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天气学原理和方法

2005年3月29日

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第一章 大气运动的基本特征

地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。

第一节 旋转坐标系中运动方程及作用力分析

一、 旋转坐标系中运动方程 1.

（绝对速度）与 （相对速度）

假设t0时刻一空气质点位于P点，经?t时间，质块移到Pa点，地球上的固定点P移到了Pe位置位移为R，质块相对固定地点的位移为R，

图1.1 旋转坐标系

显然 当

0位移很小时

单位时间内的位移为 由此得

此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和

2

2． 与 的关系

地球自转角速度为

则

于是

由此可得微分算子

将微分算子用于

则有

再将

代入上式右端 得

式中

为地转

天气学原理基础

一、大气运动的基本特征

1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力

（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生

（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力 不变，指向地心。

（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力 一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。 2、视示力：惯性离心力、地转偏向力

惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反

地转偏向力(科氏力）：观测者站在旋转地球上观测单位质量空气块运动，发现在北半球有一个向右偏的力，在南半球向左偏的力。称此力为地转偏向力，又名科氏力。由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立 地转偏向力的特点：

在纬圈平面内；只改变气块运动方向，不改变其速度大小；在北半球，

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地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧；地转偏向力的大小与相对速度成正比

重力：地心引力与惯性离心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大

重力是垂直方向上的，而大

天气学原理

Char1 大气运动的基本特征

1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力

（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生 （2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力 （3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力

2、视示力：惯性离心力、地转偏向力

惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反。C=Ω2R

地转偏向力：由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立。 地转偏向力的特点：A= -2Ω×V

（1）地转偏向力A与Ω相垂直，在纬圈平面内

（2）地转偏向力A与风速V垂直，只改变气块运动方向，不改变其速度大小 （3）在北半球A在水平速度的右侧，在南半球A在水平速度的左侧

（4）地转偏向力的大小与相对速度成正比，V=0时，A=0；只有在做相对运动时A才存在 重力：地心引力与惯性离心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。

3、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？

水平地转偏向力：大气中垂直运动一般比较小，气块的运动主要受x方向和y方向的

天气学原理试题库

一、 单选题

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 23 25 26 27 28 29 30 31 32 32 34 35 36 37 38 38 39

行星尺度是： B 10000千米

暖平流是： B 从暖区流向冷区 地转风是由于： A 地转偏向力与气压梯度力平衡 气压梯度力是： B 基本力 地心引力是： B 基本力 惯性离心力是： A 外观力

科里奥利力是由什么原因产生的：A相对运动 地球吸引 正压大气是： B 大气密度仅随气压变化 地转偏差是： D 实际风与地转风之差 锋面是： C 冷暖气团交界 冷锋是： A 冷气团强

气旋按热力结构可分为： C无锋和锋面气旋 涡度指的是： D 流体速度旋度 d(f+ξ)/dt=0表示： D绝对涡度守衡 在气旋性环流中：A地转风>梯度风 温度槽落后高度槽时： A 高度槽加深 在高空槽后有 B 有负涡度平流 在槽前脊后 C 等压面降低 在高空槽后有 B 有下沉运动

对中尺度系统，涡度

天气学原理与方法复习

气团：指气象要素（主要指温度和湿度）水平分布比较均匀的大范围的空气团。水平尺度可达几千千米，垂直范围可达几千米到十几千米。

锋面：锋为密度不同的两个气团之间的过渡区。在近地面层中过渡带宽约数十公里，在高层可达200-400公里。宽度与其水平长度相比(长达数百-数千公里)是很小的。在天气图上由于比例尺小，可把它近似地看成一个面，即锋面。 锋生：指密度不连续性形成的一种过程或指已经有的一条锋面，其温度或位温水平梯度加大的过程。锋消：指与锋生过程相反的过程。

气旋：是占有三度空间，在同一高度上中心气压低于四周的大尺度涡旋。在北半球，气旋范围内气流作逆时针旋转，南半球相反。

反气旋：是占有三度空间，在同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋。在北半球，反气旋范围内气流作顺时针旋转，南半球相反。

锋面气旋：气旋中有锋面的气旋叫锋面气旋，其温压场是不对称的，移动性较大，而且是带来云和降水的主要天气系统。

大气环流：是指在全球范围内，水平尺度横跨数千公里，垂直尺度延伸数十公里以上，时间尺度在1-2日以上的平均运动。是各种不同尺度的天气系统发生发展和移动的背景条件。 经圈环流：是指风的经向分量和空气的垂直运动在子午面上组成的环流圈。

