动力气象ABC(讲座)
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。
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
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。
动力气象概念
1 振幅：振动物体离开平衡位置的最大位移周期：空间固定位置上的点完成一次全振动所需时间波长L ：相邻两个同位相点之间的距离波数k ：2π距离内包含了多少个波长位相θ: 波在x 轴上各点各时刻的位置，α为初位相；相速c ：位相相同的各点组成的面称为等位相面,等位相面的移速称为相速c横波：若质点振动方向与波的传播方向垂直，此种波动称为横波纵波：若质点振动方向与波的传播方向一致，此种波动称为纵波傅立叶原理：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、不同振幅的简谐波叠加在平均值上的结果，这就是傅立叶原理波群：实际大气中的扰动可以看成许多不同振幅、不同频率的简谐波叠加而成，这种合成波称为波群或波包群速：波群的传播速度（合成波振幅等位相面的传播速度）频散波：相速与波数有关的波称为频散波，否则称为非频散波。
由于考虑了地球大气的层结性和旋转效应，大气中的实际波动都是频散波频散关系式：表示频率和波数之间关系的式子小振幅波：振幅远小于波长的波动称为小振幅波，否则就称为有限振幅波。
小振幅波也称为线性波小扰动法：将描写大气运动和状态的物理量分解为已知的基本量和未知的小扰动量之和，从而可将非线性方程简化为线性方程的一种近似方法。
小扰动法只适用于天气系统发展的初始阶段，在发展旺盛期和后期锢囚阶段都不能使用；小扰动法只适用与小振幅波的讨论，对于有限振幅波此法失效标准波型法：P151-152滤波：为了防止所研究的特定尺度运动被“噪声”干扰，也为了数学处理方便，有必要在未积分基本方程组之前，通过某种途径把噪声从基本方程组中排除掉，使方程组只包含谐音，这就是气象上所谓的“滤波”。
声波：大气是可压缩流体，局地空气被压缩或膨胀时，周围空气会依次被压缩或膨胀，声音就是由于这种绝热膨胀或压缩形成的。
纯声波的相速决定于大气的热力性质，与波长无关——非频散波；纯声波双向传播，传播速度远大于空气运动速度——快波。
声波形成的内在条件： 大气可压缩性；声波形成的外部条件： 外界压缩引起空气压力和密度扰动。
《动力气象学》问题讲解汇编
“动力气象学”问题讲解汇编徐文金(南京信息工程大学大气科学学院)本讲稿根据南京信息工程大学“动力气象学”学位考试大纲（以下简称为大纲）要求的内容，以问答形式编写，以便学习者能更好地掌握“动力气象学”中的重要问题和答案。
主要参考书为：动力气象学教程，吕美仲、候志明、周毅编著，气象出版社，2004年。
本讲稿的章节与公式编号与此参考书一致（除第五章外）。
第二章（大纲第一章） 描写大气运动的基本方程组问题2.1 大气运动遵守那些定律？并由这些定律推导出那些基本方程？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。
问题2.2何谓个别变化？何谓局地变化？何谓平流变化？及其它们之间的关系？ 表达个别物体或系统的变化称为个别变化，其数学符号为dtd ，也称为全导数。
表达某一固定地点某一物理量变化称为局地变化，其数学符号为t ∂∂，也称为偏导数。
表达由空气的水平运动（输送）所引起的局地某物理量的变化称为平流变化，它的数学符号为∇⋅-V 。
例如，用dt dT 表示个别空气微团温度的变化，用tT ∂∂表示局地空气微团温度的变化。
可以证明它们之间有如下的关系z T w T V dt dT t T ∂∂-∇⋅-=∂∂ （2.4） 式中V 为水平风矢量，W 为垂直速度。
（2.4）式等号右边第二项称为温度的平流变化（率），第三项称为温度的对流变化（率）或称为垂直输送项。
问题2.3何谓绝对坐标系？何谓相对坐标系？何谓绝对加速度？何谓相对加速度？何谓牵连速度？绝对坐标系也称为惯性坐标系，可以想象成是绝对静止的坐标系。
而相对坐标系则是非惯性坐标系，例如，在地球上人们是以跟随地球一起旋转的坐标系来观测大气运动的，这种旋转的坐标系就是相对坐标系。
