天气原理第1章--01-大气运动.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,天气学原理,授课教师 尚可政,shangkz,;,shangkz,0931-8912626;15339835153,内蒙古自治区气象局气象知识培训班课件,兰州大学大气科学学院,1.1,影响大气运动的作用力,1.2,大气运动方程组,1.3,“,z,”,坐标与,“,p,”,坐标的转换关系,1.4,风场与气压场的关系,第一章 大气运动的基本特征,地球大气的各种天气现象和天气变化都,与大气运动有关。大气运动受质量守恒、动,量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。,对气象上有意义的是：将这些物理定律,应用于相对于自转地球的大气运动。,本章重点和难点,重点：,1.,影响大气运动的作用力及其数量级,2.,零级近似和一级近似的方程组,3.,风场与气压场的关系,难点：,风场与气压场的关系,坐 标 系,空间固定（绝对、惯性）坐标系,旋转（相对、移动、非惯性、局地直角）坐标系,Z,坐标系,，,P,坐标系，球坐标系,1.1,影响大气运动的作用力,牛顿第二运动学定律：,真实力,(,基本力、牛顿力，在空间固定、绝对坐标系,):,气压梯度力、地心引力、摩擦力,非真实力,（视示力、外观力，在旋转坐标系）：,惯性离心力、地转偏向力,一、基本作用力（真实力）,1.,气压梯度力,hPa,hPa,气压梯度力：,当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的净压力称为气压梯度力。,x,方向受的压力为：,同理：,y,方向所受净压力为：,z,方向所受净压力为：,总的净压力为：,气压梯度力,(,单位质量的空气所受到的力，即加速度,),：,讨论：,1.,气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。,2.,气压梯度力的方向指向,的方向，即由高压,指向低压，垂直于等压线。,3.,气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气的密度成反比。即：等压线越密集，气压梯度越大；,在同样的气压梯度下，高处的风就比低处的风大，因为高空的密度小。,4.,水平气压梯度力 比 垂直气压梯度力小很多。,水平方向,:100 km,相差,1hPa,垂直方向,:8-10m,相差,1hPa,1000hPa-850hPa,平均相差,1500m,但由于向上的气压梯度力与向下的重力达到准静力,平衡，所以虽然垂直方向上的气压梯度力大，但运动不,明显。而,水平方向上力虽小但运动明显，故大气基本上,是准水平运动。,2.,地心引力,万有引力：,地球对单位质量空气的引力：,其中：地球半径为,a,，质量为,M,，,空气块质量为,m,，,离地高度为,z,因为：,所以：,海平面的地心引力（常数）,3.,摩擦力,（,850hPa,以下考虑）单位质量空气块所受到的净粘滞力称摩擦力。粘滞力是由分子不规则运动引起的动量交换（传递）。,粘滞力与风速垂直切变成正比,单位面积粘滞力（称切应力，雷诺应力）,为单位质量空气受到的净摩擦力,同理：,若,为常数，令,/,，则上式可简化为,类似地推导，可以得到，摩擦力的分量,摩擦力与风垂直切变的垂直变化成正比；,风垂直切变的垂直变化为正时，摩擦力指向正向，摩擦力使气块在正向加速；,风垂直切变的垂直变化为负时，摩擦力指向负向，摩擦力使气块在负向加速；,大气为低粘性流体，一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。,二、视示力,由旋转坐标系的加速作用而假想的力,（惯性离心力、地转偏向力）,1.,惯性离心力,在旋转坐标系中引入的与向心力相平衡,(,大小相等、方向相反,),的力称为惯性离心力。