动力气象学第1章
动力气象学第1章描写大气运动的基本方程组
第一章描写大气运动的基本方程组复习思考题1.支配大气运动状态和热力状态的基本物理定律有哪些？大气运动方程组一般有几个方程组成？哪些是预报方程？哪些是诊断方程？答：基本物理定律是牛顿运动定律、质量守恒定律、热力学能量守恒定律、气体实验定律；大气运动方程组一般有六个方程组成（三个运动方程、连续方程、热力学能量方程、状态方程）；若是湿空气还要加一个水汽方程。
运动方程、连续方程、热力学能量方程是预报方程，状态方程是诊断方程。
2.研究大气运动变化规律为什么选用旋转坐标系？旋转参考系与惯性参考系中的运动方程有什么不同？答：相对于惯性参考系中的运动方程而言，旋转参考系中的运动方程加入了视示力（科里奥利力、惯性离心力）。
3.地球旋转对大气运动有哪些动力作用？答：产生惯性离心力，相对于地球有运动的大气还受科里奥利力作用。
4.科里奥利力是怎样产生的？他与速度的关系如何？南北半球有何区别？它在赤道、极地的方向如何？答：由于地球旋转及空气微团相对于地球有运动时产生；科里奥利力垂直于V，在北半球指向运动的右侧，在赤道处沿半径向外，在极地其垂直于地轴向外。
5.惯性离心力是怎样产生的？如果没有地球旋转，此力存在不存在？答：处在旋转坐标系中产生的；若没有地球旋转，此力不存在。
6.曲率项力怎样产生的？如果没有地球自转，此力存在不存在？答：由于地球的球面性引起的；若没有地球旋转，此力不存在。
7.惯性离心力与科里奥利力有哪些异同点？答：都是在旋转参考系中的视示力，惯性离心力恒存在，而大气相对于地球有运动时才会产生科里奥利力。
8.为什么把地球引力与惯性离心力合并为重力？答：地球引力*g 仅与空气微团的位置有关，而惯性离心力R 2Ω也只与空气微团的位置有关，从逻辑上很自然将这两力合并在一起。
地球引力与惯性离心力的矢量和称作重力。
9.为什么地球不可能是一个绝对球体？答：惯性离心力可分解为两个相互垂直的分力。
一个分立部分抵消了地球引力，一个分立与地表面相切指向赤道。
《动力气象学》课程辅导资料
《动力气象学》课程辅导资料知识点归纳总结第一章绪论1. 研究地球大气运动时的基本假设连续介质假设：研究大气的宏观运动时，不考虑离散分子的结构，把大气视为连续流体。
从而，表征大气运动状态和热力状态的各种物理量，例如大气运动的速度、气压、密度和温度等可认为是空间和时间的连续函数，并且经常假设这些场变量的各阶微商也是空间和事件的连续函数。
是研究大气运动的基本出发点。
理想气体假设：气压、密度、温度之间的关系满足理想气体状态方程。
2. 地球大气的运动学和热力学特性有哪些？大气是重力场中的旋转流体：大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重要性质之一。
科里奥利力的作用：大尺度运动中科里奥利力作用很重要；中纬度大尺度运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平衡——地转平衡；地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西风带中的波动有关；起稳定性作用——位能、动能的转换——锋面。
大气是层结流体：大气的密度随高度是改变的——层结稳定度；不稳定层结大气中积云对流；稳定层结大气中重力内波。
大气中含有水份：相变潜热——低纬度扰动和台风的发展。
大气的下边界是不均匀的：湍流性；海陆分布和大气环流。
3. 大气运动的多尺度性大气运动无论在时间尺度还是在水平尺度上都具有很宽的尺度谱，不同尺度系统在性质上有很大差异，对天气的影响也不同，不同尺度运动系统之间还存在相互作用。
而根据流体力学和热力学原理建立起来的大气运动方程组，表征了大气运动普遍规律，从物理上讲，它几乎描述了各种尺度运动和它们之间的相互作用，方程组是高度非线性的，难以求解。
因此，在动力气象中，常对各种运动系统进行尺度分类，利用尺度分析法分析各类运动系统的一般性质，建立各类运动系统的物理模型（第三章）。
第二章描写大气运动的基本方程组1. 作用于大气的力，哪些是真实力，哪些是视示力？真实力：气压梯度力、地球引力、摩擦力，既改变气流的运动方向，也改变速度的大小视示力：科里奥利力、惯性离心力，只改变气流的运动方向，不改变速度的大小2. 描述大气运动的基本方程组和各自遵守的物理原理牛顿第二定律——运动方程质量守恒定律——连续方程理想气体实验定律——状态方程能量守恒定律——热力学能量方程水气质量守恒——水汽质量守恒方程3. 分析流体运动的两种基本方法拉格朗日方法：着眼于微团，研究其空间位置及其他物理属性随时间变化的规律，推广到整个流体运动。
动力气象学
