第四讲 大气动力学基础

空气动力学基础知识什么是空气动力学空气动力学是力学的一个分支，研究飞行器或其他物体在同空气或其他气体作相对运动情况下的受力特性、气体的流动规律和伴随发生的物理化学变化。

以下是由店铺整理关于空气动力学基础知识的内容，希望大家喜欢!空气动力学的分类通常所说的空气动力学研究内容是飞机，导弹等飞行器在各种飞行条件下流场中气体的速度、温度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的升力和阻力等空气动力及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。

从这个意义上讲，空气动力学可有两种分类法：1)根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度，空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学。

通常大致以400千米/小时(这一数值接近于地面1atm，288.15K下0.3Ma的值)这一速度作为划分的界线。

在低速空气动力学中，气体介质可视为不可压缩的，对应的流动称为不可压缩流动。

大于这个速度的流动，须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特性的变化。

这种对应于高速空气动力学的流动称为可压缩流动。

2)根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性，空气动力学又可分为理想空气动力学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。

除了上述分类以外，空气动力学中还有一些边缘性的分支学科。

例如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。

空气动力学的研究内容在低速空气动力学中，介质密度变化很小，可视为常数，使用的基本理论是无粘二维和三维的位势流、翼型理论、升力线理论、升力面理论和低速边界层理论等;对于亚声速流动，无粘位势流动服从非线性椭圆型偏微分方程，研究这类流动的主要理论和近似方法有小扰动线化方法，普朗特-格劳厄脱法则、卡门-钱学森公式和速度图法，在粘性流动方面有可压缩边界层理论;对于超声速流动，无粘流动所服从的方程是非线性双曲型偏微分方程。

在超声速流动中，基本的研究内容是压缩波、膨胀波、激波、普朗特-迈耶尔流动(压缩波与膨胀波的基本关系模型及其函数模型)、锥型流，等等。

《大气动力学》教学大纲第0章引论第一章大气运动的基本方程组§1. 旋转坐标系下的动量方程§2. 连续性方程§3. 热力学能量方程§4. 闭合方程组及其初边值条件§5. 球坐标系§6. 局地直角坐标系§7. P坐标系第二章自由大气中的平衡运动§1. 自然坐标系§2. 地转平衡与地转风§3. 梯度平衡与梯度风§4. 旋转平衡与旋转风§5. 惯性平衡与惯性风§6. 地转风随高度的变化：热成风§7. 地转偏差与垂直运动第三章大气中的涡旋运动§1. 环流定理§2. 涡度与涡度方程§3. 位势涡度方程§4. 散度与散度方程第四章大气边界层§1. 雷诺平均运动方程组§2. 行星边界层§3. 次级环流与旋转减弱§4. 地形上空的边界层(I) 均质流体§5. 地形上空的边界层(II) 层结流体第五章中纬度天气系统动力学§1. 大气层结与层结稳定度§2. 中纬度天气系统的结构：观测事实§3. 天气尺度系统的尺度分析§4. 准地转位势倾向方程§5. 方程§6. 发展中的斜压系统的理想模式第六章大气中的波动§1. 波动的基础知识§2. 摄动方法§3. 大气声波§4. 浅水重力波§5. 重力内波§6. Rossby波第七章大气波动的稳定度§1. Rossby波的正压不稳定§2. 斜压不稳定§3. Eady波§4. 两层模式中的斜压不稳定波第八章大气中的非线性过程§1. 非线性波与孤立波§2. 大气孤立波§3. Lorenz混沌系统主要参考书目:1、Holton, J. R., An Introduction to Dynamic Meteorology, 4th Edition, Academic Press,2004.2、刘式适、刘式达编著《大气动力学》上册3、杨大升等编著《动力气象学》4、伍荣生等，《动力气象学成绩构成：作业20％；报告，口试20％；期终考试60％大气动力学名词、思考题、习题和文献阅读一、名词f-平面 -平面正压大气斜压大气地转风梯度风热成风地转偏差自由大气边界层Ekman泵旋转减弱Ekman螺旋线气旋反气旋大气层结包辛尼斯克近似大气标高Rossby数Ekman数基别尔数层结稳定度惯性稳定度静力平衡地转平衡梯度平衡正压不稳定斜压不稳定白贝罗定律准不可压缩二、思考题1．考虑地球自转后，牛顿第二定律的形式如何？写出科氏力和惯性离心力的表达式。

学习必备欢迎下载复习要点（知识点） ：1、 动力气象学理论的基本假设主要包括什么？(1) 大气是连续流体(2)大气是可压缩流体(3) 大气近似为理想气体2、 地球大气的动力学和热力学主要特征有哪些？ 一、大气是重力场中的旋转流体(1)大气的垂直厚度比水平范围小的多，大气运动具有准水平性。

