天气学原理和方法 第一章 大气运动的基本特征
天气学原理复习提纲
第一章大气运动的基本特征重点及难点：1、影响大气运动的作用力 2、“P”坐标系中的基本方程组 3、风场和气压场的关系思考题：1。
观测者站在转动地球上观测单位质量空气块所受到的力有哪些？写出其表达式及说明物理意义。
2。
在“Z”坐标系及“P”坐标系中，固定点温度变化由什么决定？ 3．质量通量散度定义及其表达式是什么？4．及含义是什么？ 5．大尺度系统运动可作为什么处理？ 6．位势及位势高度含义是什么？ 7．实际工作中分析高空图为什么分析等压面图而不分析等高面图？ 8．“Z”坐标系中，水平气压梯度力可以用“P”坐标系中什么表示？ 9．“Z”坐标系及“P”坐标系地转风表达式及其意义是什么？ 10．大尺度系统运动中，低压中心周围风场为什么逆时针旋转？高压中心周围风场为什么顺时针旋转？11．大尺度系统运动中，高压边缘等压线为什么可以分析密集些？风为什么可以加大或无限加大？ 12．热成风表达式及其意义是什么？ 13．正压大气、斜压大气定义及其意义是什么？ 14．解释某气层间风随高度逆转有冷平流。
15．注意地转风，梯度风，热成风在天气分析中应用。
16．会画图分析摩擦层中地转偏差的方向。
17．掌握自由大气中地转偏差分解。
第二章气团与锋重点及难点：1、锋的空间概念 2、锋及锋面附近气象要素场的特征3、物理解释锋生、锋消的原因思考题：1。
锋、锋区、锋面、锋线定义是什么？ 2．等压面图中，锋区内等温线为什么会密集？ 3．用密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式是什么？其意义如何？4．会画冷式、暖式锢囚锋剖面图。
5．用密度零级不连续面模拟锋时，锋面附近气压场、风场、变压场有何特征？ 6．锋生条件是什么？锋生锋消公式及其物理意义请说明。
7．稳定大气与不稳定大气中，冷锋爬山是锋生还是锋消？第三章气旋与反气旋重点及难点：1、用涡度方程及位势倾向方程解释天气系统的发生发展2、用“ω”方程诊断天气系统的上升及下沉运动区3、用动力因子及热力因子解释高空槽及温带气旋变化思考题：1。
大气运动的基本特征
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
1.1 影响大气运动的作用力
➢ 气压梯度力的数学表达式：G p x y z / x y z
➢ 气压梯度力的推导：
设气块为一个六面体，取局地直角坐标系，其体 积为 V x y z(图1.1)。
设周围大气作用于B 面上的压力为p y z ，
则作用于A面上的压 力应为 ( p p x) y z
一个沿x方向的作用力f zx，下部
流体必施于 z面0 上部流体层一个
反作用力- f ， zx
f zx
A u
z
摩擦力与作用面积,垂直切变成正比
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
1.1 影响大气运动的作用力
定义 为动力粘滞系数， 为 z作x 用于单位面积的粘滞
力，称为切应力或雷诺应力。
上部大气作用的X方向切应力
(p i p j p k) x y z p x y z 全矢量形式 x y z
第一章 大气运动的基本特征
大气科学学院 苗春生
体积元上的总净压力 (p i p j p k) x y z p x y z x y z
1.1 影响大气运动的作用力
按气压梯度，气压梯度力的定义
由于气压分布不均匀而造成的单位体积气块上
一、基本作用力-----气压梯度力
➢ 气压梯度的定义：当气压分布不均匀，气块就会受 到一个净压力的作用，作用于单位体积气块上的净 压力称为气压梯度。
➢ 气压梯度力的定义：当气压分布不均匀，气块就会 受到一个净压力的作用，作用于单位质量气块上的 净压力称为气压梯度力。
G p x y z / x y z 1 p ？？
用绳子牵引转动单位质量的球
高二上地理大气运动知识点
高二上地理大气运动知识点大气运动是地理学的重要内容之一，它是指大气中气象要素在时间和空间上的运动和变化。
