天氣學(xué)原理授課教案

1、前言一、 天氣學(xué)發(fā)展史17世紀(jì)以前，“經(jīng)驗(yàn)時(shí)期”氣象通典。1719世紀(jì)初，“實(shí)驗(yàn)時(shí)期”（1820）第一張?zhí)鞖鈭D的產(chǎn)生大氣科學(xué)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。19世紀(jì)20年代現(xiàn)在“理論研究時(shí)期”。第一個(gè)階段：18201920年 ， 分析地面天氣圖簡單外推預(yù)測天氣。第二個(gè)階段：19201940年 ， 挪威學(xué)派V.Bjerknes “鋒面理論和氣旋波動(dòng)理論”。第三個(gè)階段：19401960年 ， 芝加哥學(xué)派Rossby “大氣長波理論”。第四個(gè)階段：1960現(xiàn)在 ， 產(chǎn)生多門學(xué)科來預(yù)測天氣。二、 天氣學(xué)的研究對(duì)象研究整個(gè)地球大氣的天氣現(xiàn)象和天氣過程的規(guī)律及其物理本質(zhì)預(yù)測天氣。三、 天氣學(xué)的研究方法 1、 天氣圖工

2、具建立天氣模式，分析天氣過程的演變規(guī)律。2、 定性的物理分析方法。a)天氣圖看懂.b) 公式意義明確.四、 課程內(nèi)容和參考書15章天氣學(xué)梁必琪等五、 要求1、 天氣學(xué) 、天氣分析、動(dòng)力氣象聯(lián)系學(xué)習(xí)。2、 認(rèn)真閱讀課本。3、 每章思考題記憶。4、 考試：思考題。第一章 大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征第一節(jié) 影響大氣運(yùn)動(dòng)的作用力一 , 氣壓梯度力：單位質(zhì)量動(dòng)氣塊受到的大氣的凈壓力。圖形 體積： 質(zhì)量：B面所受壓力： 頁：2A面所受壓力：X方向受的壓力：同理：y方向所受凈壓力為： z方向所受凈壓力為：總的凈壓力為：氣壓梯度力：討論：1、 氣壓梯度力是由氣壓分布不均勻引起的。2、 氣壓梯度力的方向指向的方向。即由

3、高壓指向低壓，垂直于等壓線。3、 氣壓梯度力的大小與氣壓梯度成正比，與空氣的密度成反比，即等壓線越密集，氣壓梯度越大。在同樣的氣壓梯度下，高出的風(fēng)就比低處的風(fēng)大，因?yàn)楦呖盏拿芏刃　?、 水平氣壓梯度力 比垂直氣壓梯度力小很多。水平方向 100km 相差1hpa垂直方向 8-10m 相差1hpa但 由于向上的氣壓梯度力與向下的重力達(dá)到準(zhǔn)靜力平衡，所以雖然垂直方向上的氣壓梯度力大，但運(yùn)動(dòng)不明顯。而水平方向上力雖小但運(yùn)動(dòng)明顯，故大氣基本上是準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)。 二、地心引力 萬有引力： 地球?qū)挝毁|(zhì)量空氣的引力： 圖形 (地球半徑為a,質(zhì)量為M，空氣塊離地高度為z,質(zhì)量為m ) 因?yàn)?： 所以 ：海平面的地

4、心引力（常數(shù)） 三、慣性離心力 圖形 向心力向心加速度 慣性離心力 討論：1、的方向垂直于地軸，指向地球外側(cè)。 2、的大小隨緯度變化：赤道最大，極地最小。 3、地球自轉(zhuǎn)角速度，=2/24小時(shí)=7.29×10-5 /秒4、地表上每個(gè)靜止物均受到慣性離心力的影響。四、重力 圖形地心引力與慣性離心力的合力，稱為重力。討論：1、的方向除赤道和極地外，均不指向地心。由于地球?yàn)闄E圓，地球上重力垂直于當(dāng)?shù)厮矫?，向下?、重力的大小隨緯度變化，極地最大，赤道最小，一般用45o緯度海平面重力。 = 9.806m/s2五、地轉(zhuǎn)偏向力科力奧利力：方向：垂直于與組成的平面，指向運(yùn)動(dòng)方向右側(cè)。 大小： 設(shè)：

5、局地直角坐標(biāo)系 圖形 原點(diǎn)：地表某點(diǎn) y軸：沿原點(diǎn)所在經(jīng)圈切線方向指向北 x軸：沿原點(diǎn)所在緯圈切線方向指向東 z軸；指向當(dāng)?shù)靥祉敺较?常用水平地轉(zhuǎn)偏向力 令 討論：1、運(yùn)動(dòng)的物體受地轉(zhuǎn)偏向力的作用（靜止=0）。 2、與相垂直，且在緯圈的平面內(nèi)。 3、與相垂直，地轉(zhuǎn)偏向力垂直于運(yùn)動(dòng)方向，只改變空氣塊的運(yùn)動(dòng)方向，不改變其速度大小。 在北半球地轉(zhuǎn)偏向力指向運(yùn)動(dòng)方向右側(cè)，南半球則相反。 4、水平地轉(zhuǎn)偏向力大小與風(fēng)速成正比，與緯度的正弦成正比。即風(fēng)速越大偏向力越大，高緯度的偏向力大 ，低緯度的偏向力小。六、 摩擦力單位質(zhì)量空氣塊所受到的凈粘滯力稱摩擦力摩擦力的簡化形式：綜上所述，單位質(zhì)量空氣加速度旋轉(zhuǎn)坐