大尺度系统中，铅直速度远远小于水平速度，铅直方向大气所受作用力（气压梯度力、重力）近似平衡。

(2)大气随地球一起绕地轴旋转，致使大气必然受到科里奥利力（即科氏力）的作用－－地球的自转对大气的 运动影响深远（所以，地球流体力学是旋转流体力学）。

二、大气是层结流体 大气密度随高度的增加而递减，但可以将大气近似看作许多密度不同的薄层叠加而成三、大气中含有水汽 大气中含有水汽，它既改变了空气的密度分布，又改变了大气的热力性质、影响着大气能量的转换。

四、大气所处的下边界是不均匀的大气的下边界就是地表，全球地表起伏不平、性质迥异，对天气、气候变化影响显著。

3、 什么是个别变化？什么是局地变化？两者的关系如何？ 全导数dTlimδT limT ( xδx , y δy ,z δz ,t δt ) T ( x , y , z , t )dtδt 0δtδt 0δt表示个别空气微团在不同地点、不同时刻的温度变化率，称为空气微团温度的个别变化。

局地导数T T ( x , y , z , tδt )T ( x , y , z , t ) tlimδtδ t0表示某一地点、不同时刻的温度变化率，称为温度的局地变化。

4、 什么是冷平流？什么是暖平流？V T 表示由于水平运动引起的温度的重新分布对温度局地变化T( t)的贡献，称为温度的平流变化率，简称温度平流。

VT|V||T | Cos0 即T 0 本地气温将下降；t风由冷区吹向暖区，冷平流V T|V ||T | Cos0 即0 本地气温将上升；Tt风由暖区吹向冷区，暖平流5、 惯性坐标系中空气微团受到哪些外力的作用？旋转坐标系中又受到哪些力的作用呢？1、气压梯度力：由于空间各处气压分布不均，周围空气介质对单位质量的空气微团所产生的压力称为气压梯度力。

