动力气象 第一章 绪论
动力气象学笔记
动力气象学笔记一、绪论。
1. 动力气象学的定义与研究范畴。
- 动力气象学是应用物理学定律研究大气运动的动力过程和热力过程，以及它们相互关系的学科。
- 研究范畴包括大气环流、天气系统的发展演变、大气波动等。
2. 动力气象学在气象学中的地位。
- 是现代气象学的理论基础。
它为天气预报、气候研究等提供了理论依据。
例如，数值天气预报就是建立在动力气象学的基础上，通过求解大气运动方程组来预测未来的天气状况。
二、大气运动方程组。
1. 运动方程。
- 牛顿第二定律在大气中的应用。
- 在笛卡尔坐标系下，水平方向（x方向）的运动方程为：- (du)/(dt)=-(1)/(ρ)(∂ p)/(∂ x)+fv + F_x- 其中u是x方向的风速，(du)/(dt)是x方向的加速度，ρ是空气密度，p是气压，f = 2Ωsinφ是科里奥利参数（Ω是地球自转角速度，φ是纬度），v是y方向的风速，F_x是x方向的摩擦力。
- 同理，y方向的运动方程为：(dv)/(dt)=-(1)/(ρ)(∂ p)/(∂ y)-fu+F_y。
- 垂直方向（z方向）的运动方程由于垂直加速度相对较小，考虑静力平衡近似时为：(∂ p)/(∂ z)=-ρ g。
2. 连续方程。
- 质量守恒定律在大气中的体现。
- 其表达式为：(∂ρ)/(∂ t)+(∂(ρ u))/(∂ x)+(∂(ρ v))/(∂ y)+(∂(ρ w))/(∂ z)=0。
- 在不可压缩流体（ρ = const）的情况下，简化为：(∂ u)/(∂ x)+(∂ v)/(∂ y)+(∂ w)/(∂ z)=0。
3. 热力学方程。
- 能量守恒定律在大气中的表现形式。
- 对于干空气，常用的形式为：c_p(dT)/(dt)-(1)/(ρ)(d p)/(dt)=Q。
- 其中c_p是定压比热，T是温度，Q是单位质量空气的非绝热加热率。
三、尺度分析。
1. 尺度分析的概念与意义。
- 尺度分析是根据大气运动中各物理量的特征尺度，对大气运动方程组进行简化的方法。
空气动力学01第1章绪论及基础知识-航院
教材：1.2.3.4.参考书：空气与气体动力学的任务、研究方法及发展流体静力学水力学理论流体动力学润滑理论基本任务：航空、航天、天气预报、船舶、体育运动、22v p constρ+=理想不可压流体伯努利方程空气流过飞行器外部时运动规律y L V ρ∞∞=Γ库塔儒可夫-儒科夫斯基定理假设实际黏性附面层旋涡/涡量Stokes 定理ndA Ω⋅=Γ∫y 翼梢小翼下洗速度诱导阻力有效迎角↓下洗角翼尖尾涡升力↓当地升力等效来流来流实际升力尾涡后掠机翼平直机翼n V 是产生升力/激波的有效速度后掠翼可提高产生激波的Ma cr边条涡边条翼：下表面压力>上表面压力气流旋转涡旋转涡心p 低而V 高流经部位压力低注入机翼表面气流能量推迟分离激波1V a >21V V <()120sh D mV V =−> 激波阻力7发动机气体动力学y 压气机/风扇：气体增压涡轮：气体膨胀8y 音障/音爆/音爆云正激波及阻力弱压缩波斜激波y 音障楔型体超音速运动激波及激波阻力阻力系数↑消耗3/4功率y 活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波⇒喷气发动机y 降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率→蜂腰机身等y 音爆激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。
超音速低压气流局部正激波斜激波局部亚音气流超音/亚音气流超音速气流膨胀加速压缩减速尾激波压缩减速y 音爆云激波后气体急剧膨胀降压降温潮湿天气气温低于露点水汽凝结水珠云雾y 亚燃冲压发动机进气道及扩压段斜激波及正激波拉伐尔喷管气流增压至亚音速燃烧室燃烧气流超音速喷出推力超燃冲压发动机进气道/斜激波气流增压且超音速气流超音速喷出航天空气动力学y 可压缩性黏性摩擦生热气流带走加热飞行器表面Ma=2⇒温度≈120侦察机Ma=3⇒温度y 热障结构强度↓刚度↓热能热辐射热传导气动热力学常温常压2000K<T<4000K 9000K<T 分子密度低11空气y 扑动速度均匀来流合速度合力升力推力机动性强举升/推进/悬停/快速变向等动作集于一个扑翼系统大升力利用非定常机制，其升力远高于常规飞行器，能够在低雷诺数条件下飞行。
动力气象学
参 考 书 目： 1 、叶笃正，李崇银，大气运动中的适应问题， 科学出版社，1965 2 、 Lorenz ，大气环流的性质和理论，科学出版 社，1976。 3 、 Haltiner, G, Numerical Prediction and Dynamical Meteorology, 1980(有中译本) 4、小仓义光，大气动力学原理，科学出版社， 1980 5 、 Holton ， 动 力 气 象 学 引 论 ， 科 学 出 版 社 ， 1980 6、郭晓岚，大气动力学，江苏科技出版社， 1981
大 气 科 学 学 院 王 文
动 力 气 象 学