6、標(biāo)系的大氣運(yùn)動(dòng)方程為：第二節(jié) 大氣運(yùn)動(dòng)方程一、標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程 (局地直角坐標(biāo)系) 分量形式： 1,尺度簡化 大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分類水平尺度(水平范圍所占有的空間)時(shí)間尺度行星尺度km周大尺度km幾天中尺度km1天小尺度10km幾小時(shí)2,大尺度系統(tǒng)的簡化方程 一級(jí)簡化方程(最大項(xiàng),次大項(xiàng)) 零級(jí)簡化方程(最大項(xiàng)) 大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特征(中高緯): 準(zhǔn)水平 0 準(zhǔn)靜力平衡 準(zhǔn)地轉(zhuǎn) (地轉(zhuǎn)偏向力與氣壓梯度力相平衡) 自由大氣 F0二、P坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程 z坐標(biāo)系:(x, y, z, t)來表示空間點(diǎn)的位置 p坐標(biāo)系:(x, y, p, t)來表示空間點(diǎn)的位置 1,等高面圖的概念 等高面:空間高度相

7、同的點(diǎn)組成的面；等高面為平面,面上高度處處相等,但氣壓不等等壓面:氣壓相等的點(diǎn)組成的面；等壓面為曲面,氣壓相等,但高度不等 圖形 所以等壓面圖分析高度場(高空圖)和等高面分析氣壓場(地面圖)都可以顯示氣壓場形勢 等壓面圖的優(yōu)點(diǎn):氣壓面是個(gè)常數(shù) 例如狀態(tài)方程 P、T為單值函數(shù)，可以討論兩者間的變化關(guān)系 又如位溫 2,等壓面圖的高度單位位勢高度 幾何米、位勢米、位勢能 mgh 重力勢能(位勢)-單位質(zhì)量空氣由海平面上升到Z高度時(shí),克服重力所做的功 表達(dá)式: 單位：焦耳/千克 ， g=const1位勢米:因?yàn)楫?dāng)z=1米時(shí)， =9.8焦/千克 所以人為定義一位勢米就是9.8焦/千克 位勢高度: g=9

8、.8 常數(shù) 優(yōu)點(diǎn): 圖形 等位勢面不平行于等幾何面,只在海平面上重合 等位勢面處處與重力方向垂直,無重力分量相當(dāng)于是空中水平面 3,z坐標(biāo)系與p坐標(biāo)系的關(guān)系 關(guān)系式 水平方向 垂直方向 1)水平氣壓梯度力的大小表示等壓面坡度的大小 2)二層等壓面上：位勢梯度梯度力地轉(zhuǎn)風(fēng)相等 3)二層等高面上: 氣壓梯度梯度力地轉(zhuǎn)風(fēng) 垂直速度 z系: p系 關(guān)系式 上升運(yùn)動(dòng): w>0 <0 下沉運(yùn)動(dòng): w<0 >04,"p"坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程 一級(jí)簡化 零級(jí)簡化: 第三節(jié) 靜力學(xué)方程 連續(xù)方程和熱力學(xué)能量方程一、靜力學(xué)方程 ；僅討論垂直方向時(shí) 稱為靜力學(xué)方程 代入狀態(tài)方

9、程 得到 積分 得 圖形 圖形 壓高公式 表明兩層等壓面之間的厚度與其間平均溫度成正比 暖區(qū):厚度大 冷區(qū):厚度小 討論:1,氣壓氣流的三類垂直結(jié)構(gòu) 深厚對(duì)稱系統(tǒng) 圖形 圖形 淺薄對(duì)稱系統(tǒng) 圖形 圖形 溫壓場不對(duì)稱系統(tǒng) 圖形 圖形隨高度升高,高壓中心軸線想暖區(qū)傾斜 隨高度升高,低壓中心軸線向冷區(qū)傾斜 2, 暖平流有利于高層高壓或低層發(fā)展 冷平流有利于低層高壓或高層低壓發(fā)展 3,極地和赤道的天氣系統(tǒng) 圖形極地:低層冷高壓,高層冷低壓 赤道:低層暖低壓,高層暖高壓二、連續(xù)方程: 圖形 A面： B面： x方向上的靜流入量 同理:y方向上的靜流入量 z方向上的靜流入量 總質(zhì)量 即 或 連續(xù)方程 也可寫

10、為 即 連續(xù)方程 討論: 1,速度散度的意義 稱為速度散度 其中 比容 單位時(shí)間質(zhì)量的變化率 單位時(shí)間體積的變化率 2,水平速度散度和垂直速度的關(guān)系 不可壓縮大氣 則: 空氣輻散 圖形 空氣輻合 圖形 大氣的水平輻散減弱了大氣的上升運(yùn)動(dòng)大氣的水平輻合增強(qiáng)了大氣的上升運(yùn)動(dòng) 3,"P"坐標(biāo)系的連續(xù)方程 由z坐標(biāo)系連續(xù)方程 代入靜力學(xué)方程及坐標(biāo)變換 可得 "P系"完整的連續(xù)方程比"z系"連續(xù)方程簡單，無密度項(xiàng)三、熱力學(xué)能量方程 1,熱力學(xué)能量方程普遍形式 單位質(zhì)量加熱率 2,大尺度系統(tǒng)的簡化熱力學(xué)能量系統(tǒng) 一級(jí)簡化: 其中 零級(jí)簡化: 3,

