动力气象ABC(讲座)

• 维萨拉（ V.Vaisala ,1889－1969）,芬兰数学
和物理教育学家，后为赫尔辛基大学气象学教
授。1930年维萨拉开始致力于气象仪器设计工
作，1931年12月30日继前苏联高空气象学家
莫尔恰诺夫（Moltshanov）之后，他建立起
一个属于自己的无线电探空站。1936年维萨拉
成立了一家无线电探空设备制造公司，这就是
• 二战时他还为美国军方培训了许多军事气象预报员。 为了响 应故乡的召唤，当时已经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。与此同时，他还继续指导芝加哥大学的气象研究工 作。罗斯贝为欧洲建立数值天气预报系统。此外，他还创办 了著名的地球物理学术期刊（Tellus）。
• 理查逊明白到这项任务牵涉异常大量的运算工作，他设想， 在遥远的将来，有朝一日或许有可能发展出比天气变化还要 快的计算手段，从而使天气预报梦想成真。
• 但理查逊选择的逼近方法产生的误差会导致一些荒唐的结 论，试图制作未来6小时地面气压场的数值预报以失败而告 终．但它却为后来开展数值预报积累了经验。
1 r
Ñp
-
ur ur 2W´V
+
ur F
运动方程＝动量守恒定理
ïdr
ï ïï í
dt p=
ur + rÑ×V = 0 连续方程＝质量守恒定理 rRT 理想气体的状态方程
ï ïcp ï
dT dt
-
1 r
dp dt
=
Q
热力学方程＝热量（能量）
=
S r
=
ö S1 ÷ø
水汽方程
• 特征：气象雷达、气象火箭探测、气象卫星、自动气象 站 、人工影响天气。
数值天气预报的成功实现
• 1946年发展起来的电子计算机， 使得求解大气动力方程开展数值 天气预报成为可能。1950年，查 尼、菲约托夫特和诺伊曼采用准 地转正压模式，利用用世界上第 一台通用电子数字计算机“埃尼阿 克”（ENIAC）成功地对北美地区 500毫巴(百帕)等压面的高度场作 了24小时的预报。
动力气象学ABC
成都信息工程学院大气科学系 李国平
何谓动力气象学？
• 一门应用物理学和流体力学定律及数学方法，研究大 气运动动力和热力过程及其相互关系的重要分支学科 。
• 传统的动力气象学＝大气热力学、大气动力学、大气 环流、大气湍流、数值天气预报和大气数值模拟等
• 动力气象学（气象力学）＝大气热力学＋大气动力学 • 动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的机理、
• 关于气象问题的数学求解，基别尔曾说过一段名言：不要 害怕数学。如果你把问题提出来，提得正确，肯定有数学 方法来解决。
• 1926年罗斯贝到美国加入位于华盛顿的美国天气局，继续 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。
• 1752年瑞士数学家和物理学家欧拉提出反映质量守恒的连 续方程，1755年又提出理想流体动力学方程组，初步形成 了流体力学方程组的基础。
• 以后大气静力学方程、科里奥利力和热力 学第一定律的发现 ，并被引入流体力学
方程组中，更为大气动力方程组的完备性
奠定了基础。
ur
ìdV
ï ï
dt
=
ur g
-
十七世纪至十九世纪初
• 温度、气压、风和湿度等测量仪器的陆续发 明，为人类定量认识大气组成、大气运动等创 造了条件。大气科学研究开始由单纯定性描 述，进入了可以定量分析的阶段。
• 有重要贡献的学者：伽利略 、托里拆利 、富 兰克林 、哈德莱 、牛顿 、达朗贝尔 、欧拉 。
• 特征：测量仪器的陆续发明，观测和实验的大 量开展，以及在观测和实验的基础上进行的理 论研究。
• 科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis， 1792－ 1843），1792年5月21日生于法国巴黎。科里奥利的 研究工作主要集中在力学和工程数学，特别是摩擦、 水力学、机器性能和人 类工程学等领域。他在研究中 首先引进了 "功"、 "动能" 等科学概念。1835年他提 出，如果在运动方程中加入一个称为科里奥利加速度 的额外的力（惯性力），运动定律同样也适用于一个 旋转参照系。这个额外的力就是著名的科里奥利力或 简称科氏力。在旋转的地球上，流体运动始终受到科 氏力的作用，气象学上又称之为地转偏向力。对于大 尺度大气运动，科氏力具有十分重要的意义。
• 理查逊（LewisFry Richardson， 1881－1953），著名英国物理学家、 气象学家和心理学家，是一位倍受科
学家们崇敬的具有远见卓识的学者， 他被称为大气数值模拟之父。早在20 世纪20年代，也就是在早期电脑得到 普遍应用之前40年的时候，理查森就 开始尝试用数学方法来计算气候。
古代气象知识的积累时期
自人类文明开始至16世纪
• 大气科学是一门古老的学科。有关天 气、气候知识起源于长期的生产实践 的经验之中，可上溯到渔猎时代。
• 有重要贡献的学者：希波克拉底、亚 里士多德 、培根 。
• 特征：知识还是零碎的、片面的，有 许多仅是推测性的，有的甚至是迷信、 错误的。
大气科学的建立时期
• 基别尔（H.A.Kibel， 1904－1970），前苏联数学、流体 力学、气象学家，1940年首次成功得出大气热力和动力学 方程组的解。随后他在求解大气动力学诸多问题上做出了 重要贡献，如地转适应、中尺度气象学等。在理查逊1922 年之后，基别尔于1957年写出了第二本关于数值天气预报 的论著《短期天气预报的流体力学方法引论》。动力气象 学中非常重要的一个无量纲数－罗斯贝数，有人认为此数 实基别尔最先引入，故又称罗斯贝－基别尔数。