教材： 吕美仲等，动力象学，南京大学出版社，1996 2.HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press, Fourth Version, 2004 3.刘式适等，大气动力学（第二版），北京大学出 版社，2011
参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出 版社，1981 8、伍荣生等，动力气象学，上海科技出版社， 1983。 9、杨大升，刘余滨，刘式适，动力气象学，气 象出版社（修订本），1983 10、栗原宜夫，大气动力学入门，气象出版社， 1984 11、李崇银等，动力气象学概论，气象出版社， 1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 2nd ed, 1987
§1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。
大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这 些场变量都是时间和空间的连续函数；
理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体
动力气象学
动力气象学总学时：128（其中自学96，面授24，实习8）教材版本：动力气象学教程（吕美仲、彭永清编著）教学目的和要求：动力气象学是在热力学和流体力学的基础上，系统地讲述大气的热力过程和大气运动的基本规律，并指出这些规律的实践意义的一门专业基础课。
具体地说，它是应用物理学定律研究大气运动的动力过程、热力过程以及它们之间的相互关系，从理论上探讨大气环流、天气系统演变和其它大气动力过程，因而，它是天气学、数值天气预报及大气环流等专业课程的理论基础。
本课程，通过教学，目的在于使学生能深入地理解大气动力学的基本理论，了解近代动力气象学的主要进展，掌握用动力学方法分析和预报天气的基本原理和技术，从而使学生具有一定的理论水平和科学研究的能力。
为将来从事天气预报的业务及研究工作打下基础。
为达到上述目的，在教学中要求：⑴努力贯彻理论联系实际的原则。
在教学内容和取材上，从现今国内外气象业务部门及科研单位所使用的有代表性的方法和理论为主体，讲课中以讲授基本原理为重点，在讲深讲透基本理论的基础上，让学生进行必要的课堂讨论和作练习，使学生既能掌握基本原理，又能利用基本原理去探讨和解决实际问题。
⑵注重理论的系统性。
本课程是一门理论性较强的课程，在努力贯彻理论联系实际的原则下，要突出本课程的特点，在教学中应该注意有系统、有条理地介绍它的内容，强调各部分内容之间的有机联系，以使学生能掌握得深透。
教学的主要内容及学时分配：总学时：128课时，其中面授24课时，课堂练习8学时，自学96课时。
每章自学10学时，5~10章每章讲授4学时，其余4学时供课堂练习和答疑。
第一章大气运动的基本方程组§1.1全导数和局地导数§1.2旋转参考系中运动方程的矢量形式§1.3质量守恒定律--连续方程§1.4状态方程、热力学方程、水汽方程§1.5球坐标系中基本方程组§1.6局地直角坐标系中基本方程组§1.7闭合运动方程组、初始条件和边界条件第二章尺度分析与基本方程组的简化§2.1尺度概念、大气运动的尺度分类§2.2基本方程组的尺度分析§2.3无量纲方程、动力学参数§2.4 平面近似§2.5静力平衡大气、P坐标系第三章自由大气中平衡流畅§3.1自然坐标系§3.2平衡流场的基本形式与性质§3.3地转风随高度的变化、热成风§3.4地转偏差第四章环流定理、涡度方程和散度方程§4.1环流与环流定理§4.2涡度与涡度矢量方程§4.3泰勒——普劳德曼定理§4.4铅直涡度方程§4.5P坐标系中的涡度方程和散度方程§4.6位势涡度方程第五章大气行星边界层§5.1大气运动的湍流特性和平均运动方程组§5.2大气行星边界层及其特征§5.3属性的湍流输送通量及其参数化§5.4湍流运动发展的判据§5.5近地面层风随高度的分布§5.6埃克曼层风随高度的分布§5.7埃克曼抽吸与旋转减弱第六章大气能量学§6.1大气能量的主要形式§6.2大气能量方程§6.3静力平衡条件下大气中的能量转换§6.4有效位能§6.5大气中动能的消耗§6.6实际大气中的能量循环§6.7能量的转换过程第七章大气中的基本波动§7.1波动的基本概念§7.2微扰动法、基本方程组的线性化§7.3声波和LAMB波§7.4重力外波、重力慣性外波§7.5重力内波、性内波、重力慣性内波§7.6 波§7.7噪音与滤波第八章地转适应过程与准地转演变过程§8.1大尺度运动过程的阶段性§8.2正压大气中的地转适应过程§8.3斜压大气中的地转适应过程§8.4准地转运动的分类§8.5准地转运动方程组§8.6准地转位势倾向方程组与方程§8.7Q矢量、非热成风产生的二级环流的诊断第九章大气运动的稳定性理论§9.1流体动力学稳定性概念§9.2慣性不稳定§9.3开尔文——赫姆霍茨不稳定§9.4正压不稳定§9.5斜压不稳定第十章低纬度热带大气动力学§10.1热带运动系统概述§10.2热带大气运动的尺度分析§10.3热带扰动的生成与发展§10.4台风的结构与发展§10.5热带行星尺度波动。
中小尺度天气动力学课件 第1章+中尺度数值模拟-绪论
中尺度数值模拟—第一章
α中尺度 β中尺度
突发性强对流天气演变机 理和监测预报技术研究
