动力气象学-第一章(绪论)

1939年罗斯贝引进β平面近似，创建了著名的长波理 论。1941年以来，形成了气象科学的芝加哥学派。
中纬度大尺度运动的准地转体系的建立，奠定了数值预
报理论基础。在50年代初首次成功地制作出数值天气预
报(恰尼、费约托夫、冯· 诺伊曼，1950年)，开始了将动
力气象学理论应用于制作客观定量预报的新阶段。
菲利普斯利用两层准地转模式，成功地对大气环流进行
数值模拟试验。
数值天气预报和大气运动的数值试验是气象科学从定性
的、描述性的科学发展成定量的、试验性数理学科的重
要标志。
20世纪50年代以后，特别是60年代以来卫星技术、 空基和地基遥感技术，以及计算机技术在大气科学 广泛应用，气象探测资料大量增加，处理原始探测 资料能力迅速提高，促进了动力气象学进一步发展。
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
动力气象学的发展简史—大事记
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。 1820年，布兰德斯绘制了气象历史上第一张天气 图，创立了近代天气分析和天气预报的方法。这 是气象科学发展过程中又一次飞跃。
3、大气动力学基本假定（★）
流体力学把实际流体抽象概括为“流点”或“连续介质”
连续（无间隙）流体介质假设——质点（有质量但无体
积）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；
看成为理想气体（无凝结） ——状态方程；
动力过程和热力过程相互作用；
大气为可压缩连续流体 ——连续方程。
空气微团（流点、质块、质点）
假设：流点的线尺度为L2
分子的平均间距为L1
流动（运动）范围线尺度为L3 则：
L2
L1 L3
L1 << L2 << L3
即：要求流点足够大，包含足够多的气体分子 要求流点足够小，相对于运动范围可看成一个点
连续介质假设中的流体质点既要充分小，
以使它在流动中可当作一个点，同时又 要足够大，能保持大量分子具有确定的
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。
部，即欧亚非三大洲的交汇地带，这里是埃及
文化、巴比伦文化和希腊文化的发祥地。
（2）大气科学开始建立的时期(17世纪～19 世纪初)：17～18世纪是科学革命的时代。随 着14～16世纪文艺复兴、资本主义生产方式
的出现，以及航海业的兴起，天文学和物理
学出现了重大突破。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
本章的教学目的：
主要简述地球的特征及其对大气运动的影响。
掌握描述旋转地球大气的主要动力和热力特征，
弄清流体力学和动力气象学所研究的对象有何
区别？
同时，了解动力气象学发展的历史、发展趋势。
本章教学重点：
学习重点是地球大气的若干基本性质。
一、什么是动力气象学
1、动力气象学的课程性质—定义、地位
动力气象是研究自转地球上大气运动的特殊规律。 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。
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。
20世纪70年代以来，全球范围的气候异常，世界面临着
大气是重力场中的旋转流体。
=2 /86164s（1 个恒星日）=7.29210-5/s。
地球半径：R≈6300km~106m
大气是“旋转流体”：80%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）； 与地球厚度相比，可 以看为准水平的。
3、地球大气的运动学和热力学特性
力平衡
层结流体垂直振荡大气重力内波
大气有水份相变（释放潜热系统发展—如台风）
下垫面非均匀性最大的是海陆差异（与大槽对应）
4、大气运动的多尺度性
尺度是表征一个系统在空间上的大小，或在时 间上持续的长短。 空间尺度：水平方向和铅直方向；
时间尺度：从几千公里的大尺度到几公里的小
尺度。包括：大尺度运动，如大气的长波和超 长波；中尺度运动如台风、中尺度低压和气旋； 小尺度运动，如雷暴和龙卷。
1、动力气象学的学习目的
学习目的（目标）
通过本课程的学习，学生应初步掌握旋转大
气运动特别是大尺度运动的基本特征，用动
力学的观点处理大气问题的基本方法以及重 要结果。
2、动力气象学与其他课程的关系
电、和降水的微物理过程，研究大气的宏
观运动，遵循几个基本假设：连续介质、
物理基础：力学、热力学、不研究声、光、
（4）大气科学迅速发展的时期（20世纪50年
代以来）：第二次世界大战后，以遥感技术
和计算机技术为代表的新技术迅速发展。从 50年代开始，这些新技术逐渐应用于大气科 学。从此大气科学在探测手段、通信方式、 试验手段，以及天气预报、气候变化、人工 影响天气、大气化学等分支学科发展和国际 合作等方面，都有了突飞猛进的发展。
在这个时期，V.皮耶克尼斯和 J.皮耶克尼斯等人撰著的三
卷巨著《动力气象学和水文学》(《静力学》,《运动学》, 《物理流体力学及其在动力气象学上的应用》) ，是对他 们本人和本学派研究成果的系统总结。
前苏联以柯钦为首的一些学者所做的一系列工作（高空）。 20世纪30年代，无线电探空仪获取了高空气象探测资料， 发现高空西风气流之上叠加有长波。
