动力气象学
动力气象学笔记
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。
动力气象课后习题标准答案doc
动力气象课后习题标准答案.doc 动力气象课后习题标准答案1. 什么是动力气象学？动力气象学是研究大气运动和气象现象的科学。
它主要涉及大气力学、热力学和动力学等方面的知识，通过数学模型和物理规律来描述和预测大气中的各种运动和现象。
2. 什么是大气力学？大气力学是研究大气运动的科学。
它主要研究大气中的气体运动、气压分布、风场形成和演变等现象，以及它们与天气和气候的关系。
3. 什么是热力学？热力学是研究能量转化和热力传递的科学。
在动力气象学中，热力学主要研究大气中的能量转化和热力传递过程，包括辐射、传导和对流等，以及它们对大气运动和气象现象的影响。
4. 什么是动力学？动力学是研究物体运动的科学。
在动力气象学中，动力学主要研究大气中的运动方程和运动规律，包括质量、动量和能量守恒定律等，以及它们对大气运动和气象现象的影响。
5. 什么是大气稳定度？大气稳定度是指大气中的气块上升或下沉时，受到的抵抗力和推动力之间的平衡状态。
当气块受到的抵抗力大于推动力时，大气稳定，气块下沉；当推动力大于抵抗力时，大气不稳定，气块上升。
6. 什么是大气边界层？大气边界层是指大气中与地表直接接触并受地表摩擦影响的一层大气。
它的高度一般在几百米到几千米之间，对大气中的能量和物质交换具有重要影响。
7. 什么是风？风是指大气中的气体运动。
它的产生和变化与大气压力差、地转偏向力和摩擦力等因素有关，是大气环流和气象现象的重要组成部分。
8. 什么是气压场？气压场是指大气中不同地点的气压分布。
它是由大气中的气块运动和密度变化等因素引起的，对大气运动和天气变化具有重要影响。
9. 什么是风场？风场是指大气中不同地点的风速和风向分布。
它是由大气压力差和地转偏向力等因素引起的，是描述大气运动和气象现象的重要参数。
10. 什么是气象现象？气象现象是指大气中的各种现象，如降水、云层、气温和湿度等的变化。
它们是由大气运动和能量交换等因素引起的，对天气和气候的形成和演变具有重要影响。
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。
动力学在气象学中的应用
动力学在气象学中的应用气象学是研究地球大气的物理、化学和动力学过程的学科。
动力学是描述系统随时间演化的一种方法，因此在气象学中起着重要的作用。
本文将探讨动力学在气象学中的应用。
一、动力学基础动力学是描述系统运动的学科，通过分析质点的受力和运动方程来研究物体的运动规律。
在气象学中，我们可以将大气看作是一个巨大的物质系统，运动方程和受力分析可以帮助我们理解大气的变化和气象现象的发生。
二、动力学原理在气象学中的应用1. 风场分析风是大气中气压差引起的气体运动，风场的结构和演化过程可以通过动力学原理解释。
利用动力学原理，我们可以分析气压差和地球自转所产生的科里奥利力对风的影响，从而预测风向和风速的变化。
2. 气压变化的解释气象学中常用的高压、低压等气象现象可以通过动力学原理解释。
我们知道，气压的变化是由于空气的运动引起的。
动力学原理可以帮助我们解释气压系统中的气流运动方式、气压梯度和气压中心的形成等现象。
3. 气象系统数值模拟气象学中的数值模拟是通过将动力学方程以及其他的物理方程转化为数值计算模型，以模拟和预测气象系统的演化和变化。
动力学方程是模拟大气运动的基础，通过数值模拟，我们可以预测未来天气、气候变化甚至是极端天气事件的发生。
4. 大气辐射传输模拟大气辐射传输模拟是另一个利用动力学原理的气象学应用。
通过解析大气中的辐射传输方程，我们可以计算不同波长的辐射在大气中的吸收和散射情况，从而揭示太阳辐射和地球辐射的分布和变化规律。
5. 气象灾害预警动力学原理对于气象灾害的预警和预测也有着重要的作用。
通过对大气运动和气压变化的分析，我们可以预测台风、龙卷风、暴雨等极端天气事件，及时提醒并采取措施，减少对人民生命和财产的损失。
三、动力学在气象学研究中的局限性虽然动力学在气象学中有广泛的应用，但也存在一定的局限性。
动力学模型的复杂度和计算量较大，需要高性能计算的支持。
此外，由于气象系统是复杂的非线性系统，动力学模型往往需要着重处理非线性因素，如湍流、湿度等，以提高模型的准确性。
南京信息工程大学2023考研大纲：F04动力气象学(含数值预报)2
南京信息工程大学2023考研大纲：F04动力气象学(含数值预报)1500字南京信息工程大学2023考研大纲：F04动力气象学(含数值预报)动力气象学是气象学的重要分支之一，主要研究大气运动的基本规律以及大气运动对气象现象的影响。
本课程主要包括动力气象学基本概念、大气平衡及运动的基本方程、大气边界层、大气波动等内容。