11、"P系"的熱力學(xué)能量方程 其中 第四節(jié) 風(fēng)場和氣壓場的關(guān)系一、 地轉(zhuǎn)風(fēng) 水平地轉(zhuǎn)偏向力和水平地轉(zhuǎn)梯度力平衡條件下，空氣沿著平行等壓線的水平運(yùn)動(dòng)。圖形由Z坐標(biāo)系下的零級(jí)簡化水平運(yùn)動(dòng)方程： 地轉(zhuǎn)風(fēng)分量形式 “P”坐標(biāo)系的地轉(zhuǎn)風(fēng)：討論：1、地轉(zhuǎn)風(fēng)條件：自由大氣；中高緯度范圍；準(zhǔn)水平大尺度運(yùn)動(dòng)；水平直線運(yùn)動(dòng) 2、地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向：平行于等壓線，在北半球背風(fēng)而立左低右高。 3、地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速大小與水平氣壓梯度成正比，等壓線越密集，地轉(zhuǎn)風(fēng)越大；與緯度成反比，相同的水平氣壓梯度力，高緯風(fēng)大，低緯風(fēng)小 4、 地轉(zhuǎn)風(fēng)散度為零二、梯度風(fēng)1， 自然坐標(biāo)系（曲線坐標(biāo)） 圖形S軸：指向空氣運(yùn)動(dòng)方向N軸：垂直

12、于S軸，指向空氣運(yùn)動(dòng)左側(cè)規(guī)定：S軸上單位向量為n軸上單位向量為說明：S軸上有速度的分量 （恒正） n軸上無速度的分量S軸上的加速度-切向加速度 n軸上的加速度-法向加速度（向心加速度） 其中R為曲率半徑（1/R為曲率） 并規(guī)定 氣旋的曲率半徑（逆時(shí)針）R>0反氣旋的曲率半徑（順時(shí)針）R<0S軸上的氣壓梯度力 n軸上的氣壓梯度力S軸上的偏向力為0 n軸上的偏向力 ，永遠(yuǎn)都在n軸的負(fù)方向自然坐標(biāo)系中，一級(jí)簡化水平運(yùn)動(dòng)方程 2，梯度風(fēng) 圖形 梯度風(fēng)是氣壓梯度力，地轉(zhuǎn)偏向力，慣性離心力三力平衡時(shí)，空氣沿等壓線的曲線運(yùn)動(dòng)或氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力不平衡時(shí)沿彎曲等壓線的運(yùn)動(dòng)等壓線與流線重合： 梯

13、度風(fēng)方程討論：氣旋與反氣旋環(huán)流a） 空氣體氣旋式運(yùn)動(dòng) 圖形<0 n軸負(fù)方向 <0 n軸負(fù)方向>0 正方向b） 空氣體反氣旋式運(yùn)動(dòng) 圖形>0 n軸 正方向 <0 n軸負(fù)方向 c） 天氣圖應(yīng)用 圖形高壓中心位置標(biāo)注在反氣旋環(huán)流中心低壓中心位置標(biāo)注在氣旋環(huán)流中心 梯度風(fēng)速 梯度風(fēng)速a） 氣旋性環(huán)流風(fēng)速和氣壓梯度可無限增大根號(hào)前取正號(hào) 根號(hào)前取負(fù)號(hào) b） 反氣旋性環(huán)流風(fēng)速和氣壓梯度不可無限增大根號(hào)前取負(fù)號(hào) ,根號(hào)前取正號(hào) 由于根號(hào)內(nèi)必為正，得出風(fēng)速極大值圖形c） 天氣圖應(yīng)用 圖形低壓：越向中心，風(fēng)越大，氣旋中心等壓線密集高壓：越向邊緣，風(fēng)越大，高壓中心等壓線稀疏 3、梯度

14、風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的比較梯度風(fēng)：地轉(zhuǎn)風(fēng)：兩式聯(lián)立：討論：氣旋式運(yùn)動(dòng)，梯度風(fēng)速小于地轉(zhuǎn)風(fēng)速 反氣旋式運(yùn)動(dòng)，梯度風(fēng)速>地轉(zhuǎn)風(fēng)速 氣壓梯度相同，反氣旋的梯度風(fēng)>氣旋的 圖形高空的槽前脊后空氣輻散區(qū)高空的槽后脊前空氣輻合區(qū)三 熱成風(fēng)圖形 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的改變量稱熱成風(fēng)，即上下兩層地轉(zhuǎn)風(fēng)之差由“P”坐標(biāo)系的地轉(zhuǎn)風(fēng)方程 得熱成風(fēng)方程 代入靜力學(xué)方程差分形式：得： 熱成風(fēng)的另一表達(dá)式討論：1、熱成風(fēng)與等平均溫度線平行，背熱成風(fēng)而立，高溫在右，低溫在左。 圖形 2、熱成風(fēng)風(fēng)速大小與平均溫度梯度成正比，與緯度成反比，等溫線越密熱成風(fēng)越大。圖形 3、熱成風(fēng)與冷暖平流 圖形 自上而下地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)時(shí)氣層中有冷平

