动力气象学一章节PPT课件
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动力气象学第1章描写大气运动的基本方程组
第一章描写大气运动的基本方程组复习思考题1.支配大气运动状态和热力状态的基本物理定律有哪些？大气运动方程组一般有几个方程组成？哪些是预报方程？哪些是诊断方程？答：基本物理定律是牛顿运动定律、质量守恒定律、热力学能量守恒定律、气体实验定律；大气运动方程组一般有六个方程组成（三个运动方程、连续方程、热力学能量方程、状态方程）；若是湿空气还要加一个水汽方程。
运动方程、连续方程、热力学能量方程是预报方程，状态方程是诊断方程。
2.研究大气运动变化规律为什么选用旋转坐标系？旋转参考系与惯性参考系中的运动方程有什么不同？答：相对于惯性参考系中的运动方程而言，旋转参考系中的运动方程加入了视示力（科里奥利力、惯性离心力）。
3.地球旋转对大气运动有哪些动力作用？答：产生惯性离心力，相对于地球有运动的大气还受科里奥利力作用。
4.科里奥利力是怎样产生的？他与速度的关系如何？南北半球有何区别？它在赤道、极地的方向如何？答：由于地球旋转及空气微团相对于地球有运动时产生；科里奥利力垂直于V，在北半球指向运动的右侧，在赤道处沿半径向外，在极地其垂直于地轴向外。
5.惯性离心力是怎样产生的？如果没有地球旋转，此力存在不存在？答：处在旋转坐标系中产生的；若没有地球旋转，此力不存在。
6.曲率项力怎样产生的？如果没有地球自转，此力存在不存在？答：由于地球的球面性引起的；若没有地球旋转，此力不存在。
7.惯性离心力与科里奥利力有哪些异同点？答：都是在旋转参考系中的视示力，惯性离心力恒存在，而大气相对于地球有运动时才会产生科里奥利力。
8.为什么把地球引力与惯性离心力合并为重力？答：地球引力*g 仅与空气微团的位置有关，而惯性离心力R 2Ω也只与空气微团的位置有关，从逻辑上很自然将这两力合并在一起。
地球引力与惯性离心力的矢量和称作重力。
9.为什么地球不可能是一个绝对球体？答：惯性离心力可分解为两个相互垂直的分力。
一个分立部分抵消了地球引力，一个分立与地表面相切指向赤道。
动力气象学第1章.ppt
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
§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
大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。
球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理 (霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等， 1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源 强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等 等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和 短期气候预报提供了理论基础。
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
§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。
§1.4 动力气象学的发展简史与发展动向
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。
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
§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
大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。
球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理 (霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等， 1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源 强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等 等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和 短期气候预报提供了理论基础。
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
§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。
§1.4 动力气象学的发展简史与发展动向
