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天气学原理和方法第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。
第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析一、旋转坐标系中运动方程1. 二（绝对速度）与丁（相对速度）假设t o 时刻一空气质点位于P 点，经t 时间，质块移到Pa 点，地球上的固定点P 移到了 Pe 位置位 移为R ，质块相对固定地点的位移为 兰R ，图1.1旋转坐标系显然匚：=Z-血 &当…- 0位移很小时边左=匚圧_晟占daR dR d^R----- = ------ + -------单位时间的位移为 皿 逸 皿由此得=「兀此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和d^V dV2.与az 的关系地球自转角速度为= Q: /x -S由此可得微分算子则于是daR _dtda d -——=—十C △将微分算子用于―则有dCt VCt ——= ---+ G A 九dt dt再将兀！代入上式右端得daVa dVdt _ _ __ _ _ 存=-- 2Q ----- +0八（Q 人卫）dt dt式中■■- !'为地转偏向力加速度，即柯氏加速度：'''■■- ' ：'' ■"■，＜；为向心力加速度 3 •牛顿第二定律F — m --------------dt在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有叱L=_—w+ /去：地心引力F:摩擦力将此式代入（*）式:竺二一丄VF + GC-2Q A产一心八⑸入氏）十F di q 、作用力分析 1 .气压梯度力(*)daVa F=> dt单位质量的空气块所受到的力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量-&电& = Fyy方向：哲'- —&①隹=Fzz方向：F =弘+ Fy ¥ F去净空气总压力—（迄+K/+里灯％沁dx dy fem =a②表达式③推导:x方向: B面PA 面:-(P+u净压力: g茨&卸歷=F A同理G=-大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向①定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力G：= ^=常数②表达式K:万有引力常量M :地球质量图1.1.3 地心引力受力分析图④讨论:大小：不变，常数④讨论:a：到地心的距离(1.2)实用标准文档3.惯性离心力①定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（•’'■观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力图1.1.4旋转坐标系中的惯性离心力④讨论：大小：- 与纬度成反比，赤道处最大方向：在纬圈平面，垂直地轴指向4.重力方向：指向地球心②表达式(1.5)③推导: di① 定义： 地心引力与惯性离心力的合力图1.1.5 重力大小：随纬度增大而增大方向：垂直地球表面指向5 .地转偏向力①定义： 观测者站在转动地球上观测单位质量空气块运动(〕右偏的力，在南半球它向左偏。
1、大气环流平均纬向风的经向分布和平均经向风的纬向分布？平均纬向风的经向分布：低纬地区全部为东风，最大风速中心在平流层；中高纬为西风；极区近地面为东风，冬季对流层到平流层均为西风，夏季对流层中仍为西风，平流层中为东风。
平均经向风的纬向分布：北半球冬季30度以南地区对流层低层为偏北风，上空为南风；40度以北低层平均为南风，高层平均为北风。
