下载文档原格式
天气学原理笔记简介笔记来自刘宣飞先生的上课内容，刘先生的课生动活泼，引人入胜，为表敬意，将其整理出电子稿，仅供纪念和参考。
其中算法表示是笔者自己加的内容，第二章锋面天气借唐卫亚老师的天气学分析课件图以期表述更加完善，第四章大气环流参考了李丽萍老师的大气环流概论和李忠贤老师的短期气候预测基础这两门课部分内容。
毕竟上课笔记，难免有些疏忽，如有不当，还望斧正。
长望党支部2014年制前言天气动力学主要分为三大主干课程：天气学、动力学、统计学，研究对象是天气系统和天气过程。
一般而言，天气学适合于做短期天气预报，这方面经验丰富的预报员往往准确率要高于数值预报。
数值预报的基础是动力学，根据方程、参数等进行模拟，模式的运用很关键，对于大尺度的把握较好。
而长期预报则是结合统计学知识，对现有资料进行分析，一般做概率预报为主，短期预报中像墨迹天气的降水概率也是运用到此类知识。
关于学习方法，方程的数学表达固然是基础，但天气学主旨是要理解方程的物理意义，并给予解释，“看图说话”这类图形表达也很重要，天气图的识别是天气学的重要部分。
主要参考书：1.天气学原理和方法（朱乾根等）2.天气学教程（梁必骐）3.现代天气学原理（伍荣生）4.中国主要天气过程的分析（寿绍文）第一章 大气运动的基本特征——风场和气压场本章结构：1.影响大气运动的力（1）2.控制大气运动的基本方程组（2,4）3.简化方程组。
突出大尺度运动基本特征（3）4.天气学分析的基本原则（5）第一节 影响大气运动的力⎧⎨⎩真实力（牛顿力、基本力）：气压梯度力、地心引力、摩擦力惯性力（虚假力、视示力）：惯性离心力、地转偏向力一．基本作用力1． 气压梯度力（pressure gradient force ）G定义：作用于单位质量气块上的净压力 表达式：11p p p G=-p=-i+j+k x y zρρ∂∂∂∇∂∂∂（）推导：对于一微气块而言，=x y z v δδδδB 面所受的压力为正方向p y z δδ，A 面应为pp+x y z xδδδ∂∂（）令x 正方向为压力正方向，则有x pF =-x y z x δδδ∂∂同理：y p F =-x y z y δδδ∂∂ z p F =-x y zz δδδ∂∂=-(+j+k)x y z=-x y z p p pF i p x y z δδδδδδδ∂∂∂∇∂∂∂1G===-p F F m v δδδρδρ∇讨论：A ． 性质：气压梯度力由气压不均匀造成的B ． 方向：高压指向低压，垂直于等压线C ． 大小：与气压梯度呈正比，与密度呈反比D ． 分量：G=G G G ()G h zh z+<<水平（垂直）但垂直方向上有重力与其达到平衡（静力平衡）注：等压线越密，气压梯度力越大 2． 地心引力*g定义： 表达式：*2GM rg =-a r（） 方向：地心 3． 摩擦力Fx y z F F i F j F k =++二．惯性力 1. 惯性离心力定义：单位质量的气块，因为地球旋转呈现出的一种惯性力表达式：2c F =R Ω推导：用一根绳子牵一小球以均匀角速度Ω作旋转运动。
复习思考题1.大尺度大气运动的基本特征1.准静力平衡只有当运动的水平尺度非常小(L<102m)和运动非常强烈(V>50m/s)的情况下，才不成立。
即一般大、中、小尺度都满足。
2.准定常状态在零级简化中，时间偏导数项(∂/∂t)可略去。
但若要作预报，则需保留，如取一级简化。
3.准水平运动运动方程的零级和一级简化中不出现含有w 的项，故大尺度运动是准水平的。
但垂直运动对天气形成有重要作用，常需将对流项保留。
4.准地转平衡零级简化表现为地转平衡。
2.尺度分析的概念、地转风的定义尺度分析法是依据表征某类运动系统各场变量的特征值，来估计大气运动方程中各项量级大小的一种方法。
满足水平气压梯度力与科氏力平衡的大气运动称为地转风3.涡度定义、绝对涡度的表达式，自然坐标中涡度的表达式及意义气象中的涡度是指速度旋度的垂直分量，在z 坐标系中即为 ζ为相对涡度，f 为地转涡度，ζ+ f 为绝对涡度。
自然坐标中的涡度表达式 曲率项 ：由流线(或等高线)弯曲造成的涡度，风速愈大，曲率愈小，涡度愈大；当流线为气旋性弯曲时ζ>0，当流线为反气旋性弯曲时ζ<0。
切变项 ：当有气旋式切变时ζ>0，当有反气旋式切变时ζ<0，4.涡度方程及各项的物理意义在p 坐标系下铅直涡度方程 v u k V x y ζ∂∂=⋅∇⨯=-∂∂V V R n ζ∂=-∂V V R n ζ∂=-∂V V R nζ∂=-∂1）相对涡度的平流2）相对涡度的的铅直输送3）水平散度作用4）β效应项5）倾斜项6）摩擦项5.简化的涡度方程式6.控制大气环流的基本因子有哪些？其作用是什么？大气环流是指大范围的大气运动状态。
