南京信息工程大学动力气象学资料106页PPT
动力气象学第1章.ppt
象出版社，2010 25、刘式适，刘式达，大气动力学（第二版），
北京大学出版社，2011
§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
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。
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
§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。
§1.4 动力气象学的发展简史与发展动向
18世纪，力学、物理学、化学和数学等基础科学的发 展，观测仪器地陆续发明，气象科学由纯定性的描述 进入了可定量分析的阶段，这是气象科学发展过程中 的一次飞跃。
气象统计方法 第一章 气象资料及其表示方法_PPT课件
累积频率：变量小于某上限的次数与 总次数之比。（样本特征—直方图）
三、总体和样本
• 总体(母体)：统计分析对象的全体。 • 样本：总体中的一部分。
理解与应用： 总体的特征是客观存在的 样本的特征随样本而变，与其有关 的变量均称为随机变量，如平 均值、均方差等 选取有代表性的样本很重要 样本量n>=30,根据数理统计中的大数定理推断 得到。 气象上的总体指无限总体，一组气象资料就是无 限总体的样本。总体与样本关系的相对性。
x ( xx x ) 1 2 m
1 n xi xit n t 1
（2.3）
i 1 , 2 , ,m
m维空间中的n个点的重心（各部分受到的 重力作用集中于一点，这一点就是重心 ）。
多年平均7月气温 （1971~2010年）
多年平均1月气温 （1971~2010年）
多年平均7月降水量 （1971~2010年）
中心化的必要性： 因为气象要素的年变化周期影响很大，各月 的平均值不一样，为了使之能在同一水平下比较， 常使用距平值（比如之前的举例）。
特性：距平值的平均值为0，使用方便； 直接作为预报值，比较直观（偏高/偏 低）。
举例：
某地气温的变化情况？
（气温偏高、偏低是相对于它的平均值而言）
江苏省冬季气温的异常（1958-2007）
日降水和少雨地区月降水通常偏态。旬\候 降水不一定!
2、资料正态化处理方法
1.立方根或四次方根； 2.双曲正切转换（纠正课本公式）--旬降水； 3.化为有序数后的正态化转换（标准化和正态 化）。
江苏省全年月降水数据分布图
第二节 多要素的气象资料
*也可以理解为同一要素多个格点 （站点）的资料，下面慢慢体会。
动力气象学概要课件
数值模式是大规模数值计算中用来描述和预测大气系统的软解方案、数据输入和输出等模
块。
数值模式广泛应用于天气预报、气候模拟和环境评估等领域。
03
数值模式的误差和不确定性
数值模式的误差主要来源于模式分辨率、物理过 程参数化和初始条件等方面。
不确定性主要表现在模式输入数据的误差、模式 本身的不完善以及计算误差等方面。
为了减小误差和不确定性，需要不断提高数值模 式的精度和可信度。
数值模式的未来发展和挑战
随着计算机技术的不断发展，数值模式的分辨率和计算能力将得到进一步 提高。
未来数值模式将更加注重物理过程参数化的改进和精细化，以更准确地模 拟和预测大气系统的行为。
同时，随着大数据和人工智能技术的发展，如何利用这些技术提高数值模 式的精度和效率也是未来发展的重要方向。
航空气象服务
提供航空气象预报、机场天气预报、航空气象观测和报 告等服务，保障航空安全。
航海气象服务
提供航海气象预报、海洋气象观测和报告等服务，保障 航海安全。
THANK YOU
感谢各位观看
03
大气的运动和变化
大气的热力和动力学过程
总结词
描述大气中热力和动力学过程对大气的运动和变化的影响。
详细描述
大气的热力和动力学过程是大气运动和变化的主要驱动力。这些过程包括温度 差异引起的对流、风速差异引起的湍流等。这些过程通过能量传递和物质迁移 等方式，影响大气的运动和变化。
大气中的波动和涡旋
动力气象学概要课件
目录
• 动力气象学简介 • 大气的基本结构和特性 • 大气的运动和变化 • 动力气象学的数值模拟和预测 • 动力气象学的应用和实践
01
动力气象学简介
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
南京信息工程大学2019考研大纲：F04动力气象学(含数值预报)
南京信息工程大学2019考研大纲：F04动力气象学(含数值预报)/ueditor/201810/25/3d3be150183860d03aa66c3b071db0 5a.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg" width="600" height="93" border="0" vspace="0" />4、了解数值模式的基本分类，理解过滤模式和原始方程模式的区别。
第十一章、地图投影坐标系中的大气运动基本方程组1、掌握地图投影的基本知识，尤其掌握正形投影的基本概念;2、熟悉常见的三种正形投影的定义、特点;3、理解正交曲线坐标系的基本概念，理解拉密系数的物理意义;4、掌握水平坐标变换的基本方法。
5、理解地图投影坐标系中拉密系数和地图放大系数的关系。
第十二章、数值计算方案1、理解差分方法的主要思想，掌握差分格式的构造方法;2、熟悉并能够应用常用的差分格式。
3、了解差分格式的基本性质;4、掌握确定差分格式线性稳定性判据的方法，能对不同类型差分格式的稳定性进行分析;5、掌握构造常用的时间积分格式的方法;6、了解常用的时间积分格式的特点。
7、了解有限差分格式所引起的各种误差;8、熟悉非线性计算不稳定和混淆误差的概念;9、理解非线性计算不稳定产生的原因，并熟悉其常用的抑制方法。
10、掌握三点平滑、五点平滑和九点平滑的方法;11、理解响应函数的物理意义;12、了解平滑公式的应用。
第十三章、正压原始方程模式1、了解正压原始方程模式的设计思想、模式的基本特点;2、会应用有关假设，导出模式的预报方程;3、了解正压原始方程模式具有的积分性质。
4、理解模式时间积分步长的选择依据。
5、理解守恒差分格式的概念;6、掌握差分算符的表示方法;7、熟悉一次守恒格式和二次守恒格式的概念及其构造方法，熟悉正压原始方程模式二次守恒格式的构造方法;8、掌握三步法时间积分格式的构造方法;9、掌握正压原始方程模式显式时间积分方案的设计方法;10、了解半隐式格式的构造方法及其特点。
