第7章 大气波动

动力气象学笔记一、绪论。

1. 动力气象学的定义与研究范畴。

- 动力气象学是应用物理学定律研究大气运动的动力过程和热力过程，以及它们相互关系的学科。

- 研究范畴包括大气环流、天气系统的发展演变、大气波动等。

2. 动力气象学在气象学中的地位。

- 是现代气象学的理论基础。

它为天气预报、气候研究等提供了理论依据。

例如，数值天气预报就是建立在动力气象学的基础上，通过求解大气运动方程组来预测未来的天气状况。

二、大气运动方程组。

1. 运动方程。

- 牛顿第二定律在大气中的应用。

- 在笛卡尔坐标系下，水平方向（x方向）的运动方程为：- (du)/(dt)=-(1)/(ρ)(∂ p)/(∂ x)+fv + F_x- 其中u是x方向的风速，(du)/(dt)是x方向的加速度，ρ是空气密度，p是气压，f = 2Ωsinφ是科里奥利参数（Ω是地球自转角速度，φ是纬度），v是y方向的风速，F_x是x方向的摩擦力。

- 同理，y方向的运动方程为：(dv)/(dt)=-(1)/(ρ)(∂ p)/(∂ y)-fu+F_y。

- 垂直方向（z方向）的运动方程由于垂直加速度相对较小，考虑静力平衡近似时为：(∂ p)/(∂ z)=-ρ g。

2. 连续方程。

- 质量守恒定律在大气中的体现。

- 其表达式为：(∂ρ)/(∂ t)+(∂(ρ u))/(∂ x)+(∂(ρ v))/(∂ y)+(∂(ρ w))/(∂ z)=0。

- 在不可压缩流体（ρ = const）的情况下，简化为：(∂ u)/(∂ x)+(∂ v)/(∂ y)+(∂ w)/(∂ z)=0。

3. 热力学方程。

- 能量守恒定律在大气中的表现形式。

- 对于干空气，常用的形式为：c_p(dT)/(dt)-(1)/(ρ)(d p)/(dt)=Q。

- 其中c_p是定压比热，T是温度，Q是单位质量空气的非绝热加热率。

三、尺度分析。

1. 尺度分析的概念与意义。

- 尺度分析是根据大气运动中各物理量的特征尺度，对大气运动方程组进行简化的方法。

大气运动教案设计第一章：大气运动概述1.1 教学目标让学生了解大气运动的概念和意义。

让学生理解大气运动的基本类型和特征。

1.2 教学内容介绍大气运动的概念和定义。

解释大气运动的重要性。

描述大气运动的基本类型，如风、气旋、高压和低压系统。

讨论大气运动的原因和影响因素，如地球自转、地形、温度和压力差异。

1.3 教学方法使用图片、图表和示例来解释大气运动的概念和类型。

通过小组讨论和角色扮演来加深学生对大气运动影响因素的理解。

设计互动活动，如模拟大气运动实验，让学生亲身体验和观察大气运动的现象。

1.4 教学评估进行小组讨论和角色扮演的评估，观察学生的参与和理解程度。

设计实验报告，评估学生对大气运动实验的观察和分析能力。

第二章：风的形成和风向2.1 教学目标让学生了解风的形成过程和风向的决定因素。

让学生能够解释风速和风向的变化。

2.2 教学内容解释风的形成过程，包括气压差异和气流运动。

描述风向的决定因素，如地球自转和科里奥利力。

讨论风速和风向的变化，如地形影响和气候特征。

2.3 教学方法使用动画和模拟实验来展示风的形成和风向的决定过程。

通过小组讨论和问题解答来加深学生对风速和风向变化的理解。

2.4 教学评估设计问题解答和小组讨论的评估，观察学生的理解和分析能力。

进行风向实验，评估学生对风向决定因素的观察和应用能力。

第三章：气旋和反气旋3.1 教学目标让学生了解气旋和反气旋的概念和特征。

让学生能够区分气旋和反气旋的不同类型。

3.2 教学内容解释气旋和反气旋的概念和定义。

描述气旋和反气旋的特征，如旋转方向、云带和降水。

区分不同类型的气旋和反气旋，如温带气旋和台风。

3.3 教学方法使用图片和图表来展示气旋和反气旋的外观特征。