参 考 书 目： 1 、叶笃正，李崇银，大气运动中的适应问题， 科学出版社，1965 2 、 Lorenz ，大气环流的性质和理论，科学出版 社，1976。 3 、 Haltiner, G, Numerical Prediction and Dynamical Meteorology, 1980(有中译本) 4、小仓义光，大气动力学原理，科学出版社， 1980 5 、 Holton ， 动 力 气 象 学 引 论 ， 科 学 出 版 社 ， 1980 6、郭晓岚，大气动力学，江苏科技出版社， 1981
大 气 科 学 学 院 王 文
动 力 气 象 学
教材： 吕美仲等，动力象学，南京大学出版社，1996 2.HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press, Fourth Version, 2004 3.刘式适等，大气动力学（第二版），北京大学出 版社，2011
参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出 版社，1981 8、伍荣生等，动力气象学，上海科技出版社， 1983。 9、杨大升，刘余滨，刘式适，动力气象学，气 象出版社（修订本），1983 10、栗原宜夫，大气动力学入门，气象出版社， 1984 11、李崇银等，动力气象学概论，气象出版社， 1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 2nd ed, 1987
§1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。
大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这 些场变量都是时间和空间的连续函数；
理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体
动力气象学总复习
动力气象学总复习第一章绪论掌握动力气象学的性质，研究对象，研究内容以及基本假定动力气象学（性质）是由流体力学中分离出来（分支），是大气科学中一个独立的分支学科。
动力气象学定义：是应用物理学定律研究大气运动的动力过程、热力过程，以及它们之间的相互关系，从理论上探讨大气环流、天气系统演变和其它大气运动过程学科。
动力气象学研究对象：发生在旋转地球上并且密度随高度递减的空气流体运动的特殊规律。
动力气象学研究内容：根据地球大气的特点研究地球大气中各种运动的基本原理以及主要热力学和动力学过程。
主要研究内容有大气运动的基本方程、风场、气压坐标、环流与涡度、风与气压场的关系、大气中的波动、大气边界层、大气不稳定等等。
一、基本假设：大气视为“连续流体”，表征大气运动状态和热力状态的各种物理量(U, V, P, T, et al.) 看成是随时间和空间变化的连续函数；大气宏观运动时，可视为“理想气体”，气压、密度和温度之间满足理想其他的状态方程，大气是可“压缩流体”，动力过程和热力过程相互影响和相互制约；二、地球大气的动力学和热力学特性大气是“旋转流体”：90%的大气质量集中在10km以下的对流层；水平U, V远大于w（满足静力平衡）；Ω =7.29⨯10-5rad/s，中纬度大尺度满足地转平衡（科氏力与水平气压梯度力相当）。
大气是“层结流体”：大气密度随高度变化，阿基米德净力使不稳定层结大气中积云对流发展；阿基米德净力使稳定层结大气中产生重力内波。
大气中含有水份：水份的相变过程使大气得到（失去）热量。
大气下垫面的不均匀性：海陆分布和大地形的影响。
大气运动的多尺度性：（见尺度分析）第二章大气运动方程组控制大气运动的基本规律有质量守恒、动量守恒、能量守恒等等。
支配其运动状态和热力学状态的基本定律有：牛顿第二定律、质量守恒定律、热力学第一定律和状态方程等等。
本章要点：旋转坐标系；惯性离心力和科氏力；全导数和局地导数；预报和诊断方程；运动方程、连续方程；状态方程、热力学方程及其讨论；局地直角坐标系。
第1章 大气边界层
z
=
z0
时仍满足对数分布规律：
∂V ∂z
z = z0
=
V* kz0
又∵
∂V ∂z
β = z = z0
V* z01−ε
∴ β = kz0ε
l
=
kz
⎛ ⎜ ⎝
z z0
⎞−ε ⎟ ⎠
（1.13） （1.14）
6
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
(u
+
iv)
=
−if
ug + ivg
（1.22）
为求解方便，取
x
轴平行等压线，则
∂p ∂x
=
0, vg
=
0 （即此时地转风只有东西向分量），有
kz
