動力氣象學一章節(jié).ppt

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