度等于零。 准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等，加 速度不等于零，系统能够发展。
3、地球大气的运动学和热力学特性
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（大气波动）。 稳定性作用——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）：大气动能
和内能转化为位能的可能性减小；
锋面的存在——动能的转换。
大气是层结流体：大气密度（温度）随高度变化。 大气的密度随高度是改变的——层结稳定度。 阿基米德净力使不稳定层结大气中积云对流得以发
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：相变潜热 —— 低纬度扰动和台风
的发展。
大气的下边界是不均匀的： 湍流性；海陆分布和地形的作用。
1、动力气象学的课程性质
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专业一门重要的专业基 础课，属于专业主干课、核心必修课。 该课程系统地讲述旋转大气运动的基本理论，
介绍研究大气运动的基本方法和重要结论，为
数值天气预报、气候学等后续课程提供必要的
理论基础。
中纬度
几小时—几 十小时 锋面 飑线 背风波
中尺度对流 群
几分钟—几 小时 积雨云
龙卷
低纬度
对流单体
边界层涡动
二、动力气象学研究对象、任务和方法 1、动力气象研究内容：
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、风压关系、 大气边界层、大气涡旋（环流与涡度）、大气波 动、大气不稳定、地转适应等等。
平均效应值——各种宏观物理量值。
这种既大又小的流体质点，有时也称作 流体微团或流体体素，一般则简称为流 点。
在我们后面的讨论中，经常会用到这个概 念——流体块，一个小的空气块。
连续介质假设
将离散分子构成的实际流体看成由无数 个上述流体质点没有空隙连续分布而构成， 这就是连续介质假设。
3、地球大气的运动学和热力学特性
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。
学习方法：侧重理解；及时复习；提前预
习；按时按要求完成作业
1. 理解概念； 2. 掌握数学的应用；
3. 物理解释。
★ 李国平，新编动力气象学，气象出版社，2006
三、 动力气象学的发展简史与发展动向
动力气象学的发展历史，大体可分为4个阶段： （1）气象经验、知识的积累时期（自人类文 明开始至16世纪）：这五、六千年为古代气象 知识的积累时期。其源流主要有两个：一个在 亚洲，以中国和印度为主；另一个在地中海东
基础上进行的理论研究，是大气科学这一时
期发展的重要标志。
（3）大气科学主要分支学科的形成时期（19世
纪初～20世纪40年代）：在气象仪器发明、观
测网建立以及流体动力学理论发展Baidu Nhomakorabea基础上，
大气科学的主要分支学科相继形成，例如天气
学、动力气象学和大气物理学等。 大气科学著名的两大理论学派也在这一时期先 后创立，这就是以皮耶克尼斯为首的挪威卑尔 根学派和以罗斯贝为首的美国芝加哥学派。
教学进度表
二、动力气象学研究对象、任务和方法
绪论
大气运动的基本方程（含尺度分析）
2、主要教学内容和具体安排（34学时）
2 学时
6学时
平衡流场
大气涡旋（环流与涡度） 大气边界层 大气波动学
6 学时
6 学时 6 学时 8 学时
二、动力气象学研究对象、任务和方法 3、学习方法（参考文献）
天气系统尺度的划分：
尺度的概念
尺度是表征一个系统在空间上的大小，或在时间上持续的长短。 天气尺度的划分
水平尺度 （km）
从水平尺度及持续时间来划分。
中尺度 102 小尺度 101
大尺度 103
几日—几十 日 长波 温带气旋 反气旋 云团 热带气旋
微尺度 <10
几十秒—十 几分钟 边界层涡动
时间尺度
水平运动：垂直速度为零。 准水平运动：主要是水平运动，但垂直速度也 很重要（降水形成）。 考虑地球自转、准水平大尺度大气运动的动力 过程。
3、地球大气的运动学和热力学特性
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（准地转的）。
地转运动：科氏力与水平气压梯度力相等，加速
动力气象学
Dynamic Meteorology 主讲人：周顺武
南京信息工程大学 大气科学学院 E-mail: zhou@nuist.edu.cn
绪
论
一、什么是动力气象学（性质★、目的）
二、动力气象学（课程）研究对象 、任务、 基本假定（重点★）和学习方法 三、动力气象学发展简史（一般性了解）
四、评分标准
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。
假 定
连续流体（介质连续、物理量连续）
理想气体（P=RT，对湿空气引入虚
温TV， P=RTV ）
可压缩流体（P与T有关，而P与运动
有关 动力与热力不可分开）
特 性
重力 90%集中在10km内 准水平，重力与垂直气 压梯度力近于平衡准静力平衡 地球自转 在大的尺度缓慢流下，地转偏向力（科 氏力）不可忽略准地转平衡科氏力与水平气压梯度