[理学]天气学原理授课教案

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1、前言一、天气学发展史17世纪以前，“经验时期”《气象通典》。17—19世纪初，“实验时期”（1820）第一张天气图的产生——大气科学成为一门独立的学科。19世纪20年代——现在“理论研究时期”。第一个阶段：1820—1920年，分析地面天气图——简单外推预测天气。第二个阶段：1920—1940年，挪威学派V.Bjerknes“锋面理论和气旋波动理论”。第三个阶段：1940—1960年，芝加哥学派Rossby“大气长波理论”。第四个阶段：1960—现在，产生多门学科来预测天气。二、天气学的研究对象研究整个地球大气的天气现象和天气过程的规律及其物理本质——预测天气。三、天气学的研究方法1、天

2、气图——工具建立天气模式，分析天气过程的演变规律。2、定性的物理分析方法。a)天气图看懂.b)公式意义明确.四、课程内容和参考书1——5章《天气学》梁必琪等五、要求1、天气学、天气分析、动力气象联系学习。2、认真阅读课本。3、每章思考题——记忆。4、考试：思考题。第一章大气运动的基本特征第一节影响大气运动的作用力一,气压梯度力：单位质量动气块受到的大气的净压力。图形体积：质量：B面所受压力：页：2A面所受压力：X方向受的压力：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：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

3、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，高出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100km相差1hpa垂直方向8-10m相差1hpa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。二、地心引力万有引力：地球对单位质量空气的引力：图形(地球半径为a,质量为M，空气块离地高度为z,质量为m)因为：所以：——海平面的地心引力（常数）三、惯性离心力图形向

4、心力——向心加速度惯性离心力讨论：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、Ω地球自转角速度，Ω=2π/24小时=7.29×10-5/秒4、地表上每个静止物均受到惯性离心力的影响。四、重力图形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45o纬度海平面重力。=9.806m/s2五、地转偏向力科力奥利力：方向：垂直于与组成的平面，指向运动方向右侧。大小：设：局地直角坐标系图形原点：地表某点y轴：沿原点所在经圈切

5、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令讨论：1、运动的物体受地转偏向力的作用（静止=0）。2、与相垂直，且在纬圈的平面内。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。一、摩擦力单位质量空气块所受到的净粘滞力称摩擦力摩擦力的简化形式：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：第二节大气运动方程一、标准坐标系的运动方程(局地直

6、角坐标系)分量形式：1,尺度简化大气运动系统的分类水平尺度(水平范围所占有的空间)时间尺度行星尺度km周大尺度km几天中尺度km1天小尺度10km几小时2,大尺度系统的简化方程一级简化方程(最大项,次大项)零级简化方程(最大项)大尺度运动系统的特征(中高纬):准水平ω→0准静力平衡准地转(地转偏向力与气压梯度力相平衡)自由大气F→0二、P坐标系的运动方程z坐标系:(x,y,z,t)来表示空间点的位置p坐标系:(x,y,p,t)来表示空间点的位置1,等高面图的概念等高面:空间高度相同的点组成的面；等高面为平面,面上高度处处相等,但气压不等等压面:气压相等的点组成的面；等压面为曲面,气压相等

7、,但高度不等图形所以等压面图分析高度场(高空图)和等高面分析气压场(地面图)都可以显示气压场形势等压面图的优点:气压面是个常数例如状态方程P、T为单值函数，可以讨论两者间的变化关系又如位温2,等压面图的高度单位——位势高度几何米、位势米、位势能mgh重力势能(位势)---单位质量空气由海平面上升到Z高度时,克服重力所做的功表达式:单位：焦耳/千克，，g=const1位势米:因为当z=1米时，Φ=9.8焦/千克所以人为定义一位势米就是