同时，还会包含数值预报的相关知识，将动力气象学理论与实际应用相结合。
以下是该课程的详细内容。
一、动力气象学基本概念1. 动力气象学的概念和发展历程2. 大气的基本性质和运动规律3. 动力气象学的研究方法和技术手段二、大气平衡及运动的基本方程1. 大气的水平平衡方程2. 大气的垂直平衡方程3. 大气的热力平衡方程4. 物质守恒方程和能量守恒方程三、大气边界层1. 大气边界层的概念和特征2. 大气边界层的发展和结构3. 大气边界层的运动和湍流4. 大气边界层的边界条件和变化规律四、大气波动1. 大气波动的基本类型和特征2. 大气波动的发生机制和扩散规律3. 大气波动的传播和变化规律4. 大气波动对气象现象的影响五、数值预报1. 数值预报的基本原理和方法2. 数值预报的模式和参数化方案3. 数值预报的数据来源和处理方法4. 数值预报的评估和检验方法以上是南京信息工程大学2023考研《动力气象学(含数值预报)》的大纲内容，总共约1500字。
本课程的学习将使学生掌握动力气象学的基本理论和数值预报的基本技术，能够理解大气运动的基本规律和模拟未来天气变化，为气象预报、气候变化等相关领域的研究提供基础支撑。
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
动力气象学第一章
e.g. ENSO发生，美洲气候发生异常：
海温升高，对流加强，释放潜热 1979年英国Hoskines 大圆理论
e.g. 夏季青藏高原热 源异常影响
4.非线性大气动力学 气象中的一些突变现象
9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“副高 北跳”，“大气环流6月、10月突变”现象。
（2）～20世纪30年代
1904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 克尼斯1920年――锋面学说）
（3）～20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 背景：二战爆发后，海陆空军参战，由于 战争的需要，建立了高空观测网，气象要素 发展为三维系统（＋时间～四维） 高空500hPa图的最主要特点：波动（时间 上，空间上） 美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby―― 动力气象学之鼻祖 1939年，他提出了长波学说，称此波为大气 长波或Rossby波。 气象中最主要的理论：波动理论
二、发展简介
气象学是一门古老的学科：
人们一直试图去解释天气、预测天气
大气是一个物理系统，
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 观测现象的发现。 2、物理学、数学等基础学科的发展。
(1)19世纪20年代～20世纪20年代
19世纪20年代之后，开始有了近代气象 学——1820年Brandes绘制了第一张天气 图，用外推法预测高低压的移动 形成了地面天气图，开创近代天气分析 和天气预报方法。
两个重要特点：
地球半径ａ≈6000km 与大尺度系统尺度近似 地球的自转重要 → 旋转流体力学 在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体 运动差别很大 气象系统的垂直厚度Ｄ～104m 很扁平的一层 ∴是准水平 → 大尺度大气运动
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一、地球大气的动力学和热力学特征：
答：特性一：受重力场作用，大气大尺度运动具有准水平的特征及静力平衡性质。
特性二：大气是重力场中的旋转流体，在中高纬度大气的大尺度运动具有地转近似平衡性质。
特性三：大气是层结流体，层结稳定度对大气的垂直运动具有重要作用。
特性四：大气中含有水汽，水汽所释放的潜热是大气运动发展的一种重要能量来源。
特性五：大气的下边界是不均匀的，对大气的运动也具有重要影响。
二、大气运动遵循哪些规律？
答：大气运动遵守流体力学定律。
它包含有牛顿力学定律，质量守恒定律，气体实验定律，能量守恒定律，水
汽守恒定律等。
由牛顿力学定律推导出运动方程（有三个分量方程）、由质量守恒定律推导出连续方程、由气体实验定律得到状态方程、由能量守恒定律推导出热力学能量方程、由水汽守恒定律推导出水汽方程。
这些方程基本上都是偏微分方程。
这些方程构成了研究大气运动具体规律的基本出发方程组。
三、何谓个别变化？何谓局地变化？何谓平流变化?何谓对流变化?及它们的数学表达式？
答：1、个别变化
2、局地变化
3、平流变化
4、对流变化
四、大气运动受到那些力的作用？
