天氣學(xué)原理和方法(1-5)

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1、天氣學(xué)原理和方法第一章大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征地球大氣的各種天氣現(xiàn)象和天氣變化都與大氣運(yùn)動(dòng)有關(guān)。大氣運(yùn)動(dòng)在空間和時(shí)間上具有很寬的尺度譜，天氣學(xué)研究的是那些與天氣和氣候有關(guān)的大氣運(yùn)動(dòng)。大氣運(yùn)動(dòng)受質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。為了應(yīng)用這些物理定律討論在氣象上有意義的相對(duì)于自轉(zhuǎn)地球的大氣運(yùn)動(dòng)，本章首先討論影響大氣運(yùn)動(dòng)的基本作用力，和在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中所呈現(xiàn)的視示力，然后導(dǎo)出控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組，并在此基礎(chǔ)上分析大尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)壓場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的關(guān)系，并引出天氣圖分析中應(yīng)遵循的一向基本指導(dǎo)原則。第一節(jié)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)方程及作用力分析一、旋轉(zhuǎn)

2、坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)方程1.（絕對(duì)速度）與（相對(duì)速度）假設(shè)時(shí)刻一空氣質(zhì)點(diǎn)位于P點(diǎn)，經(jīng)時(shí)間，質(zhì)塊移到Pa點(diǎn)，地球上的固定點(diǎn)P移到了Pe位置位移為R，質(zhì)塊相對(duì)固定地點(diǎn)的位移為R，圖1.1旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系顯然當(dāng)0位移很小時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的位移為由此得此關(guān)系式表明：絕對(duì)速度等于相對(duì)速度與牽連速度之和2．與的關(guān)系　　地球自轉(zhuǎn)角速度為　　　則　　于是　由此可得微分算子將微分算子用于則有再將代入上式右端得　　　　?。?）式中為地轉(zhuǎn)偏向力加速度，即柯氏加速度為向心力加速度3．牛頓第二定律單位質(zhì)量的空氣塊所受到的力在絕對(duì)坐標(biāo)系中單位質(zhì)量空氣塊受到的力有+：地心引力F：摩擦力將此式

3、代入（*）式：二、作用力分析1．氣壓梯度力①定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量空氣塊所受的凈空氣的壓力②表達(dá)式　　　G=-　　　　　　　　　(1.1)③推導(dǎo)：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1.1.2　作用于氣塊上的氣壓梯度力的X分量x方向：B面PA面：-（P+?凈壓力：-同理y方向：z方向：　凈空氣總壓力　　　　　　?、苡懻摚捍笮。簹鈮禾荻攘Φ拇笮∨c氣壓梯度成正比，與空氣密度成反比　　方向：氣壓梯度力的方向指向的方向，即由高壓指向低壓的方向2．地心引力①定義：地球?qū)挝毁|(zhì)量的空氣塊所施加的萬(wàn)有引力?②表達(dá)式　　　　　　　　　(1.2)?K：萬(wàn)有引力常量?

4、M：地球質(zhì)量?a：到地心的距離?③推導(dǎo)：?　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1.1.3　地心引力受力分析圖?④討論：?大?。骸〔蛔儯?shù)　　　　　　　　　　方向：　指向地球心3．慣性離心力①定義：觀測(cè)者站在旋轉(zhuǎn)地球外觀測(cè)單位質(zhì)量空氣塊所受到一個(gè)向心力的作用，但站在轉(zhuǎn)動(dòng)地球上（觀測(cè)它的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)它是靜止的，這必然引入一個(gè)與向心力大小相同，方向相反的力，此力稱(chēng)為慣性離心力。②表達(dá)式　　　　　?。?.5）③推導(dǎo)：代入，則　　　　　　　　　　圖1.1.4旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的慣性離心力④討論：大?。号c緯度成反比，赤道處最大方向：在緯圈平面內(nèi)，

5、垂直地軸指向內(nèi)4．重力①定義：地心引力與慣性離心力的合力　　　　　　　　　　　　　　圖1.1.5　重　力②表達(dá)式：　　?。?.8）③討論：大?。弘S緯度增大而增大?方向：垂直地球表面指向內(nèi)5．地轉(zhuǎn)偏向力①定義：觀測(cè)者站在轉(zhuǎn)動(dòng)地球上觀測(cè)單位質(zhì)量空氣塊運(yùn)動(dòng)（），發(fā)現(xiàn)在北半球有一個(gè)向右偏的力，在南半球它向左偏。此力就稱(chēng)為地轉(zhuǎn)偏向力。②表達(dá)式　　　　　　　　　　?。?.7）③推導(dǎo)：見(jiàn)《流體力學(xué)》　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1.1.6　地轉(zhuǎn)偏向力　　　　　　　　?、苡懻?大小:與成正比,與夾角也成正比方向:垂直地軸和,指向右(北半球

6、)　※只能改變運(yùn)動(dòng)方向，但不能改變的大小6．摩擦力這里所說(shuō)的摩擦力是指大氣因具有粘性，當(dāng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的一種粘性力。第二節(jié)基本方程組一．運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程　　　　　(1.16)二．狀態(tài)方程狀態(tài)方程三．連續(xù)方程1．各種形式的連續(xù)方程(1).質(zhì)量散度形式的連續(xù)方程:(2)．速度散度形式的連續(xù)方程：(3).不可壓縮流體的連續(xù)方程：　2．質(zhì)量散度形式的連續(xù)方程的推導(dǎo)單位時(shí)間方向流入A面的質(zhì)量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1.2單位體積的質(zhì)量?jī)袅髁糠较蛄鞒鯞面的質(zhì)量?jī)袅鞒鲑|(zhì)量同理，　方向：　　　　方向：總凈流出：　　　　　

7、根據(jù)質(zhì)量守恒原理：　　　　　　　　　　　　　　(1.34)3.討論：含義：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)固定的單位體積的質(zhì)量改變量。大于零表示凈流出，質(zhì)量減少；小于零表示凈流入，質(zhì)量增加。四．熱力學(xué)能量方程熱力學(xué)能量方程第三節(jié)大尺度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的控制方程一．大氣分類(lèi)大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分類(lèi)行星尺度KM大尺度KM中尺度KM小尺度KM二．引入特征尺度特征尺度的含義：特征尺度是表示特定類(lèi)型運(yùn)動(dòng)（如大尺度運(yùn)動(dòng)或小尺度運(yùn)動(dòng)）的空間范圍和時(shí)間區(qū)間的物理量或其它特性一般大小的一種尺度，也就是用來(lái)表示特征值的尺度?例如：　　　　?就是特征尺度大尺度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在中緯度地區(qū)，特征尺度數(shù)量級(jí)，采用

8、制　　三．運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化水平方向的運(yùn)動(dòng)方程的尺度分析表1水平運(yùn)動(dòng)方程的尺度分析分量各項(xiàng)尺度　　　　　　　數(shù)量級(jí)（米/）　　　　　　　　表2垂直運(yùn)動(dòng)方程的