动力气象学第1章

第一章描写大气运动的基本方程组复习思考题1.支配大气运动状态和热力状态的基本物理定律有哪些？大气运动方程组一般有几个方程组成？哪些是预报方程？哪些是诊断方程？答：基本物理定律是牛顿运动定律、质量守恒定律、热力学能量守恒定律、气体实验定律；大气运动方程组一般有六个方程组成（三个运动方程、连续方程、热力学能量方程、状态方程）；若是湿空气还要加一个水汽方程。

运动方程、连续方程、热力学能量方程是预报方程，状态方程是诊断方程。

2.研究大气运动变化规律为什么选用旋转坐标系？旋转参考系与惯性参考系中的运动方程有什么不同？答：相对于惯性参考系中的运动方程而言，旋转参考系中的运动方程加入了视示力（科里奥利力、惯性离心力）。

3.地球旋转对大气运动有哪些动力作用？答：产生惯性离心力，相对于地球有运动的大气还受科里奥利力作用。

4.科里奥利力是怎样产生的？他与速度的关系如何？南北半球有何区别？它在赤道、极地的方向如何？答：由于地球旋转及空气微团相对于地球有运动时产生；科里奥利力垂直于V，在北半球指向运动的右侧，在赤道处沿半径向外，在极地其垂直于地轴向外。

5.惯性离心力是怎样产生的？如果没有地球旋转，此力存在不存在？答：处在旋转坐标系中产生的；若没有地球旋转，此力不存在。

6.曲率项力怎样产生的？如果没有地球自转，此力存在不存在？答：由于地球的球面性引起的；若没有地球旋转，此力不存在。

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R 2Ω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。

《动力气象学》课程辅导资料知识点归纳总结第一章绪论1. 研究地球大气运动时的基本假设连续介质假设：研究大气的宏观运动时，不考虑离散分子的结构，把大气视为连续流体。

从而，表征大气运动状态和热力状态的各种物理量，例如大气运动的速度、气压、密度和温度等可认为是空间和时间的连续函数，并且经常假设这些场变量的各阶微商也是空间和事件的连续函数。

是研究大气运动的基本出发点。

理想气体假设：气压、密度、温度之间的关系满足理想气体状态方程。

2. 地球大气的运动学和热力学特性有哪些？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；起稳定性作用——位能、动能的转换——锋面。

大气是层结流体：大气的密度随高度是改变的——层结稳定度；不稳定层结大气中积云对流；稳定层结大气中重力内波。

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；海陆分布和大气环流。

3. 大气运动的多尺度性大气运动无论在时间尺度还是在水平尺度上都具有很宽的尺度谱，不同尺度系统在性质上有很大差异，对天气的影响也不同，不同尺度运动系统之间还存在相互作用。

而根据流体力学和热力学原理建立起来的大气运动方程组，表征了大气运动普遍规律，从物理上讲，它几乎描述了各种尺度运动和它们之间的相互作用，方程组是高度非线性的，难以求解。

因此，在动力气象中，常对各种运动系统进行尺度分类，利用尺度分析法分析各类运动系统的一般性质，建立各类运动系统的物理模型（第三章）。

第二章描写大气运动的基本方程组1. 作用于大气的力，哪些是真实力，哪些是视示力？真实力：气压梯度力、地球引力、摩擦力，既改变气流的运动方向，也改变速度的大小视示力：科里奥利力、惯性离心力，只改变气流的运动方向，不改变速度的大小2. 描述大气运动的基本方程组和各自遵守的物理原理牛顿第二定律——运动方程质量守恒定律——连续方程理想气体实验定律——状态方程能量守恒定律——热力学能量方程水气质量守恒——水汽质量守恒方程3. 分析流体运动的两种基本方法拉格朗日方法：着眼于微团，研究其空间位置及其他物理属性随时间变化的规律，推广到整个流体运动。

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第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度天气系统：时间尺度和空间尺度比常规探测站网小，但比积云单体的生命周期及空间尺度大得多的一种尺度。

即水平尺度为几公里到几百公里，时间尺度由1小时到十几小时。

2、划分依据及分类：1）早期的经验分类天气系统——大尺度、中尺度和小尺度空间尺度分别为：106m、105m和104m时间尺度对应为：105s、104s和103s2）依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类方法）依据无量纲数罗斯贝数Ro 和拉格朗日时间尺度T的尺度分类行星尺度、气旋尺度、中尺度、积云尺度、小尺度3）Orlanski的综合分类（观测与理论分类）大尺度（α、β）中尺度（α、β、γ）小尺度3、中尺度大气运动的基本特征1)空间尺度范围广，生命周期跨度大；2)气象要素梯度大；3)散度、涡度与垂直速度；4)非地转平衡和非静力平衡；5)质量场和风场的适应；6)小概率和频谱宽、大振幅事件第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统的分类：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波的基本类型主要依赖风的不同类型（1）层状气流小风、层状气流。