答：受到气压梯度力、地球引力（也称为地心引力）、摩擦力、惯性离心力和地转偏向(科里奥利）力等作用。
其中气压梯度力、地球引力、摩擦力是真实力，或称牛顿力。
而惯性离心力和地转偏向力是“视示力”，是虚拟的力。
答：
3、地转偏向力的大小与相对速度v大小程正比。
对于水平运动的地转偏向力，它随地理纬度减小而减小。
六、根据牛顿力学原理大气运动方程表达式：
答：
七、热力学能量方程的数学表达式及其物理意义
答：
八、何谓局地直角坐标系？（局地直角坐标系的取法及其特点？）
答：所谓局地直角坐标系是指：这个直角坐标系的原点(或称0点)设在地球表面某一地点，则其三个坐标轴(x,y,z)中x轴指向这个地点水平面上的东方；y轴指向这个地点水平面上的北方；z轴指向这个地点的天顶方向，与球坐标相同。
因此这个坐标系的三个坐标轴的指向也随地点不同而不同。
可以认为它是球坐标系中略去球面曲率影响后的简化形式，对于所研究的水平范围不太大的气象问题，这种简化所产生的误差是比较小的。
在这个坐标系中重力只出现在z轴方向，使运动方程变得比较简单些。
大小通常用数量级表示。
用这样方法来估计出基本方程中各项数量级，找出主要因子，略去次要因子，使方程得以简化，以利数学处理，也有利于揭示某种运动的本质特征。
它是一种对物理方程进行分析和简化的有效方法。
十、何谓零级简化？何谓一级简化？中高纬度地区，自由大气的大尺度水平运动方程的零级简化和一级简化的结果得到了什么结论？
答：所谓零级简化，通过比较方程中各项的数量级，只保留方程中数量级最大的各项，而其他各项都略去。
所谓一级简化，通过比较方程中各项的数量级，除保留方程中数量级最大的各项外，还保留比最大项小一个量级的各项，而将更小的各项略去。
零级简化结论：
一级简化结论：
十一、大尺度空气运动在垂直方向的基本特征？
答：
十二、大尺度系统的连续方程零级简化结论，一级简化结论。
答：零级简化结论：
十三、地转风有什么特征：
答：1、在中纬度，自由大气的大尺度系统中，地转平衡是近似成立的。
地转风与实际风相差很小。
在低纬度地区因为地转偏向力较小，这种近似平衡不能成立的。
2、地转风速大小与水平气压梯度力大小成正比。
直观地讲，等压线较密集的地区地转风（或近似地讲实际风）的风速也较大。
这可成为分析天气图的理论依据，
即实际风速较大的地区等压（高）线应该分析的较为密集一些。
3、地转风与等压线平行，在北半球背风而立，高压在右，低压在左。
因此，在低压中，风呈逆时针旋转，称这个系统为气旋。
而高压中，风呈顺时针旋转，称这个系统为反气旋。
这可成为分析天气图的理论依据，即当实际风向分布呈弯曲时，等压（高）线分析也应该随之弯曲。
在南半球因地转偏向力方向与北半球相反，因而背风而立，高压在左，低压在右。
4、地转风速大小与纬度成反比。
十四、什么叫地转风？
答：
十五、什么叫梯度风。
答：
十六、何谓热成风及其数学表达式？
答：
十七、热成风与温
度场有何关系？
答：
十八、热成风与冷暖平流的关系？
答：当两层等压面的地转风已知时，由热成风的定义式即可确定此两层间冷暖区的分布及温度梯
度的大小。
因为在实际的自由大气中实际风接近地转风，可得如下结论：
⑴当地转风(或实际风)随高度增加而逆时针转时，则有冷平流。
⑵当地转风(或实际风)随高度增加而顺时针转时，则有暖平流。
⑶可根据某地的高空风随高度转变情况，来判断冷暖平流随高度变化，从而判断当地大气稳定度变化趋势。
如高层冷平流较强或底层暖平流较强，则大气稳定度将趋向不稳定，为预报对流性天气提供依据。
十九、练习题：已知在摩擦层内，某测站为西南风，试作图表示（水平气压梯度力），（水平地转偏向力），（摩擦力），（实际风），（地转风）和地转偏差的相互配置。
提示：作图顺序如下：
①根据已知条件先画出实际风（西南风）的矢量；
②根据实际风画出地转偏向力；
③根据实际风画出摩擦力；
④根据地转偏向力和摩擦力的合力画出气压梯度力；
⑤根据气压梯度力画出地转风；
⑥根据地转风和实际风画出地转偏差；
（这个题靠运气吧……当时学会的已经还给老师了）
二十、环流的物理含义？
答：在流体中，任取一闭合物质曲线L（所谓物质曲线是指曲线上的流体物质不流出此曲线，曲线外的流体物质也不流入此曲线），此曲线上每一点的速度大小和方向可以是不同的（物质曲线的位置和形状随时间可以改变，但不会断裂），若对曲线上各点的流体速度在曲线L方向上的分量作线积分，则此积分定义为速度环流，简称为环流C。
二十一、什么叫涡度，以及相对涡度和绝对涡度的定义？
答：涡度：
它是一个向量，它的方向按一种“右手规则”确定。
可以证明涡度的数值等于流体旋转角速度的2倍.
相对涡度和绝对涡度：
二十二、气象上通常所讨论的涡度是什么特征？他与什么天气系统有关系？
二十三、对大尺度（天气尺度）运动使用的我读方程答：。