,它不是一种真实力而是由于站在非惯性坐标系中观察运动而又企图用牛顿第二定律解释它的结果,讨论：,1.,的方向垂直于地轴，指向地球外侧。,2.,的大小随纬度变化：赤道最大，极地最小。,3.,地球自转角速度,=2/24,小时,=7.29,10,-5,/,秒,.,4.,地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。,2.,地转偏向力（科力奥利力）,为了解释用旋转坐标系作为参考系观察空气运动时所呈,现的相对于旋转坐标系的偏向加速度而引进的一种视示力称,为地转偏向力,方向：垂直于 与 组成的平面，指向运动方向右侧,（北半球）,大小：,设：局地直角坐标系,原点：地表某点,y,轴：沿原点所在经圈切线方向指向北,x,轴：沿原点所在纬圈切线方向指向东,z,轴；指向当地天顶方向,常用水平地转偏向力,大气中,Az,较小，垂直速度一般也较小，气块主要受,Ax,（,2vsin),、,Ay(-2usin),影响，,令,则有,讨论：,1.,运动的物体受地转偏向力的作用（静止时为,0,）。,2.,与 相垂直，在纬圈平面内。,3.,与 相垂直，,地转偏向力垂直于运动方向，只改变空气块的运动方向，不改变其速度大小,。,在北半球地转偏向力指向运动方向右侧，南半球则相反。,4.,水平地转偏向力大小与风速成正比，与纬度的正弦成正比。即：风速越大偏向力越大；高纬度的偏向力大，低纬度的偏向力小。,3.,重力,：地心引力与惯性离心力的合力，称为重力。,讨论：,1.,的方向除赤道和极地外，均不指向地心。,由于地球为椭圆，地球上重力垂直于当地水平面，向下,2.,重力的大小随纬度变化，极地最大，赤道最小，一般用,45,纬度海平面重力值,=9.806m/s,2,综上所述，单位质量空气加速度,旋转坐标系的大气运动方程为：,风,空气的水平运动称为风，它是一个矢量,风向：风的来向,U,表示东西方向的风，,U0,为西风，,U0,为,南风,，,V0,表示上升运动，,W0,表示下沉运动,1.2,大气运动控制方程,动力学守恒定律,热力学守恒定律,尺度分析与基本方程组的简化,尺度分析法是依据表征某类运动系统各场变量的特征值，来估计大气运动方程中各项量级大小的一种方法。根据尺度分析的结果，结合物理上的考虑，略去方程中量级较小的项，可简化方程。,大尺度系统各种基本尺度的数量级,量纲分析,对于上述方程若保留其中最大数量级的项，略去所有的小项，则得到运动方程的,零级简化,，即：,地转平衡,静力平衡,若除去最大项以外。还保留比最大项小一个量级的项，而略去小两个量级的项，则得到运动方程的,一级简化,，即：,连续方程的简化,大尺度运动连续方程各项的量级如下：,大尺度运动连续方程零级和一级简化如下：,热力学方程的简化,原始热力学方程,利用对状态方程取时间的全导数，并利用,得到热力学方程,大气运动为绝热情况下的热力学方程为：,大尺度运动方程前三项的量级为,10,-4,，（,d,-,）,w,为,10,-5,，,其余各项为,10,-6,，故热力学方程的零级和一级简化分别为：,1.3,“,z,”,坐标与,“,p,”,坐标的转换关系,1.,空间、时间导数的转换关系,2.p,坐标系中大气运动基本方程组,1.4,风场和气压场的关系,1.,地转风,适用范围？方向？大小？,其中,V,g,高压,低压,A,-(1/,r,),p,地转风性质,（,1,）地转风是在不考虑摩擦力、加速度以及垂直速度的条件下，水平方向上气压梯度力与地转偏向力相平衡,(,地转平衡,),时的大气运动,(,即自由大气,水平匀速直线运动,),。,地转风是对中纬度自由大气中大尺度系统中水平气流的一种近似（一般两者相差,30%,以下）,（,2,）地转风的大小与水平,气压梯度力,大小成正比，即与水平,气压,(,位势,),梯度,大小成正比,例：等压面图上气压梯度力与等高线和风速的关系,地转风性质,(3),地转风的大小与地转参数,f,的大小成反比，即与纬,度高低成反比。