通过小组讨论和案例研究来加深学生对不同类型气旋和反气旋的理解。

3.4 教学评估设计问题解答和小组讨论的评估，观察学生的理解和分析能力。

进行气旋和反气旋模拟实验，评估学生对气旋和反气旋特征的观察和应用能力。

章节划分均出自《气象学》第三版·中国林业出版社绪论大气：包围在地球表面的一薄层气体称为大气。

大气圈：由于地球的引力作用，全部的地球表面聚集着一个气体圈层，构成了所谓的大气圈。

下垫面：指与大气底部相接触的地球表面，或垫在空气层之下的界面。

如地表面、海面及其它各种水面、植被表面等。

地球系统：人类生存的地理环境，是由岩石圈、水圈(含冰雪圈)、大气圈和生物圈组成的一个综合系统。

气象学(Meteorology)：研究大气中所发生的各种物理现象和物理过程的原因及其变化规律的学科。

大气科学：研究地球大气中各种现象（包括物理现象和化学现象以及人类活动对它的影响）及其演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。

气象要素：构成和反映大气状态的物理量和物理现象，称气象要素。

主要包括气压、气温、湿度、风、云、能见度、降水、辐射、日照和各种天气现象等。

天气：是指一定区域、短时段内的大气状态和大气现象及其变化的综合。

天气学(synoptic meteorology)是研究天气及其演变规律，并预测预报未来天气的学科。

气候：是一个地区大气多年（30年以上）的天气状况，它既反映大气的长期平均状况，也反映其极端情况，是较长时间内各种天气过程的综合表现。

气候系统：一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。

气候学(climatology) 是研究气候的形成、分布和变化规律及其与人类关系的学科。

第一章·大气概述干洁空气：大气中除了水汽和气溶胶粒子外的整个混合气体。

气溶胶粒子：大气中悬浮的多种固体微粒和液体微粒，统称大气气溶胶粒子。

气压（p）：地球表面单位面积上所受到的大气压力，称为气压。

湿度：表示大气中水汽含量多少的物理量。

大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。

水汽压（e）：指大气中所含水分的分压力。

饱和水气汽压（E）：在一定温度和气压下,空气中水汽达到饱和时的水汽压力称为饱和水汽压。

第一章大气的状态及其运动3.大气分层的主要依据是什么，大气可分为那几层？（1）气层气温的垂直分布特点（2）对流层、中间层、暖层、散逸层。

4.对流层和平流层有那些基本特征，他们对飞行有什么影响？（1）对流层：气温随高度的增高而降低。

气温、湿度分布很不均匀。

空气具有强烈的垂直混合。

（2）平流层：气温随温度的增高而增高。

气温、温度分布有规律。

空气几乎没有垂直运动，气流平稳、空气稀薄、水汽和杂质含量极少。

（3）对流层：空气运动受地表摩擦作用和地形扰动，飞机主要在这层飞行。

平流层：空气运动几乎不受地形阻碍及扰动，飞行气象条件良好，现代大型喷气式运输机可达到平流层低层。

11.基本气象要素如何影响飞机性能和仪表指示？（1）气温、气压、空气湿度对大气密度产生影响故而间接影响飞机性能。

（2）气压的变化会对高度表指示产生影响，同（1）会简介影响空速表指示。

15.地面气温力18C—空气块于绝热上升到2000m高度时，其温度是多少？在下降到800m高度，其温度又是多少？设2000m高度温度为T2，800m高度温度为T3。

=T^000•i c/100m=-2°C21100T=T厂^00•1C/100m=10C3210016.飞机按气压式高度表指示的一定高度飞行，在飞向高压区时，其实际高度如何变化？飞向低气压时情况又是如何？飞向高气压区，实际高度下降；飞向低气压区，实际高度上升。