了解大气运动的知识，对于我们理解天气、气候和自然灾害等具有重要的意义。
本文将介绍高二上学期地理课程中关于大气运动的知识点。
一、大气运动的概念和特征大气运动是指大气中水平和垂直方向上的空气质量的运动。
它有以下几个主要特征：1. 耦合性：大气中的各种运动相互联系、相互制约，形成复杂的运动系统。
2. 循环性：大气运动具有循环性，如地球纬度带状运动和气旋、锋面等。
3. 季节性：大气运动随季节的变化而变化，如气压带随着太阳直射点的移动而变动。
二、大气运动的分类大气运动可以根据不同的标准进行分类，主要包括风、气团运动和锋面运动。
1. 风：指大气中空气水平移动的一种运动形式。
根据气流的推动力不同，风可分为地形风、地转风、地理风和季节风等。
2. 气团运动：指大气中由于地表气氛颗粒受热而产生垂直运动的一种形式。
常见的气团有对流气团、上升气团和下沉气团等。
3. 锋面运动：指不同性质的空气团相互接触、冲击和混合的一种运动形式。
常见的锋面有冷锋、暖锋和静锋等。
三、大气运动的驱动力大气运动是受到多种力量的作用而发生的，主要有地球自转力、地球的地形、地球辐射平衡以及洋流等。
1. 地球自转力：地球自转产生的离心力和科里奥利力引起了风的产生和流向。
2. 地球的地形：地球的地形会影响风的产生和分布，如山地风、山谷风等。
3. 地球辐射平衡：地球表面的不均匀加热引起空气的上升和下沉运动，从而产生锋面和风系统。
4. 洋流：洋流通过海水的运动影响大气运动，如海陆风、季节风等。
四、大气运动的影响大气运动对于地球上的气候、天气和环境等方面有着重要的影响。
1. 气候影响：大气运动决定了地球不同地区的气候特征，如热带气候、温带气候和寒带气候等。
2. 天气影响：大气运动使得天气变化多端，如气旋、锋面和降水等。
3. 环境影响：大气运动是土地、水域和空气间能量交换的重要媒介，影响着生态系统和环境的稳定与变化。
天气学基础课件——大气运动的基本特征
二、地心引力
万有引力： 地球对单位质量空气的引力：
(地球半径为a,质量为M，空气块质量为m，离地高度为z)
因为 ：
即
所以 ：
—— 海平面的地心引力（常数）
P z
k
3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气的 密度成反比，即等压线越密集，气压梯度越大。
在同样的气压梯度下，高出的风就比低处的风大， 因为高空的密度小。
4. 水平气压梯度力 比垂直气压梯度力小很多。
水平方向: 100 km 相差1hpa 垂直方向: 8-10 m 相差1hpa 1000hpa~850hpa 平均相差1500m
研究方法：1、 天气图——工具 建立天气模式，分析天气过程的演变规律
2、定性的物理分析方法 a)天气图看懂 b)公式意义明确（不在于推导）
4.课程内容和参考书
内容：1——5章 参考书：梁必琪的《天气学》
5.要求
• 天气学 、天气分析、动力气象联系学习 • 认真阅读课本 • 每章思考题——记忆 • 考试：思考题范围之内
表达式:
单位：焦耳/千克
g=const
• 1位势米 因为当z=1米 Φ=9.8焦/千克 所以认为定义一位势米就是9.8焦/千克
位势高度:
g=9.8 常数
• 等位势面的优点:
等位势面不平行于等几何面,只在海平面上重合
等位势面处处与重力方向垂直,无重力分量——相 当于是空中水平面
三、惯性离心力 向心力～向心加速度
惯性离心力
• 讨论： 1. 的方向垂直于地轴，指向地球外侧。 2. 的大小随纬度变化：赤道最大，极地最小。 3. 地球自转角速度Ω=2π/24小时=7.29×10-5 /秒 . 4. 地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。
805天气学
南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试《天气学》考试大纲科目代码：805科目名称：天气学第一部分目标与基本要求一、目标：天气学原理与方法（天气学）主要内容是以天气动力学原理揭示大气运动的基本特征和用此原理论述天气系统及天气过程生、消演变规律的天气学原理及中国天气，为进一步学习动力气象学、低纬度天气动力学、中尺度天气学、大气环流及中长期预报，也为将来天气预报业务及研究工作打下基础。
