动力气象学第1-章课件

第一章、绪论第一章、绪论l动力气象学（课程）研究对象，任务和方法动力气象学（课程）研究对象，任务和方法 l动力气象学发展简介动力气象学发展简介 第一章、绪论动力气象学（课程）研究对象，任务和方法1一、对象、任务和方法一、对象、任务和方法1、研究对象、研究对象尺度范围很广尺度范围很广 如大气动力学涉及以下几种空间尺度的系统如大气动力学涉及以下几种空间尺度的系统大尺度：大尺度：106m 中尺度：中尺度：105 m 小尺度：小尺度：104m 气旋反气旋气旋反气旋 暴雨系统暴雨系统 风暴、龙卷风暴、龙卷 本课程研究的对象本课程研究的对象：大尺度大气大尺度大气中发生的天气过程中发生的天气过程 在日常天气图上可见；影响日常天气在日常天气图上可见；影响日常天气一、对象、任务和方法1、研究对象尺度范围很广 2两个重要特点：两个重要特点：地球半径地球半径6000km 与大尺度系统尺度近似与大尺度系统尺度近似地球的自转重要地球的自转重要 旋转流体力学旋转流体力学 在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体运动差别很大运动差别很大气象系统的垂直厚度气象系统的垂直厚度104m 很扁平的一层很扁平的一层 是准水平是准水平 大尺度大气运动大尺度大气运动两个重要特点：3“准准”的含义的含义水平运动：水平运动：垂直速度为零。垂直速度为零。准水平运动：主要是水平运动，但垂直运动也很准水平运动：主要是水平运动，但垂直运动也很重要（降水的形成）。重要（降水的形成）。地转运动：科氏力与气压梯度力相等，加速度等地转运动：科氏力与气压梯度力相等，加速度等于零。于零。准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等，加准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等，加速度不等于零，系统能发展。速度不等于零，系统能发展。“准”的含义4动力气象学（课程）的研究对象动力气象学（课程）的研究对象:考虑地球自转的、准水平运动大尺度大考虑地球自转的、准水平运动大尺度大气动力过程。气动力过程。大尺度系统，又称天气尺度系统、天气大尺度系统，又称天气尺度系统、天气系统。系统。动力气象学（课程）的研究对象:52.任务：任务：动力气象学与天气学不同之处在于：动力气象学与天气学不同之处在于：天气学天气学：从观测资料出发，经验性的，：从观测资料出发，经验性的，总结天气过程的发生发展规律，（主观）总结天气过程的发生发展规律，（主观）推断可能机理推断可能机理 动力学动力学：从物理定律出发，从理论上，：从物理定律出发，从理论上，揭示天气过程的发生发展规律和机理揭示天气过程的发生发展规律和机理 2.任务：动力气象学与天气学不同之处在于：6本校大气科学专业教学特色：本校大气科学专业教学特色：理论联系实际：理论联系实际：天气学与动力气象学相互渗透交叉天气学与动力气象学相互渗透交叉天气动力学天气动力学本校大气科学专业教学特色：理论联系实际：73.方法方法 l物理基础：力学、热力学；物理基础：力学、热力学；（不去研究声、光、电、降水的微物理过程）（不去研究声、光、电、降水的微物理过程）l数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，场论（欧拉观点），计算数学。场论（欧拉观点），计算数学。l步骤：气象问题步骤：气象问题 物理模型物理模型 数学模型数学模型 求解求解 解释原问题解释原问题 侧重在首尾两步侧重在首尾两步3.方法 物理基础：力学、热力学；8二、发展简介二、发展简介气象学是一门气象学是一门“古老（现代）古老（现代）”学科：学科：人们一直试图去解释天气、预测天气人们一直试图去解释天气、预测天气大气是作为一个物理系统：大气是作为一个物理系统：近代动力气象学发展的推动力：近代动力气象学发展的推动力：1、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对观测现象的发现。观测现象的发现。2、物理学、数学等基础学科的发展。、物理学、数学等基础学科的发展。二、发展简介气象学是一门“古老（现代）”学科：9(1)19(1)19世纪世纪2020年代年代2020世纪世纪2020年代年代 19 19世纪世纪2020年代之后，开始有了近代气象年代之后，开始有了近代气象学学18201820年年BrandesBrandes绘制了第一张天气绘制了第一张天气图，用外推法预测高低压的移动图，用外推法预测高低压的移动 形成了形成了地面天气图地面天气图，开创近代天气分析，开创近代天气分析和天气预报方法。和天气预报方法。10（2）20世纪世纪30年代年代 1904年建立了旋转大气运动方程组。年建立了旋转大气运动方程组。欧洲学术发展兴盛：卑尔根学派（皮叶欧洲学术发展兴盛：卑尔根学派（皮叶克尼斯克尼斯1920年年锋面学说）锋面学说）（2）20世纪30年代11（3）20世纪世纪60年代年代 动力气象迅速发展的时期动力气象迅速发展的时期 背景：二战爆发前后，建立了高空观测网，背景：二战爆发前后，建立了高空观测网，气象要素发展为三维系统（时间四维）气象要素发展为三维系统（时间四维）高空高空500hPa图的最主要特点：波动（时间图的最主要特点：波动（时间上，空间上）上，空间上）美国学术发展兴盛：芝加哥大学美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby动力气象学之鼻祖动力气象学之鼻祖 1939年，他提出了长波学说，称此波为大气年，他提出了长波学说，称此波为大气长波或长波或Rossby波。