∂2V * ∂z 2
−
ifV
*
=
−ifug
（1.23）
或
kz
d 2V * dz 2
− ifV *
=
−ifug
（1.23）’
方程的性质：一元二次非齐次常微分方程
) >> ∂ (
) ∂(
,
)。
∂z
∂x ∂y
5).湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常。
4 Ekman 层的主要特点
2
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
1).湍流摩擦力，气压梯度力和科氏力同等重要。 2).物理量垂直梯度>>水平梯度。 3).下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送。 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman 螺线规律。
中小尺度动力气象学
中小尺度天气动力学第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度天气系统：时间尺度和空间尺度比常规探测站网小，但比积云单体的生命周期及空间尺度大得多的一种尺度。
即水平尺度为几公里到几百公里，时间尺度由1小时到十几小时。
2、划分依据及分类：1）早期的经验分类天气系统——大尺度、中尺度和小尺度空间尺度分别为：106m、105m和104m时间尺度对应为：105s、104s和103s2）依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类方法）依据无量纲数罗斯贝数Ro 和拉格朗日时间尺度T的尺度分类行星尺度、气旋尺度、中尺度、积云尺度、小尺度3）Orlanski的综合分类（观测与理论分类）大尺度（α、β）中尺度（α、β、γ）小尺度3、中尺度大气运动的基本特征1)空间尺度范围广，生命周期跨度大；2)气象要素梯度大；3)散度、涡度与垂直速度；4)非地转平衡和非静力平衡；5)质量场和风场的适应；6)小概率和频谱宽、大振幅事件第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统的分类：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波的基本类型主要依赖风的不同类型（1）层状气流小风、层状气流。
平滑浅波，波动只发生在山脉上空的浅层，向上很快消失——山脉波（mountain wave）（2）驻涡气流：在山顶高度以上风速较大时，可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动，上面则有气流的平滑浅波——驻涡（standing eddy）（3）波动气流当风速随高度增大时，在背风坡出现波动气流——背风波（lee wave）。
背风波可以伸展到对流层上层和平流层。
（4）转子气流：在背风波出现时，当垂直方向有风速极大值出现时，则会形成转子气流（rotor streaming）。
驻涡和转子是背风波的特殊形式！3、背风波的形成、特征及大气条件背风波是地形波的一种类型，由于障碍物引起空气垂直振荡而造成的。
特征：波长：1.8～70km之间，多为5～20km左右。
波长一般随高度而变，高层较长，低层较短。
动力气象学第1章描写大气运动的基本方程组
因 3 V3
lim 1 0
d ( ) dt
，故速度散度与运动的参考系没有关系。
22.“ d / dt 0 是不可压缩流体的充分与必要条件”，这种说法正确吗？为什么？
答：不正确，是必要非充分的。 23.大气运动方程组和一般流体力学方程组主要差别有哪些？ 24.什么是均质大气？均质大气高度 h 的意义是什么？
18.在局地直角坐标系中是如何处理 f 2 sin 的？这种处理是否合理？
答：在中小尺度系统中取 f f0 ，其中 f0 2 sin 0 ；
2
在大尺度系统中取 f f0 y ，即 平面近似。
19.常用的热力学能学方程有哪些形式？
答：（1）用气温、比容表述
cv
dT dt
p d dt
Q
因 v u 0,u U , 则由球坐标系 dV 分量表达式可知
dt
dV
U 2 tan
U2 j
k
dt
r
r
而
2 V 2U cos j k 2U sin k i
fUk
fUj
2
k
2
R
sin
j
2
R
cos
k
2
r
cos
sin
j
2
r
cos2
k
于是
d aVa
U2 (
tan
解：用自然坐标系，
V 2T
Vt (
T
s
t
T n
n)
V
T s
用
0
直角坐标系将V 分解
图 1.1
3
V 2T
动力气象学第1章.
