中小尺度天气动力学课件 第二章
第二章大气运动的基本特征
第二章 大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在时间和空间上具有很宽的尺度谱，天气学所研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
对这些运动，可忽略离散的分子特性，可以视大气为连续的流体介质，表征大气状态的物理变量（如气压、密度、温度）在大气这具有单一的值，这些场变量和它们的导数是空间和时间的连续函数，控制大气运动的流体力学和热力学基本定律可以用场变量作为因变量和空间、时间变量作为自变量的偏微分方程表示。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
§2—1 影响大气运动的作用力一、 基本作用力影响大气运动的基本作用力：是指大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，它的存在与参考系无关。
1、 气压梯度力：作用于单位质量的气块上的净压力，称为气压梯度力。
当气压分布不均匀时，气块会受到净压力的作用。
P G ∇-=ρ1（1）其中，ρ为气块密度， k zp j y p i x p P∂∂+∂∂+∂∂=∇称为气压梯度力。
P ∇是由于气压分布不均匀而造成的。
气压梯度力与气压梯度成正比，与密度成反比。
方向指向P ∇-的方向，即由高压指向低压的方向。
2、 地心引力由牛顿万有引力定理说明，宇宙间任何两个物体之间都具有引力：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=r r r GMm F g2所以，地球对单位质量空气的引力（地心引力）为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=r r r GM m F g2 设：地球的半径为a（地心到海平面的距离），海拔高度为z，则()()⎪⎭⎫⎝⎛+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=r r az a Gm r r z a GM g222*112*01⎪⎭⎫⎝⎛+=a z g 在气象学范围内，z 的值一般为数十公里，而地球半径a 竟达6000多公里，故**g g ≈可作为常数。
地心引力始终是作用于大气的真实的力。
3、 摩擦力大气是一种粘性流体，它同任何实际流体一样都受内摩擦的影响。
高一地理2013年中图版第2章 第1节 大气的热状况与大气运动第4课时课件
课 时 教 法 分 析
教 学 方 案 设 计
课 前 自 主 导 学
课 堂 互 动 探 究
菜单
ZT ·地理 必修1
图 表 活 动 解 读
当 堂 双 基 达 标
课 时 作 业
课 时 教 法 分 析
教 学 方 案 设 计
课 前 自 主 导 学
课 堂 互 动 探 究
菜单
ZT ·地理 必修1
读
学
方 案
2．运用简易天气图，分析锋面系统的特点及对天气
设 计
的影响。
当 堂
双
课 前 自 主
3．掌握气旋和反气旋的特点及对天气的影响。
基 达
标
4．通过阅读锋和气旋系统示意图，培养读图分析能
导
学 力。
课
课
堂
时
互
作
动
业
探
究
菜单
ZT ·地理 必修1
课
时
图
教
表
法
活
分
动
析
●新课导入建议
解 读
教
学 方
你留心看过天气预报吗？“中央气象台11月16日发布
解 读
教
学 方 案 设 计
暖锋
暖 气团推动 冷 气 团移动形成的锋
可能会连续 几天下雨或 有雾 .
天气变得 温暖 、湿润
当 堂
双
课
移动缓慢 的锋或
前 自 主
准静 冷、暖气团势力 止锋 相当，锋面呈准
常形成阴雨连绵的天气
基 达 标
导 学
静止状态的锋
课
课
堂
时
互
作
动
业
探
中小尺度天气动力学课件 第1章+中尺度数值模拟-绪论
中尺度数值模拟—第一章
α中尺度 β中尺度
突发性强对流天气演变机 理和监测预报技术研究
γ中尺度
1.1中尺度天气及重要性
乳山个例 12小时 时段强降 水预报图
中尺度数值模拟—第一章
北京
山东 半岛
南京
基于15km粗网格数值模式
“今天下午，本市局部 地区有时有雷阵雨”
设置专门的中尺度观测网 。如美国在1966年就设置了中尺度观测 网，高空站距28km，每隔1.5h或3h施放一次探空仪，地面站距20-30km。 日本、瑞典、英国、法国、加拿大等国家也建立了试验监测网。
我国也分别在京津冀、长江三角洲、武汉和珠江三角洲四个地区 建立起中尺度监测网，设置了一定数量的自动地面站。
CISP （英国，2007）
TOMACS （日本，2010-2013）
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
美国国家天气局强天气预报研究计划（WoF)
观测雷达回波
观测
高分辨率(1km)实时试验预报
预报
1.1中尺度天气及重要性
三个国家重点基础研究发 展计划“973”项目
我国重大天气灾害的形成 机制和预测理论研究
需要定时、定点、定量
1.1中尺度天气及重要性
研究方法
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测 野外观测实验 中小尺度天气分析 模式的发展及应用 动力学研究
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测：
雷达、卫星、新型飞机、大气风廓线仪 ，另外也利用声雷达、激 光雷达、微波辐射仪、灵敏微压计、天电观测等 。
中尺度数值模拟—第一章
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。
中尺度天气系统的特征
26
END
27
10
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103s
11
2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）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，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
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
16
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 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
23
§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
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一一大尺度、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（a、①中尺度（a、3、2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（mountainwave）（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（standingeddy）（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（leewave）。
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。
随风速而变，风速愈大，波长愈大。
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
八年级科学上册 第2章 天气与气候 第4节 风和降水教学课件浙教级上册自然科学课件
科学(kēxué) 八年级上册 浙教版
12/7/2021