二、基本要求：要求学生掌握有关内容基本概念、基本理论和基本方法，以便提高综合分析及解决问题的能力。
第二部分内容与考核目标第一章大气运动的基本特征1.了解大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义2.了解个别变化、局地变化、平流变化含义3. 会推导连续方程，了解质量散度、速度散度含义、表达式及其物理意义，4.了解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理5.理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子6.了解实际工作中高空分析等压面图而不分析等高面图（P坐标系的优越性）7.了解位势、位势高度、位势米、几何米概念8.理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示9.理解地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及掌握它的讨论10.了解正压大气、斜压大气概念；掌握热成风发生在斜压大气中11.了解地转风、梯度风及热成风实用意义12.掌握低压中心附近及其边缘，还有高压边缘等压线可以分析密大风经常出现，而高压中心附近不能有上述现象13.理解变压风及切向、法向地转偏差含义，要求会画图解释第二章气团与锋1.了解锋、锋面、锋线、锋区含义及锋倾斜原因2.了解冷性锢囚锋、暖性锢囚锋含义，要求会画出剖面图中锋位置及等温线分布3.了解以密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式物理意义4.理解锋附近温度分布特征及锋面附近气压、变压分布特征5.掌握锋面分析中，高空测风资料应用图2.27(a)(b)(c)6.了解锋生带（线）、锋生函数、锋生条件概念7.掌握锋生、锋消公式讨论第三章 气旋与反气旋1. 了解大气作水平运动、绝对涡度概念及理解 2h H ∇含义2. 理解大尺度系统运动中，固定点相对涡度变化可以用此点位势高度变化表示3. 掌握涡度方程、位势倾向方程及ω方程等式右端各项名称及画出有关图,用相关因子进行讨论4. 掌握在温带气旋发展中,动力因子(涡度因子)及热力因子对500hpa 高空槽及温带气旋变化,要求会画图解释5. 了解气旋族含义6. 了解北方、南方气旋活动范围及包括哪些气旋7. 掌握“倒槽锋生型”、“静止锋波动型”，要求画图解释江淮气旋生成过程第四章 大气环流1. 了解控制大气环流基本因子、了解三圈环流的形成2. 了解三圈径向环流、极锋锋区与副热带锋区及其对应急流概念3. 了解信风与季风概念4. 了解沃克环流含义5. 了解我国各季环流概况及主要天气天气过程特点第五章 天气形势及天气要素预报1. 理解运动学公式中t δδ及t∂∂含义，掌握用运动学公式推导锋面移速公式并会讨论冷锋、暖锋移速情况与变压分布特征2. 掌握用运动学公式讨论非闭合系统及闭合系统移动及强度3. 高空形势预报方程中，由于各层等温线平行，因此各层热成风方向相同，这样任意层风速 P p T V V AV =+注意理解A 的系数确定4. 掌握相对涡度平流在自然坐标系中展开分成三项，其中曲率项及散合项在实际天气图中会应用5. 掌握用高空形势预报方程有关项，结合等高线等温线分布解释500hpa 槽、脊变化6. 熟悉地面形势预报方程由哪几项组成，要求会讨论应用7. 掌握地形对低值系统(槽、低压)移动及强度影响8. 了解数值预报产品的“释用”第六章 寒潮天气过程1.了解极涡及上下游游效应含义2.了解长波波速公式的推导，会对该公式进行讨论3.会运用形势预报原理解释“小槽发展型”、“横槽转竖型”的寒潮短、中期过程第七章 大型降水天气过程1.理解水汽通量、水汽通量散度概念、表达式及物理意义2.了解中国及其各地暴雨有何天气系统影响3.