動(dòng)力氣象學(xué)一章節(jié).ppt

動(dòng) 力 氣 象 學(xué),大氣科學(xué)、海洋科學(xué)專業(yè)04級(jí) （2006年2月7月） 大氣科學(xué)系 郭品文,第一章、緒論,動(dòng)力氣象學(xué)（課程）研究對(duì)象，任務(wù)和方法 動(dòng)力氣象學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)介,一、對(duì)象、任務(wù)和方法,1、研究對(duì)象,尺度范圍很廣 如氣象學(xué)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(fēng) 本課程研究的對(duì)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(gè)重要特點(diǎn)： 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(xué) 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下考慮流體運(yùn)動(dòng)，與一般流體運(yùn)動(dòng)差別很大 氣象系統(tǒng)的垂直厚度104m 很扁平的一層 是準(zhǔn)水平 大尺度大氣運(yùn)動(dòng), “準(zhǔn)”的含義 水平運(yùn)動(dòng)： 垂直速度為零。 準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)：主要是水平運(yùn)動(dòng)，但垂直運(yùn)動(dòng)也很重要（降水的形成）。 地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：科氏力與氣壓梯度力相等，加速度等于零。 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：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(dòng)力氣象學(xué)（課程）的研究對(duì)象: 考慮地球自轉(zhuǎn)的、準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)大尺度大氣動(dòng)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(wù)：,動(dòng)力氣象學(xué)與天氣學(xué)不同之處在于： 天氣學(xué)：從觀測(cè)資料出發(fā)，經(jīng)驗(yàn)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(jī)理 動(dòng)力學(xué)：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(jī)理,本校大氣科學(xué)專業(yè)教學(xué)特色：,理論聯(lián)系實(shí)際： 天氣學(xué)與動(dòng)力氣象學(xué)相互滲透交叉 天氣動(dòng)力學(xué),3.方法,物理基礎(chǔ)：力學(xué)、熱力學(xué)； （不去研究聲、光、電、降水的微物理過程） 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微積分（微分方程），矢量分析，場(chǎng)論（歐拉觀點(diǎn)），計(jì)算數(shù)學(xué)。 步驟：氣象問題 物理模型 數(shù)學(xué)模型 求解 解釋原問題 側(cè)重在首尾兩步,二、發(fā)展簡(jiǎn)介,氣象學(xué)是一門古老的學(xué)科： 人們一直試圖去解釋天氣、預(yù)測(cè)天氣 大氣是一個(gè)物理系統(tǒng)， 近代動(dòng)力氣象學(xué)發(fā)展的推動(dòng)力： 1、各種觀測(cè)儀器的發(fā)明，通過觀測(cè)大氣，對(duì)觀測(cè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。 2、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。,(1)19世紀(jì)20年代20世紀(jì)20年代 19世紀(jì)20年代之后，開始有了近代氣象學(xué)1820年Brandes繪制了第一張?zhí)鞖鈭D，用外推法預(yù)測(cè)高低壓的移動(dòng) 形成了地面天氣圖，開創(chuàng)近代天氣分析和天氣預(yù)報(bào)方法。,（2）20世紀(jì)30年代 1904年建立了旋轉(zhuǎn)大氣運(yùn)動(dòng)方程組。 歐洲學(xué)術(shù)發(fā)展興盛：卑爾根學(xué)派（皮葉克尼斯1920年鋒面學(xué)說）,（3）20世紀(jì)60年代 動(dòng)力氣象迅速發(fā)展的時(shí)期 背景：二戰(zhàn)爆發(fā)后，海陸空軍參戰(zhàn)，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，建立了高空觀測(cè)網(wǎng)，氣象要素發(fā)展為三維系統(tǒng)（時(shí)間四維） 高空500hPa圖的最主要特點(diǎn)：波動(dòng)（時(shí)間上，空間上） 美國學(xué)術(shù)發(fā)展興盛：芝加哥大學(xué)Rossby動(dòng)力氣象學(xué)之鼻祖 1939年，他提出了長(zhǎng)波學(xué)說，稱此波為大氣長(zhǎng)波或Rossby波。 氣象中最主要的理論：波動(dòng)理論,這一時(shí)期的主要理論成果： 地轉(zhuǎn)適應(yīng)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(tái)，1949）熱力機(jī)制 行星波的正壓不穩(wěn)定（郭曉嵐，1949）動(dòng)力機(jī)制 大氣運(yùn)動(dòng)的尺度分析（恰尼，1949） 數(shù)值預(yù)報(bào)理論（恰尼等，1950，芝加哥大學(xué)） 成功地進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，把前面的理論基礎(chǔ)歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單的預(yù)報(bào)方程。,（4）至今 1.熱帶大氣動(dòng)力學(xué) 熱帶的水汽，對(duì)流，潛熱釋放等影響全球；非常重要；ENSO現(xiàn)象 熱帶觀測(cè)儀器有：衛(wèi)星，國際上的專門試驗(yàn) 第二類條件不穩(wěn)定CISK機(jī)制（恰尼，1964） 積云對(duì)流參數(shù)化（郭曉嵐，1965）用大尺度的量表示小尺度的對(duì)流問題， （類似于物理學(xué)中，用宏觀量來表達(dá)描述微觀運(yùn)動(dòng)） 熱帶波動(dòng)學(xué)（松野，1966）Kelvin波,Rossby重力波，重力慣性內(nèi)波,2.中小尺度動(dòng)力學(xué) 是由于測(cè)站間距大于中小尺度系統(tǒng)得自身尺度，故常規(guī)觀測(cè)不到中尺度系統(tǒng)。 60年代后借助雷達(dá)衛(wèi)星的特殊觀測(cè)。 不穩(wěn)定理論，數(shù)值模擬。,3.大氣環(huán)流持續(xù)異常或氣候異常動(dòng)力學(xué) 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(duì)流加強(qiáng)，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(dòng)力學(xué) 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(gè)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(dòng)力氣象學(xué)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(dòng)力氣象學(xué)選修課、研究生大氣動(dòng)力學(xué)課程中講授。,本專業(yè)另外開設(shè)了中小尺度大氣動(dòng)力學(xué)、熱帶大氣動(dòng)力學(xué)等課程，且課程有三章內(nèi)容（大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組、尺度分析與自由大氣中的風(fēng)場(chǎng)、大氣渦旋動(dòng)力學(xué)）已經(jīng)在先修課程天氣學(xué)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(xué)原理部分講述過的三章