γ中尺度
1.1中尺度天气及重要性
乳山个例 12小时 时段强降 水预报图
中尺度数值模拟—第一章
北京
山东 半岛
南京
基于15km粗网格数值模式
“今天下午，本市局部 地区有时有雷阵雨”
设置专门的中尺度观测网 。如美国在1966年就设置了中尺度观测 网，高空站距28km，每隔1.5h或3h施放一次探空仪，地面站距20-30km。 日本、瑞典、英国、法国、加拿大等国家也建立了试验监测网。
我国也分别在京津冀、长江三角洲、武汉和珠江三角洲四个地区 建立起中尺度监测网，设置了一定数量的自动地面站。
CISP （英国，2007）
TOMACS （日本，2010-2013）
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
美国国家天气局强天气预报研究计划（WoF)
观测雷达回波
观测
高分辨率(1km)实时试验预报
预报
1.1中尺度天气及重要性
三个国家重点基础研究发 展计划“973”项目
我国重大天气灾害的形成 机制和预测理论研究
需要定时、定点、定量
1.1中尺度天气及重要性
研究方法
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测 野外观测实验 中小尺度天气分析 模式的发展及应用 动力学研究
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测：
雷达、卫星、新型飞机、大气风廓线仪 ，另外也利用声雷达、激 光雷达、微波辐射仪、灵敏微压计、天电观测等 。
中尺度数值模拟—第一章
动力气象学总复习
动力气象学总复习第一章绪论掌握动力气象学的性质，研究对象，研究内容以及基本假定动力气象学（性质）是由流体力学中分离出来（分支），是大气科学中一个独立的分支学科。
动力气象学定义：是应用物理学定律研究大气运动的动力过程、热力过程，以及它们之间的相互关系，从理论上探讨大气环流、天气系统演变和其它大气运动过程学科。
动力气象学研究对象：发生在旋转地球上并且密度随高度递减的空气流体运动的特殊规律。
动力气象学研究内容：根据地球大气的特点研究地球大气中各种运动的基本原理以及主要热力学和动力学过程。
主要研究内容有大气运动的基本方程、风场、气压坐标、环流与涡度、风与气压场的关系、大气中的波动、大气边界层、大气不稳定等等。
一、基本假设：大气视为“连续流体”，表征大气运动状态和热力状态的各种物理量(U, V, P, T, et al.) 看成是随时间和空间变化的连续函数；大气宏观运动时，可视为“理想气体”，气压、密度和温度之间满足理想其他的状态方程，大气是可“压缩流体”，动力过程和热力过程相互影响和相互制约；二、地球大气的动力学和热力学特性大气是“旋转流体”：90%的大气质量集中在10km以下的对流层；水平U, V远大于w（满足静力平衡）；Ω =7.29⨯10-5rad/s，中纬度大尺度满足地转平衡（科氏力与水平气压梯度力相当）。
大气是“层结流体”：大气密度随高度变化，阿基米德净力使不稳定层结大气中积云对流发展；阿基米德净力使稳定层结大气中产生重力内波。
大气中含有水份：水份的相变过程使大气得到（失去）热量。
大气下垫面的不均匀性：海陆分布和大地形的影响。
大气运动的多尺度性：（见尺度分析）第二章大气运动方程组控制大气运动的基本规律有质量守恒、动量守恒、能量守恒等等。
支配其运动状态和热力学状态的基本定律有：牛顿第二定律、质量守恒定律、热力学第一定律和状态方程等等。
本章要点：旋转坐标系；惯性离心力和科氏力；全导数和局地导数；预报和诊断方程；运动方程、连续方程；状态方程、热力学方程及其讨论；局地直角坐标系。
中小尺度天气动力学课件 第一章
中尺度气象学
水平尺度: 10-1000km
绪论
中尺度气象学的研究对象、内 容和学习该课程的意义
lightning
hails
2003年7月8日安徽龙卷
7月8日23时20分至23时30分， 安徽省无为县两个乡镇、六个 行政村、十个自然村遭遇强对 流天气，两个乡镇在整个过程 中共死亡16人，共有166人受 伤。
1、美国宾西法尼亚大学Penn State Uni./NCAR （the National Center for Atmospheric Research美国大气科学研究 中心） MM2-MM4(90年代早期，静力平衡模式)-MM5 （90年代后期，非静力平衡模式）
2、WRF（Weather Research and Forecast）模 式
主要研究对象
1、由大气内部过程综合作用为主衍生的系 统：
中低压、中气旋、雷暴群、对流风暴、MCC
2、由地形中不均匀的下垫面引起强迫作用 导致的海陆风、山谷风、热岛效应、下坡 风等
主要内容
中尺度天气系统的特征 地形性中尺度环流 自由大气中的非对流性中尺度环流 中尺度对流系统 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带 影响中尺度系统发生发展的因子
NEXRAD View of the Moore, Oklahoma Tornado on 3 May 1999 (Reflectivity)
