天气学原理-第一章.ppt

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。

第一节 影响大气运动的作用力一、基本作用力：大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，它们的存在与参考系无关。

1气压梯度力G =- — \ P 作用于单位质量气块上的净压力。

P地心引力g^ g0 2：- g 0地球对单位质量空气的引力。

（1+z/a ）2 切应力/雷诺应力z = I U 作用于单位面积上的粘滞力（」动力粘滞系数） GZ称为运动学粘滞系数、视示力/外观力: 惯性离心力C=Q 2R （0 =2兀/24h ）：大小与向心力相等而方向相反。

地转偏向力A =-2门V地转偏向力与地球自转角速度相垂直，在纬圈平面内；地转偏向力与V 相垂直，对运动气块不做功，它只能改变气块的运动方 向，而不能改变其速度大小；对于水平运动而言，A 在北半球使运动向右偏，南半球使运动向左偏； 地转偏向力的大小与相对速度大小成正比， 当V 二0时地转偏向力消失三、重力 ^g^-2R :单位质量大气所受的地心引力和惯性离心力的合力 探※※此处有重点图示，请大家加强理解图1.8重力与惯性引力区别① 地心引力指向地心② 静止的气块，惯性离心力在纬圈平面内，并朝向外③ 重力是地心引力与惯性离心力的合力④ 除开极地和赤道外，重力并不指向地心，但重力都垂直于水平面⑤ 重力在赤道上最小，随纬度而增大第二节控制大气运动的基本定律局地温度变化等于气块运动中温度的个别变化（加热或冷却）加上温度的平 流变化（气块在温度水平分布不均匀的区域内保持原有的温度作水平运动而对局 地温度变化所提供的贡献）和对流变化（垂直运动引起的局地温度变化）。

、旋转坐标系中的大气运动方程 （称为单位质量空气的相对运动方程） ?- ■-2 JZ k 单位质量气块所受到的净粘滞力 摩擦力F 二；：2v . -2 j ；2T.:t 全导数手与局地导数手:dT dt -'Z由动量守恒定律导出dV 1P _2^ V g F dt :气压梯度力、地转偏向力、重力、摩擦力三、连续方程由质量守恒定律导出一（2） - 0 固定在空间的单位体积内；:t流体的净流出量，等于该单位体积内流体质量的减小。

天气学原理基础一、大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力 不变，指向地心。

（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力 一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。

2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反地转偏向力(科氏力）：观测者站在旋转地球上观测单位质量空气块运动，发现在北半球有一个向右偏的力，在南半球向左偏的力。

称此力为地转偏向力，又名科氏力。

由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立地转偏向力的特点：在纬圈平面内；只改变气块运动方向，不改变其速度大小；在北半球，地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧；地转偏向力的大小与相对速度成正比重力：地心引力与惯性离心力的合力。

重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大重力是垂直方向上的，而大气运动是准水平的；科氏力始终垂直于速度方向，故只改变方向，不作功；所以，引起大气运动的最重要作用是：由于压力分布不均匀而产生的压力梯度力（热力作用引起的）。

3、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程4、地转风地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。

风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立低压在左高压在右地转风性质：1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的赤道上（φ=0）水平地转偏向力为零，地转风不存在2）地转风的大小与水平气压梯度力成正比3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）4）地转风速大小与纬度成反比，但在赤道上=0地转平衡不成立。

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）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位置位移假设为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。