1、动 力 气 象 学,大气科学、海洋科学专业04级 （2006年2月7月）大气科学系 郭品文,第一章、绪论,动力气象学（课程）研究对象，任务和方法动力气象学发展简介,一、对象、任务和方法,1、研究对象,尺度范围很广 如气象学涉及以下几种空间尺度的系统大尺度：106m 中尺度：105 m 小尺度：104m气旋反气旋 暴雨系统 龙卷风 本课程研究的对象：大尺度大气中发生的天气过程在日常天气图上可见；影响日常天气,两个重要特点：地球半径6000km 与大尺度系统尺度近似 地球的自转重要 旋转流体力学在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体运动差别很大气象系统的垂直厚度104m 很扁平的一层是准水平 大尺
2、度大气运动, “准”的含义水平运动： 垂直速度为零。 准水平运动：主要是水平运动，但垂直运动也很重要（降水的形成）。地转运动：科氏力与气压梯度力相等，加速度等于零。 准地转运动：科氏力与气压梯度力近似相等，加速度不等于零，系统能发展。,动力气象学（课程）的研究对象:考虑地球自转的、准水平运动大尺度大气动力过程。大尺度系统，又称天气尺度系统、天气系统。,2.任务：,动力气象学与天气学不同之处在于：天气学：从观测资料出发，经验性的，总结天气过程的发生发展规律，（主观）推断可能机理动力学：从物理定律出发，从理论上，揭示天气过程的发生发展规律和机理,本校大气科学专业教学特色：,理论联系实际： 天气学与
3、动力气象学相互渗透交叉 天气动力学,3.方法,物理基础：力学、热力学； （不去研究声、光、电、降水的微物理过程） 数学基础：微积分（微分方程），矢量分析，场论（欧拉观点），计算数学。 步骤：气象问题 物理模型 数学模型 求解 解释原问题侧重在首尾两步,二、发展简介,气象学是一门古老的学科： 人们一直试图去解释天气、预测天气 大气是一个物理系统， 近代动力气象学发展的推动力： 1、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对观测现象的发现。 2、物理学、数学等基础学科的发展。,(1)19世纪20年代20世纪20年代19世纪20年代之后，开始有了近代气象学1820年Brandes绘制了第一张天气图，用外推
4、法预测高低压的移动形成了地面天气图，开创近代天气分析和天气预报方法。,（2）20世纪30年代1904年建立了旋转大气运动方程组。欧洲学术发展兴盛：卑尔根学派（皮叶克尼斯1920年锋面学说）,（3）20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期背景：二战爆发后，海陆空军参战，由于战争的需要，建立了高空观测网，气象要素发展为三维系统（时间四维）高空500hPa图的最主要特点：波动（时间上，空间上）美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby动力气象学之鼻祖1939年，他提出了长波学说，称此波为大气长波或Rossby波。气象中最主要的理论：波动理论,这一时期的主要理论成果：地转适应理论（Rossby，1938
5、）行星波的能量频散理论（Rossby，叶笃正，1949）行星波的斜压不稳定（恰尼，1947；伊台，1949）热力机制行星波的正压不稳定（郭晓岚，1949）动力机制大气运动的尺度分析（恰尼，1949）数值预报理论（恰尼等，1950，芝加哥大学）成功地进行了数值预报，把前面的理论基础归结为一个简单的预报方程。,（4）至今1.热带大气动力学热带的水汽，对流，潜热释放等影响全球；非常重要；ENSO现象 热带观测仪器有：卫星，国际上的专门试验第二类条件不稳定CISK机制（恰尼，1964）积云对流参数化（郭晓岚，1965）用大尺度的量表示小尺度的对流问题， （类似于物理学中，用宏观量来表达描述微观运动）热
6、带波动学（松野，1966）Kelvin波,Rossby重力波，重力惯性内波,2.中小尺度动力学是由于测站间距大于中小尺度系统得自身尺度，故常规观测不到中尺度系统。60年代后借助雷达卫星的特殊观测。 不稳定理论，数值模拟。,3.大气环流持续异常或气候异常动力学 70年代末至80年代末发展最多定常波（物理中称为驻波）理论（气候） 大气环流持续异常理论 “遥相关”现象,e.g. ENSO发生，美洲气候发生异常：海温升高，对流加强，释放潜热1979年英国Hoskines 大圆理论,e.g. 夏季青藏高原热源异常影响,4.非线性大气动力学气象中的一些突变现象,北半球6月和10月的大气环流突变,1979年
7、，美国的恰尼，多平衡理论（大气在同一状况下有几个平衡态）用以解释“副高北跳”，“大气环流6月、10月突变”现象。,90年代以后，动力气象学的新成果较少。 本课程讲授3060年代理论； 60年代后的主要在高等动力气象学选修课、研究生大气动力学课程中讲授。,本专业另外开设了中小尺度大气动力学、热带大气动力学等课程，且课程有三章内容（大气运动的基本方程组、尺度分析与自由大气中的风场、大气涡旋动力学）已经在先修课程天气学原理中部分讲述过，因此，本课程主要以讲述中高纬大尺度大气过程为主，为了保持课程的系统性，天气学原理部分讲述过的三章内容也将结合本课程内容，对基本原理和概念加以回顾和补充。在讲授过程中要注意和先修课程的衔接，在大气动力学的整体框架内讲述大尺度大气动力过程，为后继课程中小尺度大气动力学、热带大气动力学、研究生课程大气动力学做好衔接准备。,