意义2：中尺度气象学是甚短期预报和临近预 报的理论基础。（长期 >10天，中期3-10天， 短期1-3天，甚短期0-12h,临近0-2h. 意义3：中尺度环流系统是大气环流重要成员 （大尺度背景场 依存条件)
中尺度系统（飑线、中气旋等）
动力气象学第1章描写大气运动的基本方程组
7.惯性离心力与科里奥利力有哪些异同点？
答：都是在旋转参考系中的视示力，惯性离心力恒存在，而大气相对于地球有运动时才会产
生科里奥利力。
8.为什么把地球引力与惯性离心力合并为重力？
答：地球引力
g
仅与空气微团的位置有关，而惯性离心力
2
R
也只与空气微团的位置有关，
从逻辑上很自然将这两力合并在一起。地球引力与惯性离心力的矢量和称作重力。 9.为什么地球不可能是一个绝对球体？ 答：惯性离心力可分解为两个相互垂直的分力。一个分立部分抵消了地球引力，一个分立与 地表面相切指向赤道。后一个分立促使物体向赤道方向运动。在这个分立的长久作用下，便 在一定程度上决定了地球球壳的形状，使地球在赤道处隆起，地球成为扁平的椭球体。 10.重力的方向如何？与等高面是否垂直？海平面上的重力如何？
式成立，即
dT dt
T
t
(V C)3T
解：在固定坐标系中：以速度V 运动的质点的个别变化可展开为：
dT dt
T
t
V 3T
在运动坐标系中（设其移动的速度为 C ），空气质点必以 (V C) 的速度相对于运功坐标系运
动。所以，空气质点的个别变化在运动坐标系中可展开为：
dT dt
T
t
答：重力位势：重力位势 表示移动单位质量空气微团从海平面（Z=0）到 Z 高度，克服重
力所做的功。 重力位能：重力位能可简称为位能。重力场中距海平面 z 高度上单位质量空气微团所具有的 位能为
gz 引进重力位势后， g 等重力位势面（等 面）相垂直，方向为高值等重力位势面指向低等重
力位势面，其大小由等重力位势面的疏密程度来确定。所以，重力位势的空间分布完全刻画 除了重力场的特征。
动力气象学第1章.ppt
参 考 书 目： 20、吕克利等，动力气象学，南京大学出版社,
1996 21、伍荣生，大气动力学（修订版），高等教育
出版社，2002 22、HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO
DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press,
Fourth Version, 2004 23、李国平，新编动力气象学，气象出版社，
15、Gill，大气-海洋动力学，海洋出版社，1988 16、叶笃正，李崇银，王必魁，动力气象学，科 学出版社，1988。 17、吕美仲，彭永清，动力气象学教程，气象出 版社，1990 18、巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学，气象 出版社，1993 19、余志豪，杨大升等，地球物理流体动力学， 气象出版社，1996
1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics,
Springer-Verlag, 2nd ed, 1987
参 考 书 目：
13、陈秋士，天气和次天气尺度系统动力学，科 学出版社，1987
1 4 、 Hoskins 等 ， 大 气 中 大 尺 度 动 力 过 程 ， 气 象 出版社，1987
1835年提出科里奥利力的概念，1857年白贝罗建立了 风压场关系的经验定律，成为地球大气动力学和天气 分析的基石。
动力气象学起源于北欧。
1897年，V.皮耶克尼斯建立了旋转地球大气中的环流 理论；1904年V.皮耶克尼斯以力学和物理学的观点， 建立了描写旋转地球大气运动方程组.
在1920年前后，V.皮耶克尼斯和J.皮耶克尼斯概括了 温带气旋生命史，提出了极锋气旋学说，形成了挪威 (卑尔根)学派。
1981
参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出
动力气象 第一章 绪论
总结：研究对象是，考虑地球自转的，准水 平运动的中高纬度的大尺度的大气运动过程。
2、研究任务
由物理定律出发，从理论上，揭
示大气运动过程的发生发展规律和 机理。
3、研究方法
工具：数理基础 方法：气象问题 物理模型（大气运 动所遵循的物理定律） 数学模型 （基本定律的数学表达式） 求解 解释原问题。
杨大、刘金滨：《动力气象学》，1980，气象出版社； 刘式适、刘式达：《大气动力学》（上、下），1991， 北京大学出版社； 伍荣生等：《动力气象学》，1983，上海科学技术出 版社；1990，大气动力学，气象出版社； 吕克利等：《动力气象学》，1996，南京大学出版社； 霍尔顿，《动力气象学引论》，1980，科学出版社； An Introduction to Dynamic Meteorology (James R.Holton) 缪锦海等，《动力气象学》，1992，气象出版社。
风压定律的动力学解释
低
P
p p
p
Co
Vg
p p
高
1 P p,
C0 fV k
台风旋转方向的动力学解释
台风—“海葵” 台风－ 台风——”海葵” 台风——”达维”
台风－鸣蝉Maemi 台风——”苏拉” 北
低气压
动力气象学与其他学科的区别?