,赤道上,=0,地转平衡不成立，无科氏力存在。,(4),地转风的水平散度,=0,(5),地转风方向与等压,(,高,),线相平行，在北半球，背风,而立高压在右，低压在左；南半球相反，背风而立高,压在左，低压在右,.,北半球,南半球,2.,热成风,静力平衡原理，得：两层等压面之间的厚度与这两层之间的温度成正比,等压面坡度,等压面坡度,随高度增加，所以地转风随高度增加是由于两层等压面间温度分布不均造成,定义 地转风随高度的改变为热成风。,p1,p0,xa,xb,已知,TaTb,（,1,）热成风平行于等温线，背风而立，高温在右，低温在左。,冷,暖,X,Z,（,2,）热成风与冷暖平流,地转风随高度逆转，有冷平流；,地转风随高度顺转，有暖平流。,暖,冷,暖,Vg,下,Vg,上,冷,Vg,下,Vg,上,（,3,）正压大气中，地转风随高度不发生变化。,正压大气,密度仅为气压的函数,=,（,p,）,等压面即等密度面或等温面，等压面上温度梯度为零,地转风不随高度变化,斜压大气,密度是气压和温度的函数,=,（,p,，,T,）,等压面与等密度面或等温面相交，等压面上温度梯度不为零,地转风随高度变化，有热成风,3.,梯度风,自然坐标系,在水平运动方程中，除考虑气压梯度力和水平地转偏向力外，并考虑向心加速度（或惯性离心力）时的大气运动为梯度风。,有梯度风时，等压线与流线重合。,顺时针、逆时针环流情况下，三力如何平衡的？,法向方程,D,G,大尺度系统,4.,地转偏差,实际风与地转风之差称为地转偏差，或偏差风。,D,V,Vg,地转偏差使实际风穿越等压线，该变了水平和垂直方向的运动。,低,高,F,A,G,V,V,g,D,地转偏差指向摩擦力方向右侧,北半球,摩擦层中,风向偏向低压,（,1,）摩擦层中的地转偏差,（,2,）自由大气中的地转偏差,地转偏差的方向垂直于加速度的方向，并指向,加速度方向的左方。,变压风,-2,-1,0,D,1,a,D,1,与变压,(,高,),梯度大小成正比，,与变压,(,高,),梯度的方向一致,变压风,-,+,复习题,1,、站在转动的地球上观测单位质量空气所受到力有,哪些？各作用力定义、表达式及意义如何？,2,、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？,3,、柯氏力是怎样产生的，与速度的关系如何，南北半,球有何区别？,4,、惯性离心力是如何产生的，如无地球自转，此力存,在否？,5,、重力方向如何？与等高面是否垂直？海平面上重力,如何？,1.,什么是零级近似和一级近似,?,2.,写出零级近似和一级近似的方程组。,3.,什么叫位势、位势米、位势高度？,4.,地转偏差是哪些原因造成的？什么是变压风、法向和切向地转偏差？,5.,写出,P,坐标系的基本方程。,6.,什么是地转风？它有哪些基本性质？写出表达式。,7.,什么是梯度风？它有哪些基本性质？写出表达式。,8.,什么是热成风？它有哪些基本性质？写出表达式。,9.,什么是偏差风？它有哪些基本性质？写出表达式,10.,在北半球大尺度系统运动中，做逆（顺）时针旋,转，为什么对应是低（高）压中心？,11.,在北半球大尺度系统运动中，气压场有低（高）中,心存在，周围风为什么是逆（顺）时针旋转？,12.,正压大气、斜压大气含义是什么？热成风为什么会,发生在斜压大气中？,13.,地转偏差重要性表现在何处？解释摩擦层和自由大,气中地转偏差物理意义,14.,在讨论地转偏差时，反映在自由大气中的低层和高,层各以什么为主？,15.,解释处在高空槽前脊后这块区域高低层辐合辐散情,况（要求用地转偏差概念解释）,16.,说明在自由大气中某个气层中，当风随高度增加呈,逆时针旋转，该气层有冷平流，当风随高度增加呈,顺时针旋转，该气层有暖平流。,17.,为什么可以看到有很强的低压发展（如台风和气,旋），而高压不能发展很强？,18.,地转偏差对水平速度散度及垂直运动有何作用？,