1、1,大气科学导论 第二部分：天气和气候,胡永云 北京大学 物理学院 大气科学系,阅读：Meteorology Today，9、10、11章,2,第2部分内容提要：,大气运动的基本原理 锋面和气旋。 雷暴、龙卷和台风 大气环流和海洋环流 气候变化和ENSO 天气预报 行星大气 南郊大气探测基地 参观国家气象局,3,第七章：大气运动的基本原理、 空间和时间尺度,我们在这一章关心三个基本问题:为什么大气会运动? 驱动大气运动的力有哪些?地球大气是怎样运动的？大气运动的空间和时间尺度,4,本章参考书:,Meteorology Today, C.D. Ahrens (Chapter 9, 6th or
2、7th edition), Atmospheric Science: An Introductory Survey, John M. Wallace and P.V. Hobbs (Chapter 8), An Introduction to Dynamic Meteorology, J.R. Holton (Chapter 1 and 2, 3rd edition)有兴趣的学生可以参考高等教科书: Geophysical Fluid Dynamics, J. Pedlosky (Chapter 1 and 2, 2nd edition), Atmosphere-Ocean Dynamics,
3、 A.D. Gill (Chapter 3, 4, and 7),5,气旋风暴把撒哈拉沙尘输送到北大西洋,6,风和树,风欲静 而树不止,7,气流越过山地后形成的涡旋,8,大气是一种流体,在高中物理的力学部分, 我们学习的主要是固态物体的运动.大气是一种流体，现在, 我们从流体力学的观点出发来学习大气的运动.大气的状态是由3个参数决定的，满足状态方程.为研究大气的运动, 我们假定大气是连续的流体.,9,气体状态方程:,气体的状态是由3个参数决定的P=RTp:气压，单位：PaT:温度，单位：K=+273.15:密度，单位：kg/m3 (也可以用体积）R=287 J/kgK,10,假定流体是连续的,
4、在大气动力学中, 我们常选定一个单位体积的气块作为一个质点并以其作为研究对象. 我们一般假定这个气块的体积与整个大气的体积相比非常小, 但这个气块包含大量的分子数, 个体分子的情况则可以忽略不计.,L,11,气块的受力分析:,根据牛顿第二定律, 一个物体的运动(或加速度)是由作用于该物体上的各个力共同决定的. 考虑地球表面放一个气块, 它受哪些力? 考虑地球旋转?,12,气块受力分析:,地球引力单位质量空气微团所受的地球引力为其中，G为引力常数，M为地球质量，r为地球半径,13,2. 离心力,惯性离心力是由于地球自转造成的，它的方向垂直于地轴向外。在极点，R=0，无惯性离心力。,14,重力,这
5、里，重力指的是离心力和引力的合力，它并不指向地心，但是由于离心力很小，我们一般仍认为地球的重力仍与引力相等，加速度约等于9.8 ms-2在一些情况下，离心力是不能忽略的，例如，由于离心力的作用，地球在赤道的半径比极地的半径大21公里.,15,科氏力(Coriolis force),16,科氏力的作用,17,科氏力的作用,18,科氏力(Coriolis force),f=-2sin （f=-2 U） ：地球自传角速度 ：气块的运动速度 ：纬度 在北半球，背风而立，科氏力使风偏向右 在南半球，背风而立，科氏力使风偏向左 在赤道，科氏力为，在两极，科氏力最大,19,4. 气压梯度力：,20,气压梯度
6、力,21,气压梯度力：,x,y,z,p2,p1,22,气压梯度可以从天气图上看出,地面的等压线,500hpa(mb)等压面上的等高线,23,等压面和等高线,三维显示等压面和等高线,24,立体显示等压面和等高线,25,等压面上的等高线就好比在山地表面画等高线,26,地面冷高压，高空低压 地面暖低压，高空高压,27,28,29,气压梯度力和科氏力平衡下的气块运动,气压梯度力和科氏力平衡驱动的空气运动称为地转风,低压涡旋的力和风向,30,离心力,高压涡旋的力和风向,31,离心力,32,5. 边界层摩擦力,在大气边界层(0-1000米), 由于地面的摩擦而产生摩擦力. 近似地, 摩擦力与风速成正比:
7、F=-aV a是摩擦系数,V是速度.,北半球气压梯度力、科氏力和摩擦力的作用下的运动,33,上图代表较高层大气的运动受力情况，在没有摩擦力的情况下，大气运动基本上是气压梯度力和科氏力平衡下的运动。下图代表近地面层的大气运动受力情况，在有摩擦力的情况下，大气运动是气压梯度力、科氏力和摩擦力三者平衡下的运动。,地面低压对应着辅合上升运动，地面高压对应着辅散下沉运动,34,35,根据风向判断高压和低压,36,近地面气流和高空气流的差别,37,北半球和南半球的气旋运动,北半球,南半球,38,小结:,我们在本节主要讨论了气块的受力: 重力, 离心力, 科氏力, 气压梯度力和摩擦力.其中, 重力, 气压梯
8、度力和摩擦力是决定大气运动的基本力, 也称为真实力. 尤其是气压梯度力是驱动大气相对运动的主要动力.科氏力和离心力是地球旋转的惯性造成的.,39,大气运动的尺度划分:,40,小尺度运动：空间尺度以米为量级 持续时间：以分钟为量级,大漠孤烟直 长河落日圆,41,小尺度运动造成的沙丘和雪丘,42,高地上被风吹向一边的树,风欲静， 而树不止,中尺度，雷暴 空间尺度：几十公里；时间尺度：小时,43,44,海陆风 中尺度运动: 几十公里，小时,白天，陆面气温高气压低，水面相反，气压梯度方向由水面指向陆面。观测者感觉到的是向岸风。高层风向相反。陆面一侧形成上升气流，水面一侧形成下沉气流。陆面与水面温差的结
9、果形成了一个区域环流。如空气中水汽较多，可在陆面一侧形成对流云,45,海陆风造成的天气现象,季风，千公里、半年,46,47,山谷风，中尺度,48,大尺度运动: 气旋风暴，千公里，几天,49,大尺度：中高纬度的西风带急流和Rossby波动,50,作业:,什么是地转风? 影响它的力是什么?地面摩擦是怎样改变风向和风速的? 为什么地面风向穿越等压线, 而高空风平行等压线?假定风由北向南, 风速为10m/s, 计算在北纬45处的科氏力. 它怎样改变风向? 在南纬45科氏力的大小和风向怎样?热力对比是影响气压梯度力的关键. 结合海陆风,山谷风和季风, 讨论海陆温度和气压对比与风向的关系.举例说明天气系统的空间和时间尺度。,51,思考题：,科氏力的大小与自转速度有关，涡旋的出现的几率与科氏力有关。木星的自转速度比地球快得多，金星的自转速度比地球慢得多，相对来说哪个星球的大气易出现涡旋风暴?对于高压和低压中心，分别分析其受力情况，写出运动学方程，给出它们的解，并进行讨论（忽略摩擦力）。,