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。
高等动力气象学
天气尺 天气尺度波动，控制日常天气； 度为例 发生、发展、移动的机制、规律
大气波动学： 波动的性质、机制、求解波速 ——讨论传播问题
大气能量学： 天气尺度系统的发生发展问题
V
V
V
,
V：纬向平均气流，大气环流，基本气流
V ：扰动，涡旋运动，波动
波动是叠加在基本气 流上的扰动； 或说基本气流受到扰 动，会产生波动。
A K 斜压不稳定的 K K 正压不稳定的
如：纬向基流时
{K
,
K
}
M
uv
u y
dM
取决于波和流的结构配置：
均匀基流 u 0 {K, K} 0 y 波动是正压稳定的
讨论波动传播问题时，均匀基流 讨论波动发展问题时，非均匀基流
§2 波动稳定性的数学表达
简谐波解
Aeik( xct ) Aei(kxt)
0
vg
1 f
x
0
存在如图所示的气压场：
du
dt
dv
dt
f0v f0u
y
f0 (u
ug
)
静力稳定度：层结大气中，垂直面内； 考虑重力和垂直向的压力梯度力（浮力） 的合力的方向，与位移的方向的关系； 惯性稳定度：水平面内（南北向）； 考虑科氏力和南北向的压力梯度力的合 力的方向，与位移的方向的关系。
科氏力作用下，惯性振荡的稳定性问题
如果仅受科氏力作用，运 动轨迹是一个惯性圆；由 于科氏力不作功，K不会增 加，故是稳定的。
实际大气，振荡发生在基本气流下：
均匀基流：一边振荡，一边向下游运动；运动 的性质不变
切变基流（实际大气）情况下如何呢？
基本状态(背景场）： 地转平衡
u g
大气波动学： 波动的性质、机制、求解波速 ——讨论传播问题
大气能量学： 天气尺度系统的发生发展问题
V
V
V
,
V：纬向平均气流，大气环流，基本气流
V ：扰动，涡旋运动，波动
波动是叠加在基本气 流上的扰动； 或说基本气流受到扰 动，会产生波动。
A K 斜压不稳定的 K K 正压不稳定的
如：纬向基流时
{K
,
K
}
M
uv
u y
dM
取决于波和流的结构配置：
均匀基流 u 0 {K, K} 0 y 波动是正压稳定的
讨论波动传播问题时，均匀基流 讨论波动发展问题时，非均匀基流
§2 波动稳定性的数学表达
简谐波解
Aeik( xct ) Aei(kxt)
0
vg
1 f
x
0
存在如图所示的气压场：
du
dt
dv
dt
f0v f0u
y
f0 (u
ug
)
静力稳定度：层结大气中，垂直面内； 考虑重力和垂直向的压力梯度力（浮力） 的合力的方向，与位移的方向的关系； 惯性稳定度：水平面内（南北向）； 考虑科氏力和南北向的压力梯度力的合 力的方向，与位移的方向的关系。
科氏力作用下，惯性振荡的稳定性问题
如果仅受科氏力作用，运 动轨迹是一个惯性圆；由 于科氏力不作功，K不会增 加，故是稳定的。
实际大气，振荡发生在基本气流下：
均匀基流：一边振荡，一边向下游运动；运动 的性质不变
切变基流（实际大气）情况下如何呢？
基本状态(背景场）： 地转平衡
u g
动力气象学 PPT课件
( x, t ) A cosk ( x ct)
波动的复数表示形式：
根据欧拉公式： ei cos i sin
( x, t ) Re[ Aei ( kxt ) ]
实际应用时常略去Re:
( x, t ) Aei ( kxt )
得到如下符号关系式：
2 n 2 i , 2 (i ) ,......, n (i ) n t t t 2 n 2 ik , 2 (ik ) ,......, n (ik ) n x x x
2 n i ( kxt ) 2 iAe i, 2 (i ) ,..... n (i ) n t t t 2 n 2 ik , 2 (ik ) ,..... n (ik ) n x x x
( x, y, t ) Aei (kxlyt )
kx ly t
T 2
2 k L
2 L k
2 2 Lx , Ly k l
L c k T
Lx Ly cx , c y k T l T
c cg ck k k
二、傅立叶原理，简谐波的复数表示
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、不同振幅的简谐波的叠加
( x, t ) An coskn ( x cnt ) n
n 1
实际扰动虽然是许多谐波组成，但往往只有几个谐波分量是主要的，其 频率、振幅虽然不同，但动力学性质往往一样。因此如果想得到定性的 结果，分析一个典型的谐波分量就足够了
y A cos[k ( x ct) ]
2 / T L c k 2 / L T
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。
中小尺度天气动力学课件 第一章
天气动力学：天气学和动力气象学相互渗透交叉
中尺度气象学
水平尺度: 10-1000km
绪论
中尺度气象学的研究对象、内 容和学习该课程的意义
lightning
hails
2003年7月8日安徽龙卷
7月8日23时20分至23时30分， 安徽省无为县两个乡镇、六个 行政村、十个自然村遭遇强对 流天气，两个乡镇在整个过程 中共死亡16人，共有166人受 伤。