23.自由大气和摩擦层中的风压定理时如何表述的，区别在那里？（1）自由大气：风沿着等压线吹，在北半球背风而立，高压在右，低压在左，等压线越密，风速越大，南半球风的运动方向于北半球相反。

（2）摩擦层：风斜穿等压线吹，在北半球背风而立，高压在右后方，低压在左前方，等压线越密，风速越大。

南半球风的运动方向于北半球相反。

（3）自由大气和摩擦层中的空气的水平运动都要受到气压梯度力。

自由大气还受到科氏力，摩擦层受到摩擦力。

26.山谷风和海陆风时如何形成的？山谷风是由山区的特殊地理条件造成的，白天山坡气温高于山谷上同高度气温，形成热力环流，低层风从谷地吹向山坡，形成谷风，晚上则形成山风。

§1热带大气运动的主要特征§2热带大气运动的尺度分析§3热带大气波动§4热带扰动发生、发展的机制§5热带气旋结构的动力学分析重点：热带大气的基本特征，热带波动，CISK 理论§1热带大气运动的主要特征1f 的数值比较小，，比中高纬度小一个量级（但较大），所以热带地区采用赤道51010f s --=ββ平面近似：。

由于科氏力较小，大尺度运动是非地转的，但准静力平衡仍成立。

2()f y aββΩ==2大气运动的主要能源：太阳辐射能大部分在热带吸收，所以是大气运动的主要能源区，是平均动能的制造源。

3湿空气运动：凝结潜热能作为热带系统发展的主要能源。

4对流层的中、下层的层结稳定度较弱，有利于对流与物理量的垂直输送。

5水平温差较小，大气斜压性弱，所以热带某些地区的大气可视为准正压。

6主要的天气系统：1）积云对流云团（积云对流群）：中、小尺度运动，水平尺度：几百千米，生命史：3—4天。

2）热带气旋（台风typhoon ，飓风Hurricane ）：气旋式涡旋，低压，眼结构，暖心，螺旋云带。

易产生大风、暴雨等灾害性天气，水平尺度：几百千米，生命史：3天左右。

飓风一词源自加勒比海言语的恶魔Hurican，亦有说是马雅人神话中创世众神的其中一位，就是雷暴与旋风之神Hurakan。

台风一词则源自希腊神话中大地之母盖亚之子Typhon，它是一头长有一百个龙头的魔物，传说其孩子就是可怕的大风。

台风一词的由来：英语typhoon ：（1）来自汉语（土耳其人在他们的"命名书"里说"TAYFUN"是指发生在中国海及西太平洋上的大风，译自“大风”（dais fang ),1560年进入英语。

（2）外来语（《辞海》，《英语大字典》：源自希腊语,与TYPHUS 有关.）中文「台風」一詞：（1）來自中国（2）源于日語台风的词汇几乎都一样，只是写法不同而已，而发音则几乎相同。

习 题 七7-1 如图所示，O S O S 21=。

若在O S 1中放入一折射率为n ，厚度为e 的透明介质片，求O S 1与O S 2之间的光程差。

如果1S 和2S 是两个波长为λ的同相位的相干光源，求两光在O 点的相位差。

[解] O S 1与O S 2的几何路程相等 光程差为()e n 1-=δ 位相差为()e n 122-==∆λπδλπϕ7-2 一束绿光照射到两相距 0.6mm 的双缝上，在距双缝2.5m 处的屏上出现干涉条纹。

测得两相邻明条纹中心间的距离为2.27mm ，试求入射光的波长。

[解] 由杨氏双缝干涉知，dD x λ=∆ 所以5448m 10448.55.21060.01027.2733=⨯=⨯⨯⨯=∆=---D xd λÅ7-3 如图所示，在双缝干涉实验中，21SS SS =，用波长为λ的单色光照S ，通过空气后在屏幕E 上形成干涉条纹。

