动力气象学课件绪论
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《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。
第八章大气波动的稳定性问题 动力气象学课件(共66张PPT)
dd2y2 (uddc2yu2 k2)0
(y1) (y2) 0通道Rossb波y 的情况
这是齐次方程，会有零解； 求取非零解的条件——本征值问题。 假设系数为常系数，那么可求本征值； 但是现在为变系数的，这样的本征值问题在 数学(shùxué)上是不可解的
第三十五页，共66页。
而我们现在不要求解，只要(zhǐyào)知道 Ci是否等于0的条件
T(z0)z
第十六页，共66页。
ddw tT g(d )z
N2
T g(d
)gln
z
dwN2z
dt
N2 0，力作负功，扰 ，动 层减 结弱 是稳定的 N2 0，力不作功，层 性结 的是 ；中 N2 0，力作正功，扰 能动 量得 而到 增强，层 定
第十七页，共66页。
§4 惯性(guànxìng)稳定度 科氏力作用(zuòyòng)下，惯性振荡的稳定性问题
雷利：1920’s，层流不稳定(wěndìng)问题； 郭晓岚：1949，提出正压不稳定(wěndìng)理论
雷利解：令：
cC r iC i, r i i
第三十六页，共66页。
那md e么d 2 ) ：2 (r nu y à1 ic d d 2 2 u iy [ C 1 r( id d 2 C u i2) yu ( r u i C r i) c 2 ik 2 C i] ( rr i ii)i 0
Ci 0
波动不开展(kāizhǎn)，波动稳定
Ci 0
第十一页，共66页。
重力内波、惯性波：受力机制很清楚；一 般直接(zhíjiē)从振荡看是否稳定，由此，
可以得到：静力稳定度、惯性稳定度。
而Rossby波的产生机制(jīzhì)是β－效应， 从涡旋场〔涡度方程(fāngchéng)〕讨论 Rossby波，而没有具体讨论其振荡受力 情况； 一般从Ci是否等于0判别其稳定性。
动力气象学第1章.ppt
2006 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，2011
§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
大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。
球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理 (霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等， 1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源 强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等 等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和 短期气候预报提供了理论基础。
15、Gill，大气-海洋动力学，海洋出版社，1988 16、叶笃正，李崇银，王必魁，动力气象学，科 学出版社，1988。 17、吕美仲，彭永清，动力气象学教程，气象出 版社，1990 18、巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学，气象 出版社，1993 19、余志豪，杨大升等，地球物理流体动力学， 气象出版社，1996
§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。
§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。
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，2011
§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
大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。
球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理 (霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等， 1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源 强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等 等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和 短期气候预报提供了理论基础。
15、Gill，大气-海洋动力学，海洋出版社，1988 16、叶笃正，李崇银，王必魁，动力气象学，科 学出版社，1988。 17、吕美仲，彭永清，动力气象学教程，气象出 版社，1990 18、巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学，气象 出版社，1993 19、余志豪，杨大升等，地球物理流体动力学， 气象出版社，1996
§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。
§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。