1、美国宾西法尼亚大学Penn State Uni./NCAR （the National Center for Atmospheric Research美国大气科学研究 中心） MM2-MM4(90年代早期，静力平衡模式)-MM5 （90年代后期，非静力平衡模式）
2、WRF（Weather Research and Forecast）模 式
主要研究对象
1、由大气内部过程综合作用为主衍生的系 统：
中低压、中气旋、雷暴群、对流风暴、MCC
2、由地形中不均匀的下垫面引起强迫作用 导致的海陆风、山谷风、热岛效应、下坡 风等
主要内容
中尺度天气系统的特征 地形性中尺度环流 自由大气中的非对流性中尺度环流 中尺度对流系统 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带 影响中尺度系统发生发展的因子
NEXRAD View of the Moore, Oklahoma Tornado on 3 May 1999 (Reflectivity)
意义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. 意义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)
中尺度系统（飑线、中气旋等）
中尺度气象学
水平尺度: 10-1000km
绪论
中尺度气象学的研究对象、内 容和学习该课程的意义
lightning
hails
2003年7月8日安徽龙卷
7月8日23时20分至23时30分， 安徽省无为县两个乡镇、六个 行政村、十个自然村遭遇强对 流天气，两个乡镇在整个过程 中共死亡16人，共有166人受 伤。
1、美国宾西法尼亚大学Penn State Uni./NCAR （the National Center for Atmospheric Research美国大气科学研究 中心） MM2-MM4(90年代早期，静力平衡模式)-MM5 （90年代后期，非静力平衡模式）
2、WRF（Weather Research and Forecast）模 式
主要研究对象
1、由大气内部过程综合作用为主衍生的系 统：
中低压、中气旋、雷暴群、对流风暴、MCC
2、由地形中不均匀的下垫面引起强迫作用 导致的海陆风、山谷风、热岛效应、下坡 风等
主要内容
中尺度天气系统的特征 地形性中尺度环流 自由大气中的非对流性中尺度环流 中尺度对流系统 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带 影响中尺度系统发生发展的因子
NEXRAD View of the Moore, Oklahoma Tornado on 3 May 1999 (Reflectivity)
意义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. 意义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)
中尺度系统（飑线、中气旋等）
动力气象学第1章描写大气运动的基本方程组
7.惯性离心力与科里奥利力有哪些异同点？
答：都是在旋转参考系中的视示力，惯性离心力恒存在，而大气相对于地球有运动时才会产
生科里奥利力。
8.为什么把地球引力与惯性离心力合并为重力？
答：地球引力
g
仅与空气微团的位置有关，而惯性离心力
2
R
也只与空气微团的位置有关，
从逻辑上很自然将这两力合并在一起。地球引力与惯性离心力的矢量和称作重力。 9.为什么地球不可能是一个绝对球体？ 答：惯性离心力可分解为两个相互垂直的分力。一个分立部分抵消了地球引力，一个分立与 地表面相切指向赤道。后一个分立促使物体向赤道方向运动。在这个分立的长久作用下，便 在一定程度上决定了地球球壳的形状，使地球在赤道处隆起，地球成为扁平的椭球体。 10.重力的方向如何？与等高面是否垂直？海平面上的重力如何？
式成立，即
dT dt
T
t
(V C)3T
解：在固定坐标系中：以速度V 运动的质点的个别变化可展开为：
dT dt
T
t
V 3T
在运动坐标系中（设其移动的速度为 C ），空气质点必以 (V C) 的速度相对于运功坐标系运
动。所以，空气质点的个别变化在运动坐标系中可展开为：
dT dt
T
t
答：重力位势：重力位势 表示移动单位质量空气微团从海平面（Z=0）到 Z 高度，克服重
力所做的功。 重力位能：重力位能可简称为位能。重力场中距海平面 z 高度上单位质量空气微团所具有的 位能为
gz 引进重力位势后， g 等重力位势面（等 面）相垂直，方向为高值等重力位势面指向低等重
力位势面，其大小由等重力位势面的疏密程度来确定。所以，重力位势的空间分布完全刻画 除了重力场的特征。
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机制 大气运动的尺度分析（恰尼，1949） 数值预报理论（恰尼等，1950，芝加哥大学） ——成功地进行了数值预报，把前面的理论基础
归结为一个简单的预报方程。
14 2021/3/7
（4）～至今