流体力学（Hydrodynamics）：研究流体 运动的一般规律。 天气学（Synoptic Meteorology）：研究 大气中与天气过程演变有关的规律。 动力气象学（Dynamic Meteorology）： 从理论上研究大气（特殊流体）动力过程 与热力过程的规律。
*动力气象学中的基本假设
动力气象学 引论(1.3)--习题答案
各项的量级：
∂w
W
～
～100 m /
s2
∂t τ
u
∂w
+ v ∂w
UW
～
δp
在 p 坐标中，有
=
−ρ g ，故上式可写为：
δz
dd m =d − 1 d d ( xdy p) dt g dt
= − 1 [d x yd d (d pd ) + yd d p dd ( x) d +d x p d ( y)]
g
dt
dt
dt
= − 1 [dxddy ω + dydpdud + dx dp v] g
垂直运动方程中，典型的龙卷的平流加速度与重力、气压梯度力量级相同，因此，静力 平衡不成立。
)2
=
V02 f2
7. 由质量守恒推导 P 坐标系的连续方程。
解：设一空气微团质量为 δ m ，体积为δV = δ xδ yδ z ，则= δ m ρ= δV ρδ xδ yδ z ，由质
量守恒定律= 可得： 1 d (d m) = 1 d (ρdxddy z) 0 ，
d m dt
ρdV dt
即 1 d ρ + 1 dd x + 1d d y +d 1 d z = 0 ρ dt d x dt dy d dt z dt
−Ω2 R = − cosjΩ2Rk + sinjΩ2Rj
故
= d a Vd a
动力气象学第一章
平流层大气动力学 平流层爆发性增温、准两年振荡。 20世纪50年代，短期大尺度数值预报取得成功 80年代，中期预报取得突破性进展。 欧洲数值预报中心的业务预报的有用的预报时效已达 到10天左右。 大气环流模式进行模拟试验是近代气象科学最重要的 成就之一。
经济发展战略制订的需求 20世纪70年代以来，全球范围的气候异常，世界面 临着日益严重的粮食、能源、水资源危机，和生态 环境恶化问题，分析气候异常原因，预测气候异常 的出现。 大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。 球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理 (霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等， 1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源 强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等 等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和 短期气候预报提供了理论基础。
动力气象学
吕美仲等编著
2005年10月出版
第一章 绪论 动力气象学是气象科学的一个分支，是应用物理学 定律和数学方法研究大气运动的动力过程、热力过 程，以及它们之间的相互关系，从理论上探讨大气 环流、天气系统演变和其它大气运动过程的学科。 动力气象学又是流体力学的一个分支——地球流体 力学的主要组成部分。 动力气象学是大气科学的基础理论。
§1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。 大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这 些场变量都是时间和空间的连续函数； 理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体
§1.2 地球大气的运动学和热力学特性 大气是重力场中的旋转流体。 大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重 要性质之一；科里奥利力的作用。 大尺度运动中科里奥利力作用很重要。中纬度大尺度 运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平 衡——地转平衡。 地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西 风带中的波动有关。 稳定性作用——位能、动能的转换——锋面。
动力气象学总复习
这些因子是什么，产生机制是什么，对天气系统 的影响，何时重要、何时次要。
★了解天气系统的发生发展机制。 2，位涡方程； 什么是位涡？由热力学和动力学过程组合而成的
量； 位涡守恒——绝热无摩擦。 应用：过山（大尺度）气流： 3，什么是β－平面近似？
暖
冷 P+
可见：热成风是与大气的斜压性相联系， 与热力作用相关。
已知地转风：
1
1
1
Vg
k p
f
f
k
f
k
地转风随高度的变化为： Vg 1 ( )
k
p f p
进一步：
1
p
而 P
RT
Vg
p
R fP
(T
)P
k
等压面上温度分布的不均匀，引起了热成风
VT
g f
ln
B、大气受到重力场的作用，质量集中在对流层， 大气是很扁平的一层，铅直速度远小于水平速度 ∴大尺度大气是准水平运动
铅直方向上气压梯度力与重力近似平衡 ∴大尺度大气具有准静力平衡性质
方法：
物理基础：力学（质点力学），热力学； 不去研究声、光、电、降水的微物理过程
数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，场论 （欧拉观点），计算数学，近似方法
• 当Z=1米时，=9.8焦耳/千克，
• 1位势米= 9.8焦耳/千克，并定义
1z
H
gdz 为位势高度
9.8 9.8 0
•0