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 PPT课件
( x, t ) A cosk ( x ct)
波动的复数表示形式：
根据欧拉公式： ei cos i sin
( x, t ) Re[ Aei ( kxt ) ]
实际应用时常略去Re:
( x, t ) Aei ( kxt )
得到如下符号关系式：
2 n 2 i , 2 (i ) ,......, n (i ) n t t t 2 n 2 ik , 2 (ik ) ,......, n (ik ) n x x x
2 n i ( kxt ) 2 iAe i, 2 (i ) ,..... n (i ) n t t t 2 n 2 ik , 2 (ik ) ,..... n (ik ) n x x x
( x, y, t ) Aei (kxlyt )
kx ly t
T 2
2 k L
2 L k
2 2 Lx , Ly k l
L c k T
Lx Ly cx , c y k T l T
c cg ck k k
二、傅立叶原理，简谐波的复数表示
实际大气扰动不是单纯的简谐波，可以看成是各种不同频 率、不同振幅的简谐波的叠加
( x, t ) An coskn ( x cnt ) n
n 1
实际扰动虽然是许多谐波组成，但往往只有几个谐波分量是主要的，其 频率、振幅虽然不同，但动力学性质往往一样。因此如果想得到定性的 结果，分析一个典型的谐波分量就足够了
y A cos[k ( x ct) ]
2 / T L c k 2 / L T
动力气象学课件第4章自由大气中的平衡运动
1 正压大气：空气密度的空间分布只是气压的函数 (；P) 2 斜压大气：密度的空间分布与气压、温度有关（即不仅仅
由气压p决定）。
正
斜
压
压
大
大
气
气
二、地转风的垂直变化
1 地转风的垂直切变
1
p坐标系下：
Vg f kp
23
1
对P求偏导数：Vg/pf kp p ，并结合静力方程
RT
p P
V g/pP RfkpT
这时，流线与轨线重合。
例子：以常速度 C向东移动的圆形
系统，移动过程中流线形状保持不变。
8
以速度 C移动的观测者所测得的风向
V=2C
角的个别变化率应为零，即
t tC• h0
可求得风向角的局地变化率为
t C• h CsKco s V=C/2
KT Ks(1VCh cos)
Rs RT(1VCh cos)
0
，即系统中心是低压，如右图。
梯度风：
f f 2 4KT P
n
VG
2KT
13
b）反气旋式流场（轨迹）：KT 0，n指向圆外
因为 fVG 0和 KTVG2 0，故：
P n
0
或
P nLeabharlann 0最终取决于前两项的相对大小。
i)
若
KTVG 2f VG0，则
P n
0
即
系统中心是高压，如右图（大中尺度的情形）。
梯度风大小：
VG
f
f2 4KT
P n
2KT
反常反气旋 |科氏力|<|离心力|
15
2）梯度风与地转风相对大小
地转风：fVg
1
由气压p决定）。
正
斜
压
压
大
大
气
气
二、地转风的垂直变化
1 地转风的垂直切变
1
p坐标系下：
Vg f kp
23
1
对P求偏导数：Vg/pf kp p ，并结合静力方程
RT
p P
V g/pP RfkpT
这时，流线与轨线重合。
例子：以常速度 C向东移动的圆形
系统，移动过程中流线形状保持不变。
8
以速度 C移动的观测者所测得的风向
V=2C
角的个别变化率应为零，即
t tC• h0
可求得风向角的局地变化率为
t C• h CsKco s V=C/2
KT Ks(1VCh cos)
Rs RT(1VCh cos)
0
，即系统中心是低压，如右图。
梯度风：
f f 2 4KT P
n
VG
2KT
13
b）反气旋式流场（轨迹）：KT 0，n指向圆外
因为 fVG 0和 KTVG2 0，故：
P n
0
或
P nLeabharlann 0最终取决于前两项的相对大小。
i)
若
KTVG 2f VG0，则
P n
0
即
系统中心是高压，如右图（大中尺度的情形）。
梯度风大小：
VG
f
f2 4KT
P n
2KT
反常反气旋 |科氏力|<|离心力|
15
2）梯度风与地转风相对大小
地转风：fVg
1
动力气象学概要课件
数值模式是大规模数值计算中用来描述和预测大气系统的软解方案、数据输入和输出等模
块。
数值模式广泛应用于天气预报、气候模拟和环境评估等领域。
03
数值模式的误差和不确定性
数值模式的误差主要来源于模式分辨率、物理过 程参数化和初始条件等方面。
不确定性主要表现在模式输入数据的误差、模式 本身的不完善以及计算误差等方面。
为了减小误差和不确定性，需要不断提高数值模 式的精度和可信度。
数值模式的未来发展和挑战
随着计算机技术的不断发展，数值模式的分辨率和计算能力将得到进一步 提高。
未来数值模式将更加注重物理过程参数化的改进和精细化，以更准确地模 拟和预测大气系统的行为。
同时，随着大数据和人工智能技术的发展，如何利用这些技术提高数值模 式的精度和效率也是未来发展的重要方向。
航空气象服务
提供航空气象预报、机场天气预报、航空气象观测和报 告等服务，保障航空安全。
航海气象服务
提供航海气象预报、海洋气象观测和报告等服务，保障 航海安全。
THANK YOU
感谢各位观看
03
大气的运动和变化
大气的热力和动力学过程
总结词
描述大气中热力和动力学过程对大气的运动和变化的影响。
详细描述
大气的热力和动力学过程是大气运动和变化的主要驱动力。这些过程包括温度 差异引起的对流、风速差异引起的湍流等。这些过程通过能量传递和物质迁移 等方式，影响大气的运动和变化。
大气中的波动和涡旋
动力气象学概要课件
目录
• 动力气象学简介 • 大气的基本结构和特性 • 大气的运动和变化 • 动力气象学的数值模拟和预测 • 动力气象学的应用和实践