1.热带大气动力学 热带的水汽，对流，潜热释放等影响全球；非 常重要；ENSO现象
热带观测仪器有：卫星，国际上的专门试验 第二类条件不稳定CISK机制（恰尼，1964） 积云对流参数化（郭晓岚，1965）——用大尺 度的量表示小尺度的对流问题，
21 2021/3/7
90年代以后，动力气象学的新成 果较少。 本课程讲授30－60年代理论； 60年代后的主要在《高等动力气 象学》选修课、研究生《大气动 力学》课程中讲授。
22 2021/3/7
本专业另外开设了《中小尺度大气动力学》、 《热带大气动力学》等课程，且课程有三章内容（大 气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、 大气涡旋动力学）已经在先修课程《天气学原理》中 部分讲述过，因此，本课程主要以讲述中高纬大尺度 大气过程为主，为了保持课程的系统性，《天气学原 理》部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，对 基本原理和概念加以回顾和补充。在讲授过程中要注 意和先修课程的衔接，在大气动力学的整体框架内讲 述大尺度大气动力过程，为后继课程《中小尺度大气 动力学》、《热带大气动力学》、研究生课程《大气 动力学》做好衔接准备。
动力气象学
大气科学、海洋科学专业04级 （2006年2月－7月）
大气科学系 郭品文
1 2021/3/7
第一章、绪论
动力气象学（课程）研究对象，任务和方法 动力气象学发展简介
2 2021/3/7
一、对象、任务和方法
1、研究对象
尺度范围很广 如气象学涉及以下几种空间尺度的系统
大尺度：106m 中尺度：105 m 小尺度：104m 气旋反气旋 暴雨系统 龙卷风
形成了地面天气图，开创近代天气分析 和天气预报方法。
11 2021/3/7
（2）～20世纪30年代
1904年建立了旋转大气运动方程组。 欧洲学术发展兴盛：卑尔根学派（皮叶 克尼斯1920年――锋面学说）
12 2021/3/7
（3）～20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 背景：二战爆发后，海陆空军参战，由于 战争的需要，建立了高空观测网，气象要素 发展为三维系统（＋时间～四维） 高空500hPa图的最主要特点：波动（时间 上，空间上） 美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby―― 动力气象学之鼻祖
16 2021/3/7
3.大气环流持续异常或气候异常动力学 ——70年代末至80年代末发展最多 定常波（物理中称为驻波）理论（气候） 大气环流持续异常理论 “遥相关”现象
17 2021/3/7
e.g. ENSO发生，美洲气候发生异常： 海温升高，对流加强，释放潜热 1979年英国Hoskines 大圆理论
4 2021/3/7
※ “准”的含义
水平运动： 垂直速度为零。 准水平运动：主要是水平运动，但垂直运动也很 重要（降水的形成）。
地转运动：科氏力与气压梯度力相等，加速度等 于零。 准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等，加 速度不等于零，系统能发展。
5 2021/3/7
动力气象学（课程）的研究对象: 考虑地球自转的、准水平运动大尺度大
e.g. 夏季青藏高原热 源异常影响
18 2021/3/7
4.非线性大气动力学 气象中的一些突变现象
19 2021/3/7
北半球6月和10月的大气环流突变
20 2021/3/7
1979年，美国的恰尼，多平衡理论（大气在 同一状况下有几个平衡态）用以解释“副高 北跳”，“大气环流6月、10月突变”现象。
9 2021/3/7
二、发展简介
气象学是一门古老的学科：
人们一直试图去解释天气、预测天气
大气是一个物理系统，
近代动力气象学发展的推动力：
1、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对 观测现象的发现。
2、物理学、数学等基础学科的发展。 10 2021/3/7
(1)19世纪20年代～20世纪20年代
19世纪20年代之后，开始有了近代气象 学——1820年Brandes绘制了第一张天气 图，用外推法预测高低压的移动
气动力过程。 大尺度系统，又称天气尺度系统、天气
系统。
6 2021/3/7
2.任务：
动力气象学与天气学不同之处在于：
天气学：从观测资料出发，经验性的，
总结天气过程的发生发展规律，（主观） 推断可能机理
动力学：从物理定律出发，从理论上，
揭示天气过程的发生发展规律和机理
7 2021/3/7
ห้องสมุดไป่ตู้
本校大气科学专业教学特色：
（类似于物理学中，用宏观量来表达描述微观运动） 热带波动学（松野，1966）——Kelvin波,Rossby 重力波，重力惯性内波
15 2021/3/7
2.中小尺度动力学 是由于测站间距大于中小尺度系统得自身
尺度，故常规观测不到中尺度系统。 60年代后借助雷达卫星的特殊观测。 不稳定理论，数值模拟。