第四章 自由大气中的风场
地转运动、地转偏差的概念， 斜压大气、正压大气、热成风的概念
定义 上下配置不同，热成风不等于0 天气学意义
《动力气象学》课程笔记
《动力气象学》课程笔记绪论1. 动力气象学发展史1.1 重大理论发现动力气象学的早期发展主要基于对大气运动的观测和理论推测。
19世纪，科学家们开始系统地研究大气运动，并逐渐揭示了影响大气运动的一些关键因素。
这些因素包括：- 科里奥利力：由法国物理学家加斯帕尔·科里奥利首次提出，它解释了地球自转导致的风的偏转现象。
- 地转偏向力：由于地球自转，大气中的气流会相对于地面产生偏转，这个力就是地转偏向力。
- 大气压力和密度变化：大气压力和密度的变化会影响大气运动，这些变化与温度、湿度等因素有关。
1.2 数值天气预报20世纪中叶，随着计算机技术的发展，动力气象学进入了一个新的时代。
科学家们开始利用计算机来求解大气运动方程组，这种方法被称为数值天气预报。
数值天气预报的出现极大地提高了天气预报的准确性，使得气象学成为了一门更加精确的科学。
1.3 动力气象学发展新阶段近年来，动力气象学在气候变化研究中的应用变得越来越重要。
科学家们通过研究大气运动、能量转换和波动等现象，揭示了气候变化的原因和规律。
此外，动力气象学在防灾减灾、水资源管理等领域也发挥着重要作用。
2. 动力气象学的基本概念2.1 大气运动方程组大气运动方程组是描述大气运动的物理方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程组基于质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒等物理定律，为我们提供了研究大气运动的基本工具。
2.2 涡旋运动大气中的涡旋运动是天气系统和气候变化的重要因素。
涡旋运动包括环流、涡度和螺旋度等概念。
了解涡旋运动有助于我们预测天气变化和气候趋势。
2.3 准地转运动准地转运动是指大气中接近地转平衡状态的运动。
在这种状态下，大气运动主要受到地转偏向力和压力梯度力的作用。
准地转运动为我们提供了一个简化的大气运动模型，便于研究和预测天气。
2.4 大气波动大气波动是大气运动中的周期性变化，包括重力波、惯性重力波和Rossby 波等。
这些波动在天气系统和气候变化中起着关键作用，了解它们有助于我们预测天气和气候。
《动力气象学》教学课件-第一章 大气运动的基本方程
O
= Ω(Ω ⋅ R) − R ⋅ Ω2
∑ daVa = dt
i
Fi
∑
d aVa
=
dV
+
2Ω ×V
−
Ω2R
=
Fi
dt dt
i
相对加速度
=Q
其中，Cv是空气的定容比热。
（注：热流量方程有多种表达形式）
课后练习：推导热力学方程的几种表述形式
• 用气压、气温表示
Cp
dT dt
−α
dp dt
=
•
Q
• 用气压、密度表示
•
Cp d lnα + d ln p = Q
Cv dt
dt CvT
• 用位温表示
•
d lnθ = Q
dt CpT
对于理想气体，引入状态方程 p = ρ RT
ζ (z)
Ω
p
y
o
η
ξ
y x
x
惯性坐标系（下标a）：ζ为地轴，ξ、η固定在赤道平面上，不随地球旋转 旋转坐标系：z与ζ 一致，x、y轴固定在赤道平面上，随地球旋转
（二）惯性坐标系中的运动方程组
运动方程：
牛顿运动第二定律
( dVa dt
)a
=
∑ ( dVa
dt
)a
=
i
Fi
gm
−
1
ρ
∇pa
+
Fa
地心 气压梯 分子粘
引力 度力
性力
gm
=
−
GM r3
r
F
≡
γ∇2V
+
γ
∇(∇ ⋅V )
3
质量守恒
动力气象学教材笔记
动力气象学教材笔记第一章引言1.1 研究背景与目的动力气象学，作为气象科学领域的一个重要分支，专注于探索大气运动的基本规律以及这些规律如何与天气和气候变化相互联系。
在全球气候变化日益严峻的背景下，动力气象学的研究不仅具有深远的科学意义，更对实际应用领域，如天气预报和气候预测，具有不可替代的指导价值。
随着全球气候变暖趋势的加剧，极端天气事件频繁发生，给人类社会和经济发展带来了巨大挑战。
这些极端天气事件背后的大气动力过程复杂多变，亟需通过深入的动力气象学研究来揭示其内在机制。
此外，提高天气预报和气候预测的准确性也离不开对动力气象学基本理论的深入理解和应用。
因此，本文旨在系统梳理和总结动力气象学的核心理论，以期为更好地理解和预测大气运动提供坚实的理论基础。
在动力气象学的研究中，大气运动的基本规律是核心内容。
这些规律包括了大气中的能量守恒、动量守恒、质量守恒等基本物理定律，以及由此衍生出的一系列重要理论，如大气动力学方程、大气稳定性理论等。
这些理论和规律为我们理解和解释大气中的各种现象提供了有力的工具。
例如，通过对大气动力学方程的研究，我们可以了解大气中能量的转换和传递过程，从而揭示出风暴、气旋等天气系统的发展演变机制。
动力气象学还关注大气运动与天气、气候变化的内在联系。
天气和气候是大气运动在不同时间和空间尺度上的表现，二者之间存在着密切的相互作用和反馈机制。
动力气象学通过研究这些相互作用和反馈机制，不仅有助于我们更全面地认识大气系统的复杂性，还能为改进天气预报和气候预测模型提供科学依据。
例如，近年来发展起来的基于动力气象学原理的数值天气预报模型，已经在实际应用中取得了显著的成效，大大提高了天气预报的准确性和时效性。
动力气象学的研究还涉及大气与地球其他圈层（如水圈、生物圈、岩石圈）的相互作用。
这些相互作用对全球气候系统的稳定和发展具有重要影响。
例如，海洋与大气之间的热量和水分交换是影响全球气候的重要因素之一；而地表植被的变化则可能通过改变地表的反射率和粗糙度来影响大气的温度和风速等。
动力气象学-第一章(绪论)
1835年提出科里奥利力的概念， 1857年白贝罗建 立了风压场关系的经验定律，成为地球大气动力 学和天气分析的基石。