熟悉我国东部雨带活动概况4.理解行星尺度、天气尺度系统对暴雨作用第八章对流天气过程1.了解飑中系统含义及飑线与冷锋区别2.理解对流性不稳定与条件性不稳定概念3.理解强雷暴发生发展有利条件第九章低纬度与高原环流系统1.熟悉西太平洋副热带高压变动与我国天气关系2.掌握南亚高压与西太平洋副热带高压区别3.掌握台风结构4.掌握台风发生发展第十章东亚季风环流1.了解季风的概念，了解东亚冬、夏季风环流系统的组成2.了解东亚季风形成的原因第三部分有关说明与实施要求1.考试目标的能力层次的表述本课程对各考核点的能力要求一般分为三个层次用相关词语描述: 较低要求——了解一般要求——理解、熟悉、会较高要求——掌握、应用一般来说,对概念、原理、理论知识等,可用“了解”、“理解”、“掌握”等词表述；对应用方面，可用“会”、“应用”、“掌握”等词。
《天气学原理》课程教学大纲
《天气学原理》课程教学大纲课程名称：天气学原理英文名称：Principle of Synoptic Meteorology学分：4 总学时：57 理论学时：46 实验（上机）学时：11适用专业：大气科学一、课程的性质、目的天气学原理是研究不同尺度的天气系统和天气现象发生发展及其变化的基本规律，并利用这些规律来预测未来天气的科学。
该课程是大气科学专业本科生的重要专业基础课程和主干课之一，属于专业核心课程。
该课程侧重理论教学，主要介绍天气学的经典理论：大气运动的基本特征、锋面理论、气旋与反气旋、大气环流概况、天气系统和天气形势的天气学预报方法。
通过本课程的学习使学生掌握天气学预报的基本原理、基本概念和基本分析方法。
二、教学基本要求通过学习“天气学原理”课程，学生应掌握天气学预报的基本原理和基本概念，掌握天气系统多维结构的建立，以及天气学理论和具体天气过程、天气系统的相互融合，掌握天气学预报的基本分析方法，具有推导基本方程和公式的能力，初步做到利用天气学原理的知识解释和分析基本天气事实，并为后续专业课程的学习和今后的业务与科研工作奠定坚实的理论基础。
三、课程教学基本内容第1章大气运动的基本特征1、教学内容1.1旋转坐标系运动方程及作用力分析熟练掌握大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义。
1.2控制大气运动的基本定律理解个别变化、局地变化、平流变化含义，熟练掌握质量散度（质量通量散度）含义、表达式及其物理意义。
1.3大气尺度系统的控制方程理解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理，理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子。
1.4“P”系统中的基本方程组掌握P坐标系的优越性，掌握位势、位势高度、位势米、几何米概念，理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示。
1.5风场和气压场的关系熟练掌握地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及有关讨论，并会应用。
大气运动基本特征课件
根据气象预报结果，建立预警系统， 及时发布灾害性天气预警信息，为公 众提供安全保证。
预测技术
采用数值预报、统计预报、模式预报 等预测技术，提高气象预报的准确性 和时效性。
04
大气运动的模拟与数 值模拟
气象模型的基本原理与分类
气象模型的基本原理
气象模型是利用数学和物理方法对大气运动进行模拟和预测的工具。它基于大 气运动的基本规律，通过建立数学方程来描述大气的运动状态和变化过程。
环境保护
大气运动对空气污染物的扩散和稀 释有着重要影响，通过对大气运动 的控制和调节，可以保护环境，减 少污染。
大气运动的研究方法
01
02
03
观测方法
通过气象观测站、卫星遥 感、雷达等手段对大气运 动进行观测和测量。
数值模拟方法
利用计算机数值模拟技术 对大气运动进行模拟和分 析，可以揭示大气运动的 规律和机制。
高空急流及其影响下的天气现象
