地球物理流体力学课件：Lecture 1 Introduction v02
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最新地球物理流体动力学前言第一章课件PPT
但实际上不能清楚区分热盐环流和风生环流，例如不能说70%风生环流，
30%热盐环流，因为不是线性系统。
热盐环流的驱动机制？
§1.12 全球输送带Great Ocean Conveyor Belt
感热和水分的传输也依赖于风速（当然还依赖温度和湿度）。传输的方 向基本上是热、湿（干、冷）的空气向上（下）传。像上面的风速切变，
温度和湿度的梯度在近地面时变大，也与离表面的距离成反比。
§1.10 水圈循环 The Hydrological Cycle
如果水汽只能靠分子扩散传输的话，可能就会向上扩散直到整个大气饱和。但是由 于辐射在垂直、经向和下垫面的不均匀，造成大气垂直对流和水平运动。上升使温 度降低，空气达到饱和凝结并可以最终成为降水，而下沉则多为未饱和空气，当达 水面时又重新获得水汽，循环周而复始。
水量用海表面积的容器测量则海水为3800m， 大气中的水分30mm， 冰（主要南极大陆冰原ice sheet）融化后76m， 地下水（往往很深）19m， 湖与河水4m。
ice sheet与大气的热交换很慢，因为冰的导热性很差。ice sheet的生命期 为1015年。 但是雪和海冰对地球的热平衡在给定时段里有较显著的影响。雪有很大的 短波反射率，海冰可以在某地形成，阻碍海气的热交换。并且可以漂流 1000km再融化，类似于蒸发-降水。
则由Stefan’s Law： E T4 5 .6 7 1 8 0 W 2K m 4
地球表面温度应该为赤道270K，南极150K，北极170K。
事实上，地表温度比此高很 多，南北差异也没这么大。 原因是：
（1）大气的存在影响地 表温度；
（2）大气和海洋的运动 可影响温度的南北差异。
§1.3 温室效应 The Greenhouse Effect
地球物理流体力学课件
地球物理流体力学课件
地球物理流体力学是研究地球内部和大气、海洋等自然界流体运动规律的学科。
其课件内容一般包括以下几个方面：
1. 流体力学基础知识，介绍流体的性质、流体静力学、动力学基本方程、连续性方程、动量方程和能量方程等基础知识，为后续地球物理流体力学的学习打下基础。
2. 地球内部流体运动，介绍地球内部的物质运动规律，包括地幔对流、地核运动等，探讨地球内部流体对地壳构造和地震等地质现象的影响。
3. 大气和海洋流体运动，探讨大气和海洋中的气流和洋流等运动规律，包括环流系统、季风、厄尔尼诺现象等，以及它们对气候和天气的影响。
4. 地球物理流体力学模型，介绍地球物理流体力学模型的建立和应用，包括数值模拟方法、地球系统模型等，以及这些模型在地球科学研究中的作用和意义。
在课件中，通常会结合理论知识和实际案例进行讲解，以便帮助学生更好地理解地球物理流体力学的理论和应用。
同时，课件中可能还会包括一些实验、观测数据和计算方法，以及相关的学习资源和参考文献，以便学生能够深入学习和研究地球物理流体力学的领域。
流体力学第一章讲优秀课件
图1.8 各种流线图
图1.9 直壁界或平面组合边界的流动
图1.10 绕固体各种流线图
流线具有的特性:
1.流线一般不能相交;
2.流线一般不能转拆;它只能是光滑的曲 线或直线;
3.恒定流时流线就是迹线，并且形状保 持不弯。
4.非恒定流时流线随时间变化而变化。 流线形状随时都在改变,且与固体边界 的形状有关,它的疏密程度与管道横断 面的面积大小有关。
补充内容 一、一元流 二元流 三元流 1.一元流的定义:
如果流动体的运动要素仅是一个变量的直线或曲线坐 标的函数。 2.二元流的定义:
如果流体的运动要素仅是二个坐标变量的函数。
3.三元流的定义:
如果流体的运动要素仅是三个坐标变量的函数。
(二)流管 元流 总流
1.流管的定义: 在运动流体中取一封闭曲线,通过这条封闭曲线上每一
rx0, y0,
t
z0,t
3．流点的加速度
a
x
x
0
,
y0, z0,t
2 xx0 , y0 , z0 , t
t 2
a
y
x0
,
y0 ,
z0,t
2 yx0 , y0 ,
t 2
z0 , t
a
z
x
0
,
y0, z0,t
2 zx0 , y0 , z0 , t t 2来自a ax, ay , az
z z x0 , y0 , z0, , t
（1—6）
２．流点的运动速度
ux0 ,
vx0 ,
y0, z0,t y0, z0,t
xx0 , y0 ,
t
yx0 , y0 ,
t
z0 ,t z0 ,t
流体力学基础讲解PPT课件
措施。
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。
地球流体动力学PPT课件
•2021/4/14
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第三，大气运动过程中凝结潜热的释放是大气运动的 一个重要能量源，造成大气运动的发展，增加大气运 动的复杂性。 此外，大气的斜压性、准不可压缩性也是大气的重要 特性，对大气运动也产生重要影响。