动力气象学起源于北欧。
1897年，V. 皮耶克尼斯建立了旋转地球大气中的 环流理论；1904年V. 皮耶克尼斯以力学和物理学 的观点，建立了描写旋转地球大气运动方程组。
在1920年前后，V. 皮耶克尼斯和J. 皮耶克尼斯概 括了温带气旋生命史，提出了极锋气旋学说，形 成了挪威(卑尔根)学派。
对热带大气运动的研究，提出了第二类条件不稳定 理论(恰尼，1964年)和波动型第二类条件不稳定理论 (斯蒂文斯和林赞，1978年)；提出了赤道波动理论
(松野，1966年)和积云对流参数化(郭晓岚，1965年)。 低纬大气行星波的活动，积云对流反馈，中低纬度 相互作用和海气相互作用，热带地区数值预报研究。
理想流体、可压流体——将大气视为可压
缩的连续流体，作为研究大气运动的基本 出发点，广泛运用流体力学和热力学原理 探讨大气运动的基本规律。
动力气象学与流体力学的关系
流体（Fluid） 流体力学（Fluid Mechanics）
地球物理流体动力学（Geophysical Fluid
Dynamics）
大气流体力学（Fluid Mechanics
动力气象
of Atomosphere）
动力气象学的研究步骤
数学基础：微积分、矢量分析、场论（欧拉
观点）、计算数学。 步骤：气象问题 模型 求解 物理模型 解释原问题。 数学
侧重于首尾两步。
2、动力气象学与其他课程的关系
与天气学的不同之处：
天气学：从观测资料出发，检验性的、总结天 气过程的发生、发展规律（主观） 动力学：从物理定理出发，从理论上揭示天气 过程的发生、发展规律和机理（客观） 关系：理论联系实际，相互渗透和交叉－天气 动力学。
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总结：研究对象是，考虑地球自转的，准水 平运动的中高纬度的大尺度的大气运动过程。
2、研究任务
由物理定律出发，从理论上，揭
示大气运动过程的发生发展规律和 机理。
3、研究方法
工具：数理基础 方法：气象问题 物理模型（大气运 动所遵循的物理定律） 数学模型 （基本定律的数学表达式） 求解 解释原问题。
什么是动力气象学？
是应用物理学定律和数学方法研究 大气运动的动力过程，热力过程，以及 它们之间的相互关系，是从理论上探讨 大气环流，天气系统演变和其他大气运 动过程的一门学科。 Dynamic meteorology is the study of those motions of the atmosphere that are associated with weather and climate.
国家天气基本站 （530）
资料源自中国气象局
国家高空探测站
（120）
资料源自中国气象局
全国新一代天气雷达网 (126)
资料源自中国气象局
气象观测系统
动力气象学的发展动向
• 把运动系统作为三维、瞬变、具有强迫耗散
的非线性动力学系统来研究。 • 在研究方法上，观测分析、解析研究、数值 模拟齐头并进。 • 为了制作准确的中长期预报和短期气候预测
10 1 HR
10 2 HR
运动
基本尺度
水平尺度
水平尺度一经 确定，运动的 性质就确定了
大尺度运动 中尺度运动 小尺度运动
106 m 105 m 104 m
不同尺度的运动系统具有不同的动力 学特性。不同尺度运动系统性质差异，对 天气的影响也不同。 例如：西风带中的长波具有准水平、准地 转平衡性质，它对天气影响的范围较广； 而强烈的局地风暴是一种小尺度强对流运 动，它是非静力平衡的，垂直上升运动很 强，虽然影响范围不大，但是造成的天气 灾害严重。
Dynamic Meteorology – physics – theoretical activity: explain/derive atmospheric phenomena from general principles – almost neglected observations
Weather Forecast practical activity Past： synoptic charts (via telegraphy) of pressure, temperature, humidity, precipitation, wind, … derive rules of thumb from patterns ，almost neglected theory; used only limited amount of data Today： operational numerical prediction models based on the theory of dynamical meteorology
流体力学（Hydrodynamics）：研究流体 运动的一般规律。 天气学（ Synoptic Meteorology ）：研究 大气中与天气过程演变有关的规律。 动力气象学（ Dynamic Meteorology ）： 从理论上研究大气（特殊流体）动力过程 与热力过程的规律。
课程性质：
《动力气象学》是气象学专业本科生的
专业基础理论课程和主干课程，是报考气
象学专业硕士研究生的必考课程。
主要内容： 动力气象学研究对象、任务和方法 动力气象学发展简史
一、研究对象、任务和方法
1. 研究对象：大气运动（广泛意义上） 大气运动是很复杂的，复杂性体现在 运动的尺度范围（空间和时间）很宽广。 大气运动无论在时间尺度上，还是在空间 尺度上都具有很宽的尺度谱。
第一章 绪论（Introduction）
动力气象学（Dynamic Meteorology） 是大气科学的一个重要的分支学科。
‘Meteorology’ is a combination of 3 different traditions: -- Synoptic Climatology / Statistical approach -- Dynamic meteorology -- Weather forecasting