本课程研究的对象： 大尺度大气中发生的天气过程 在日常天气图上可见；影响日常天气
3 2021/3/7
两个重要特点：
地球半径ａ≈6000km 与大尺度系统尺度近似 地球的自转重要 → 旋转流体力学
在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体 运动差别很大
气象系统的垂直厚度Ｄ～104m 很扁平的一层 ∴是准水平 → 大尺度大气运动
1939年，他提出了长波学说，称此波为大气 长波或Rossby波。 气象中最主要的理论：波动理论
13 2021/3/7
这一时期的主要理论成果： 地转适应理论（Rossby，1938） 行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正，1949） 行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，
1949）——热力机制 行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）——动力
理论联系实际： 天气学与动力气象学相互渗透交叉 －－－－天气动力学
8 2021/3/7
3.方法
物理基础：力学、热力学； （不去研究声、光、电、降水的微物理过程） 数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，
场论（欧拉观点），计算数学。 步骤：气象问题 → 物理模型 → 数学模型 →
求解 → 解释原问题 侧重在首尾两步
归结为一个简单的预报方程。
14 2021/3/7
（4）～至今
1.热带大气动力学 热带的水汽，对流，潜热释放等影响全球；非 常重要；ENSO现象
热带观测仪器有：卫星，国际上的专门试验 第二类条件不稳定CISK机制（恰尼，1964） 积云对流参数化（郭晓岚，1965）——用大尺 度的量表示小尺度的对流问题，
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90年代以后，动力气象学的新成 果较少。 本课程讲授30－60年代理论； 60年代后的主要在《高等动力气 象学》选修课、研究生《大气动 力学》课程中讲授。
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本专业另外开设了《中小尺度大气动力学》、 《热带大气动力学》等课程，且课程有三章内容（大 气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、 大气涡旋动力学）已经在先修课程《天气学原理》中 部分讲述过，因此，本课程主要以讲述中高纬大尺度 大气过程为主，为了保持课程的系统性，《天气学原 理》部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，对 基本原理和概念加以回顾和补充。在讲授过程中要注 意和先修课程的衔接，在大气动力学的整体框架内讲 述大尺度大气动力过程，为后继课程《中小尺度大气 动力学》、《热带大气动力学》、研究生课程《大气 动力学》做好衔接准备。
动力气象学
大气科学、海洋科学专业04级 （2006年2月－7月）
大气科学系 郭品文
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第一章、绪论
动力气象学（课程）研究对象，任务和方法 动力气象学发展简介
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一、对象、任务和方法
1、研究对象
尺度范围很广 如气象学涉及以下几种空间尺度的系统
大尺度：106m 中尺度：105 m 小尺度：104m 气旋反气旋 暴雨系统 龙卷风
形成了地面天气图，开创近代天气分析 和天气预报方法。
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（2）～20世纪30年代
1904年建立了旋转大气运动方程组。 欧洲学术发展兴盛：卑尔根学派（皮叶 克尼斯1920年――锋面学说）
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（3）～20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 背景：二战爆发后，海陆空军参战，由于 战争的需要，建立了高空观测网，气象要素 发展为三维系统（＋时间～四维） 高空500hPa图的最主要特点：波动（时间 上，空间上） 美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby―― 动力气象学之鼻祖
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3.大气环流持续异常或气候异常动力学 ——70年代末至80年代末发展最多 定常波（物理中称为驻波）理论（气候） 大气环流持续异常理论 “遥相关”现象