第一页，共四十页。
第2章 天气(tiānqì)与气候
第4节 风和降水
12/7/2021
第二页，共四十页。
一、风
寻找(xúnzhǎo)“风”的踪迹:
天气预报 今天阴有小雨,局部有雾 明天阴转多云,后天(hòutiān)多云到阴 明天早晨最低温度：沿海地区：14-16摄氏度
其他地区：12-14摄氏度
明天白天最高温度：20-22摄氏度
沿 海 海 面 ： 东 北 风 6 级 ， 阵 风 7-8 级
12/7/2021
第三页，共四十页。
讨论：
天气预报(yùbào)中为什么要报告风？它对我们的生活有何影
响呢？
1.风可以为我们做些什么有益的事？
风是一种资源，利用风能可以进行发电、行船、运动等活动。
干湿球湿度计：由一支干球温度计和一支湿球温度计组成。 12/7/2021 第二十一页，共四十页。
使用(shǐyòng)方法：
湿球
温度 ①先读出干球温度计温度；
干
计 ②再读出湿球温度计温度；计算出
球
它们的温度差。（干球温度减去
温
度
湿球温度）
计
棉布 ③查相对湿度表，得出相对湿度。
(miánbù)
水
某同学在家里测得干、湿球温度分别是25 ℃和22 ℃，你知道他 家里1此2/7/2时021 的相对湿度是多少吗？
⑵气温降低； ⑶空气中有微小的尘粒。
12/7/2021
第三十一页，共四十页。
三、降水
降水(jiàngshuǐ) 的形成： 凝结的水珠和冰晶随着(suí zhe)温度的降低
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转子气流（rotor streaming） 山脉背风波的一种特殊形式 (闭合涡旋) 风速有极大值。
This figure shows the development of the typical features often associated with a mountain wave system. Notice the wind flow, with a strong component perpendicular to the primary ridge line. This is a typical condition for mountain wave development, as is a stable atmosphere. If air is being forced over the terrain, it will move downward along the lee slopes, then oscillate in a series of waves as it moves downstream. Sometimes these waves can propagate long distances in "lee wave trains."
图2.1 Trajectories of free balloon ( Von Ficker，1913）
infrared 红外云图
Water vapor水汽图像
Satellite images observed on March 6,2004,in East side of Rocky Mountain
（N. L. Uhlenbrock , et al, 2006）
图2.2
图2.3
图2.4
(a) 19：40 UTC ,Oct.28,2004
(b) 19：50 UTC, March
6, 2004, bright temperature（K） （N. L. Uhlenbrock , et al, 2006）
一般 2-6m/s
最大 > 15m/s
Trapped Lee Waves and clouds
Lee waves whose energy does not propagate vertically because of strong wind shear or low stability above are said to be "trapped." Trapped lee waves are often found downstream of the rotor zone, although a weak rotor may exist under each lee wave. These waves are typically at an altitude within a few thousand feet of the mountain ridge
第二章 地形性中尺度环流
§2.1 地形波 §2.2 尾流中的环流 §2.3 热岛环流 §2.4 海陆风和山谷风
本章要求
掌握： 地形波的类型 熟悉： 背风波的形成条件 理解： Scorer背风波理论 了解： 尾流环流；城市热岛环流；海陆
风；山谷风 初步了解：复杂地形的影响
中尺度大气环流系统
机械性强迫运动 （如地形波、下 坡风、尾流等）
下垫面的起伏不平或冷 热不均所引起的
中尺度 大气环 流系统
地形性 环流系统
自由大气 环流系统
热力性强迫运动 （如热岛环流、海 陆风、山谷风等）
非对流性环流（如 移动性重力波、锋急流次级环流等）
对流性环流
深对流
雷暴、超级单体、飑线
浅对流 锋面雨带
2.1 地形波
一般把气流过山所引起的气流波动称为地形波。 观测工具：卫星、雷达、飞机和微压计等。 图2.1、图2.2、图2.3、图2.4
Cap clouds
Cap clouds indicate likely wave activity downstream. They often appear along mountain ridges as air is forced up the windward side. If the flow is sufficiently humid, the moisture will condense into a cloud bank (云堤) that follows mountain contours. Quite often, heavy orographic precipitation occurs on the upwind side of the barrier
Mountain wave clouds forming east of the Rockies.
MODIS image of mountain wave clouds over Turkey.
1、地形波的基本类型：
层状气流（山脉波,mountain wave） 山脉上空的平滑浅波 ,风小。
驻涡气流（驻涡,standing eddy） 山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上 风速大。
operational NWP models to resolve rotors so that they can be identified in the absence of rotor clouds.
2、背风波的特征及大气条件
波长 1.8-70 km 振幅 垂直速度
一般 5-20 km ，
一般 0.3-0.5 km >6.0km(水跃型)
Rotor location can often be identified if sufficient moisture is available to form an associated rotor cloud. Rotor clouds are found near the top of the rotor circulation and under higher lenticular clouds（荚状云）. Immediately above the rotor cloud, smooth, wavy air is likely. The rotor cloud can look innocuous（无害 的）, but does contain strong turbulence and should be avoided by pilots. Eventually, we can expect