第三章大气科学概论ppt课件.ppt

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1、第三章关于大气运动的基本规律为什么要分析大气运动？大气运动的状态及其变化对发生在大气中的各种物理化学过程以及相应的天气气候有重要的影响，甚至于决定性的影响。1903年，挪威气象学家V.Bjerknes提出：天气预报问题不过是一组控制大气运动的动力和热力物理方程的初值问题，天气预报就是这一数学方程组的解。怎么分析大气运动？x推力Ft=0v=0s=0t=t1v=？s=？分析步骤：1、建立坐标系2、分析小方块的受力情况3、建立方程：F=mav0=04、求解方程得到t1时刻的v和s光滑表面怎么分析大气运动？分析步骤：1、建立坐标系2、分析空气的受力情况3、建立方程4、求

2、解方程得到t1时刻的v和s§1、坐标系运动总是相对的建立相应的坐标系RunwithBolt?坐标系惯性坐标系：适用于牛顿运动定律的参考系非惯性坐标系：局地直角坐标系球坐标系柱坐标系自然坐标系F=maF≠ma局地直角坐标系自然坐标系球坐标系局地直角坐标系：X方向：与纬圈相切，向东为正Y方向：与经圈相切，向北为正Z方向：向上为正在地球上可随意移动，在地球上的不同地点（X,Y,Z）的方向是变化的；北京纽约xx北京的西风Vs纽约的西风局地直角坐标系：X方向：与纬圈相切，向东为正Y方向：与经圈相切，向北为正Z方向：向上为正在地球上可随意移动，在地球上的不同地点（X,Y,Z）

3、的方向是变化的；在一个不大的范围内，又可以将（X,Y,Z）的方向看成不变；考虑全球范围或极地地区的大气运动问题时必须采用球坐标系，其余情况采用局地直角坐标系。§2、受力分析Q1：对谁做受力分析？Q2：受到哪些力？一、空气微团（流点、质块、质点）与连续介质假设L2L1L3假设：流点的线尺度为L2分子的平均间距为L1流动（运动）范围线尺度为L3则：L1<

4、的点有区别。二、作用于“流点”的力1、万有引力Mmr2、摩擦力外摩擦力：空气与地表之间的摩擦力内摩擦力：空气之间的相对运动产生的摩擦力3、气压梯度力-------气压分布不均匀造成F1F2=？Xyzdxdydz长方体：dx，dy，dz，密度ρ则：m=ρdxdydz单位长度气压的增长为：AP1P2P2-----大小：方向：与x轴正方向反向即：因此，x方向的受到的力为：A=P1+A*dx因此，单位质量的空气微团，x方向的气压梯度力为：Px：同理，Py：Pz：写成矢量形式：气压梯度力性质：1、气压梯度力大小：与气压梯度成正比2、气压梯度力方向：由高压指向低压万有引力摩擦

5、力气压梯度力施力对象受力对象真实力非惯性坐标系下，情况如何？？4、惯性离心力非惯性坐标系下静止的物体：rAA点有一小球，随圆盘一起逆时针旋转.小球相对转盘静止.惯性坐标系（圆盘外的人）：小球是旋转的，有向心力矛盾非惯性坐标系（圆盘）：小球是静止的因此，对于非惯性坐标系（圆盘），小球受向心力，但又是静止的，这是矛盾的，不满足牛顿运动定律。引入惯性离心力，大小与向心力相等，方向相反.5、地转偏向力t=0t=1t=2t=3计划做匀速直线运动的兔子，在非惯性坐标系下的运动轨迹却是曲线，且偏向于运动方向的右侧。Why??引入地转偏向力，地转偏向力的性质：1、大小：与速度成正

6、比2、方向：垂直于地球自转角速度和速度；So，地转偏向力不做功，只改变运动方向。背风而立，地转偏向力指向运动方向的右边（北半球）地转偏向力指向运动方向的左边（南半球）VVAA北半球向右偏南半球向左偏6、重力万有引力惯性离心力重力g摩擦力气压梯度力万有引力惯性离心力地转偏向力真实力视示力摩擦力气压梯度力重力地转偏向力空气微团的受力情况§3、建立方程一、大气运动方程ma=F单位质量下：a=F二、大气连续方程质量守恒原理或其中：定义为散度辐散辐合三、热力学方程四、气体状态方程绝热、无摩擦的情况下方程组闭合§4、对方程的求解和分析一、垂直方向dz1m2重力垂直方向的气压梯

7、度力单位质量受到的重力：g单位质量受到的垂直方向的气压梯度力：若：则，垂直方向上加速度为0，大气的作用力是平衡的，此平衡称为“静力平衡”！实际大气中，这种情况是近似的，但近似的程度很高；几何高度的增加总伴随着气压的下降，气压和高度总是相对应的，因此气象上常采用气压作为高度坐标。二、水平方向1、等压线：气压处处相等的线2、若等压线为直线，无摩擦P0P1P2P2>P1>P0气压梯度力地转偏向力V气压梯度力与地转偏向力平衡，此时空气块沿等压线作匀速直线运动，这种风称为“地转风”，这种平衡称为“地转平衡”。气压梯度力+地转偏向力=0风沿等压线吹，背风而立，高压在右（北半球

8、）3、若等