15、流 自上而下地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)時(shí)氣層中有暖平流補(bǔ)充：天氣圖上判斷冷暖平流 24小時(shí)變溫 水平溫度平流 圖形等高線與等溫線有交角處，有溫度平流等高線與等溫線平行處，無溫度平流 4、中緯度系統(tǒng)的溫壓結(jié)構(gòu) 中緯度對(duì)流層中，溫度分布南暖北冷高層為西風(fēng)氣流 高度越高 西風(fēng)越大圖形 地面閉合高壓和低壓系統(tǒng)在高空轉(zhuǎn)變?yōu)槲黠L(fēng)氣流的波狀槽脊。圖形 中緯度系統(tǒng)的溫壓場結(jié)構(gòu)的基本特征。a) 地面低壓中心位于高空槽前脊后b) 地面高壓中心位于高空槽后脊前c) 高空溫度槽脊落后于氣壓槽脊圖形四、地轉(zhuǎn)偏差實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的偏差稱為地轉(zhuǎn)偏差。圖形1、 摩擦層中的地轉(zhuǎn)偏差 摩擦層中的實(shí)際風(fēng)是：氣壓梯度力，地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力三力平

16、衡的空氣運(yùn)動(dòng)。代入地轉(zhuǎn)風(fēng)方程： 討論：地轉(zhuǎn)偏差與摩擦力垂直并指向摩擦力右側(cè) 摩擦力的作用使實(shí)際風(fēng)速減小，風(fēng)向向低壓一側(cè)偏轉(zhuǎn)。 統(tǒng)計(jì)： 風(fēng)向偏角 陸地：3545% 3545o 海上：6070% 1520o 在北半球的摩擦層中，低壓氣流成氣旋式輻合（上升運(yùn)動(dòng)，云雨天氣），高壓氣流呈反氣旋式輻散（下沉運(yùn)動(dòng)，晴天）。2、 自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力不平衡，必然產(chǎn)生加速度，引起地轉(zhuǎn)偏差。由一級(jí)簡化運(yùn)動(dòng)方程代入地轉(zhuǎn)風(fēng)方程得： 改寫上式：討論： 代入地轉(zhuǎn)風(fēng)方程： 得：a） 變壓風(fēng)垂直于等變壓線，指向變壓代數(shù)值小的方向。b） 變壓風(fēng)的大小與變壓梯度大小成正比，等變壓線越密，變壓風(fēng)越大。c） 圖

17、形負(fù)變壓中心有變壓風(fēng)的輻合，正變壓中心有變壓風(fēng)的輻散。 自然坐標(biāo)中 圖形 代入,得： a） 法向（橫向）地轉(zhuǎn)偏差、地轉(zhuǎn)風(fēng)在前進(jìn)方向上逐漸增大，產(chǎn)生指向低壓一側(cè)的地轉(zhuǎn)偏差 圖形、地轉(zhuǎn)風(fēng)在前進(jìn)方向上逐漸減小，產(chǎn)生指向高壓一側(cè)的地轉(zhuǎn)偏差圖形、橫向地轉(zhuǎn)偏差大小與風(fēng)速成正比 b） (縱向地轉(zhuǎn)偏差)切向地轉(zhuǎn)偏差、氣流氣旋式旋轉(zhuǎn) 圖形 產(chǎn)生指向地轉(zhuǎn)風(fēng)相反方向的地轉(zhuǎn)偏差實(shí)際風(fēng)小于地轉(zhuǎn)風(fēng)、氣流反氣旋式旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生指向地轉(zhuǎn)風(fēng)相同方向地轉(zhuǎn)偏差實(shí)際風(fēng)大于地轉(zhuǎn)風(fēng)、圖形高空槽前脊后有縱向地轉(zhuǎn)偏差的的輻散 高空槽后脊前有縱向地轉(zhuǎn)偏差的輻合 與梯度風(fēng)比較 縱向地轉(zhuǎn)偏差即是梯度風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)之差、縱向地轉(zhuǎn)偏差的大小與風(fēng)速的平方成正比

18、 太小 略 舉例 西風(fēng)帶中，有限寬低槽自西向東運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏差 圖形a） 槽前脊后負(fù)變化變壓風(fēng)輻合槽后脊前正變化變壓風(fēng)輻散b） 槽前脊后輻散槽后脊前輻合c） 大氣中的西風(fēng)風(fēng)速隨高度增大高層和占優(yōu)勢低層變壓風(fēng)占優(yōu)勢+摩擦槽前脊后低層輻合，高層輻散上升云、雨槽后脊前低層輻散、高層輻合下沉晴 圖形 圖形本章小結(jié)： 思考題： 1、氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、重力的定義、表達(dá)式和意義 2、大尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程的簡化方程式（一級(jí)、零級(jí)、z、p） 3、關(guān)于靜力學(xué)方程，連續(xù)反成，熱力學(xué)方程的方程式和意義 速度散度的表達(dá)式和意義 4、大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分類與尺度 5、地轉(zhuǎn)風(fēng)的定義、表達(dá)式、意義 6、梯度風(fēng)定義、表達(dá)