动力气象学课件第4章自由大气中的平衡运动
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
动力气象学第1章.ppt
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，
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
1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics,
Springer-Verlag, 2nd ed, 1987
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
1 4 、 Hoskins 等 ， 大 气 中 大 尺 度 动 力 过 程 ， 气 象 出版社，1987
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。
1981
参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出
动力气象学第7章大气中的基本波动
f 组成的，即设： f f f ；
②基本场变量表明大气的基本运动状态，它满足基本方程和边界条件； ③假设扰动量 f 是充分小的，扰动量和其他改变量都是小量，其二次以上乘积项可以略去 不计。 如果扰动是周期性波动，扰动量充分小，意指波动振幅远小于波长，即若 f Fe 则
i 2 ( x ct ) L
1
2 2 ,T 0.00966, c 325m / s k k
3.微扰动的基本思想是什么？为什么说用微扰动法得到的扰动方程， 只能用于描写小振幅波 动？ 答：微扰动法的基本思想： ①把表征大气状态的任一场变量 f 看成是由已知的基本场变量 f 和叠加在其上的扰动量
5.什么叫频散波？什么叫非频散波？群速和相速有何差别？ 答：若相速不仅依赖于介质的物理性质，还依赖于波数，称为频散波。 若相速仅依赖于介质的物理性质，不依赖于波数，称为非频散波。 群速 c g 是群波中具有相同振幅点的移动速度；而相速 c 是群波中具有同位相思安的移动速 度。 6.什么叫外波？什么叫内波？ 答：在外部条件的作用下才能存在的波称为外波。 在外部条件受到限制的条件下在流体内部存在的波动，称为内波。 7.什么叫纵波？什么叫横波？ 答：振动方向与波传播方向一致的波动称为纵波。 振动方向与波传播方向相垂直的波动称为纵波。 8.大气声波、重力外波、重力内波、惯性波、罗斯贝波产生的物理机制是什么？ 答：声波：由大气的可压缩性引起。 重力外波：由大气上、下界面的扰动和重力的作用引起。 重力内波：由大气的稳定层结和重力的作用而形成。 惯性波：在科氏力的作用下形成。 罗斯贝波：是在准水平的大尺度移动中，由于 效应维持绝对涡度守恒而形成的。 9.大气基本波动中，从最快的声波到最慢的罗斯贝波其形成过程中水平速度散度的作用如 何？ 答：通过水平辐合辐散交替变化而使得波得益传播。 10.什么是拉姆波？有人认为拉姆波具有重力惯性外波的特征，你对此有何看法？ 答：考虑地球旋转作用，在静力平衡大气中还可以产生一种只在水平方向传播的特殊声波， 称为拉姆波。 因为重力惯性外波和拉姆波在动力学上是同源的。
第一章绪论
四、主要参考书
杨大、刘金滨：《动力气象学》，1980，气象出版社； 刘式适、刘式达：《大气动力学》（上、下），1991，
北京大学出版社； 伍荣生等：《动力气象学》，1983，上海科学技术出
版社；1990，大气动力学，气象出版社； 吕克利等：《动力气象学》，1996，南京大学出版社； 霍尔硕，《动力气象学引论》，1980，科学出版社； 缪锦海等，《动力气象学》，1992，气象出版社。
例如：西风带中的长波具有准水平、准地 转平衡性质，它对天气影响的范围较广； 而强烈的局地风暴是一种小尺度强对流运 动，它是非静力平衡的，垂直上升运动很 强，虽然影响范围不大，但是造成的天气 灾害严重。
不同尺度的运动系统之间存在着相互 作用。
小尺度运动系统往往是在大尺度运 动系统的背景下发生发展起来的；反过 来它又对大尺度运动系统的发展和变化 产生反馈作用。