第一章 引论 在本章中，将对地球物理流体及地球物理流体动力学 的内涵作初步的框定，并对它的物理特性及最基本的 动力学特征作简单的介绍，其中亦涉及一些准备知识 和基础知识。
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近年来，年际短期气候变化异常已成为一个热门课题。 而人们在寻求和探索解决这个热门课题时，经常把大 气和海洋相合起来当作一个完整系统来处理，认为短 期气候变化应是海气相互作用的结果。其最突出的表 现，就是从动力学角度来研究短期气候变化，或者欲 作出短期气候变化的数值预报，都需要依赖海-气耦合 的数值模式。而对地球流体力学的研究，无疑对于建 立合理的海-气耦合模式，较好地解决短期气候变化问 题将会有很多帮助。诚然，地球流体力学的意义和用 途远不止于此，而且它自身还正处在蓬勃发展中。
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§1.2 大尺度大气和海洋流动的基本观测事实 覆盖整个地球的大气，质量为5.3×1015吨左右，约占
地球总质量百万分之一。由于地心引力的作用，大气 质量90%聚集在离地表面15km高度以下的大气层内， 99.99%在48km以内。而与人类活动最密切有关的约在 8~12km以下的对流层内。 全球海洋总面积约占地表面积的71%，相当于陆地25 倍。全球海洋平均深度约为3.8km，总质量为 13.7×1017吨左右。平均说来，按海水的温度或密度可 将海洋分成三层：①季节变层，即上混合层（0~50或 100m）。表面风混合层、季节性跃层和周日跃层，都 出现在这一层中。
第一章 流体力学基础优秀课件
2021/3/15
第一章 流体力学基础
12
第二节 流体静力学
二、静压力基本方程 （－）静压力基本方程
p Ap0 Ag h A
pp0 gh
l）静止液体内任一点的压力由两部分组成：一部分是液面上的压力p0，另
一部分是该点以上液体重力所形成的压力gh。
2）静止液体内的压力随液体深度呈线性规律递增。
3）同一液体中，离液面深度相等的各点压力相等。由压力相等的点组成的 面称为等压面。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。
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第一章 流体力学基础
13
第二节 流体静力学
（二）静压力基本方程的物理意义
p p 0 g h p 0 g (z 0 z )
pgzpg0 z0 常数
（三）压力的表示方法
2021/3/15
第一学
一、基本概念 （一）理想液体、恒定流动和一维流动 一般把既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体; 液体流动时，如液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，便
恩氏粘度用恩氏粘度计测定，即将200mL温度为t℃的被测液体装入粘度计的 容器内，由其底部2.8mm的小孔流出，测出液体流尽所需时间t1，再测出相同 体积温度为20℃的蒸馏水在同一容器中流尽所需的时间t2；这两个时间之比即为 被测液体在t℃下的恩氏粘度，即
oEt1 /t2
思氏粘度与运动粘度间的换算关系式为
7.3o1 E6o.E 311 06m2/s
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第一章 流体力学基础
10
第一节 工作介质
（3）温度对粘度的影响 （4）压力对粘度的影响 （5）气泡对粘度的影响 （三）选用和维护
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流体力学讲义第一讲优秀课件
引进哈密顿算子：
i jk v
x y z vx vy vz
旋度运算基本公式
(ca)ca (a b ) a b
(a ) a a
()0
( a b ) b ( a ) a ( b ) (a)0
小总结
梯度，散度和旋度代表一种向量场或标量场，他们的大小 、方向和表达形式都不因直角坐标的变换而变化。
流体力学讲义第一 讲
2、克罗内克尔符号
1,i j
ij
0,i j
3、交变符号
ijk
1,ijk1,2,3, 1,ijk3,2,1,
2,3,1, 2,1,3,
3,1,2 1,3,2
0
四、张量定义
任二下标相同时
定义1：张量作为向量定义的推广
当由一个坐标系转换到另一个坐标系时，向量 P 按下
式变换
pi Pjij
1、 i jk 叫梯度（标量场的最大变
x y z
gradijk化率和变化率的方向）
x y z
2、微分形式和积分形式是否等价：
证明：取 的二等值面和两二等值面之间的小圆柱, 如图
沿柱面积分 n d s ，该积分由三部分组成，即 s
n ds nQQ w nPP w
s
w
nQPl源自n散度是一个标量，它表示单位体积内物理量通过其表面的
通量。若diva>0，称该点有源；若diva<0，称该点有汇。
|diva|称为源或汇的强度。若diva＝0（处处），称该物理场
为无源场，否则为有源场。
散度的基本运算公式：
n
a
⑴ (ca)ca （ c常数）
M
S
（2) (ab ) a b
V
（3) (a ) a a ( 为标量）
i jk v