19、式、意義 7、熱成風(fēng)定義、表達(dá)式、意義 8、熱成風(fēng)與冷暖平流的關(guān)系 9、中緯度系統(tǒng)的溫壓場結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 10、地轉(zhuǎn)偏差的定義 11、摩擦層中地轉(zhuǎn)偏差的概念、表達(dá)式和意義 12、自由大氣中的地轉(zhuǎn)偏差概念、表達(dá)式和意義 13、（1.102）式 的意義 變壓風(fēng)意義 橫向地轉(zhuǎn)偏差 縱向地轉(zhuǎn)偏差第二章 氣團(tuán)與鋒第一節(jié) 氣團(tuán)一、 概念：氣團(tuán)氣象要素水平分布比較均勻的大范圍的空氣團(tuán)水平尺度：幾百幾千公里垂直尺度：幾十幾公里二、 氣團(tuán)的形成和變性1、 氣團(tuán)形成的兩個(gè)條件 大范圍性質(zhì)均勻的下墊面地球表面的空氣屬性傳給大氣、氣團(tuán)形成的物理過程 輻射 傳導(dǎo)和亂流 蒸發(fā)和凝結(jié) 大范圍的垂直運(yùn)動(dòng) 有適當(dāng)穩(wěn)定的大氣環(huán)流，使空

20、氣團(tuán)長時(shí)間穩(wěn)定在下墊面上高壓系統(tǒng)穩(wěn)定低壓系統(tǒng)不穩(wěn)定具備上述兩條的地區(qū)為氣團(tuán)源地2、 氣團(tuán)物理屬性的變化稱為氣團(tuán)的變性暖氣團(tuán)變性慢冷氣團(tuán)變性快三、 氣團(tuán)的分類1、 熱力分類法 2、 地理分類法北極氣團(tuán)（冰洋氣團(tuán)，北極圈內(nèi)70°N 90° N ） 極地氣團(tuán)（中高緯度西風(fēng)帶， 40°N 70°N ） 熱帶氣團(tuán)（副熱帶地區(qū)， 20°N 40°N ） 赤道氣團(tuán)（赤道， 20°N 以南）3、 大氣環(huán)流的分類法極地氣團(tuán)（高緯度， 60°N 90° N ） 中緯度氣團(tuán)（ 30°N 60° N ） 熱帶

21、氣團(tuán)（ 30°N以南 ） 又可分為大陸性和海洋性氣團(tuán)四、 影響我國的氣團(tuán)1、 極地大陸氣團(tuán)：干冷2、 熱帶海洋氣團(tuán)：暖濕3、 熱帶大陸氣團(tuán)：干暖4、 印度洋的赤道氣團(tuán)（季風(fēng)氣團(tuán)）：暖濕第二節(jié) 鋒的概念與鋒面坡度一、 定義：兩個(gè)熱力性質(zhì)不同的氣團(tuán)之間的狹窄過度帶稱為鋒。 兩個(gè)密度性質(zhì)不同的氣團(tuán)之間的狹窄過度帶稱為鋒。 冷暖氣團(tuán)之間的狹窄的過渡帶，稱為鋒。二、 鋒的空間結(jié)構(gòu) 圖形1、 冷暖氣團(tuán)的交界面，稱為鋒面。2、 鋒面在空間呈向冷區(qū)傾斜狀態(tài)，冷空氣在下，暖空氣在上。，3、 鋒面與地面的交線稱為鋒線。4、 鋒面與空中某平面相交的區(qū)域稱為鋒區(qū)天氣圖上溫度梯度大的窄的區(qū)域。5、 地面鋒線總

22、在高空鋒區(qū)暖區(qū)一側(cè)。三、 鋒的分類1、 按移動(dòng)分類a） 冷鋒：冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，推動(dòng)鋒面向暖氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)，稱為冷鋒。b） 暖鋒：暖氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，推動(dòng)鋒面向冷氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)，稱為暖鋒。 圖形c） 準(zhǔn)靜止鋒：冷暖氣團(tuán)勢力相當(dāng)，鋒面很少移動(dòng)的鋒，稱為準(zhǔn)靜止鋒。（6小時(shí)無移動(dòng)，24小時(shí)移動(dòng)在2個(gè)緯度之內(nèi)） 圖形d） 錮囚鋒：冷鋒后部的冷氣團(tuán)與暖鋒前的冷氣團(tuán)的交界面，稱為錮囚鋒。圖形 圖形 圖形中性錮囚 冷式錮囚 暖式錮囚2、 按鋒伸展高度分類：對(duì)流層鋒：地面對(duì)流層頂?shù)孛驿h：低層鋒700hap以下高空鋒：500hap以上，不接地3、 大氣環(huán)流分類P66冰洋鋒，極鋒，副熱帶鋒 圖形四、 鋒面坡度 圖形1、