例如，在低纬的条件不稳定大气中，热 带扰动促使了有组织的中小尺度积云对 流的发展，这种有组织的积云对流释放 的潜热又反过来促进了热带扰动的发展。
本课程研究的对象：大尺度大气运动
大尺度运动的两个重要特点： 要考虑地球的自转运动——考虑柯氏力作用 考虑地球大气受到重力场的作用——准水平运
动
总结：研究对象是，考虑地球自转的，准水 平运动的大气中发生的，大尺度的大气运动 过程。
对气象学涉及的运动系统来讲，按水平尺度 的大小可以划分为几类尺度的运动系统。
经验划分： 大尺度：106m;105s 例如：气旋，反气旋 中尺度：105m;104s 例如：暴雨系统 小尺度：104m;103s 例如：雷暴单体，龙卷 微尺度： 小于40m 例如：抽吸性的涡旋
不同尺度的运动系统具有不同的动力 学特性。不同尺度运动系统性质差异，对 天气的影响也不同。
《动力气象学》课程笔记
《动力气象学》课程笔记绪论1. 动力气象学发展史1.1 重大理论发现动力气象学的早期发展主要基于对大气运动的观测和理论推测。
19世纪，科学家们开始系统地研究大气运动，并逐渐揭示了影响大气运动的一些关键因素。
这些因素包括：- 科里奥利力：由法国物理学家加斯帕尔·科里奥利首次提出，它解释了地球自转导致的风的偏转现象。
- 地转偏向力：由于地球自转，大气中的气流会相对于地面产生偏转，这个力就是地转偏向力。
- 大气压力和密度变化：大气压力和密度的变化会影响大气运动，这些变化与温度、湿度等因素有关。
1.2 数值天气预报20世纪中叶，随着计算机技术的发展，动力气象学进入了一个新的时代。
科学家们开始利用计算机来求解大气运动方程组，这种方法被称为数值天气预报。
数值天气预报的出现极大地提高了天气预报的准确性，使得气象学成为了一门更加精确的科学。
1.3 动力气象学发展新阶段近年来，动力气象学在气候变化研究中的应用变得越来越重要。
科学家们通过研究大气运动、能量转换和波动等现象，揭示了气候变化的原因和规律。
此外，动力气象学在防灾减灾、水资源管理等领域也发挥着重要作用。
2. 动力气象学的基本概念2.1 大气运动方程组大气运动方程组是描述大气运动的物理方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程组基于质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒等物理定律，为我们提供了研究大气运动的基本工具。
2.2 涡旋运动大气中的涡旋运动是天气系统和气候变化的重要因素。
涡旋运动包括环流、涡度和螺旋度等概念。
了解涡旋运动有助于我们预测天气变化和气候趋势。
2.3 准地转运动准地转运动是指大气中接近地转平衡状态的运动。
在这种状态下，大气运动主要受到地转偏向力和压力梯度力的作用。
准地转运动为我们提供了一个简化的大气运动模型，便于研究和预测天气。
2.4 大气波动大气波动是大气运动中的周期性变化，包括重力波、惯性重力波和Rossby 波等。
这些波动在天气系统和气候变化中起着关键作用，了解它们有助于我们预测天气和气候。
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• 维萨拉（ V.Vaisala ,1889－1969）,芬兰数学
和物理教育学家，后为赫尔辛基大学气象学教
授。1930年维萨拉开始致力于气象仪器设计工
作，1931年12月30日继前苏联高空气象学家
莫尔恰诺夫（Moltshanov）之后，他建立起
一个属于自己的无线电探空站。1936年维萨拉
成立了一家无线电探空设备制造公司，这就是
• 二战时他还为美国军方培训了许多军事气象预报员。 为了响 应故乡的召唤，当时已经加入美国国籍的罗斯贝毅然返回瑞 典。1947年为母校组建了斯德哥尔摩大学气象研究所，并担 任所长。与此同时，他还继续指导芝加哥大学的气象研究工 作。罗斯贝为欧洲建立数值天气预报系统。此外，他还创办 了著名的地球物理学术期刊（Tellus）。
• 理查逊明白到这项任务牵涉异常大量的运算工作，他设想， 在遥远的将来，有朝一日或许有可能发展出比天气变化还要 快的计算手段，从而使天气预报梦想成真。
• 但理查逊选择的逼近方法产生的误差会导致一些荒唐的结 论，试图制作未来6小时地面气压场的数值预报以失败而告 终．但它却为后来开展数值预报积累了经验。