x y z vx vy vz
旋度运算基本公式
(ca)ca (a b ) a b
(a ) a a
()0
( a b ) b ( a ) a ( b ) (a)0
小总结
梯度，散度和旋度代表一种向量场或标量场，他们的大小 、方向和表达形式都不因直角坐标的变换而变化。
流体力学讲义第一 讲
2、克罗内克尔符号
1,i j
ij
0,i j
3、交变符号
ijk
1,ijk1,2,3, 1,ijk3,2,1,
2,3,1, 2,1,3,
3,1,2 1,3,2
0
四、张量定义
任二下标相同时
定义1：张量作为向量定义的推广
当由一个坐标系转换到另一个坐标系时，向量 P 按下
式变换
pi Pjij
1、 i jk 叫梯度（标量场的最大变
x y z
gradijk化率和变化率的方向）
x y z
2、微分形式和积分形式是否等价：
证明：取 的二等值面和两二等值面之间的小圆柱, 如图
沿柱面积分 n d s ，该积分由三部分组成，即 s
n ds nQQ w nPP w
s
w
nQPl源自n散度是一个标量，它表示单位体积内物理量通过其表面的
通量。若diva>0，称该点有源；若diva<0，称该点有汇。
|diva|称为源或汇的强度。若diva＝0（处处），称该物理场
为无源场，否则为有源场。
散度的基本运算公式：
n
a
⑴ (ca)ca （ c常数）
M
S
（2) (ab ) a b
V
（3) (a ) a a ( 为标量）
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取一微元正交六面体。
左侧面压力： 右侧面压力：
( p 1 p dx)dydz 2 x
( p 1 p dx)dydz 2 x
y
p 1 p dx 2 x
z
p 1 p dx 2 x
x
再考虑 x 轴方向的质量力，可列出 x 轴方向的平衡方程：
(p
1 2
p x
dx)dydz ( p
1 2
p x
ν× 106/ m2/s
1.792 1.007 0.661 0.477 0.367 0.296
空气
μ × 106/ Pa·s
ν× 106/ m2/s
17.09 18.08 19.04 19.97 20.88 21.75
13.20 15.00 16.90 18.80 20.90 23.00
§1.3 流体的物理性质
➢ 牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体； 塑性体； 伪塑性体； 宾汉体。
du dy
(du)n dy
du dy
(du)n
dy
0
du dy
➢ 粘性流体与理想流体
实际流体都具有粘性。理想流体就是忽略流体的粘性。
§1.3 流体的物理性质
1.3.4 液体的表面张力
➢ 表面ห้องสมุดไป่ตู้力现象演示
肥皂薄膜对棉线作用一个拉力。
温度/ K
291 291 293
σ× 103/ N/m
73 490 472
§1.3 流体的物理性质
➢ 表面张力产生的压差
由表面张力引起的液体自由表面两边 的附加压力差为：
p ( 1 1 ) R1 R2
➢ 毛细现象
当液体与固体接触时，如果液体分子 间的吸引力（内聚力）大于液体分子 和固体分子间的引力（附着力），则 液体抱成团与固体不浸润；当液体分 子内聚力小于附着力时，则液体就能 浸润固体表面。
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1.1重要性和发展历史
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木星大红斑 (Jupiter’s Great Red Spot)
木星大红斑是木星上最大的风暴气旋，长约25000千米，上 下跨度12000千米，木星大气层中的大红斑是一团激烈的沿 逆时针方向运动的上升气流，这个气流物质中含有大量的 红磷化物，所以发红。
9
美国 飓风 (Hurricane)
• 介绍大尺度大气和海洋动力学的共性特征，即在重力、旋转 、层结、粘性和加热条件下，地球流体的动力学行为。内
容包括：无粘旋转流体的浅水理论、摩擦和粘性流、海洋
风生环流、旋转层结流体运动、不稳定理论以及海气耦合动 力学Introduction to the common properties of the large scale
• general circulation's function is to transport heat pole
Geophysical Fluid Dynamics (地球物理流体力学)
1
推荐书目 1
推荐书目 2 余志豪 杨大升 贺海晏等 <<地球物理流体力学>>
Grading 成绩 :
成绩评分标准 闭/开卷考试:50%
平时作业:30% (含展示1-2次)
课堂作业: 20%
引言 Introduction
5
• Title: Geophysical Fluid Dynamics地球物理流体动力学
• 适用专业：气象学 Meteorology
• 教学目的：掌握大尺度大气动力学和海洋动力学的共 性规律。To understand the common character of large scale atmospheric dynamics and oceanic dynamics.
