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

动力气象学总学时:128(其中自学96,面授24,实习8)教材版本:动力气象学教程(吕美仲、彭永清编著)教学目的和要求:动力气象学是在热力学和流体力学的基础上,系统地讲述大气的热力过程和大气运动的基本规律,并指出这些规律的实践意义的一门专业基础课。
具体地说,它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动力过程,因而,它是天气学、数值天气预报及大气环流等专业课程的理论基础。
本课程,通过教学,目的在于使学生能深入地理解大气动力学的基本理论,了解近代动力气象学的主要进展,掌握用动力学方法分析和预报天气的基本原理和技术,从而使学生具有一定的理论水平和科学研究的能力。
为将来从事天气预报的业务及研究工作打下基础。
为达到上述目的,在教学中要求:⑴努力贯彻理论联系实际的原则。
在教学内容和取材上,从现今国内外气象业务部门及科研单位所使用的有代表性的方法和理论为主体,讲课中以讲授基本原理为重点,在讲深讲透基本理论的基础上,让学生进行必要的课堂讨论和作练习,使学生既能掌握基本原理,又能利用基本原理去探讨和解决实际问题。
⑵注重理论的系统性。
本课程是一门理论性较强的课程,在努力贯彻理论联系实际的原则下,要突出本课程的特点,在教学中应该注意有系统、有条理地介绍它的内容,强调各部分内容之间的有机联系,以使学生能掌握得深透。
教学的主要内容及学时分配:总学时:128课时,其中面授24课时,课堂练习8学时,自学96课时。
每章自学10学时,5~10章每章讲授4学时,其余4学时供课堂练习和答疑。
第一章大气运动的基本方程组§1.1全导数和局地导数§1.2旋转参考系中运动方程的矢量形式§1.3质量守恒定律--连续方程§1.4状态方程、热力学方程、水汽方程§1.5球坐标系中基本方程组§1.6局地直角坐标系中基本方程组§1.7闭合运动方程组、初始条件和边界条件第二章尺度分析与基本方程组的简化§2.1尺度概念、大气运动的尺度分类§2.2基本方程组的尺度分析§2.3无量纲方程、动力学参数§2.4 平面近似§2.5静力平衡大气、P坐标系第三章自由大气中平衡流畅§3.1自然坐标系§3.2平衡流场的基本形式与性质§3.3地转风随高度的变化、热成风§3.4地转偏差第四章环流定理、涡度方程和散度方程§4.1环流与环流定理§4.2涡度与涡度矢量方程§4.3泰勒——普劳德曼定理§4.4铅直涡度方程§4.5P坐标系中的涡度方程和散度方程§4.6位势涡度方程第五章大气行星边界层§5.1大气运动的湍流特性和平均运动方程组§5.2大气行星边界层及其特征§5.3属性的湍流输送通量及其参数化§5.4湍流运动发展的判据§5.5近地面层风随高度的分布§5.6埃克曼层风随高度的分布§5.7埃克曼抽吸与旋转减弱第六章大气能量学§6.1大气能量的主要形式§6.2大气能量方程§6.3静力平衡条件下大气中的能量转换§6.4有效位能§6.5大气中动能的消耗§6.6实际大气中的能量循环§6.7能量的转换过程第七章大气中的基本波动§7.1波动的基本概念§7.2微扰动法、基本方程组的线性化§7.3声波和LAMB波§7.4重力外波、重力慣性外波§7.5重力内波、性内波、重力慣性内波§7.6 波§7.7噪音与滤波第八章地转适应过程与准地转演变过程§8.1大尺度运动过程的阶段性§8.2正压大气中的地转适应过程§8.3斜压大气中的地转适应过程§8.4准地转运动的分类§8.5准地转运动方程组§8.6准地转位势倾向方程组与方程§8.7Q矢量、非热成风产生的二级环流的诊断第九章大气运动的稳定性理论§9.1流体动力学稳定性概念§9.2慣性不稳定§9.3开尔文——赫姆霍茨不稳定§9.4正压不稳定§9.5斜压不稳定第十章低纬度热带大气动力学§10.1热带运动系统概述§10.2热带大气运动的尺度分析§10.3热带扰动的生成与发展§10.4台风的结构与发展§10.5热带行星尺度波动。
动力气象学第二章习题答案

动力气象学第二章习题答案动力气象学第二章习题答案动力气象学是研究大气运动的科学,它探讨了大气中的力学过程和气象现象之间的相互关系。
在学习动力气象学的过程中,习题是检验我们对知识理解和应用的重要方式。
下面是对动力气象学第二章习题的详细解答。
问题1:什么是大气的垂直平衡?答:大气的垂直平衡是指在垂直方向上,大气中的各种力量之间达到平衡状态。
这种平衡是由重力、压强梯度力、离心力和科里奥利力等因素共同作用所形成的。
当这些力量之间的平衡达到一定状态时,大气就呈现出稳定或不稳定的状态。
问题2:什么是静力平衡?答:静力平衡是指在水平方向上,大气中的压强梯度力与离心力之间达到平衡状态。
在静力平衡下,气体分子受到重力的作用而向下运动,同时受到压强梯度力的作用而向上运动,最终形成一个平衡状态。
问题3:为什么大气的垂直平衡是稳定的?答:大气的垂直平衡是稳定的,因为当大气中出现扰动时,系统会自动调整以恢复平衡状态。
例如,当大气中某一区域的压强较高时,周围的气体会受到压强梯度力的作用而向该区域流动,从而减小压强差。
这种调整过程会持续进行,直到压强差减小到一定程度,大气再次达到平衡状态。
问题4:什么是大气的不稳定?答:大气的不稳定是指当大气中出现扰动时,系统无法自动调整以恢复平衡状态。
在不稳定的情况下,扰动会导致气体产生剧烈的运动,从而形成对流现象和气象灾害。
例如,当大气中某一区域的温度较高时,周围的气体会受到浮力的作用而向上升腾,形成对流运动。
问题5:什么是绝热过程?答:绝热过程是指在没有热量交换的情况下,气体的温度和压强发生变化。
在绝热过程中,气体的内部能量发生改变,但没有热量的输入或输出。
绝热过程可以用来描述大气中的垂直运动和气象现象,例如对流运动和气旋的形成。
问题6:什么是绝热抬升?答:绝热抬升是指当气体上升时,由于没有热量的输入或输出,气体的温度和压强发生变化。
在绝热抬升过程中,气体上升时受到外界压强的减小而膨胀,从而导致温度的降低。
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》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。
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。
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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
§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。
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。
大气科学的目的: 天气预报;气候预测
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
§1.4 动力气象学的发展简史与发展动向
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。
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。
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。
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,…
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: 20、吕克利等,动力气象学,南京大学出版社, 1996 21、伍荣生,大气动力学(修订版),高等教育 出版社,2002 22、HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press, Fourth Version, 2004 23、李国平,新编动力气象学,气象出版社, 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
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 14 、 Hoskins 等,大气中大尺度动力过程,气象 出版社,1987 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