1 r
Ñp
-
ur ur 2W´V
+
ur F
运动方程＝动量守恒定理
ïdr
ï ïï í
dt p=
ur + rÑ×V = 0 连续方程＝质量守恒定理 rRT 理想气体的状态方程
ï ïcp ï
dT dt
-
1 r
dp dt
=
Q
热力学方程＝热量（能量）
=
S r
=
ö S1 ÷ø
水汽方程
• 特征：气象雷达、气象火箭探测、气象卫星、自动气象 站 、人工影响天气。
数值天气预报的成功实现
• 1946年发展起来的电子计算机， 使得求解大气动力方程开展数值 天气预报成为可能。1950年，查 尼、菲约托夫特和诺伊曼采用准 地转正压模式，利用用世界上第 一台通用电子数字计算机“埃尼阿 克”（ENIAC）成功地对北美地区 500毫巴(百帕)等压面的高度场作 了24小时的预报。
动力气象学ABC
成都信息工程学院大气科学系 李国平
何谓动力气象学？
• 一门应用物理学和流体力学定律及数学方法，研究大 气运动动力和热力过程及其相互关系的重要分支学科 。
• 传统的动力气象学＝大气热力学、大气动力学、大气 环流、大气湍流、数值天气预报和大气数值模拟等
• 动力气象学（气象力学）＝大气热力学＋大气动力学 • 动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的机理、
• 关于气象问题的数学求解，基别尔曾说过一段名言：不要 害怕数学。如果你把问题提出来，提得正确，肯定有数学 方法来解决。
• 1926年罗斯贝到美国加入位于华盛顿的美国天气局，继续 做气象科学研究，并在加利福尼亚组建了美国第一个航空气 象台。1928年他又在麻省理工学院组建全美第一个大学层次 的气象专业。1939年他离开麻省理工学院，再次加入美国天 气局，成为该局主管研究工作的主任助理。1940年，他应邀 担任芝加哥大学气象系主任。
• 1752年瑞士数学家和物理学家欧拉提出反映质量守恒的连 续方程，1755年又提出理想流体动力学方程组，初步形成 了流体力学方程组的基础。
• 以后大气静力学方程、科里奥利力和热力 学第一定律的发现 ，并被引入流体力学
方程组中，更为大气动力方程组的完备性
奠定了基础。
ur
ìdV
ï ï
dt
=
ur g
-
十七世纪至十九世纪初
• 温度、气压、风和湿度等测量仪器的陆续发 明，为人类定量认识大气组成、大气运动等创 造了条件。大气科学研究开始由单纯定性描 述，进入了可以定量分析的阶段。
• 有重要贡献的学者：伽利略 、托里拆利 、富 兰克林 、哈德莱 、牛顿 、达朗贝尔 、欧拉 。
• 特征：测量仪器的陆续发明，观测和实验的大 量开展，以及在观测和实验的基础上进行的理 论研究。
• 科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis， 1792－ 1843），1792年5月21日生于法国巴黎。科里奥利的 研究工作主要集中在力学和工程数学，特别是摩擦、 水力学、机器性能和人 类工程学等领域。他在研究中 首先引进了 "功"、 "动能" 等科学概念。1835年他提 出，如果在运动方程中加入一个称为科里奥利加速度 的额外的力（惯性力），运动定律同样也适用于一个 旋转参照系。这个额外的力就是著名的科里奥利力或 简称科氏力。在旋转的地球上，流体运动始终受到科 氏力的作用，气象学上又称之为地转偏向力。对于大 尺度大气运动，科氏力具有十分重要的意义。
• 理查逊（LewisFry Richardson， 1881－1953），著名英国物理学家、 气象学家和心理学家，是一位倍受科
学家们崇敬的具有远见卓识的学者， 他被称为大气数值模拟之父。早在20 世纪20年代，也就是在早期电脑得到 普遍应用之前40年的时候，理查森就 开始尝试用数学方法来计算气候。
古代气象知识的积累时期
自人类文明开始至16世纪
• 大气科学是一门古老的学科。有关天 气、气候知识起源于长期的生产实践 的经验之中，可上溯到渔猎时代。
• 有重要贡献的学者：希波克拉底、亚 里士多德 、培根 。
• 特征：知识还是零碎的、片面的，有 许多仅是推测性的，有的甚至是迷信、 错误的。
大气科学的建立时期