• 至于厄尔尼诺形成原因，则是当代科学之谜。大多科学家认 为不外乎两大方面：一是自然因素。赤道信风、地球自转、 地热运动等都可能与其有关；二是人为因素。即人类活动加 剧气候变暖，也是赤道暖事件剧增的可能原因之一。
16
厄尔尼诺现象 对中国的影响
•首先是台风减少，厄尔尼诺现象发生后，西北太平洋热带风暴（台 风）的产生个数及在中国沿海登陆个数均较正常年份少。 •其次是中国北方夏季易发生高温、干旱通常在厄尔尼诺现象发生 的当年，中国的夏季风较弱，季风雨带偏南，位于中国中部或长江 以南地区，中国北方地区夏季往往容易出现干旱、高温。1997年强 厄尔尼诺发生后，中国北方的干旱和高温十分明显。 •第三是中国南方易发生低温、洪涝，在厄尔尼诺现象发生后的次年 ，在中国南方，包括长江流域和江南地区，容易出现洪涝，近百年 来发生在中国的严重洪水，如1931年、1954年和1998年，都发生 在厄尔尼诺年的次年。中国在1998年遭遇的特大洪水，厄尔尼诺便 是最重要的影响因素之一。 •最后，在厄尔尼诺现象发生后的冬季，中国北方地区容易出现暖冬 •根据近50年的气象资料，厄尔尼诺发生后，中国当年冬季温度偏 高的几率较大，第二年中国南部地区夏季降水容易偏多，而北方地 区往往出现大范围干旱。
大尺度海洋动力学和大气动力学
• Geophysical Fluid Dynamics
(GFD) is the study of the
dynamics of large-scale flow of
the earth and planets. The
principal fluid systems in which
we are interested are the
atmosphere and the oceans.
6
• 对选课学生的要求：具备流体力学、动力气象学的知识 Prerequisites: Knowledge on fluid dynamics and dynamic meteorology.
• 主要内容:
10
美国飓风(Hurricane) 路径的预测 可减小危害 (观测 和 预测模拟分析)
11
12
气候异常 举例
13
厄尔尼诺现象 El Nino Phenomenon
泛指赤道附近的东部太平洋表层海水温度 上升引起的气候异常现象。
拉尼娜现象 La Niña Phenomenon
是指赤道太平洋东部和中部海面温度持续异常偏 冷的现象（与厄尔尼诺现象正好相反）
14
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• 厄尔尼诺现象。在东南信风的作用下，南半球太平洋大范围 内海水被风吹起，向西北方向流动，致使澳大利亚附近洋面 比南美洲西部洋面水位高出大约50厘米。当这种作用达到 一定程度后，海水就会向相反方向流动，即由西北向东南方 向流动。反方向流动的这一洋流是一股暖流，即厄尔尼诺暖 流，其尽头为南美西海岸。受其影响，南美西海岸的冷水区 变成了暖水区，该区域降水量也大大增加。厄尔尼诺现象的 基本特征是：赤道太平洋中、东部海域大范围内海水温度异 常升高，海水水位上涨。
atmospheric and oceanic dynamics, i.e. the dynamic behavior of
geophysical fluid under conditions of gravitation, rotation,
stratification, viscosity and heating, which includes: inviscid
shallow-water theory, friction and viscous flow, wind-driven
oceanic circulation, stratified fluid motion, instability theory and
coupled ocean-atmosphere dynamics.
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地流 的主要 影响因素
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1.1 太阳辐射和自转的影响
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太阳辐射-热机作用 （全球 平均334 Watt/m2）
20
General Circulation of the atmosphere:
represents "average air flow around the globe” is created by unequal heating at earth's surface