高空急流定义
高空急流是一种高速流动的空气柱，存在于大气层较高的 位置。
高空急流类型
有水平急流和垂直急流两种。
天气现象
高空急流对天气的影响主要表现在它对空气流动的引导作用，常 常引导气流形成云层、降水等天气现象。同时，高空急流还与大
气环流和蔼候变化密切相关。
06
大气运动的未来发展 趋势与挑战
气象观测数据获取与分析
数据获取
通过地面气象观测站、自动气象 站和遥感设备获取气象观测数据
。
数据处理
对获取的数据进行预处理，如数 据清洗、格式转换等。
数据分析
利用统计学方法对处理后的数据 进行统计分析，提取有用的信息
。
气象预报与预测技术
气象预报
天气学原理问答题汇编1
天气学原理问答题汇编徐文金（南京信息工程大学大气科学学院，210044）本汇编是结合朱乾根等人编著的“天气学原理与方法”(第三版)一书而编，故应结合该书来复习本内容。
第一章 大气运动的基本特征§1.1影响大气运动的作用力问题：大气运动遵守那些定律？大气运动遵守流体力学定律。
它包含有牛顿力学定律，热力学定律，质量守恒定律。
水汽守恒定律，气体实验定律等。
问题：大气运动受到那些力的作用？那些力属于基本力（牛顿力）？那些属于惯性力？受到气压梯度力、地心引力、摩擦力、惯性离心力和地转偏向力等作用。
其中气压梯度力、地心引力、摩擦力是基本力，或称牛顿力。
而惯性离心力和地转偏向力是惯性力，也称为‘视示力’。
问题：气压梯度力的定义及其数学表达式？当气压分布不均匀时，气块就会受到净压力的作用。
我们定义：作用于单位质量气块上的净压力称为气压梯度力。
用符号G 表示之，其数学表达式为：p 1G ∇-=ρ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=k z p j y p i x p 1 ρ （1.1）式中表示气压梯度力是由气压在空间分布不均匀而产生的，与气压梯度成正比，并指向低压方向。
问题：何谓地心引力？根据牛顿万有引力定律，任何两个物体之间都有引力，其大小与两物体的质量乘积成正比，并于两物体之间的距离平方成反比。
地球对单位质量空气的引力称地心引力，它的方向指向地球中心。
地心引力是始终作用于大气的实在的力。
问题：何谓惯性离心力？我们都是站在地球上来观测大气运动，所以应选取随地球一起旋转的坐标系作为参考系。
旋转坐标系是一种非惯性参考系，在这个坐标系中观测到的静止或匀速运动的物体，相对于惯性（绝对）坐标系并不是静止或匀速运动，实际上是作加速运动。
因此只有计入坐标系的加速度才能应用牛顿运动定律。
对于一个匀角速转动的坐标系，只要引入惯性力就可以了。
设Ω为地球自转角速度(1-5107.29-⨯=秒)，R 为空气块垂直于自传轴的距离，惯性离心力C 的数学表达式是R C 2 Ω= (1.5)地表上每一静止的物体都会受到这一惯性离心力的作用。
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局地直角坐标系中的分量方程
du 1 p 2(v sin w cos ) Fx dt x dv 1 p 2u sin Fy dt y dw 1 p 2u cos g Fz dt z
连续方程：表示大气质量守恒 定律的数学表达式
绝对加速度 相对加速度
地转偏向 加速度
向心加速度
全导数和局地导数之间的关系
dT T T T T u v w dt t x y z T dT T V T w t dt z
局地 变化
个别 变化
平流 变化
对流变化
二、影响大气运动的作用力
dV d aVa 2 V ( r ) dt dt dV 2 Fi 2 V R dt i
影响大气运动的作用力为： 真实力：气压梯度力、 地心引力、摩擦力 虚拟力：惯性离心力、地转偏向力
气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压 力，由于气压分布不均匀而产生 性质：大小与气压梯度成正比，与空气密度 成反比，方向指向气压梯度方向，即由高 压指向低压
1 G p
