动力气象-第一章--绪论课件

第一章第一章 绪论（绪论（Introduction）动力气象学动力气象学（Dynamic Meteorology）是大气科学的一个重要的分支学科。是大气科学的一个重要的分支学科。Meteorologyisacombinationof3differenttraditions:-SynopticClimatology/Statisticalapproach-Dynamicmeteorology-Weatherforecasting第一章 绪论（Introduction）1Synoptic Climatologystatisticsempiricalactivity:collectobservationaldatatoderive informationfromalmostneglectedphysicsdescriptivescience;theaverageweatherSynoptic Climatology2Dynamic Meteorology physicstheoreticalactivity:explain/deriveatmosphericphenomenafromgeneralprinciplesalmostneglectedobservationsDynamic Meteorology 3Weather Forecast practicalactivityPast：synopticcharts(viatelegraphy)ofpressure,temperature,humidity,precipitation,wind,deriverulesofthumbfrompatterns，almostneglectedtheory;usedonlylimitedamountofdataToday：operationalnumericalpredictionmodelsbasedonthetheoryofdynamicalmeteorologyWeather Forecast 4什么是动力气象学？什么是动力气象学？是应用物理学定律和数学方法研究是应用物理学定律和数学方法研究大气运动的大气运动的动力过程动力过程，热力过程热力过程，以及，以及它们之间的相互关系，是从它们之间的相互关系，是从理论上理论上探讨探讨大气环流，天气系统演变和其他大气运大气环流，天气系统演变和其他大气运动过程的一门学科。动过程的一门学科。Dynamicmeteorologyisthestudyofthosemotionsoftheatmospherethatareassociatedwithweatherandclimate.什么是动力气象学？是应用物理学定律和数5风压定律的动力学解释风压定律的动力学解释高高低低风压定律的动力学解释高低6台风鸣蝉台风鸣蝉台风鸣蝉台风鸣蝉MaemiMaemi台风台风台风台风台风台风台风台风“海葵海葵海葵海葵”低气压低气压北台风旋转方向的动力学解释台风旋转方向的动力学解释台风台风”海葵海葵”台风台风”达维达维”台风台风”苏拉苏拉”台风鸣蝉Maemi台风台风“海葵”低气压北台风旋转方向7动力气象学与其他学科的区别动力气象学与其他学科的区别?l流体力学（流体力学（Hydrodynamics）：研究流体）：研究流体运动的一般规律。运动的一般规律。l天天气气学学（Synoptic Meteorology）：研研究究大大气中与天气过程演变有关的规律。气中与天气过程演变有关的规律。l动动力力气气象象学学（Dynamic Meteorology）：从从理理论论上上研研究究大大气气（特特殊殊流流体体）动动力力过过程程与热力过程的规律。与热力过程的规律。动力气象学与其他学科的区别?流体力学（Hydrodynami8动力气象学力气象学是气象学是气象学专业本科生的本科生的专业基基础理理论课程和主干程和主干课程，是程，是报考气考气象学象学专业硕士研究生的必考士研究生的必考课程。程。课程性质：课程性质：动力气象学是气象学专业本科生的专业基础理论课程和主干课程9主要内容：主要内容：l动力气象学研究对象、任务和方法动力气象学研究对象、任务和方法l 动力气象学发展简史动力气象学发展简史主要内容：10一、研究对象、任务和方法一、研究对象、任务和方法1.研究对象研究对象：大气运动（广泛意义上）大气运动是很复杂的，复杂性体现在运动的尺度范围（空间和时间）很宽广。大气运动无论在时间尺度上，还是在空间尺度上都具有很宽的尺度谱。一、研究对象、任务和方法1.研究对象：大气运动（广泛意义上11水平尺度水平尺度一经一经确定，运动的确定，运动的性质就确定了性质就确定了大气运动的尺度分类大气运动的尺度分类大气运动的尺度分类大气运动的尺度分类水平尺度一经确定，运动的性质就确定了12不同尺度的运动系统具有不同的动力不同尺度的运动系统具有不同的动力学特性。不同尺度运动系统性质差异，对学特性。不同尺度运动系统性质差异，对天气的影响也不同。天气的影响也不同。例如：西风带中的长波具有准水平、准地例如：西风带中的长波具有准水平、准地转平衡性质，它对天气影响的范围较广；转平衡性质，它对天气影响的范围较广；而强烈的局地风暴是一种小尺度强对流运而强烈的局地风暴是一种小尺度强对流运动，它是非静力平衡的，垂直上升运动很动，它是非静力平衡的，垂直上升运动很强，虽然影响范围不大，但是造成的天气强，虽然影响范围不大，但是造成的天气灾害严重。灾害严重。不同尺度的运动系统具有不同的动力学特13不同尺度的运动系统之间存在着相互不同尺度的运动系统之间存在着相互作用。作用。小尺度运动系统往往是在大尺度运动小尺度运动系统往往是在大尺度运动系统的背景下发生发展起来的；反过来它系统的背景下发生发展起来的；反过来它又对大尺度运动系统的发展和变化产生反又对大尺度运动系统的发展和变化产生反馈作用。馈作用。*基于观测技术和手段的限制，目前动力气基于观测技术和手段的限制，目前动力气象学方面比较成熟与重大的研究成果主要象学方面比较成熟与重大的研究成果主要集中在集中在大尺度动力学大尺度动力学方面。方面。不同尺度的运动系统之间14本课程研究的对象：大尺度大气运动大尺度运动的两个重要特点：l要考虑地球的自转运动考虑柯氏力作用l考虑地球大气受到重力场的作用准准水平运动总结总结：研究对象是，考虑地球自转的，准水平运动的中高纬度的大尺度的大气运动过程。本课程研究的对象：大尺度大气运动 大尺度运动的两个重要152、研究任务、研究任务由物理定律出发，从理论上，揭示大气运动过程的发生发展规律和机理。