23、 不連續(xù)面的概念，鋒面近似為物質(zhì)面不連續(xù)面a） 鋒面是T，的零級(jí)不連續(xù)面（氣象要素本身不連續(xù)）等溫線在鋒面上發(fā)生間斷。 圖形b） 鋒面是氣壓的一級(jí)不連續(xù)面（一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)）c） 垂直與鋒線的地轉(zhuǎn)風(fēng)（分量）是連續(xù)的 圖形2、 鋒面坡度公式圖形 設(shè)x軸由暖氣團(tuán)指向冷氣團(tuán)，y軸平行地面鋒線，求鋒面傾角 展開兩式相減 得到鋒面坡度 由靜力學(xué)方程和地轉(zhuǎn)風(fēng)方程 其中和是平行與鋒線的地轉(zhuǎn)風(fēng)分量 代入式得 代入狀態(tài)方程 注意 、式為Margules鋒面坡度公式 令 代入式得 在實(shí)際計(jì)算中比較小，可略去 3、 討論：a） 鋒面的坡度與f成正比，高緯鋒面坡度大于低緯 赤道上 b） 鋒面的坡度與鋒兩側(cè)的溫度差成正比

24、，溫度差越大，坡度越小。若 無鋒面c） 鋒面的坡度與鋒兩側(cè)平行與鋒的地轉(zhuǎn)風(fēng)分量差成正比 圖形風(fēng)呈氣旋性切變風(fēng)速差越大，坡度越大。d） 鋒面坡度與平均溫度成正比越高，坡度越大，冬季坡度小于夏季4、實(shí)際計(jì)算 圖形 我國統(tǒng)計(jì)結(jié)果：北方（高緯）鋒面坡度 南方（低緯）鋒面坡度冷鋒的坡度大于暖鋒和靜止鋒第三節(jié) 鋒面附近氣象要素場的特征一、 鋒面附近溫度場的特征1， 溫度水平分布特征：鋒區(qū)內(nèi)溫度水平梯度比兩側(cè)氣團(tuán)內(nèi)溫度水平梯度大 地面鋒線附近有較大溫差 高空等壓面圖上鋒區(qū)內(nèi)等溫線的密集區(qū)，高空鋒區(qū)走向與地面鋒線基本平行，隨高度升高向冷空氣傾斜 鋒區(qū)內(nèi)有冷平流為冷鋒；有暖平流為暖鋒；無平流（弱），少移動(dòng)為準(zhǔn)靜

25、止鋒圖形 錮囚鋒溫度場中性錮囚：高空暖舌在地面鋒線上 冷式錮囚：高空暖舌在地面鋒線后 暖式錮囚：高空暖舌在地面鋒線前實(shí)際上，一般只做中性錮囚鋒圖形2， 溫度垂直分布特征：鋒區(qū)內(nèi)溫度垂直梯度比兩側(cè)氣團(tuán)小鋒區(qū)逆溫，等溫，溫度直減率小圖形3， 位溫的分布圖形 特點(diǎn)：鋒區(qū)內(nèi)的位溫線特別密集且與鋒區(qū)平行 說明： 取對(duì)數(shù)，并對(duì)z取偏導(dǎo) 代入狀態(tài)方程和靜力學(xué)方程 有 其中 得到： 氣團(tuán)內(nèi) 位溫隨著高度的升高而增大鋒區(qū)內(nèi) 位溫隨著高度的升高而增大得很快 結(jié)論：a）位溫垂直梯度在鋒區(qū)內(nèi)比氣團(tuán)內(nèi)大得多鋒區(qū)內(nèi)等位溫線密集 b）空氣質(zhì)點(diǎn)在鋒面上移動(dòng)，在絕熱條件下位溫守恒，因此等位溫面平行與鋒面，等位溫面同鋒面一致隨高

26、度向空氣傾斜 c）實(shí)際工作中用 二。鋒面附近氣壓場的特征。特征：等壓線通過鋒面時(shí)有較大的彎折，折角指向高壓，鋒線處于低壓槽中。說明：設(shè)x軸垂直于鋒線，由暖指向冷。y軸平行于鋒線。 鋒面是密度零級(jí)不連續(xù)面由鋒面坡度：代入靜力學(xué):得： 結(jié)論：a. 鋒線附近氣壓梯度連續(xù)。 b.鋒線附近氣壓梯度不連續(xù)。即等壓線穿過鋒線時(shí)有彎折。 c. 滿足，則折角指向高壓，既鋒線落在低壓槽中。三。鋒附近變壓場的特征。氣壓隨時(shí)間變化稱變壓 圖形。冷鋒前為負(fù)變壓，后為正變壓。暖鋒后均為負(fù)變壓，但代數(shù)值前小后大。特征：鋒前變壓代數(shù)值小于鋒后變壓代數(shù)值。說明：設(shè)坐標(biāo)如前：x垂直鋒線，y平行于鋒線，鋒面為密度不連續(xù)面。 既 （