• 基别尔（H.A.Kibel， 1904－1970），前苏联数学、流体 力学、气象学家，1940年首次成功得出大气热力和动力学 方程组的解。随后他在求解大气动力学诸多问题上做出了 重要贡献，如地转适应、中尺度气象学等。在理查逊1922 年之后，基别尔于1957年写出了第二本关于数值天气预报 的论著《短期天气预报的流体力学方法引论》。动力气象 学中非常重要的一个无量纲数－罗斯贝数，有人认为此数 实基别尔最先引入，故又称罗斯贝－基别尔数。
掌握天气和气候的变化规律具有十分重要的作用，它 是大气科学的理论基础，尤对于数值天气预报。 • 动力气象学是各层次大气科学专业一门重要的专业基 础课，核心必修课、专业主干课（考研业务课）。
气象学（Meteorology) →大气科学（Atmospheric Sciences）
一说：气象学(meteorology)一词源于希 腊文meteoros和logos，意为“上空的” 和“推理”。
理论的力量
• 发现混沌现象的著名理论气象学家E.N.Lorenz（洛伦兹） 的一段演讲词：
• “我很清楚，一个有经验的预报员和一个没有经验的预报 员作出的预报，其准确率可以相差很大，主观经验是很有 价值的，应该提倡在实践中积累经验。但是，经验没有历 史，经验父亲不能传给儿子，丈夫不能传给妻子，人存经 验在，人亡经验消。要发展气象科学，提高天气预报准确 率，经验方法不能作为主要途经。而要依靠将经验的方法 转变为数学和物理的方法。”
• 以他名字命名的气象术语有罗斯贝波、罗斯 贝数、罗斯贝参数、罗斯贝位涡和罗斯贝变 形半径等。这些概念对于理解所有行星尺度 流体运动都是非常重要的。
• 罗斯贝还具有非凡的组织才能。1944、 1945年罗斯贝当选为美国气象学会理事长。 为纪念罗斯贝对科学的贡献， 美国气象学会
将其最重要的杰出科学进步奖命名为罗斯贝 研究奖，此奖项为国际气象界最重要的气象 科学研究大奖。
大气科学主要分支学科的形成
19世纪初～20世纪40年代
• 特征：在气象仪器的发明、观测网的建立，以及流体动力 学理论的发展的基础上，大气科学的主要分支学科(天气 学、动力气象学等)相继形成；无线电探空仪发明，第一 张高空天气图诞生，真正三度空间的大气科学研究从此开 始。
• 现代天气学理论、天气分析和预报方法创立，为天气分析 和预报1－2天以后的天气变化奠定了理论基础。；
• 罗斯贝的研究兴趣非常广泛，30年代末期，他对大尺度环流 的研究导致了大气长波理论的诞生，这是世界气象发展史上 的一个重要里程碑。
• 1957年8月19日罗斯贝在瑞典斯德哥尔摩逝 世。纵观罗斯贝的一生，他对于气象科学的 贡献不在于其发表论文的数量，而在于其科 学论文的质量及独创性。他是近代大气、海 洋动力学研究的主要奠基人之一。
• 布兰德斯绘制了人类历史 上第一张天气图，开创了 近代天气分析和天气预报 方法，为大气科学向理论 研究发展开辟了途径。
• 1835年科里奥利力的概念和1857年白贝 罗提出的风和气压的关系，成为地球大 气动力学和天气分析的基石。
大气动力方程组的奠基
• 17世纪～19世纪初，流体的概念及牛顿的力学三大定律和 微积分学，为1743年法国数学家达朗贝尔把数学方法引入 了气象学的研究中，这对用数学方程式来表示大气运动具 有启发作用 。
• 长波动力学理论建立，为后来的数值天气预报和大气环流 的数值模拟开辟了道路。
• 有重要贡献学者：费雷尔 、皮叶克尼斯（挪威学派代 表）、罗斯贝 （芝加哥学派代表 ）。
动力气象学诞生
• 在18世纪末以前，动力气象学一直包含在流体 力学中。到1897年，V.皮叶克尼斯将流体力 学和热力学应用于大气和海洋的大尺度运动的 研究中，提出了著名的环流理论 。从此动力 气象学（现又称大气动力学）便逐步由流体力 学中分离出来，形成一个独立的学科。
• 罗斯贝（Carl-Gustav Rossby， 1898－1957 ），1898年 12月28日生于瑞典斯德哥尔摩。一开始他主修数学和物理， 随后，他到当时的“气象圣地”挪威的卑尔根师从维·皮叶克尼 斯学习气象学。1921年他又随皮叶克尼斯去德国莱比锡大学 学习一年，他还在斯德哥尔摩大学继续学习数学物理，1925 年获得副博士学位。
另一说：气象学(meteorology)一词的词首 为meteor，意为“流星”，古代人们用流 星现象来预测天气、预测命运。
大气科学的研究目标