已知点P 处为第3级干涉明条纹，求1S 和2S 到点P 的光程差。

若整个装置放于某种透明液体中，点P 为第4级干涉明条纹，求该液体的折射率。

[解] 1S 和2S 到P 点的光程差满足λλδ312==-=k r r 整个装置放置于液体中，1S 和2S 到P 点的光程差满足()λδ412=-=r r nλλ43=n 所以得到 33.134==n7-4 如习题7-1图所示，1S 和2S 是两个同相位的相干光源，它们发出波长λ＝5000Å的光波，设O 是它们中垂线上的一点，在点1S 与点O 之间的插入一折射率n ＝1.50的薄玻璃，点O 恰为第4级明条纹的中心，求它的厚度e 。

[解] 在O 点是第4级明条纹的中心 光程差 λδ4=-=e ne所以 410414⨯=-=n e λÅ7-5 初位相相同的两相干光源产生的波长为6000Å的光波在空间某点P 相遇产生干涉，其几何路径之差为6102.1-⨯m 。

如果光线通过的介质分别为空气(11=n )、水(=2n 1.33)或松节油(=3n 1.50)时，点P 的干涉是加强还是减弱。

风的成因微课教案第一章：风的定义与重要性1.1 风的定义：介绍风是由气压差异引起的大气运动，是大气中的重要现象。

1.2 风的重要性：解释风对于气候、天气、生态环境和人类活动的影响。

第二章：大气压力与气压差异2.1 大气压力的概念：介绍大气对于地球表面的压力。

2.2 气压差异的形成：解释气压差异是由于地球表面不同地区的温度和海拔高度等因素造成的。

第三章：风的形成与风向3.1 风的形成：讲解风的形成是由于气压差异引起的大气运动。

3.2 风向的判断：介绍常用的风向判断方法，如手表法、手指法等。

第四章：风速与风力等级4.1 风速的测量：讲解风速的测量方法和单位。

4.2 风力等级：介绍国际上常用的风力等级划分及其含义。

第五章：常见天气现象与风的关系5.1 风与云雨：解释风对于云雨的形成和运动的影响。

5.2 风与气候：探讨风对于气候形成和变化的作用。

第六章：地形对风的影响6.1 地形的作用：介绍地形如何影响风的流动，包括山脉的阻挡、山谷的引导等。

6.2 地形风：讲解地形风的概念和特点，以及它对当地气候和交通的影响。

第七章：热力作用与风7.1 热力环流：解释热力环流的原理，以及它是如何产生风的。

7.2 热岛效应：探讨城市热岛效应对局部风的影响。

第八章：大气波动与气象锋面8.1 大气波动：介绍大气中的波动现象，如气旋、反气旋等。

8.2 气象锋面：讲解锋面的形成和风如何在锋面两侧变化。

第九章：气候系统中的风9.1 行星尺度风：介绍行星尺度风的概念和在气候系统中的作用。

9.2 天气尺度风：解释天气尺度风的特点和在短期天气变化中的作用。

第十章：风的实际应用与测量10.1 风力发电：讲解风力发电的原理和现状，以及它对环境保护的意义。

10.2 风速测量：介绍现代气象观测中常用的风速测量工具和技术。

第十一章：风的分类与命名11.1 风的分类：介绍按照风的形成原因和特征进行分类的方法，如气旋风、反气旋风等。

11.2 风的命名：讲解不同文化和地区对风的命名的习惯和含义。

《动力气象学》课程笔记绪论1. 动力气象学发展史1.1 重大理论发现动力气象学的早期发展主要基于对大气运动的观测和理论推测。

19世纪，科学家们开始系统地研究大气运动，并逐渐揭示了影响大气运动的一些关键因素。

这些因素包括：- 科里奥利力：由法国物理学家加斯帕尔·科里奥利首次提出，它解释了地球自转导致的风的偏转现象。

- 地转偏向力：由于地球自转，大气中的气流会相对于地面产生偏转，这个力就是地转偏向力。

- 大气压力和密度变化：大气压力和密度的变化会影响大气运动，这些变化与温度、湿度等因素有关。

1.2 数值天气预报20世纪中叶，随着计算机技术的发展，动力气象学进入了一个新的时代。

科学家们开始利用计算机来求解大气运动方程组，这种方法被称为数值天气预报。

数值天气预报的出现极大地提高了天气预报的准确性，使得气象学成为了一门更加精确的科学。

1.3 动力气象学发展新阶段近年来，动力气象学在气候变化研究中的应用变得越来越重要。

科学家们通过研究大气运动、能量转换和波动等现象，揭示了气候变化的原因和规律。

此外，动力气象学在防灾减灾、水资源管理等领域也发挥着重要作用。

2. 动力气象学的基本概念2.1 大气运动方程组大气运动方程组是描述大气运动的物理方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。