夏季40度和13度之间低层北风，高层弱南风；接近赤道的区域，低层为南风，高层为北风。
纬向风比经向风要大得多，说明地球上空大气运动基本上是环绕着纬圈自东向西或自西向东运动的，同时也有南北风的空气交换，冬强夏弱。
2、海陆分布对对流层中部西风带平均槽，脊形成的重要作用？北半球大陆（欧亚大陆、北美大陆）大部分都在西风带里。
冬季，当空气自西向东流过大陆的过程中，由于冷大陆的影响，气温不断降低，当到达大陆东岸时温度就降到最低值。
冷空气上空等压面比较低，于是大陆东岸附近５００百帕图上便形成冷性低槽。
而当空气自西向东流过海洋的过程中，由于暖洋面影响，气温不断升高，当到达大陆西岸时，气温达到最高值。
由于暖空气上空等压面高度比较高，在大陆西岸就会出现高压脊。
（夏季则相反，由于热力作用的影响，大陆东岸上空表现为高压脊，西岸上空将出现低槽。
）3、大范围的高原和山脉对大气环流的影响？大范围的高原和山脉对大气环流的影响是相当显著的。
它们可以迫使气流绕行、分支或爬坡、越过，并使气流速度发生变化。
以青藏高原为例，青藏高原的动力作用及影响为：冬季青藏高原位于西风带里，高大的高原使500百帕以下西风环流明显分支、绕流和汇合；从而使得高原迎风坡和背风坡形成弱的“死水区”，西风绕流作用形成北脊和南槽，并对南北两支西风起稳定作用。
除此之外，较高层的西风气流也可以爬坡通过高原，并在高原东侧下坡。
冬季东亚大槽是海陆热力差异和西藏高原地形动力作用的产物。
青藏高原相对于四周大气，夏季起着强大的热源作用；冬季高原的东南部也是一个热源，西部由于资料缺乏，尚未定论。
天气学原理和方法天气学原理和方法目录第一章大气运动的基本特征 (3)第一节影响大气运动的作用力 (3)第二节控制大气运动的基本定律 (4)第三节大尺度运动系统的控制方程 (4)第四节“P”坐标系中的基本方程组 (5)第五节风场和气压场的关系 (6)第二章气团与锋 (8)第一节气团与锋 (8)第二节锋的概念与封面坡度 (9)第三节至第五节 (10)第三章气旋与反气旋 (12)第一节气旋、反气旋的特征和分类 (12)第二节涡度与涡度方程 (12)第三节位势倾向方程和方程 (14)第三节温带气旋与反气旋 (15)第五节东亚气旋和反气旋 (16)第四章大气环流 (18)第一节大气平均流场特征与季节转换 (18) 第五章天气形势及天气要素的预报 (22)第六章寒潮天气过程 (26)第七章大型降水天气过程 (28)第一节降水的形成与诊断 (28)第二节大范围降水的环流特征 (34)第三节降水的天气尺度系统 (39)第四节暴雨中尺度系统 (44)第五节不同高度急流对暴雨生成的作用 (46)第八章对流性天气过程 (47)第一节雷暴的结构及雷暴天气成因 (47)第二节中小尺度天气系统 (49)第三节对流性天气预报的物理基础 (50)第四节对流性天气的预报 (52)雷达原理与业务应用 (53)第九章低纬度和高原环流系统 (59)第十章东亚季风环流 (71)第十一章天气诊断分析 (77)第一章大气运动的基本特征第一节影响大气运动的作用力1.大气运动受什么定律支配？质量守衡、动量守衡和能量守衡定律2.影响大气运动的真实力有哪几种？气压梯度力、地心引力、摩擦力。
3.影响大气运动的视示力（外观力）有哪几种？惯性离心力、地转偏向力。
4.气压梯度力的方向？气压梯度力的大小与气压梯度和空气密度有什么关系？方向指向—▽P 的方向，即由高压指向低压的方向；气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比。
5.地心引力6.惯性离心力7.地转偏向力8.地转偏向力的几个重要特点？1）地转偏向力A 与Ω相垂直，而Ω与赤道平面垂直，所以A 在纬圈平面内2）地转偏向力A 与V 相垂直，因而地转偏向力对运动气块不作功，它只能改变气块的运动方向，而不能改变其速度大小。