1979年，美国的恰尼，多平衡理论（大气年美国的恰尼，多平衡理论（在同一状况下有几个平衡态）在同一状况下有几个平衡态）用以解释副高北跳” 大气环流6月月突变” “副高北跳”，“大气环流月、10月突变” 月突变现象。
现象。
90年代以后，动力气象学的新成年代以后，年代以后果较少。
果较少。
本课程讲授30－年代理论年代理论；本课程讲授－60年代理论； 60年代后的主要在《高等动力气年代后的主要在《年代后的主要在象学》选修课、研究生《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。
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（《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》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，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，大气过程为主，为了保持课程的系统性，《天气学原部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，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。
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，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《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《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。
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§1.4 动力气象学的发展简史与发展动向
18世纪，力学、物理学、化学和数学等基础科学的发 展，观测仪器地陆续发明，气象科学由纯定性的描述 进入了可定量分析的阶段，这是气象科学发展过程中 的一次飞跃。
1820年，布兰德斯绘制了气象历史上第一张天气图， 创立了近代天气分析和天气预报的方法。这是气象科 学发展过程中又一次飞跃。
§1.2 地球大气的运动学和热力学特性
大气是重力场中的旋转流体。
大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重 要性质之一；科里奥利力的作用。
大尺度运动中科里奥利力作用很重要。中纬度大尺度 运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平 衡——地转平衡。
地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西 风带中的波动有关。
稳定性作用——位能、动能的转换——锋面。
大气是层结流体。 大气的密度随高度是改变的——层结稳定度。 不稳定层结大气中积云对流；稳定层结大气中重力内 波。 大气中含有水份。 相变潜热——低纬度扰动和台风的发展 大气的下边界是不均匀的。 湍流性；海陆分布和大气环流。
§1.3 大气运动的多尺度性 空间尺度——空间范围 积雨云、飑线、背风波、热带云团；温带气旋、西风 带中的长波；超长波、热带辐合带。 相互作用——反馈——CISK 非线性 尺度分析
1984 11、李崇银等，动力气象学概论，气象出版社，
1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics,
Springer-Verlag, 2nd ed, 1987
参 考 书 目：
13、陈秋士，天气和次天气尺度系统动力学，科 学出版社，1987
1 4 、 Hoskins 等 ， 大 气 中 大 尺 度 动 力 过 程 ， 气 象 出版社，1987
2019 24、贺海晏，简茂秋，乔云亭，动力气象学，气
象出版社，2010 25、刘式适，刘式达，大气动力学（第二版），
北京大学出版社，2019
§1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。 大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这 些场变量都是时间和空间的连续函数； 理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体
动力气象学的基础知识：
高等数学；流体力学；天气气候学 学科特点和学习方法：
物理学为基础，数学为工具，观测事实为依据 知识的延拓和提升：
同一教材前后的贯通，不同教材的横向连接，不同分 支之间的联系，重大天气气候的联想。
参 考 书 目： 1、叶笃正，李崇银，大气运动中的适应问题， 科学出版社，1965 2、Lorenz，大气环流的性质和理论，科学出版 社，1976。 3 、 Haltiner, G, Numerical Prediction and Dynamical Meteorology, 1980(有中译本) 4、小仓义光，大气动力学原理，科学出版社，
动
大
力
气 科
气
学
象
学 院
学
王
文
教材：
吕美仲等，动力气象学，气象出版社，2019
参考教材： 1.吕克利等，动力气象学，南京大学出版社，2019 2.HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press, Fourth Version, 2019 3.刘式适等，大气动力学（第二版），北京大学出 版社，2019
1835年提出科里奥利力的概念，1857年白贝罗建立了 风压场关系的经验定律，成为地球大气动力学和天气 分析的基石。
动力气象学起源于北欧。
1897年，V.皮耶克尼斯建立了旋转地球大气中的环流 理论；1904年V.皮耶克尼斯以力学和物理学的观点， 建立了描写旋转地球大气运动方程组.
在1920年前后，V.皮耶克尼斯和J.皮耶克尼斯概括了 温带气旋生命史，提出了极锋气旋学说，形成了挪威 (卑尔根)学派。
1980 5 、 Holton ， 动 力 气 象 学 引 论 ， 科 学 出 版 社 ，
1980 6、郭晓岚，大气动力学，江苏科技出版社，
1981
参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出 版社，1981 8、伍荣生等，动力气象学，上海科技出版社， 1983。 9、杨大升，刘余滨，刘式适，动力气象学，气 象出版社（修订本），1983 10、栗原宜夫，大气动力学入门，气象出版社，
在这个时期,v.皮耶克尼斯和J.皮耶克尼斯等人撰著的 三卷巨著《动力气象学和水文学》(《静力学》,《运 动学》,《物理流体力学及其在动力气象学上的应 用》),是对他们本人和本学派研究成果的系统总结。
前苏联也有以柯钦为首的一些学者所做的一系列工作。
参 考 书 目： 20、吕克利等，动力气象学，南京大学出版社,
2019 21、伍荣生，大气动力学（修订版），高等教育
出版社，2019 22、HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO
DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press,
Fourth Version, 2019 23、李国平，新编动力气象学，气象出版社，
第一章 绪论
动力气象学是气象科学的一个分支，是应用物理学 定律和数学方法研究大气运动的动力过程、热力过 程，以及它们之间的相互关系，从理论上探讨大气 环流、天气系统演变和其它大气运动过程的学科。
动力气象学又是流体力学的一个分支——地球流体 力学的主要组成部分。
动力气象学是大气科学的基础理论。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
大气科学的目的： 天气预报；气候预测 大气科学的研究方法： 观测(诊断)分析；理论研究；数值模拟 大气科学的特点： 已观测事实为基础 大气科学的分支： 大气动力学、大气物理学、天气学、气候学，…