气压梯度是由于气压分布不均匀而产生的，而气压 分布不均匀反映在天气图上就是等压线的分布有疏 有密，这种等压线的疏密程度表示了单位距离内气 压差的大小，等压线愈密集，表示气压梯度愈大。
2 g g R
第二节控制大气运动的基本定律
大气运动受到动量守恒、质量守恒、能量 守恒定律的控制
由上节分析可得旋转坐标系中大气 运动方程为
dV 1 p 2 V g F dt
向量形式的运动方程展开成分量形式， 可以在球坐标和局地直角坐标中进行。 球坐标系中的运动方程分量形式能够描 述从近地面层附近到全球大气环流的各 种各样的运动，它不仅含有旋转坐标系 中的各个作用力，还含有地球曲率对相 对运动加速度的影响，但形式复杂。在 天气学中除个别问题外，一般采用局地 直角坐标系的分量方程
某地的气压值， 等于该地单位面 积上大气柱的重 量。高度愈高， 压在其上的空气 柱愈短，气压也 就愈低。因此， 气压总是随着高 度的增加而降低
气压随高度变化示意图
几种常见的气压场形式
槽、槽线
脊、脊线
两种参考系中的时间全导数
d a A dA A dt dt
d a A dA A dt dt
u v w 0 t x y z
或
( V ) 0 t
质量散度：单位体积内流体的净流出量
( V )
>0 净流出
<0 净流入
( V ) t
表示固定在空间的单位体积内流体 的净流出量等于该单位体积内流体 质量的减少
天 气 学
引言
一、天气学研究的对象 天气学是研究不同尺度的天气系统 和天气现象发生发展及其变化的基本规 律，并利用这些规律来预测未来天气的 科学。而利用天气学的基本原理，提高 预报的准确率，研究并发展天气预报方 法，是天气学的最终目的。
• 二、天气学的发展
• 单站预报方法阶段 • 地面天气图阶段 • 单站与天气图预报结合阶段 • 高空天气图的引入与波动理论的建立阶段 • 开展数值天气预报的研究和应用阶段 • 数值预报与卫星、雷达等先进探测技术结合 应用阶段
此关系对任何 矢量均成立
d a r dr r dt dt Va V Ve V r
绝对速度 相对速度 牵连速度
绝对速度和相对速度
绝对加速度和相对加速度
d aVa d ( )Va dt dt d aVa dV 2 V ( r ) dt dt
连续方程也可变形为
u v w u v w ( ) 0 t x y z x y z d V 0 dt
第一章 大气运动的基本特征 第一节 影响大气运动的作用力
一、基本知识 •大气分层：对流层、平流层、中间 层、暖层和散逸层
大气分为五 层，自下而 上依次是： 对流层、平 流层、中间 层、暖层和 散逸层
Байду номын сангаас
•气压及其单位 在任何表面上，由于大气的重量所 产生的压力，也就是单位面积上所受 到的力，叫做大气压。其数值等于从 单位底面积向上，一直延伸到大气上 界的垂直气柱的总重量。气压是重要 的气象要素之一。 单位为：毫巴或百帕 1mb=1hPa=100Pa
A 2 V
地转偏向力的特点：
地转偏向力 A 与 相垂直，在纬圈平
面内
V 地转偏向力 A 与风速 垂直，只改变
气块的运动方向，不改变其速度大小
在北半球， A 在水平速度的右侧，在南 半球 A 在水平速度的左侧
旋转坐标系中的重力：单位质量 大气所受到的地心引力与惯性离 心力的合力。重力垂直于水平面， 赤道最小，极地最大
惯性离心力：在旋转坐标系中物 体受到向心力的作用却静止。违 反牛顿运动定律，从而引入此力 以平衡向心力，使牛顿运动定律 成立。惯性离心力在纬圈平面内， 与向心力大小相等，方向相反。
2 C R
地转偏向力：由于坐标系的旋 转导致物体没有受力却出现加 速度，违反牛顿运动定律，从 而引入，以使牛顿运动定律在 旋转参考系中成立
两地之间存在气压梯度的话，气压梯度就会 把两地间的空气从气压高的一边推向气压低 的一边，于是空气流动起来，风产生了
地心引力：指向地心真实存在 的力
GM r g0 2 ( ) a r
摩擦力：指大气因具有粘性，当 有相对运动时所受到的一种粘性 力。指向速度的反方向
2 2 2 u v w F ( 2 i 2 j 2 k) z z z