太阳辐射在地表加热不均匀，使空气质点运动，形成经圈环流；地球自转使气流发生偏转，将单圈环流修正成三圈环流，产生纬向气流和高低压气压带；地面摩擦构成角动量输送的一环，对大气环流的形成和维持起重要作用；()()()u v V f f t x y ζζζ∂∂∂+⋅∇+=-++∂∂∂()()V f f t pζωζζ∂∂+⋅∇+=+∂∂地表不均匀使纬向气流发生断裂，造成大气环流经度间的差异和季节差异，形成闭合的高低压中心和高空槽脊，形成季风。
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.（绝对速度）与（相对速度）假设t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0为R，质块相对固定地点的位移为R，图1.1 旋转坐标系显然当 0位移很小时单位时间内的位移为由此得此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和2．与的关系地球自转角速度为则于是由此可得微分算子将微分算子用于则有再将代入上式右端得（*）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．牛顿第二定律单位质量的空气块所受到的力在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有+：地心引力F：摩擦力将此式代入（*）式：二、作用力分析1．气压梯度力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力②表达式G=-(1.1)③推导：图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量x方向：B面 PA面：-（P+净压力：-同理y方向：z方向：净空气总压力④讨论：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2．地心引力① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力② 表达式(1.2)K：万有引力常量M：地球质量a：到地心的距离③ 推导：图1.1.3 地心引力受力分析图④ 讨论：大小：不变，常数方向：指向地球心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。
天气学原理讲稿ch第三章气旋与反气旋各种尺度的气旋与反气旋是造成大气中千变万化的天气现象的重要天气系统。
因此，研究气旋和反气旋的主要特征及其发生、发展的机制。
第一节气旋、反气旋的特征和分类一．气旋和反气旋的定义气旋气旋是占有三度空间的，在同一高度上中心气压低于四周的流场中的涡旋。
涡旋中的空气在北半球逆时针旋转，在南半球顺时针旋转。
反气旋反气旋是占有三度空间的，在同一高度上中心气压高于四周的流场中的涡旋。
涡旋中的空气在北半球顺时针旋转，在南半球逆时针旋转。
二．气旋、反气旋的水平尺度以最外围的闭合等压线作为涡旋的范围气旋直径平均而言，东亚气旋比欧洲和北美的尺度小反气旋直径一般；小者数百公里；大者面积可达亚洲大陆的3/4 三．气旋反气旋的强度（强度一般用中心气压表示）气旋中心气压平均而言，温带的气旋冬季强于夏季，海上的强于陆上的反气旋中心气压平均而言，温带的反气旋冬季强于夏季，陆上的强于海上的四．气旋、反气旋的分类气旋地理分类按热力结构分类反气旋地理分类按热力结构分类第二节涡度与涡度方程一．涡度概念1．定义度量空气块旋转程度和旋转方向的物理量2．表达式相对涡度（3.1）水平风垂直风3.3 3．绝对涡度 3.2 图 3.1 相对涡度与绝对涡度关系示意图绕z轴旋转K 4．地转风涡度 3.6 二．涡度方程1．P坐标系中的涡度方程推导（1）（2）①②③④⑤ 3.12 2．讨论①相对涡度平流输送项图 3.2 相对涡度平流物理意义槽前脊后借助西南风将正相对涡度大的往小的方向输送，使得其固定点正相对涡度增加（），反映等压面高度降低（），相反，槽后脊前引起等压面高度增加（），槽线处变高为零（），所以，槽无加深减弱，向东，即向前。