01
动力气象学简介
《动力气象》课件
动力气象的应用案例
航空航天
动力气象在航空航天领域的天 气预报和飞行安全中发挥着重 要作用。
能源
动力气象用于可再生能源的规 划、风能、太阳能等的资源评 估和利用。
气候研究
动力气象帮助科学家了解和预 测气候变化，为应对气候变化 提供依据。
动力气象的基本原理
1 气象要素与动力学关系
了解气象要素与动力过程的基本概念，掌握气象要素对动力过程的影响。
常用的动力气象指标
1 风场和涡度指标
通过分析风场和涡度数 据，可以了解大气的运 动和湍流现象。
2 温度和湿度指标
温度和湿度是描述大气 状态的重要指标，对动 力气象有着重要影响。
3 大气层结指标
大气层结的变化对于气 象现象的发生和发展具 有重要意义。
动力气象预报技术
1
数值模式和动力模拟
运用数值模式和动力模拟进行天气的预测和模拟，提高预报准确性。
2
数据分析和观测技术
通过数据分析和观测技术获取气象数据，为预报提供可靠的基础。
3
预报系统的评估和改进
对预报系统进行评估和改进，不断提高预报技术和准确性。
《动力气象》PPT课件
动力气象是研究大气运动和天气现象相互关系的跨学科领域。本课件将深入 探讨动力气象的概念、原理、指标、预报技术与应用案例，帮助您全面了解 这一重要领域。
主题背景介绍
概念与重要性
动力气象研究大气运动和天气现象之间的关 系，对于天气预报、气候变化等具有重要意 义。
应用领域
动力气象在航空航天、能源、气候研究等领 域有广泛应用，对社会经济发展具有重要影 响。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
出版社，1991。
四、考核方式
平时成绩：20％ 期中测验：20％ 期末考试：60％
7
任课教师简介
• 简茂球，男，汉族，1965年11月生。广东阳江人。 • 1981/09－1985/07，北京大学地球物理系气象专业本科 • 1985/09－1988/07，北京大学地球物理系气象专业硕士 • 1999/09－2004/06，中山大学大气科学系气象专业博士 • 1997/07－1998/06，德国气候计算中心访问学者 研究方向：季风与海－气、陆－气相互作用；热带大气环 流与系统；大气水热收支；区域气候；全球变化与区域响 应
绪论
《动力气象学》 Dynamic Meteorology
绪论
1
一、学科的性质
1、大气科学：研究大气的各种现象、这些现象的
演变规律以及如何利用这些规律为人类服务的 科学。它包括：气候学、天气学、大气热力学、 大气动力学、数值天气预报、大气探测学等。
学科的性质：动力气象学是许多其他大气科学 分支学科的理论基础。它研究的是旋转地球上 大气运动的特殊规律。
2
大气科学
大 气 探 测
气 候 学
大 天气 气物 学理
学
大 气 动 力 学
大 气 热 力 学
数 值 天 气 预 报
大 气 化 学
大 气 环学习的重点
方法： 实际现象
假设、抽象
数学模型
重点：1）理论模型：引出的物理概念，基本原理， 以及大气运动的基本特征、性质、大气运动的机 制。 2）处理和解决问题的思维方法及数学方法。
8
国内学术交流、考察省份
9
国际学术交流访问的国家
10
悉尼歌剧院 莫斯科大学
新喀里多尼亚
韩国
11
瑞士－201307
12
三、参考书：
1、贺海晏等，《动力气象学》，气象出版社，2010。
6
2、杨大升等，《动力气象学》（修订版），气象出版社， 1983。
3、 J. R. Holton, 《An Introduction to Dynamic Meteorology》，2004。
4、吕美仲等，《动力气象学》，气象出版社，2005。 5、 刘式适等，《大气动力学》（上）、（下），北京大学
四、考核方式
平时成绩：20％ 期中测验：20％ 期末考试：60％
7
任课教师简介
• 简茂球，男，汉族，1965年11月生。广东阳江人。 • 1981/09－1985/07，北京大学地球物理系气象专业本科 • 1985/09－1988/07，北京大学地球物理系气象专业硕士 • 1999/09－2004/06，中山大学大气科学系气象专业博士 • 1997/07－1998/06，德国气候计算中心访问学者 研究方向：季风与海－气、陆－气相互作用；热带大气环 流与系统；大气水热收支；区域气候；全球变化与区域响 应
绪论
《动力气象学》 Dynamic Meteorology
绪论
1
一、学科的性质
1、大气科学：研究大气的各种现象、这些现象的
演变规律以及如何利用这些规律为人类服务的 科学。它包括：气候学、天气学、大气热力学、 大气动力学、数值天气预报、大气探测学等。
学科的性质：动力气象学是许多其他大气科学 分支学科的理论基础。它研究的是旋转地球上 大气运动的特殊规律。
2
大气科学
大 气 探 测
气 候 学
大 天气 气物 学理
学
大 气 动 力 学
大 气 热 力 学
数 值 天 气 预 报
大 气 化 学
大 气 环学习的重点
方法： 实际现象
假设、抽象
数学模型
重点：1）理论模型：引出的物理概念，基本原理， 以及大气运动的基本特征、性质、大气运动的机 制。 2）处理和解决问题的思维方法及数学方法。
8
国内学术交流、考察省份
9
国际学术交流访问的国家
10
悉尼歌剧院 莫斯科大学
新喀里多尼亚
韩国
11
瑞士－201307
12
三、参考书：
1、贺海晏等，《动力气象学》，气象出版社，2010。
6
2、杨大升等，《动力气象学》（修订版），气象出版社， 1983。
3、 J. R. Holton, 《An Introduction to Dynamic Meteorology》，2004。
4、吕美仲等，《动力气象学》，气象出版社，2005。 5、 刘式适等，《大气动力学》（上）、（下），北京大学