中小尺度天气动力学课件 第二章

第二章 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。

大气运动在时间和空间上具有很宽的尺度谱，天气学所研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。

对这些运动，可忽略离散的分子特性，可以视大气为连续的流体介质，表征大气状态的物理变量（如气压、密度、温度）在大气这具有单一的值，这些场变量和它们的导数是空间和时间的连续函数，控制大气运动的流体力学和热力学基本定律可以用场变量作为因变量和空间、时间变量作为自变量的偏微分方程表示。

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。

§2—1 影响大气运动的作用力一、 基本作用力影响大气运动的基本作用力：是指大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，它的存在与参考系无关。

1、 气压梯度力：作用于单位质量的气块上的净压力，称为气压梯度力。

当气压分布不均匀时，气块会受到净压力的作用。

P G ∇-=ρ1（1）其中，ρ为气块密度， k zp j y p i x p P∂∂+∂∂+∂∂=∇称为气压梯度力。

P ∇是由于气压分布不均匀而造成的。

气压梯度力与气压梯度成正比，与密度成反比。

方向指向P ∇-的方向，即由高压指向低压的方向。

2、 地心引力由牛顿万有引力定理说明，宇宙间任何两个物体之间都具有引力：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=r r r GMm F g2所以，地球对单位质量空气的引力（地心引力）为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=r r r GM m F g2 设：地球的半径为a（地心到海平面的距离），海拔高度为z，则()()⎪⎭⎫⎝⎛+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=r r az a Gm r r z a GM g222*112*01⎪⎭⎫⎝⎛+=a z g 在气象学范围内，z 的值一般为数十公里，而地球半径a 竟达6000多公里，故**g g ≈可作为常数。

地心引力始终是作用于大气的真实的力。

3、 摩擦力大气是一种粘性流体，它同任何实际流体一样都受内摩擦的影响。

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。

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一一大尺度、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（a、①中尺度（a、3、2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（mountainwave）（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（standingeddy）（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（leewave）。

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。

随风速而变，风速愈大，波长愈大。

第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。

②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。

（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。

Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。

范围很宽。

性质不同。

（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。

（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。

大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。

大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。

中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。

第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。

3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。

驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。