《天气学原理》考前辅导知识点归纳总结1气团和锋（第二章第一节-第二节）气团指的是气象要素（主要是温度和湿度）水平分布比较均匀的大范围空气团。
水平尺度约为1000Km；垂直尺度约为10Km。
锋是密度不同的两个气团之间的过渡，锋区的水平宽度约为几十公里到几百公里，一般上宽下窄。
2锋区、锋面、锋线的联系与区别（第二章第二节）锋区是密度不同的两个气团之间的过渡区。
在天气图上表现为等温线密集（即温度水平梯度大而窄的区域）密度的不同主要表现为温度的不同。
锋区的水平宽度约为几十公里到几百公里，一般上宽下窄。
在天气图上由于比例尺小，锋区的宽度表示不出来，可把它看作为空间的一个面，即为锋面。
锋线指的是锋面与地面的交线称。
3锋面附近气象要素场的特征（第二章第三节）温度场特征：锋区内温度水平梯度远比其两侧气团大。
锋区内温度垂直梯度小，同一等压面或等高面上锋区内等温线密集，其密集程度愈强，表示锋面愈强，同时温度的密集区随高度增加向冷空气一侧倾斜。
气压场：在地面上，一般锋面位于气压槽中，等压线通过锋面呈气旋式弯曲，其折角指向高压。
锋两侧的气压梯度不连续。
风场特征：锋线附近的风场具有气旋性切变，地面摩擦可使气旋性切变加剧。
锋区内风速随高度的变化较大。
一般冷锋附近有冷平流，水平风向随高度增加是逆时针旋转；暖锋附近有暖平流，水平风向随高度增加而呈顺时针旋转。
地面锋上空，可出现大风速区，甚至可出现急流。
变压场：变压是指某一点的气压随时间变化的大小。
一般来说冷锋锋后有三小时正变压，冷锋前气压变化不大。
暖锋锋前有三小时负变压，暖锋锋后气压变化不大。
对于锢囚锋来说，锢囚锋前多为三小时负变压，锋后多为三小时正变压。
4 锋的分类（第二章第二节）根据锋在移动过程中冷、暖气团所占有的主次地位，可将锋分为：冷锋、暖锋、准静止锋和锢囚锋。
根据锋的伸展高度可将锋分为：地面锋（或低层锋）、高空锋、对流层锋。
根据锋面两侧的气团来源的地理位置不同，可将锋分为：冰洋锋、极锋和赤道锋（热带锋）。
知识点第四单元§4.1三圈环流1.单圈环流太阳辐射能在整个地球表面分布不均匀，随纬度的增大而减小。
较低纬度（40°N~40°S）有辐射能盈余，地-气系统的年辐射差额在较低纬度为正值。
中高纬（40°N~北极、40°S~南极）有辐射能亏损，地-气系统的年辐射差额在中高纬度为负值。
因为太阳辐射能的分布差异，对流层中，低纬为暖中心，温度向极地逐渐递减。
温度分布不均匀必然产生热力环流。
赤道温度高，密度小，极地温度低，密度大，因此，在对流层低层，形成由北向南的气压梯度力。
而根据静力平衡关系，赤道地区温度高，气压随高度递减较慢，极地温度低，气压随高度递减较快，因此，在对流层高层形成由南向北的气压梯度力。
图1. 高低层气压梯度力暖区形成地面低压，冷区形成地面高压，进而出现由冷区指向暖区的气压梯度力，高层反过来，形成由暖区指向冷区的气压梯度力。
因此，空气在暖区上升，在冷区下沉，高空是由暖区吹向冷区的南风，低层是冷区吹向暖区的北风。
这样的垂直环流圈是热力引起的直接环流圈。
图2. 热力直接环流圈与此相对应，如果在冷区出现地面低压，在暖区出现地面高压的话，则会强迫出一个间接环流。
图3. 热力间接环流圈仅考虑太阳辐射的话，对流层低纬度暖，高纬度冷，空气在赤道上升，在极地下沉，高空是由赤道吹向极地的南风，低层是极地吹向赤道的北风，出现热力引起的直接环流，即在南北各半球均出现单圈环流。
如图所示，赤道地区加热最强，温度最高，空气上升，直达对流层顶；高层空气辐散，向南北两极运动；空气在极地下沉，并沿地表返回赤道。
这就构成了一个南北向的闭合环流。
这种环流圈是由大气加热不均匀造成的，在暖区形成地面低压，有上升运动，冷区形成地面高压，有下沉运动。
因此，是一个直接热力环流圈。
图4. 单圈环流单圈环流是在仅考虑太阳辐射，不考虑地球旋转的假定条件下得到的。
而实际上，地球是在不停旋转的，单圈环流实际上并不存在。