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e.g. ENSO发生，美洲气候发生异常： 海温升高，对流加强，释放潜热 1979年英国Hoskines 大圆理论
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※ “准”的含义
水平运动： 垂直速度为零。 准水平运动：主要是水平运动，但垂直运动也很 重要（降水的形成）。
地转运动：科氏力与气压梯度力相等，加速度等 于零。 准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等，加 速度不等于零，系统能发展。
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动力气象学（课程）的研究对象: 考虑地球自转的、准水平运动大尺度大
e.g. 夏季青藏高原热 源异常影响
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4.非线性大气动力学 气象中的一些突变现象
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北半球6月和10月的大气环流突变
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1979年，美国的恰尼，多平衡理论（大气在 同一状况下有几个平衡态）用以解释“副高 北跳”，“大气环流6月、10月突变”现象。
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二、发展简介
气象学是一门古老的学科：
人们一直试图去解释天气、预测天气
大气是一个物理系统，
近代动力气象学发展的推动力：
1、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对 观测现象的发现。
2、物理学、数学等基础学科的发展。 10 2021/3/7
(1)19世纪20年代～20世纪20年代
19世纪20年代之后，开始有了近代气象 学——1820年Brandes绘制了第一张天气 图，用外推法预测高低压的移动
气动力过程。 大尺度系统，又称天气尺度系统、天气
系统。
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2.任务：
动力气象学与天气学不同之处在于：
天气学：从观测资料出发，经验性的，
总结天气过程的发生发展规律，（主观） 推断可能机理
动力学：从物理定律出发，从理论上，
揭示天气过程的发生发展规律和机理
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ห้องสมุดไป่ตู้
本校大气科学专业教学特色：
（类似于物理学中，用宏观量来表达描述微观运动） 热带波动学（松野，1966）——Kelvin波,Rossby 重力波，重力惯性内波
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2.中小尺度动力学 是由于测站间距大于中小尺度系统得自身
尺度，故常规观测不到中尺度系统。 60年代后借助雷达卫星的特殊观测。 不稳定理论，数值模拟。
本课程研究的对象： 大尺度大气中发生的天气过程 在日常天气图上可见；影响日常天气
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两个重要特点：
地球半径ａ≈6000km 与大尺度系统尺度近似 地球的自转重要 → 旋转流体力学
在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体 运动差别很大
气象系统的垂直厚度Ｄ～104m 很扁平的一层 ∴是准水平 → 大尺度大气运动
1939年，他提出了长波学说，称此波为大气 长波或Rossby波。 气象中最主要的理论：波动理论
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这一时期的主要理论成果： 地转适应理论（Rossby，1938） 行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正，1949） 行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，
1949）——热力机制 行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）——动力
理论联系实际： 天气学与动力气象学相互渗透交叉 －－－－天气动力学
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3.方法
物理基础：力学、热力学； （不去研究声、光、电、降水的微物理过程） 数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，
场论（欧拉观点），计算数学。 步骤：气象问题 → 物理模型 → 数学模型 →
求解 → 解释原问题 侧重在首尾两步