《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
第一章气象信息系统概述ppt课件
精选PPT50年代，资料收集依靠人工手抄气象莫 尔斯电报完成，资料分发使用莫尔斯广播，由于莫 尔斯电报通信和莫尔斯广播均使用无线电短波传输， 信号受环境影响大，通信质量无法保证。
（2）电传通信
2010年-至今——曙光4000A， IBM Cluster1600 等（每秒100亿次-20万亿次）
高性能计算机系统的未来发展：为使我国的气候 模式预测水平达到发达国家的平均水平，未来50年 气候变化预测时效提高1倍，气候变化预测集合能力 提高1倍，中国气象局计划未来2-3年建设数百万级 的高性能计算机系统。
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24
（4）高性能计算机应用
国家级高性能计算机应用：
1978年11月——日立M-170（每秒百万次）
1989年——CYBER962（每秒1480万次）
1991年——CYBER992（每秒3460万次）
1993年8月——银河II（每秒4亿次）
1994年10月——CRAY C92（每秒20亿次）
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11
气象业务系统的基本要求 气象业务系统应具备气象业务和信息系统的双
重标准： （1）采用现代信息技术作为基础技术架构。 （2）具备信息系统的基本特征。 （3）具备气象业务系统的基本特性。
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12
良性气象业务系统的判定标准
判定一个气象业务系统是否是良性的。除验证 其是否实现系统的设计目标外，还须考察其是否具 备可行的保障措施。
1991年6月国家气象中心建成了第二代国际气 象通信系统（第二代BQS）。
2005年5月第三代BQS投入实时业务运行。
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南京信息工程大学《动力气象学》复习重点(上)
《动力气象学》复习重点Char1 大气运动的基本方程组1、旋转参考系〔1〕运动方程g F V p dt V d ++⨯Ω-∇-=21ρ〔2〕连续方程0=•∇+V dtd ρρ▽·V 为速度散度，代表气团体积的相对膨胀率。
体积增大时，〔▽·V>0〕，密度减小；体积减小时，〔▽·V<0〕，密度增大。
0=•∇+V dtd ρρ▽·(ρV )为质量散度，代表单位时间单位体积内流体质量的流入流出量。
流入时▽·(ρV )<0，密度增大；流出时▽·(ρV )>0，密度减小。
〔3〕热力学能量方程Q dta d p dt T d c v =+内能变化率+压缩功率=加热率 Q dtp d dt T d c p =-αα=1/ρQ 2、局地直角坐标系〔z 坐标系〕中的基本方程组111()0ln ,,x y z v p du p fv F dt x dv p fu F dt y dw p g F dt z d u v w dt x y z p RT dT d dT dP d c p Q c a Q Q dt dt dt dt dtρρρρρραθ∂⎧=-++⎪∂⎪∂⎪=--+⎪∂⎪∂⎪=--+⎪∂⎨⎪∂∂∂⎪+++=∂∂∂⎪⎪=⎪⎪+=-==⎪⎩ 运动方程、连续方程、能量方程是预报方程，状态方程是诊断方程。
3、p 坐标系中的基本方程组⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧-=∂Φ∂=-∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂-∂Φ∂-=+∂Φ∂-=p RT pc Q S y T v x T u tT py u x u fu y dtdv fv x dt du p p ωω04、p 坐标系的优缺点优点：p 坐标系中的运动方程组不再出现密度ρ；连续方程形式简单，与不可压缩流体的连续方程形式相当；由于日常工作采用等压面分析法，用p 坐标系方程组可以方便的进行诊断分析。
南京信息工程大学动力气象学第7章PPT课件
C dx dt 常量
＝( 2 x 2 t )＝常量 2 dx － 2 ＝0
LT
L dt T
C dx
＝L
dt 常量 T
一个周期，正好移动一个全波形
S ( x ,t ) A c2 o x 2 st ) ( A ck o x t ) s A c (k ( o x c ) s
.
42
①求解困难:作线性化或者求数值解 ②大气中存在非线性现象
如多态、突变。
在某些条件下把非线性方程线性化。 介绍微扰动线性化方法。
基本思想： （1）任一气象要素（变量），由已知基 本量叠加上未知扰动量组成，即：
sss 且 s s 微扰动
.
43
（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。 →得到线性方程。
.
15
T——周期： 质点完成一个全振动需要的时间；
c——波速或相速： 等位相线&等位相面的移动速度，即槽
的移速； 波动学中，求解天气系统移动的问题，
即求解波速c的问题。
k——波数：
k2L2 距离内波的数目；
ω——圆频率：
2T2时间内质点完成全振动
的次数。
.
16
(kx t)
波速：等位相线（面） 的移速。
扰动量二次以上乘积项可忽略
u t V u V u 1 P x 2 P xfv
此时，方程形式上虽然多了几项，但由于基
本量是已知的，故现在的方程是线性方程。
.
46
微扰动线性化方法适用于小振幅的扰动。 对于有限振幅的扰动，这时不满足
A A
扰动量的二次以上乘积项不能作为高阶 小量忽略。非线性项重要。
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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1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
南京信息工程大学动力气象学资料
51、没有哪个社会可以制订一逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