三风

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

天原复习题

1、站在转动的地球上观测单位质量空气所受到力有哪些？各作用力定义、表达式及意义如何？

答：气压梯度力、地心引力、惯性离心力、重力、地转偏向力及摩擦力的分析

因地球为椭球体，重力与地面垂直，无指向赤道的分量。重力在赤道最小，极地最大。纬度45度海平面的重力加速度为： g=9.806m/s2重力是垂直方向上的，而大气运动是准水平的； 科氏力始终垂直于速度方向，故只改变方向，不作功； 所以，引起大气运动的最重要作用是：由于压力分布不均匀而产生的压力梯度力（热力作用引起的） 。

2、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？ 地转偏向力的大小：（1）与相对速度|V|大小成正比（因角速度为常 数）；当|V|=0时，A=0，只有在做相对运动时，A才存在。（2）与速度夹角也成正比。

水平地转偏向力：大气中垂直运动一般也较小，气块主要受x方向和y方向地转偏向力，即：水平地转偏向力的影响。

地转偏向力方向：与垂直地轴和速度方向垂直，只能改变气块的运动方向，不能改变其大小。在不考虑w和Az的情况下，在北半球，地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧。

2、科氏力是怎样产生的，与速度的关系如何，南北半球有何区别？

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本章目录1 2 3大气环流概论 经圈环流 极地环流 大气平均流场特征与季节转化

45 6 7

急流 东亚大气环流特征我国大气环流概况和主要天气过程

中国气象局气象干部培训学院

四川分院

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2.1

大气环流概论

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一、大气环流的概念和尺度 环流：空气沿一封闭的轨迹运动，戒有沿着某一封闭轨 迹循环运 动的倾向。 大气环流：将围绕地球的大气在全球范围展开的环流运动统称为大 气环流。这种大范围的大气运动的基本状态，是各种丌同尺度天气 系统发生、发展和秱动的背景条件。

尺度：水平尺度：数千公里以上垂直尺度：10公里以上 时间尺度：一至几天、一月、一季、半年、一年的直至多年

平均的大气环流

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垂直方向上地球大气按照温度分层自上而下五层：对流层、平流层、丨间层、热层和外逸层外逸层

热层

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天气学原理复习题

1、站在转动的地球上观测单位质量空气所受到力有哪些？各作用力定义、表达式及意义如何？

答：气压梯度力、地心引力、惯性离心力、重力、地转偏向力及摩擦力的分析 （1）、气压梯度力：当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的净压力称为气压梯度力。 表达式： G??1?p?

拉普拉斯算子：? ??i??j??k?x?y?z

-▽p为气压梯度，由气压分布不均匀造成。G的大小与ρ成反比，与▽p的大小成正比 G的方向垂直等压线，由高压指向低压

KM?R?*（2）、地心引力：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力。表达式： G0??2??a?R?其中：K：万有引力常量，M：地球质量 ， a：空气块到地心的距离 大小： 不变，常数方向： 指向地心。

（3）. 摩擦力：单位质量空气所受到的净粘滞力。 表达式：

其中： 为粘滞系数 大气为低粘性流体，一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。 （4）、视示力：由旋转坐标系的加速作用而假想的力（惯性离心力、地转偏向力）

1. 惯性离心力：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（ ） 观测它的运动

天气学原理复习题

1、站在转动的地球上观测单位质量空气所受到力有哪些？各作用力定义、表达式及意义如何？

答：气压梯度力、地心引力、惯性离心力、重力、地转偏向力及摩擦力的分析 （1）、气压梯度力：当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的净压力称为气压梯度力。 表达式： G??1?p?

拉普拉斯算子：? ??i??j??k?x?y?z

-▽p为气压梯度，由气压分布不均匀造成。G的大小与ρ成反比，与▽p的大小成正比 G的方向垂直等压线，由高压指向低压

KM?R?*（2）、地心引力：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力。表达式： G0??2??a?R?其中：K：万有引力常量，M：地球质量 ， a：空气块到地心的距离 大小： 不变，常数方向： 指向地心。

（3）. 摩擦力：单位质量空气所受到的净粘滞力。 表达式：

其中： 为粘滞系数 大气为低粘性流体，一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。 （4）、视示力：由旋转坐标系的加速作用而假想的力（惯性离心力、地转偏向力）

1. 惯性离心力：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（ ） 观测它的运动