波。气象中最主要的理论：波动理论气象中最主要的理论：波动理论（3）20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期12这一时期的主要理论成果：这一时期的主要理论成果：准地转和地转适应理论（准地转和地转适应理论（Rossby，1938）行星波的能量频散理论（行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正，叶笃正，1949）行星波的斜压不稳定（恰尼，行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，；伊台，1949）热力机制热力机制 行星波的正压不稳定（郭晓岚，行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）动力动力机制机制 大气运动的尺度分析（恰尼，大气运动的尺度分析（恰尼，1949）数值预报理论（恰尼等，数值预报理论（恰尼等，1950，芝加哥大学），芝加哥大学）成功地进行了数值预报，把前面的理论基础成功地进行了数值预报，把前面的理论基础归结为一个简单的预报方程。归结为一个简单的预报方程。这一时期的主要理论成果：13（4）至今）至今 1.热带大气动力学热带大气动力学 热带的水汽，对流，潜热释放等影响全球；非热带的水汽，对流，潜热释放等影响全球；非常重要；常重要；ENSO现象现象热带观测仪器有：卫星，国际上的专门试验热带观测仪器有：卫星，国际上的专门试验 第二类条件不稳定第二类条件不稳定CISK机制（恰尼，机制（恰尼，1964）积云对流参数化（郭晓岚，积云对流参数化（郭晓岚，1965）用大尺用大尺度的量表示小尺度的对流问题，度的量表示小尺度的对流问题，（类似于物理学中，用宏观量来表达描述微观运动）（类似于物理学中，用宏观量来表达描述微观运动）热带波动学（松野，热带波动学（松野，1966）Kelvin波波,Rossby重力波，重力惯性内波重力波，重力惯性内波（4）至今142.中小尺度动力学中小尺度动力学 是由于测站间距大于中小尺度系统得自身是由于测站间距大于中小尺度系统得自身尺度，故常规观测不到中尺度系统。尺度，故常规观测不到中尺度系统。60年代后借助雷达卫星的特殊观测。年代后借助雷达卫星的特殊观测。不稳定理论，数值模拟。不稳定理论，数值模拟。2.中小尺度动力学153.大气环流持续异常或气候异常动力学大气环流持续异常或气候异常动力学70年代末至年代末至80年代末发展最多年代末发展最多定常波（物理中称为驻波）理论（气候）定常波（物理中称为驻波）理论（气候）大气环流持续异常理论大气环流持续异常理论“遥相关遥相关”现象现象3.大气环流持续异常或气候异常动力学16e.g.ENSO发生，美洲气候发生异常：发生，美洲气候发生异常：海温升高，对流加强，释放潜热海温升高，对流加强，释放潜热 1979年英国年英国Hoskines 大圆理论大圆理论e.g.夏季青藏高原热夏季青藏高原热源异常影响源异常影响e.g.ENSO发生，美洲气候发生异常：e.g.夏季青藏174.非线性大气动力学非线性大气动力学 气象中的一些突变现象气象中的一些突变现象4.非线性大气动力学18北半球北半球6月和月和10月的大气环流突变月的大气环流突变北半球6月和10月的大气环流突变191979年，美国的恰尼，多平衡理论（大气在年，美国的恰尼，多平衡理论（大气在同一状况下有几个平衡态）用以解释同一状况下有几个平衡态）用以解释“副高副高北跳北跳”，“大气环流大气环流6月、月、10月突变月突变”现象。现象。1979年，美国的恰尼，多平衡理论（大气在同一状况下有几个平2090年代以后，动力气象学的新成年代以后，动力气象学的新成果较少。果较少。本课程讲授本课程讲授3060年代理论；年代理论；60年代后的主要在高等动力气年代后的主要在高等动力气象学选修课、研究生大气动象学选修课、研究生大气动力学课程中讲授。力学课程中讲授。90年代以后，动力气象学的新成果较少。21 本专业另外开设了中小尺度大气动力学、本专业另外开设了中小尺度大气动力学、热带大气动力学等课程，且课程有三章内容（大热带大气动力学等课程，且课程有三章内容（大气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、大气涡旋动力学）已经在先修课程天气学原理中大气涡旋动力学）已经在先修课程天气学原理中部分讲述过，因此，本课程主要以讲述中高纬大尺度部分讲述过，因此，本课程主要以讲述中高纬大尺度大气过程为主，为了保持课程的系统性，天气学原大气过程为主，为了保持课程的系统性，天气学原理部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，对理部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，对基本原理和概念加以回顾和补充。在讲授过程中要注基本原理和概念加以回顾和补充。在讲授过程中要注意和先修课程的衔接，在大气动力学的整体框架内讲意和先修课程的衔接，在大气动力学的整体框架内讲述大尺度大气动力过程，为后继课程中小尺度大气述大尺度大气动力过程，为后继课程中小尺度大气动力学、热带大气动力学、研究生课程大气动力学、热带大气动力学、研究生课程大气动力学做好衔接准备。动力学做好衔接准备。本专业另外开设了中小尺度大气动力22