27、，鋒的移速）（1）.暖鋒 圖形 ， 即： 暖鋒前變壓代數(shù)值大于鋒后的變壓代數(shù)值。（2）.冷鋒 ， 暖鋒前變壓代數(shù)值小于鋒后的變壓代數(shù)值。（3）.推論鋒線向著變壓代數(shù)值小的一側(cè)移動(dòng)。3.用氣壓傾向方程解釋氣壓變化的物理意義。（1）公式推導(dǎo)。 , 代入連續(xù)方程: 邊界條件：,既氣壓傾向方程（2）.討論 第一項(xiàng)為密度平流項(xiàng)，（氣壓變化的熱力因子） 若 氣柱為暖平流。 則 ，地面減壓 若 ，氣柱為冷平流。 則 ，地面增壓。 暖鋒前暖平流，負(fù)變壓明顯。 冷風(fēng)后冷平流，正變壓明顯。（圖形） 第二項(xiàng)為水平速度散度項(xiàng)（動(dòng)力因子）。 ，氣柱輻散為主，質(zhì)量減少。，地面減壓。若氣柱輻合為主，質(zhì)量增加。，地面增壓。四

28、，鋒線附近風(fēng)場特征。 1.水平方向（圖形） 特征：鋒兩側(cè)的風(fēng)具有氣旋式切變和氣流輻合。 由偏差風(fēng)可知：低壓中氣流為氣旋式輻合。 2.垂直方向（圖形） a.冷鋒后有冷平流自下而上穿過鋒區(qū)，風(fēng)向逆時(shí)針。 暖鋒前有暖平流自下而上穿過鋒區(qū)，風(fēng)向順時(shí)針。 b.鋒區(qū)上空存在急流 極鋒鋒區(qū)和副熱帶鋒區(qū)存在西風(fēng)急流。五，鋒線附近濕度場的特征 一般：暖氣團(tuán)濕度大 冷氣團(tuán)濕度小。 特殊：海洋冷空氣冷濕 大陸暖空氣干暖 注意：冷暖氣團(tuán)的源地。六，鋒面天氣 形成云和降水的條件：水氣條件，垂直運(yùn)動(dòng)，大氣穩(wěn)定度。 1.冷鋒附近的云和降水。 a.第一類型冷鋒天氣。p19 圖. 特征：鋒線位于高空槽前，坡度小，移動(dòng)慢；暖空氣

29、下沉，冷空氣爬升，冷空氣下沉，層狀云為主，云序由低到高，有序排列；鋒后穩(wěn)定繼續(xù)降水（有幾百公里寬） b.第二類型冷鋒天氣。p78圖2.12 特征：鋒線位于高空槽后，坡度大，移動(dòng)快。 冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)高層為下沉氣流，暖氣團(tuán)中下層上升氣流積狀云為主，從高到低垂直排列。 鋒前不穩(wěn)定降水。 2.暖鋒附近的云和降水。 特征：鋒線位于高空槽前，坡度小，移速慢。冷暖氣團(tuán)都為上升氣流。 層狀云為主，從高到低垂直排列。 鋒前穩(wěn)定降水，幾百公里。 3.準(zhǔn)靜止鋒附近的云和降水 特征：類似于第一類型冷鋒，但坡度更小，垂直運(yùn)動(dòng)弱層狀云為主。 穩(wěn)定的連續(xù)降水，雨量小。風(fēng)區(qū)寬，時(shí)間長，雨區(qū)離鋒線有一段距離。 4.錮囚鋒附近云

30、和降水。 （圖形） 特點(diǎn)：兩鋒面云系的合并，鋒線兩側(cè)為對(duì)稱性雨區(qū)，（幾百公里寬） 冷暖式見p81圖2.17。 5.鋒面天氣的輸送帶模式 大尺度水平氣流輸送帶 p83圖2.192.18第四節(jié) 鋒生與鋒消一、 鋒生與鋒消的概念鋒生密度不連續(xù)面的形成過程或水平溫度梯度加大的過程。 即鋒的生成或原有鋒的加強(qiáng)的過程，均稱為鋒生。鋒消反之。用等溫線密集程度來表示鋒的生消強(qiáng)弱。 鋒生函數(shù)鋒生函數(shù)>0 鋒生作用 鋒生的必要條件 鋒生函數(shù)<0，鋒消作用 固定地區(qū)F最強(qiáng)鋒生消的充分條件 鋒生條件： 鋒消條件： 二、 鋒生鋒消公式 其中 展開： 求：，而 同理 將，代入式 2.討論式。（鋒生消公式） 設(shè)

31、坐標(biāo)系x軸平行于等位溫線，由冷指向暖；y軸垂直于等位溫線，指向位溫升的方向。（圖形） ， 所以轉(zhuǎn)為討論式 （1）.水平運(yùn)動(dòng)的作用。 當(dāng) 時(shí)（氣流輻散），則 ，鋒消； 當(dāng) 時(shí)（氣流輻合），則 ，鋒生。 在垂直于等位溫線的方向上有氣流輻合利于鋒生，反之則有利于鋒消。進(jìn)一步說明 一個(gè)線性流場可分解為四種簡單的流場 平流場 旋轉(zhuǎn)場 輻合輻散 變形場前三種對(duì)鋒生，鋒消不起作用。變形場（圖形）a.若等位溫線與伸展的軸夾角45°，則在輻合氣流下易鋒生；b.若45°，則輻散氣流下易鋒消；但等位溫線會(huì)逐漸旋轉(zhuǎn)使45°。變形場最有利于產(chǎn)生鋒生，在天氣圖上鞍型場最易產(chǎn)生鋒生。（2）垂直