掌握天气和气候的变化规律具有十分重要的作用，它 是大气科学的理论基础，尤对于数值天气预报。 • 动力气象学是各层次大气科学专业一门重要的专业基 础课，核心必修课、专业主干课（考研业务课）。
气象学（Meteorology) →大气科学（Atmospheric Sciences）
一说：气象学(meteorology)一词源于希 腊文meteoros和logos，意为“上空的” 和“推理”。
理论的力量
• 发现混沌现象的著名理论气象学家E.N.Lorenz（洛伦兹） 的一段演讲词：
• “我很清楚，一个有经验的预报员和一个没有经验的预报 员作出的预报，其准确率可以相差很大，主观经验是很有 价值的，应该提倡在实践中积累经验。但是，经验没有历 史，经验父亲不能传给儿子，丈夫不能传给妻子，人存经 验在，人亡经验消。要发展气象科学，提高天气预报准确 率，经验方法不能作为主要途经。而要依靠将经验的方法 转变为数学和物理的方法。”
• 以他名字命名的气象术语有罗斯贝波、罗斯 贝数、罗斯贝参数、罗斯贝位涡和罗斯贝变 形半径等。这些概念对于理解所有行星尺度 流体运动都是非常重要的。
• 罗斯贝还具有非凡的组织才能。1944、 1945年罗斯贝当选为美国气象学会理事长。 为纪念罗斯贝对科学的贡献， 美国气象学会
将其最重要的杰出科学进步奖命名为罗斯贝 研究奖，此奖项为国际气象界最重要的气象 科学研究大奖。
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，真正三度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。；
• 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。
• 布兰德斯绘制了人类历史 上第一张天气图，开创了 近代天气分析和天气预报 方法，为大气科学向理论 研究发展开辟了途径。
• 1835年科里奥利力的概念和1857年白贝 罗提出的风和气压的关系，成为地球大 气动力学和天气分析的基石。
大气动力方程组的奠基
• 17世纪～19世纪初，流体的概念及牛顿的力学三大定律和 微积分学，为1743年法国数学家达朗贝尔把数学方法引入 了气象学的研究中，这对用数学方程式来表示大气运动具 有启发作用 。
• 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 ）。
动力气象学诞生
• 在18世纪末以前，动力气象学一直包含在流体 力学中。到1897年，V.皮叶克尼斯将流体力 学和热力学应用于大气和海洋的大尺度运动的 研究中，提出了著名的环流理论 。从此动力 气象学（现又称大气动力学）便逐步由流体力 学中分离出来，形成一个独立的学科。
• 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。1921年他又随皮叶克尼斯去德国莱比锡大学 学习一年，他还在斯德哥尔摩大学继续学习数学物理，1925 年获得副博士学位。
另一说：气象学(meteorology)一词的词首 为meteor，意为“流星”，古代人们用流 星现象来预测天气、预测命运。
大气科学的研究目标
• 探索大气的奥秘 • 逐步认识大气及其演变规律 • 预测大气变化趋势 • 趋利避害为人类的生产和生活服务
四个发展时期
• 气象经验、知识的积累时期 • 大气科学开始建立的时期 • 大气科学主要分支的形成时期 • 大气科学迅速发展的时期
• 其基本思想已成为现代普遍采用的天气预报模式和气候模拟 模式的基础。
大气科学迅速发展的时期
20世纪50年代以来
• 第二次世界大战之后，以遥感技术和计算机技术为代表的 新技术迅速发展。
• 从对观测资料的描述分析到进行实验。50年代以来，大气 科学研究逐渐进入了实验阶段。大气科学的实验一般有三 种形式：实验室实验(或模型实验)、数值试验（计算机模 型试验）、大气外场观测试验。
动力气象学主要内容
（对流层、中高纬度、大尺度、 短期天气过程）
• 大气运动坐标系与方程组 • 自由大气中的平衡运动 • 尺度分析与方程组的简化 • 环流定理与涡度方程 • 准地转动力学基础 • 大气边界层 • 大气能量学 • 大气波动 • 地转适应过程 • 波动的不稳定理论 • 热带大气动力学
动力气象学名家
数值天气预报的梦想
• 1922年英国学者理查逊发表了一篇题为《用数值方法进行 天气预报》的文章。在文章的末尾，他提出了一个异想天开 的幻想：在他的梦想中，他预见有这样一种巨大的装置 （“像剧院那样的大厅”），这个装置内将有数百台可以进行 气候计算的人类“计算机”，集聚64000个熟练的计算者，在 统一指挥下相互协调地对影响天气变化的各种数据进行计算。
现在世界上最著名的气象设备生产厂家－芬兰
维萨拉公司。 • 动力气象中，
N2
=
g q
¶q ¶z
=
g T
(g d
-g
)
N为布伦特－维萨拉频率，也称浮力频率，可 表示层结稳定度。
• 维．皮叶克尼斯（Vilhelm Frimann Koren Bjerknes， 1862－1951 ），挪威气象学家、物理 学家，近代天气学、大气动力学创始人之一。1893 年任瑞典斯德哥尔摩大学教授。1897年研究大气中 的环流运动，首先引用力管的概念。1905年到美国 讲解电磁学与流体力学相似理论并提出用力学原理制 作天气预报的方法。1910年主张在天气图上绘制流 线，并分析辐合、辐散区。1917年在莱比锡发现大 气不连续面，回国后，改称锋面，并发现各种锋型， 提出中纬度气旋的极锋学说，创立气旋的现代模式， 形成气象界著名的挪威（卑尔根）学派。1921年根 据理论和观测事实，提出著名的大气环流图像。