这些方程组基于质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒等物理定律，为我们提供了研究大气运动的基本工具。

2.2 涡旋运动大气中的涡旋运动是天气系统和气候变化的重要因素。

涡旋运动包括环流、涡度和螺旋度等概念。

了解涡旋运动有助于我们预测天气变化和气候趋势。

2.3 准地转运动准地转运动是指大气中接近地转平衡状态的运动。

在这种状态下，大气运动主要受到地转偏向力和压力梯度力的作用。

准地转运动为我们提供了一个简化的大气运动模型，便于研究和预测天气。

2.4 大气波动大气波动是大气运动中的周期性变化，包括重力波、惯性重力波和Rossby 波等。

这些波动在天气系统和气候变化中起着关键作用，了解它们有助于我们预测天气和气候。

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气象学名词解释整理第一章气压:大气的压力，即单位面积上所承受的整个大气柱的重量大气湿度:大气中水汽含量的多少绝对湿度:单位体积空气中所含的水汽质量水汽压：大气中的水汽产生的压力饱和水汽压：饱和空气产生的水汽压相对湿度：实际水汽压/饱和水汽压＊100%饱和差：饱和水汽压—实际水汽压比湿：湿空气中,水汽的质量/该团空气总质量（水汽+干空气）露点温度：当空气中水汽含量不变，且气压一定时,使空气冷却到饱和的温度降水：天空降落到地面的液态或固态水风：空气的水平运动，是矢量云量：将地平面以上全部天空划分为10份，被云遮蔽的份数能见度：视力正常的人在当时的天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离第二章辐射:是能量的一种形式，指物体以电磁波的形式放射能量辐射通量密度:单位时间内通过单位面积的辐射能量太阳光谱：太阳辐射能量随波长的分布太阳高度(角）：太阳光线和观测点地平线(面）间的夹角太阳常数：在日地平均距离条件下，地球大气上界垂直于太阳光线的面上所接受的太阳辐射通量密度日照时数:每日太阳实际照射地面的时间直接辐射：太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的辐射散射辐射：经过大气散射后到达地面的辐射太阳总辐射:直接辐射+散射辐射大气透明系数：当太阳在天顶时，到达地面与太阳光垂直面上的太阳辐射通量密度与太阳常数之比反射辐射：到达地面的总辐射由于地面的反射作用返回大气或宇宙空间反射率:反射辐射/总辐射大气逆辐射：大气辐射指向地面的部分地面有效辐射：地面发射的长波辐射-地面吸收的大气逆辐射地面净辐射：地面吸收太阳辐射获得的能量与地面有效辐射失去的能量第三章比热：单位质量的物质温度变化1 ℃所吸收或放出的热量热容量：单位体积的物质，温度变化1℃所收或放出的热量干绝热变化：一团干空气或未饱和湿空气团，在绝热上升或绝热下降过程中的绝热变化湿绝热变化：一团饱和湿空气团，在绝热上升或绝热下降过程中的绝热变化气温年较差：一年中月平均气温的最高值与最低值之差气温直减率:在对流层中气温的垂直变化用气温垂直梯度表示，高度每升高100m,气温的减低值逆温：气温随高度升高而升高的现象，即气温直减率为负值辐射逆温：由于地面强烈冷却而形成的逆温平流逆温：暖空气平流到冷的下垫面上形成的逆温大气稳定度：大气层中某个气团受到垂直方向扰动后，大气层结使它具有返回或远离平衡位置的趋势和程度积温:植物在某一生长发育期或整个生长发育期所需的累积温度总和第四章蒸散：植物蒸腾与土壤蒸发的总和。