32、運(yùn)動(dòng)作用 a.， 穩(wěn)定大氣（一般狀態(tài)下） 當(dāng) ，鋒生 當(dāng) ， 鋒消。 說明：0，（ ），下沉。 0，上升。 （圖形） ，暖下沉。冷上升。（輻合） 鋒生。 同理 ，暖上升，冷下沉（輻散） 鋒消 在穩(wěn)定大氣中。暖空氣一側(cè)相對(duì)于冷空氣一側(cè)是下沉的，則鋒生；反之則鋒消。 b.在不穩(wěn)定大氣中 , 當(dāng) ， ，鋒生； 當(dāng) ， ， 鋒消。 因?yàn)榕瘹鈭F(tuán)的凝結(jié)潛熱作用抵消了上升作用。（3）.非絕熱加熱項(xiàng) ，暖空氣相對(duì)加熱，冷空氣相對(duì)冷卻則 ，鋒生。 同理 ，則 ，鋒消。 加熱形式：凝結(jié)潛熱加熱有利于鋒生。下墊面加熱有利于鋒消。三、我國鋒生、消的概況1.我國的鋒生區(qū)1）北方鋒生帶：河西走廊東北， 40°

33、50° N2）南方鋒生帶：華南長江流域，與副熱帶鋒區(qū)位置一致， 20° 30° N3）南北鋒生帶隨季節(jié)位移，夏季偏北，冬季偏南2.有利于鋒生的天氣形勢1）冷鋒鋒生高空 冷槽在高空槽后發(fā)展槽 槽后有較強(qiáng)冷平流地面 冷鋒產(chǎn)生在低槽內(nèi) 或冷高壓前部2）暖鋒鋒生高空 850、700hpa為暖式風(fēng)切變 強(qiáng)的暖平流地面 西南的暖倒槽（開口向南） 3.我國的鋒消區(qū)青藏高原以東 ，30° 40° N1）高原東側(cè)下坡下沉氣流作用2）冬季處于東亞大槽后部下沉氣流（槽后西北風(fēng)）3）夏季副熱帶高壓控制東部，暖空氣強(qiáng)4.我國的鋒面活動(dòng)1）冷鋒最多，全國全年都可產(chǎn)生2）暖

34、鋒不單獨(dú)產(chǎn)生，與冷鋒一起組成鋒面氣旋3）準(zhǔn)靜止鋒 華南準(zhǔn)靜止鋒：武夷山、南嶺以北 昆明準(zhǔn)靜止鋒：在貴陽一帶為陰冷，而在昆明則晴朗4）錮囚鋒 河套錮囚鋒：黃土高原及華北倒回的冷空氣匯合于太行山 大巴山錮囚鋒、武夷山錮囚鋒、南疆錮囚鋒 東北錮囚鋒：鋒面氣旋發(fā)展到后期思考題1.氣團(tuán)的定義,氣團(tuán)的變性,氣團(tuán)形成的兩個(gè)條件（2個(gè)） P60 P61 P602.鋒的概念P623.鋒的類型：冷鋒,暖鋒,準(zhǔn)靜止鋒,錮囚鋒P674.鋒面坡度公式和討論 P65 公式（2.4）5.鋒附近溫度場的特征（水平、垂直、位溫 ） P69706.鋒附近氣壓場的特征 P71的3點(diǎn)結(jié)論7.鋒附近變壓場的特征 P738.氣壓傾向方程

35、的推導(dǎo)及物理意義 P7273（2.7式） 分第一、二項(xiàng)討論9.鋒附近風(fēng)場的特征 P7310.鋒生和鋒消的定義 P9311.鋒生公式及各項(xiàng)的討論 P9598 （2.14式）12.我國主要的鋒生區(qū) P101102 13.我國有利鋒生的天氣形勢 P10314.我國主要的靜止鋒和錮囚鋒 P103第三章 氣旋和反氣旋溫帶鋒面氣旋（地面）第1節(jié) 氣旋，反氣旋的特征和分類一、定義：氣旋氣旋是占有三度空間，在同一高度上中心氣壓低于四周的大尺度渦旋。在北半球，氣旋范圍內(nèi)氣流作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，南半球相反。反氣旋反氣旋是占有三度空間，在同一高度上中心氣壓高于四周的大尺度渦旋。在北半球，反氣旋范圍內(nèi)氣流作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，南半球相反。二、氣旋和反氣旋的水平尺度圖形氣旋水平尺度平均1000公里反氣旋水平尺度>>氣旋，幾千上萬公里三、氣旋和反氣旋的強(qiáng)度 1地面氣旋中心氣壓平均：9701010 hpa地面反氣旋中心氣壓平均：10201030 hpa2強(qiáng)度變化 氣旋： “加深”； “添塞” 反氣旋：“減弱”； “增強(qiáng)” 3對(duì)溫帶氣旋、反氣旋，冬季比夏季強(qiáng)； 氣旋在海上比陸地上強(qiáng)，反氣旋則反之四、氣旋和反氣旋的分類1 氣旋 圖形地理分類 溫帶氣旋熱帶氣旋熱力分類 鋒面氣旋 熱帶氣旋：臺(tái)風(fēng)、熱帶低壓無鋒面氣旋 地方性氣旋 下墊面加熱地形影響 鋒前熱低壓：高空暖平