Ch07大气运动原理、空间和时间尺度.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,*,1,大气科学导论,第二部分：天气和气候,胡永云,yyhu,北京大学物理学院大气科学系,阅读：,Meteorology Today,，,9,、,10,、,11,章,2,第,2,部分内容提要：,大气运动的基本原理,锋面和气旋。,雷暴、龙卷和台风,大气环流和海洋环流,气候变化和,ENSO,天气预报,行星大气,南郊大气探测基地,参观国家气象局,3,第七章：大气运动的基本原理、,空间和时间尺度,我们在这一章关心三个基本问题,:,为什么大气会运动,?,驱动大气运动的力有哪些,?,地球大气是怎样运动的？,大气运动的空间和时间尺度,4,本章参考书,:,Meteorology Today,C.D.Ahrens(Chapter 9,6,th,or 7,th,edition),Atmospheric Science,:An Introductory Survey,John M.Wallace and P.V.Hobbs(Chapter 8),An Introduction to Dynamic Meteorology,J.R.Holton(Chapter 1 and 2,3,rd,edition),有兴趣的学生可以参考高等教科书,:,Geophysical Fluid Dynamics,J.Pedlosky(Chapter 1 and 2,2,nd,edition),Atmosphere-Ocean Dynamics,A.D.Gill(Chapter 3,4,and 7),5,气旋风暴把撒哈拉沙尘输送到北大西洋,6,风和树,风欲静,而树不止,7,气流越过山地后形成的涡旋,8,大气是一种流体,在高中物理的力学部分,我们学习的主要是固态物体的运动,.,大气是一种流体，,现在,我们从流体力学的观点出发来学习大气的运动,.,大气的状态是由,3,个参数决定的，满足状态方程,.,为研究大气的运动,我们假定大气是连续的流体,.,9,气体状态方程,:,气体的状态是由,3,个参数决定的,P=,RT,p:,气压，单位：,Pa,T:,温度，单位：,K=+273.15,:,密度，单位：,kg/m,3,(,也可以用体积）,R=287 J/kgK,10,假定流体是连续的,在大气动力学中,我们常选定一个单位体积的气块作为一个质点并以其作为研究对象,.,我们一般假定这个气块的体积与整个大气的体积相比非常小,但这个气块包含大量的分子数,个体分子的情况则可以忽略不计,.,L,11,气块的受力分析,:,根据牛顿第二定律,一个物体的运动,(,或加速度,),是由作用于该物体上的各个力共同决定的,.,考虑地球表面放一个气块,它受哪些力,?,考虑地球旋转,?,12,气块受力分析,:,地球引力,单位质量空气微团所受的地球引力为,其中，,G,为引力常数，,M,为地球质量，,r,为地球半径,13,2.,离心力,惯性离心力是由于地球自转造成的，它的方向垂直于地轴向外。在极点，,R=0,，无惯性离心力。,14,重力,这里，重力指的是离心力和引力的合力，它并不指向地心，但是由于离心力很小，我们一般仍认为地球的重力仍与引力相等，加速度约等于,9.8 ms,-2,在一些情况下，离心力是不能忽略的，例如，由于离心力的作用，地球在赤道的半径比极地的半径大,21,公里,.,15,科氏力,(Coriolis force),16,科氏力的作用,17,科氏力的作用,18,科氏力,(Coriolis force),f=-2,sin,（,f=-2,U,）,：地球自传角速度,：气块的运动速度,：纬度,在北半球，背风而立，科氏力使风偏向右,在南半球，背风而立，科氏力使风偏向左,在赤道，科氏力为，在两极，科氏力最大,19,4.,气压梯度力：,20,气压梯度力,21,气压梯度力：,x,y,z,p,2,p1,22,气压梯度可以从天气图上看出,地面的等压线,500hpa(mb),等压面上的等高线,23,等压面和等高线,三维显示等压面和等高线,24,立体显示等压面和等高线,25,等压面上的等高线就好比在山地表面画等高线,26,地面冷高压，高空低压,地面暖低压，高空高压,27,28,29,气压梯度力和科氏力平衡下的气块运动,气压梯度力和科氏力平衡驱动的空气运动称为,地转风,低压涡旋的力和风向,30,离心力,高压涡旋的力和风向,31,离心力,32,5.,边界层摩擦力,在大气边界层,(,0-1000,米,),由于地面的摩擦而产生摩擦力,.,近似地,摩擦力与风速成正比,:,F=-aV,a,是摩擦系数,V,是速度,.,北半球气压梯度力、科氏力和摩擦力的作用下的运动,33,上图代表较高层大气的运动受力情况，在没有摩擦力的情况下，大气运动基本上是气压梯度力和科氏力平衡下的运动。,下图代表近地面层的大气运动受力情况，在有摩擦力的情况下，大气运动是气压梯度力、科氏力和摩擦力三者平衡下的运动。,地面低压对应着辅合上升运动，地面高压对应着辅散下沉运动,34,35,根据风向判断高压和低压,36,近地面气流和高空气流的差别,37,北半球和南半球的气旋运动,北半球,南半球,38,小结,:,我们在本节主要讨论了气块的受力,:,重力,离心力,科氏力,气压梯度力和摩擦力,.,其中,重力,气压梯度力和摩擦力是决定大气运动的基本力,也称为真实力,.,尤其是气压梯度力是驱动大气相对运动的主要动力,.,科氏力和离心力是地球旋转的惯性造成的,.,39,大气运动的尺度划分,:,40,小尺度运动：空间尺度以米为量级,持续时间：以分钟为量级,大漠孤烟直,长河落日圆,41,小尺度运动造成的沙丘和雪丘,42,高地上被风吹向一边的树,风欲静，,而树不止,中尺度，雷暴,空间尺度：几十公里；时间尺度：小时,43,44,海陆风,中尺度运动,:,几十公里，小时,白天，陆面气温高气压低，水面相反，气压梯度方向由水面指向陆面。观测者感觉到的是向岸风。高层风向相反。陆面一侧形成上升气流，水面一侧形成下沉气流。陆面与水面温差的结果形成了一个区域环流。如空气中水汽较多，可在陆面一侧形成对流云,45,海陆风造成的天气现象,季风，千公里、半年,46,47,山谷风，中尺度,48,大尺度运动,:,气旋风暴，千公里，几天,49,大尺度：中高纬度的西风带急流和,Rossby,波动,50,作业,:,什么是地转风,?,影响它的力是什么,?,地面摩擦是怎样改变风向和风速的,?,为什么地面风向穿越等压线,而高空风平行等压线,?,假定风由北向南,风速为,10m/s,计算在北纬,45,处的科氏力,.,它怎样改变风向,?,在南纬,45,科氏力的大小和风向怎样,?,热力对比是影响气压梯度力的关键,.,结合海陆风,山谷风和季风,讨论海陆温度和气压对比与风向的关系,.,举例说明天气系统的空间和时间尺度。,51,思考题：,科氏力的大小与自转速度有关，涡旋的出现的几率与科氏力有关。木星的自转速度比地球快得多，金星的自转速度比地球慢得多，相对来说哪个星球的大气易出现涡旋风暴,?,对于高压和低压中心，分别分析其受力情况，写出运动学方程，给出它们的解，并进行讨论（忽略摩擦力）。,