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動 力 氣 象 學,大氣科學、海洋科學專業(yè)04級 (2006年2月7月) 大氣科學系 郭品文,第一章、緒論,動力氣象學(課程)研究對象,任務和方法 動力氣象學發(fā)展簡介,一、對象、任務和方法,1、研究對象,尺度范圍很廣 如氣象學涉及以下幾種空間尺度的系統(tǒng) 大尺度:106m 中尺度:105 m 小尺度:104m 氣旋反氣旋 暴雨系統(tǒng) 龍卷風 本課程研究的對象: 大尺度大氣中發(fā)生的天氣過程 在日常天氣圖上可見;影響日常天氣,兩個重要特點: 地球半徑6000km 與大尺度系統(tǒng)尺度近似 地球的自轉(zhuǎn)重要 旋轉(zhuǎn)流體力學 在旋轉(zhuǎn)坐標系下考慮流體運動,與一般流體運動差別很大 氣象系統(tǒng)的垂直厚度104m 很扁平的一層 是準水平 大尺度大氣運動, “準”的含義 水平運動: 垂直速度為零。 準水平運動:主要是水平運動,但垂直運動也很重要(降水的形成)。 地轉(zhuǎn)運動:科氏力與氣壓梯度力相等,加速度等于零。 準地轉(zhuǎn)運動:科氏力與氣壓梯度力近似相等,加速度不等于零,系統(tǒng)能發(fā)展。,動力氣象學(課程)的研究對象: 考慮地球自轉(zhuǎn)的、準水平運動大尺度大氣動力過程。 大尺度系統(tǒng),又稱天氣尺度系統(tǒng)、天氣系統(tǒng)。,2.任務:,動力氣象學與天氣學不同之處在于: 天氣學:從觀測資料出發(fā),經(jīng)驗性的,總結(jié)天氣過程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律,(主觀)推斷可能機理 動力學:從物理定律出發(fā),從理論上,揭示天氣過程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和機理,本校大氣科學專業(yè)教學特色:,理論聯(lián)系實際: 天氣學與動力氣象學相互滲透交叉 天氣動力學,3.方法,物理基礎(chǔ):力學、熱力學; (不去研究聲、光、電、降水的微物理過程) 數(shù)學基礎(chǔ):微積分(微分方程),矢量分析,場論(歐拉觀點),計算數(shù)學。 步驟:氣象問題 物理模型 數(shù)學模型 求解 解釋原問題 側(cè)重在首尾兩步,二、發(fā)展簡介,氣象學是一門古老的學科: 人們一直試圖去解釋天氣、預測天氣 大氣是一個物理系統(tǒng), 近代動力氣象學發(fā)展的推動力: 1、各種觀測儀器的發(fā)明,通過觀測大氣,對觀測現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。 2、物理學、數(shù)學等基礎(chǔ)學科的發(fā)展。,(1)19世紀20年代20世紀20年代 19世紀20年代之后,開始有了近代氣象學1820年Brandes繪制了第一張?zhí)鞖鈭D,用外推法預測高低壓的移動 形成了地面天氣圖,開創(chuàng)近代天氣分析和天氣預報方法。,(2)20世紀30年代 1904年建立了旋轉(zhuǎn)大氣運動方程組。 歐洲學術(shù)發(fā)展興盛:卑爾根學派(皮葉克尼斯1920年鋒面學說),(3)20世紀60年代 動力氣象迅速發(fā)展的時期 背景:二戰(zhàn)爆發(fā)后,海陸空軍參戰(zhàn),由于戰(zhàn)爭的需要,建立了高空觀測網(wǎng),氣象要素發(fā)展為三維系統(tǒng)(時間四維) 高空500hPa圖的最主要特點:波動(時間上,空間上) 美國學術(shù)發(fā)展興盛:芝加哥大學Rossby動力氣象學之鼻祖 1939年,他提出了長波學說,稱此波為大氣長波或Rossby波。 氣象中最主要的理論:波動理論,這一時期的主要理論成果: 地轉(zhuǎn)適應理論(Rossby,1938) 行星波的能量頻散理論(Rossby,葉篤正,1949) 行星波的斜壓不穩(wěn)定(恰尼,1947;伊臺,1949)熱力機制 行星波的正壓不穩(wěn)定(郭曉嵐,1949)動力機制 大氣運動的尺度分析(恰尼,1949) 數(shù)值預報理論(恰尼等,1950,芝加哥大學) 成功地進行了數(shù)值預報,把前面的理論基礎(chǔ)歸結(jié)為一個簡單的預報方程。,(4)至今 1.熱帶大氣動力學 熱帶的水汽,對流,潛熱釋放等影響全球;非常重要;ENSO現(xiàn)象 熱帶觀測儀器有:衛(wèi)星,國際上的專門試驗 第二類條件不穩(wěn)定CISK機制(恰尼,1964) 積云對流參數(shù)化(郭曉嵐,1965)用大尺度的量表示小尺度的對流問題, (類似于物理學中,用宏觀量來表達描述微觀運動) 熱帶波動學(松野,1966)Kelvin波,Rossby重力波,重力慣性內(nèi)波,2.中小尺度動力學 是由于測站間距大于中小尺度系統(tǒng)得自身尺度,故常規(guī)觀測不到中尺度系統(tǒng)。 60年代后借助雷達衛(wèi)星的特殊觀測。 不穩(wěn)定理論,數(shù)值模擬。,3.大氣環(huán)流持續(xù)異?;驓夂虍惓恿W 70年代末至80年代末發(fā)展最多 定常波(物理中稱為駐波)理論(氣候) 大氣環(huán)流持續(xù)異常理論 “遙相關(guān)”現(xiàn)象,e.g. ENSO發(fā)生,美洲氣候發(fā)生異常: 海溫升高,對流加強,釋放潛熱 1979年英國Hoskines 大圓理論,e.g. 夏季青藏高原熱源異常影響,4.非線性大氣動力學 氣象中的一些突變現(xiàn)象,北半球6月和10月的大氣環(huán)流突變,1979年,美國的恰尼,多平衡理論(大氣在同一狀況下有幾個平衡態(tài))用以解釋“副高北跳”,“大氣環(huán)流6月、10月突變”現(xiàn)象。,90年代以后,動力氣象學的新成果較少。 本課程講授3060年代理論; 60年代后的主要在高等動力氣象學選修課、研究生大氣動力學課程中講授。,本專業(yè)另外開設(shè)了中小尺度大氣動力學、熱帶大氣動力學等課程,且課程有三章內(nèi)容(大氣運動的基本方程組、尺度分析與自由大氣中的風場、大氣渦旋動力學)已經(jīng)在先修課程天氣學原理中部分講述過,因此,本課程主要以講述中高緯大尺度大氣過程為主,為了保持課程的系統(tǒng)性,天氣學原理部分講述過的三章
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