大气动力学研究大气动力学是研究大气的物理现象和运动规律的学科，也是气象学的重要分支。

在现代气象学中，大气动力学被广泛应用于天气预报、气象灾害预警和气候预测等方面，成为了气象学中的重要基础理论。

一、大气动力学的基本概念大气动力学主要研究大气中的物理过程和运动过程。

其中，物理过程主要包括辐射传输、热力学和水文过程等；而运动过程又可以分为大尺度环流和小尺度湍流两个方面。

辐射传输是指太阳和地球之间的辐射作用，包括紫外线、可见光、红外线和微波辐射等。

大气中的辐射传输非常复杂，因为不同波长的辐射在大气中的传输过程不同。

热力学过程是指大气中的温度、压强和密度等物理量的变化过程。

大气中的热力学过程主要受到太阳辐射和地表辐射的影响，同时还受到大气中的水汽、氧气和二氧化碳等物质的调节。

水文过程是指大气中水汽、云和降水等的形成和分布过程。

水汽是大气中最重要的温室气体之一，它会影响大气中的热平衡和湍流运动。

云和降水对大气的水平衡和能量平衡都有着重要的作用。

大尺度环流是指大气中的风、气压、温度和湿度等物理量随纬度和经度的变化规律。

大气中的环流主要是由于地球自转引起的科氏力和气压梯度力的作用。

这些力在全球范围内形成了三个主要的环流带，即赤道低压带、两极高压带和中纬度带。

小尺度湍流是指大气中的气流和涡旋等微观现象。

这些现象一般发生在大气中较小的空间尺度内，例如山谷、河流、湖泊和城市等地方。

湍流运动会对大气的混合和扩散等过程产生影响。

二、大气动力学的研究方法大气动力学的研究方法主要包括理论模型、观测实验和数值模拟等。

其中，理论模型是建立在物理定律和数学模型基础上的理论框架，可以用来解释和预测大气中的物理和运动过程。

观测实验是指通过观测大气中的物理量来验证理论模型的正确性。

观测实验可以通过航空、卫星和地面观测等方式进行。

数值模拟是利用计算机和数值算法对大气的物理过程和运动过程进行模拟和预测。

数值模拟可以帮助气象学家更好地理解大气的物理机制和运动规律，同时也可以用于天气预报和气候预测等应用。

《大气科学基础》复习大纲大气动力学基础作用于空气的力：重力、气压梯度力、地转偏向力、摩擦力其中)(-k zp j y p i x p p ρρρ∂∂+∂∂+∂∂-=∇地转偏向力：V C ρρρ⨯Ω-=2科里奥利系数：φsin 2Ω=f科里奥利力在各方向的分量：φφφφ cos u 2 z cos u 2 - y cos w 2 - sin v 2 x Ω=Ω=ΩΩ=忽略摩擦，标准坐标系的动量方程为：g - cos u 2 z p1 - dt dw sin u2 - y p1- dt dvcos w 2 - sin v 2 xp1 - dt du φρφρφφρΩ+∂∂=Ω∂∂=ΩΩ+∂∂=简化后：ρρρρg - pg - z p 1 - 0fu - yp1 - dt dvfv xp1 - dt du =∂∂∂∂=∂∂=+∂∂=z连续方程：00)(0)(=∇+=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∇+∂∂v dtd z w y v x u z w y v x u t V t ρρρρρρρρρρρ速度散度的意义：dtd dt d v z w y v x u v ααρρ11-==∇∂∂+∂∂+∂∂=∇ρρ，ρα1=为比容单位时间质量的变化率：，流出辐散，质量减少，，流入辐合，质量增加，0000>∇<<∇>v dtd v dt d ρρρρ单位时间体积的变化率：，缩小辐合，体积减少，，膨胀辐散，体积增加，0000<∇>>∇>v dtd v dt d ρραα水平速度散度和垂直速度的关系：对不可压缩大气有：0=dtd ρ，即0=∇v ρ 则：zwy v x u z w y v x u ∂∂=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂-0，有，加强上升运动，垂直速度随高度增大，水平辐合，，减弱上升运动，垂直速度随高度减小，水平辐散，0000>∂∂<∂∂+∂∂<∂∂>∂∂+∂∂z w y v x u z wy v x u 大气中的平衡运动：地转风：在水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡的风，无加速度、无摩擦的空气水平运动梯度风是水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力三者相平衡时的风。

1第一章空气动力学基础知识(总14页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第四单元飞机与飞机系统第一章空气动力学基础知识大气层和标准大气地球大气层地球表面被一层厚厚的大气层包围着。

飞机在大气层内运动时要和周围的介质——空气——发生关系，为了弄清楚飞行时介质对飞机的作用，首先必须了解大气层的组成和空气的一些物理性质。

根据大气的某些物理性质，可以把大气层分为五层：即对流层(变温层)、平流层(同温层)、中间层、电离层(热层)和散逸层。

对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里，在赤道约17公里，在两极约8公里。

对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的增加而下降，并且由于地球对大气的引力作用，在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之三，因此该层的大气密度最大、大气压力也最高。

大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产生在对流层中。

另外，由于地形和地面温度的影响，对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流动，形成水平方向和垂直方向的突风。

对流层内空气的组成成分保持不变。

从对流层顶部到离地面约30公里之间称为平流层。

在平流层中，空气只有水平方向的流动，没有雷雨等现象，故得名为平流层。

同时该层的空气温度几乎不变，在同一纬度处可以近似看作常数，常年平均值为摄氏零下度，所以又称为同温层。

同温层内集中了全部大气质量的四分之一不到一些，所以大气的绝大部分都集中在对流层和平流层这两层大气内，而且目前大部分的飞机也只在这两层内活动。

中间层从离地面30公里到80至100公里为止。

中间层内含有大量的臭氧，大气质量只占全部大气总量的三千分之一。

在这一层中，温度先随高度增加而上升，后来又下降。

中间层以上到离地面500公里左右就是电离层。

这一层内含有大量的离子(主要是带负电的离子)，它能发射无线电波。

在这一层内空气温度从-90℃升高到1 000℃，所以又称为热层。

大气运动的基本的原理
大气动力学是研究大气运动的基本原理。

这些原理可以提供重要信息，帮助我们理解大气
变化的过程，从而对其对我们生活的影响做出准确的预测。

大气动力学的基本原理可以分为三个不同的概念，分别是：力的平衡、能量的平衡和热力
学的平衡。

力的平衡指的是，在一定的大气条件下，大气中的动能会慢慢衰减或平衡，使得大气运动
更加平稳稳定。

这要求气流的速度，温度和压力要保持相对稳定的状态。

能量的平衡是指，在大气条件下，所有形式的能量会慢慢地转化为另一种形式，直到最终
达到能量平衡。

这一原理表明，大气运动是能量转化的过程，也就是说，能量会在一个系
统中进行转换，由一种能量形式转换为另一种能量形式。

最后，热力学的平衡指的是，当大气中的温度变化时，大气运动也会发生变化，以达到与
温度有关的热力学平衡。

这是由于大气中的热力转换的过程的自然调节和热力转换的自动
调节机制。

以上三个不同的概念实际上是有互相联系的，都可以增强对大气变化过程的理解和解释。

需要指出的是，尽管这三个概念有互相依赖的特征，但是它们也有自己独特的特征。

比如，力的平衡是处理大气流动的动量变化的一个方法，而能量的平衡则处理温度变化，并且热
力学的平衡处理大气环境中气压或密度变化。

综上所述，大气动力学的基本理论涉及三个因素：力的平衡、能量的平衡和热力学的平衡。

这些理论有助于我们更好地理解大气运动及其对我们生活的影响，从而为我们做出更好的
预测。