②地转涡度平流输送项槽前脊后槽后脊前结论与①相矛盾，所以讨论以为界线③涡度的垂直输送项④扭转项或倾侧项斜压大气在斜压大气中，有风的垂直切变，有绕沿水平轴旋转的空气块（涡管），同时垂直速度在水平方向分布不均，使得绕水平轴旋转的空气块发生倾斜，在垂直方向有涡度的变化⑤水平散度项地转参数～～三．绝对涡度守恒 3.14 四．简化涡度方程表 1 涡度方程的尺度分析方程数量级简化涡度方程为五．位势涡度守恒即1．推导条件近似正压大气（*）大气不可压根据水平散度定义再考虑整层大气不可压代入（*）中即，位势涡度守恒2．讨论假设不变研究青藏高原附近的低值高值系统的变化处在西风带中，在青藏高原西风带中，底值系统（高空槽、低中心）上（下）山，气柱缩短（伸长），为了保证整层大气的不可压缩性，必伴有水平辐散（合），同时在水平地转偏向力作用下，反气旋（气旋）涡度生成，考虑准地转运动有等压面高度升高（降低）低值系统（槽、低中心）减弱（加强）；反之，高值系统上山，加强;下山,减弱。
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。
南信大天气学原理试题一一、名词解释： （20分）1． 质量通量散度。
2． 冷式锢囚锋。
3． 气旋族。
4． 大气活动中心。
5． 热成风涡度平流。
二、填空：（36分）1． 连续方程根据------------------原理求得，P 坐标中的连续方程------------------------。
2． 固定点温度变化由-----------------------------------------------------------------------------------------------决定。
3． 推导马格拉斯锋面坡度公式假设锋为---------------------------面，其动力学边界条件为---------------------------------------------------。
4． 一型冷锋与二型冷锋区别是--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------。
5． 在中、高纬大尺度系统运动中，通常固定点涡度增加（减小）和该固定点等压面位势高度降低（升高）是一致的，这种一致性赖以存在的根据是------------------------------------------------------------------。
天气学原理知到章节测试答案智慧树2023年最新中山大学第一章测试1.在实际工作中天气学并不研究所有的大气物理过程，而只研究对天气演变起决定作用的那些天气现象和天气过程。
（）参考答案:对2.天气变化可以分为周期性和非周期性两类变化过程。
非周期性两类变化过程如寒潮、台风等，主要是由大气本身的物理特性所决定的。
它们对人类生产活动影响极大，但又不容易预测，是天气学研究的主要对象。
（）参考答案:对3.天气学的主要研究内容包括（）：参考答案:研究天气分析和预报方法。
;研究大气中各种不同尺度的天气系统的结构特征、发生发展和移动规律，建立各种天气系统发生发展的物理图象及其天气模式，探讨不同尺度天气系统之间及其天气过程演变的物理机制。
;揭露和研究大气环流、天气系统、天气过程等大气运动现象，综合探讨大气运动规律。
;研究大气环流模型及其演变的物理机制，以及中低纬环流、南北半球环流、高低层环流的相互作用和海气相互作用。
第二章测试1.冬季影响我国的主要气团是变性极地天陆气团，在气压场上表现为（）参考答案:冷高压南下或高压脊南伸2.冬季我国东部沿海地区常出现雾或多层云天气，此时受——控制，吹（）参考答案:暖气团：偏南风3.冷、暖气团中水汽含量较多时，其天气特征为（）参考答案:暖气团出现连续性降水，冷气团出现阵性降水和雷暴天气4.移向冷的下垫面的气团时常出现（）参考答案:稳定性天气，变性慢5.使锋面向冷空气一侧倾斜的主要原因是（）参考答案:地球自转运动的作用第三章测试1.从流场角度而言，南半球地面气旋（）参考答案:顺时针向内辐合2.通常温带气旋的水平尺度一般在（）参考答案:1000km左右，大的可达2000~3000km，小的只有几百千米3.通常气旋的水平尺度天小有如下关系（）参考答案:温带气旋大于热带气旋4.通常气旋的强度用（）参考答案:中心最低气压表示5.通常锋面气旋进入锢囚阶段的一个显著天气特点是（）参考答案:锋线两侧均有降水，范围扩天第四章测试1.北半球的西风急流，（）最强参考答案:冬季2.热带东风急流，（）最强。
