小量忽略。从而得到线性方程。
方程组线性化的基本步骤
Step1.
将描写大气运动和状态的物理量分解为基本量与扰动量
Step2.
将变量分解带入方程及边界条件
Step3.
将所得方程减去基本量所满足的方程
一、重力外波
物理分析：
均质流体的自由表面上产生的波动，与水面波相同。以一维渠道波为例：
垂直剖面图：
没有扰动，水面呈水平的，流体深度H为常量。
如初始时刻，给AA’向上的扰动：
AA’间的压强（气柱高度）>BA间、A’B’间——A线向左，A’线向右的压力梯度力——A线向左运动，A’线向右运动。
产生两种作用：
2、c与k有关——该波动的波速与波长有关
叶笃正,1949,能量频散理论:
槽在传播过程中,会通过能量频散作用,在下游激发或加强一个波动→上游效应
气候遥相关现象
直接环流遥相关:
(2)定常波列遥相关(Hoskins,1979):
PNA型遥相关
东亚北美型遥相关（Nitta，黄荣辉1987）
第三节微扰动线性化方法
一维波动（只随x变化），波动在x方向上传播。
★一维波动一维运动
一维运动:
一维波动:
二维波动：
涡旋运动（大气长波）的斜槽结构用二维波动表达。
第二节波群和波速度
振幅表示了波动强度（能量）。
考虑“线性波动传播”时，使用单个简谐波解
考虑波动强度变化时，应该用多个简谐波叠加——称群波或波群或波列或波包。
大气波动学

高等大气动力学(研究生学位课讲义)

对于中低纬度、水平尺度不超过地球半径的大气运动，可采用局地直角坐标系（也称，局地平面坐标系，z 坐标系）来研究。这种坐标系中大气方程组和边界条件的数学形式比较适中，不受特别的气象条件限制，但方程组显含大气密度ρ且该量又不能直接测量，必须对其进行一定的假设。如果大气运动是中小尺度强对流天气系统，此时经常采用的静力平衡近似不再成立，则宜用 z 坐标系。但局地直角坐标系不适用于超长波。该坐标系中大气方程组的一般形式为
1951 年
1955 年 1956 年 1957 年 1959 年 1962 年 1963 年
1965 年
1966 年 1969 年 1970 年代 1971 年 1977 年 1976 年
1979 年
1981 年 1981 年
1982 年 1982 年
1983 年 1990 年代
美国罗斯贝、苏联基别尔提出尺度分析理论。美国查尼、挪威菲约托夫特和美籍匈牙利人诺伊曼首次在 ENIVAC 计算机上通过数值积分正压涡度方程所反映的准地转大气模型，成功作出第一张数值天气预报图。
（2）中小尺度动力学中尺度运动方程组（小仓义光，巢纪平等，1962）中尺度惯性－重力波中尺度稳定性的条件（Miles 定理，半圆定理）对称不稳定（Hoskins，1974）中尺度数值模拟模式（MM5，RAMS，WRF）
3
（3）平流层和中层大气动力学平流层爆发性增温－SSW（松野，1971）准两年振荡－QBO（Read 等，1960）行星波的垂直传播对流层与平流层相互作用（4）数值模式（定量试验）数值天气预报（NWP）模式（ECMWF，1980）大气环流模拟模式－GCM（Phillips，1956）气候模拟及预报模式（CCM3）（5）行星波动力学定常波、瞬变波低频振荡（Madden 和 Julian，1971）遥相关（Wallace，1948）球面 Rossby 波的经向频散－大圆理论（Hoskins，1981） E-P 通量（Eliassen 和 Palm，1961）（6）非线性大气动力学混沌理论（Lorenz，1963）分叉奇怪吸引子（茹勒（Ruelle）和泰肯斯，1971）多平衡态（Charney 和 DeVore，1979）突变（叶笃正，1959）（环流，气候）非线性波（孤立波，J.S.Russell，1840）共振非线性不稳定（Stuart 和 Watson，1960）波流相互作用（7）气候动力学 ENSO 循环动力学混沌动力学海气动力学季风动力学副热带高压动力学大气季节内振荡，年代际变化气候可预测性资料同化理论气候－生态－环境动力学

成信工动力气象学课件第3章大气中的波动

第三章大气中的波动大气科学主要分支学科的形成19世纪初～20世纪40年代•特征：在气象仪器的发明、观测网的建立，以及流体动力学理论的发展的基础上，大气科学的主要分支学科(天气学、动力气象学等)相继形成；无线电探空仪发明，第一张高空天气图诞生，真正三维空间的大气科学研究从此开始。

•现代天气学理论、天气分析和预报方法创立，为天气分析和预报1－2天以后的天气变化奠定了理论基础。

；•长波动力学理论建立，为后来的数值天气预报和大气环流的数值模拟开辟了道路。

•有重要贡献学者：费雷尔、皮叶克尼斯（挪威学派代表）、罗斯贝（芝加哥学派代表）。

•罗斯贝（Carl-Gustav Rossby，1898－1957 ），1898年12月28日生于瑞典斯德哥尔摩。

一开始他主修数学和物理，随后，他到当时的“气象圣地”挪威的卑尔根师从维·皮叶克尼斯学习气象学。

1925年获得副博士学位。

•1926年罗斯贝到美国加入位于华盛顿的美国天气局，做气象科学研究，并在加利福尼亚组建了美国第一个航空气象台。

1928年他又在麻省理工学院组建全美第一个大学层次的气象专业。

1939年他离开麻省理工学院，再次加入美国天气局，成为该局主管研究工作的主任助理。

1940年，他应邀担任芝加哥大学气象系主任。

二战时他还为美国军方培训了许多军事气象预报员。

•晚年已加入美国国籍的罗斯贝毅然返回瑞典。

1947年为母校组建了斯德哥尔摩大学气象研究所，并担任所长。

为欧洲建立数值天气预报系统，还创办了著名的地球物理学术期刊（Tellus）。

同时他还继续指导芝加哥大学的气象研究工作。

•罗斯贝的研究兴趣非常广泛，30年代末期，他对大尺度环流的研究导致了大气长波理论的诞生，这是世界气象发展史上的一个重要里程碑。

•1957年8月19日罗斯贝在瑞典斯德哥尔摩逝世。

纵观罗斯贝的一生，他对于气象科学的贡献不在于其发表论文的数量，而在于其科学论文的质量及独创性。

他是近代大气、海洋动力学研究的主要奠基人之一。