Historical note
19世纪20年代～20世纪20年代 有了近代气象学——外推法 —1820年德国人布兰德斯利用历史资料绘成了世界 上第一张天气图，这是近代气象学研究起点的标 志； —1854年克里米亚战争事件真正推动天气预报业务 开展 ；
～20世纪30年代 欧洲学术发展兴盛： 成立了以Bjerknes为首的 挪威学派，建立了现代天气学理论，天气分析和 天气预报方法（极锋学说 ）。 —Bjerknes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 。从此动力气象学便逐步由流体力学中分离 出来，形成一个独立的学科。
不同尺度的运动系统之间存在着相互 作用。 小尺度运动系统往往是在大尺度运动 系统的背景下发生发展起来的；反过来它 又对大尺度运动系统的发展和变化产生反 馈作用。 *基于观测技术和手段的限制，目前动力气 象学方面比较成熟与重大的研究成果主要 集中在大尺度动力学方面。
本课程研究的对象：大尺度大气运动
大气运动的尺度分类
104 km 103 km 102 km
10km
1km
微尺度
行星尺度
天气尺度 （大尺度）
中尺度
小尺度或对流 积雨云 阵雨 龙卷 对流 单体
1HR
中 纬 度
热 带
长波 副热带 反气旋 热带行星 尺度波动
温带气旋
反气旋 云团 热带气旋
锋面
飑线 中尺度 对流群
10 HR
边界层涡动
边界层涡动
，更加重视海气和地气物理过程之间的相互
作用。
三、学习方法
1、适当地记笔记，以帮助记忆； 2、学习中要注意： 问题的提出； 解决的方法与工具； 重要的结果及其意义； 如何应用。 3、应及时复习； 4、通过一定练习，掌握所学知识。
四、主要参考书（ References ）
叶笃正
Charny,J.G .
Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC)
General Meteorology 2007-2008
23
～至今 由于观测资料的丰富，探测手段的逐 步现代化，计算机和计算技术的迅速发展 ，数学物理学的推进，使得动力气象学正 在进入一个新的发展阶段。
Synoptic Climatology statistics empirical activity: collect observational data to derive information from almost neglected physics descriptive science; the ‘average weather’
*动力气象学中的基本假设
1、连续性假设（continuity）
表征大气运动状态和热力状态的各种物理量均是时间 和空间的连续函数，且其各阶微商也连续。
2、理想气体假设（ideal
gas）
把大气作为理想气体来处理，气压、密度、温度之间
的关系满足理想气体的状态方程。
二、发展简史
数学和物理学的不断成熟为动力气象 奠定了理论基础，同时观测和计算技术的 不断发展更推动了动力气象学的进步，使 其内容不断扩展。
风压定律的动力学解释
低
P
p p
p
Co
Vg
p p
高
1 P 台风旋转方向的动力学解释
台风 —“海葵” 台风－ 台风 ——” 海葵” 台风 ——”达维”
台风－鸣蝉 Maemi 台风 ——”苏拉” 北
低气压
动力气象学与其他学科的区别 ?
五、教学安排（ Scheme of this course ）
（共64学时） 1、掌握大气运动的基本方程组； 2、重点放在大气涡旋动力学、大气能量 学、大气行星边界层、大气中的基本波 动、大气运动稳定性； 3、在讲课过程中将安排一些自学或讨论 内容； 4、以闭卷考试形式作为考核方式。
“ Bad mathematicians become physicists, and bad physicists become meteorologists ” -Alexander Friedman (1888-1925)
杨大、刘金滨：《动力气象学》，1980，气象出版社； 刘式适、刘式达：《大气动力学》（上、下），1991， 北京大学出版社； 伍荣生等：《动力气象学》，1983，上海科学技术出 版社；1990，大气动力学，气象出版社； 吕克利等：《动力气象学》，1996，南京大学出版社； 霍尔顿，《动力气象学引论》，1980，科学出版社； An Introduction to Dynamic Meteorology (James R.Holton) 缪锦海等，《动力气象学》，1992，气象出版社。
Rossby,C.G. (1898-1957)
～20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 美国学术发展兴盛：芝加哥大学的 Rossby――动力气象学之鼻祖 1939 年，他提出了 长波理论 ，称此波为 大气长波或Rossby波。 气象学中形成最主要的理论：波动理论
这一时期的主要理论成果：
地转适应理论（Rossby，1938） 行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正，1949） 行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，1949）—— 热力机制 行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）——动力机制 大气运动的尺度分析（恰尼，1949） 数值预报理论 （ 恰尼 等， 1950 ，麻省理工学院） —— 动力气象大发展，成功地进行了数值预报，把前面的理 论基础归结为一个简单的预报方程。