平滑浅波，波动只发生在山脉上空的浅层，向上很快消失——山脉波（mountain wave）（2）驻涡气流：在山顶高度以上风速较大时，可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动，上面则有气流的平滑浅波——驻涡（standing eddy）（3）波动气流当风速随高度增大时，在背风坡出现波动气流——背风波（lee wave）。

背风波可以伸展到对流层上层和平流层。

（4）转子气流：在背风波出现时，当垂直方向有风速极大值出现时，则会形成转子气流（rotor streaming）。

驻涡和转子是背风波的特殊形式！3、背风波的形成、特征及大气条件背风波是地形波的一种类型，由于障碍物引起空气垂直振荡而造成的。

特征：波长：1.8～70km之间，多为5～20km左右。

波长一般随高度而变，高层较长，低层较短。

1979年，美国的恰尼，多平衡理论（大气年美国的恰尼，多平衡理论（在同一状况下有几个平衡态）在同一状况下有几个平衡态）用以解释副高北跳” 大气环流6月月突变” “副高北跳”，“大气环流月、10月突变” 月突变现象。

现象。

90年代以后，动力气象学的新成年代以后，年代以后果较少。

果较少。

本课程讲授30－年代理论年代理论；本课程讲授－60年代理论； 60年代后的主要在《高等动力气年代后的主要在《年代后的主要在象学》选修课、研究生《象学》选修课、研究生《大气动力学》课程中讲授。

力学》课程中讲授。

本专业另外开设了《中小尺度大气动力学》本专业另外开设了《中小尺度大气动力学》、热带大气动力学》等课程，且课程有三章内容（《热带大气动力学》等课程，且课程有三章内容（大气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、大气涡旋动力学）已经在先修课程《天气学原理》大气涡旋动力学）已经在先修课程《天气学原理》中部分讲述过，因此，部分讲述过，因此，本课程主要以讲述中高纬大尺度大气过程为主，为了保持课程的系统性，大气过程为主，为了保持课程的系统性，《天气学原部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，理》部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，对基本原理和概念加以回顾和补充。

基本原理和概念加以回顾和补充。

在讲授过程中要注意和先修课程的衔接，意和先修课程的衔接，在大气动力学的整体框架内讲述大尺度大气动力过程，为后继课程《述大尺度大气动力过程，为后继课程《中小尺度大气动力学》热带大气动力学》研究生课程《动力学》、《热带大气动力学》、研究生课程《大气动力学》做好衔接准备。

动力学》做好衔接准备。

南京信息工程大学2012年硕士研究生招生入学考试《动力气象学》考试大纲科目代码：F04科目名称：动力气象学第一部分目标与基本要求一、目标：应用物理学定律研究大气运动的动力过程、热力过程，从理论上探讨大气环流、天气系统演变的过程、规律和机理。

二、基本要求：要求学生掌握有关内容的基本概念、基本理论和基本方法，理解天气系统演变的基本规律和机理，提高分析问题、解决问题的能力，能理论联系实际并提高自己吸收新知识的能力。

第二部分内容与考核目标第一章、描写大气运动的基本方程组1、理解描写大气运动的基本物理过程。

2、掌握旋转参照系、科氏力、压力梯度力的概念。

3、了解球坐标系中的基本方程组。

掌握局地直角坐标系中的基本方程组。

4、了解求解大气运动闭合方程组的定解问题。

第二章、尺度分析与自由大气中的风场1、掌握尺度分析的基本概念和方法2、掌握R o数的定义，理解其重要性。

3、掌握静力平衡的概念与p－坐标系的物理基础。

4、掌握地转运动、地转偏差的概念。

5、掌握斜压大气、正压大气、热成风的概念。

第三章、大气涡旋动力学1、掌握环流定理与涡度方程。

2、掌握大气中涡旋系统演变的主要物理机制。

3、理解位涡的概念，了解位涡方程的推导，会初步应用位涡守恒定律解释实际过程。

第四章、大气行星边界层1、掌握湍流运动的特性，理解湍流运动的一般处理方法，了解平均运动方程的推导。

2、掌握边界层的特点及大气分层。

3、理解混合长理论，掌握湍流输送通量与湍流粘性力的概念。

4、掌握近地面层中风随高度分布的特点及求解方法。

5、掌握Ekman层中风随高度分布的特点，了解其求解过程。

6、掌握Ekman抽吸、二级环流的概念，掌握大气旋转减弱的物理机制。

第五章、大气能量学1、掌握大气能量的基本形态，掌握大气位能与内能关系及全位能的概念。

2、会推导质点动能方程，掌握闭合系统动能与全位能转换的条件与机制。

3、掌握有效位能的概念，了解有效位能的计算过程。

4、掌握纬向平均运动与涡旋运动的概念，了解纬向平均运动动能和有效位能方程、涡旋运动动能和有效位能方程的推导过程。

《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。