2、研究任务 由物理定律出发，从理论上，揭示163、研究方法、研究方法l工具：数理基础l方法：气象问题物理模型（大气运动所遵循的物理定律）数学模型（基本定律的数学表达式）求解解释原问题。3、研究方法工具：数理基础17*动力气象学中的基本假设动力气象学中的基本假设1 1 1 1、连续性假设（连续性假设（continuity）表征大气运动状态和热力状态的各种物理量均是时间表征大气运动状态和热力状态的各种物理量均是时间和空间的连续函数，且其各阶微商也连续。和空间的连续函数，且其各阶微商也连续。2 2、理想气体假设（理想气体假设（ideal gas）把大气作为理想气体来处理，气压、密度、温度之间把大气作为理想气体来处理，气压、密度、温度之间的关系满足理想气体的状态方程。的关系满足理想气体的状态方程。1、连续性假设（continuity）2、理想气体假设（id18二、发展简史数学和物理学的不断成熟为动力气象奠定了理论基础，同时观测和计算技术的不断发展更推动了动力气象学的进步，使其内容不断扩展。二、发展简史 数学和物理学的不断成熟为动力气19l19世纪20年代20世纪20年代有了近代气象学外推法外推法1820年德国人布兰德斯布兰德斯利用历史资料绘成了世界上第一张天气图，这是近代气象学研究起点的标志；1854年克里米亚战争克里米亚战争事件真正推动天气预报业务开展；l20世纪30年代 欧洲欧洲学术发展兴盛：成立了以BjerknesBjerknes为首的挪威学派，建立了现代天气学理论，天气分析和天气预报方法（极锋学说极锋学说）。BjerknesBjerknes将流体力学和热力学应用于大气和海洋的大尺度运动的研究中，提出了著名的环流理论。从此动力气象学便逐步由流体力学中分离出来，形成一个独立的学科。Historical note19世纪20年代20世纪20年代 Historical n20l20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 美美国国学术发展兴盛：芝加哥大学的RossbyRossby动力气象学之鼻祖动力气象学之鼻祖 1939年，他提出了长长波波理理论论，称此波为大气长波或Rossby波。气象学中形成最主要的理论：波动理论波动理论Rossby,C.G.(1898-1957)20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 Rossby,C21这一时期的主要理论成果：l地转适应理论（Rossby，1938）l行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正叶笃正，1949）l行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，1949）热力机制l行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）动力机制l大气运动的尺度分析（恰尼，1949）l数数值值预预报报理理论论（恰恰尼尼等，1950，麻省理工学院）动力气象大发展，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。叶笃正Charny,J.G.这一时期的主要理论成果：地转适应理论（Rossby，19322GeneralMeteorology2007-200823Electronic Numerical Integrator And Calculator(ENIAC)General Meteorology 2007-2008223l至今由于观测资料的丰富，探测手段的逐步现代化，计算机和计算技术的迅速发展，数学物理学的推进，使得动力气象学正在进入一个新的发展阶段。至今 24国家天气基本站国家天气基本站（530）资料源自中国气象局资料源自中国气象局国家天气基本站资料源自中国气象局25国家高空探测站国家高空探测站 （120）资料源自中国气象局资料源自中国气象局国家高空探测站资料源自中国气象局26全国新一代天气雷达网全国新一代天气雷达网 (126)资料源自中国气象局资料源自中国气象局全国新一代天气雷达网资料源自中国气象局27气象观测系统气象观测系统气象观测系统28动力气象学的发展动向动力气象学的发展动向 把运动系统作为三维、瞬变、具有强迫耗散的非线性动力学系统来研究。在研究方法上，观测分析、解析研究、数值模拟齐头并进。为了制作准确的中长期预报和短期气候预测，更加重视海气和地气物理过程之间的相互作用。动力气象学的发展动向 把运动系统作为三维、瞬变、具有强迫耗散29三、学习方法1、适当地记笔记，以帮助记忆；2、学习中要注意：l问题的提出；l解决的方法与工具；l重要的结果及其意义重要的结果及其意义；l如何应用。3、应及时复习；4、通过一定练习，掌握所学知识。三、学习方法1、适当地记笔记，以帮助记忆；30四、主要参考书（References）l杨大、刘金滨：动力气象学，1980，气象出版社；l刘式适、刘式达：大气动力学（上、下），刘式适、刘式达：大气动力学（上、下），1991，北京大学出版社，北京大学出版社；l伍荣生等：动力气象学，1983，上海科学技术出版社；1990，大气动力学，气象出版社；l吕克利等：动力气象学，1996，南京大学出版社；l霍尔顿，动力气象学引论，霍尔顿，动力气象学引论，1980，科学出版社；，科学出版社；An Introduction to Dynamic Meteorology (James R.Holton)l缪锦海等，动力气象学，1992，气象出版社。四、主要参考书（References）杨大、刘金滨：动31五、教学安排（Scheme of this course）l（共64学时）1、掌握大气运动的基本方程组；2、重点放在大气涡旋动力学、大气能量学、大气行星边界层、大气中的基本波动、大气运动稳定性；3、在讲课过程中将安排一些自学或讨论内容；4、以闭卷考试闭卷考试形式作为考核方式。五、教学安排（Scheme of this course 32“Badmathematiciansbecomephysicists,andbadphysicistsbecomemeteorologists”-AlexanderFriedman(1888-1925)“Bad mathematicians become ph33