大气科学导论-第三章(大气运动1).ppt

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1、大气科学导论大气科学导论何金海何金海 智协飞智协飞 周顺武周顺武 卢楚翰卢楚翰南京信息工程大学大气科学学院大气科学系南京信息工程大学大气科学学院大气科学系课程内容课程内容第一章第一章 概概 述述第二章第二章 大气的基本知识大气的基本知识第三章第三章 关于大气运动的基本规律关于大气运动的基本规律第四章第四章 气旋与反气旋气旋与反气旋第五章第五章 关于气团和锋的介绍关于气团和锋的介绍第六章第六章 关于天气预报的基本方法和技术关于天气预报的基本方法和技术第七章第七章 海气相互作用的产物海气相互作用的产物厄尔尼诺厄尔尼诺第八章第八章 气候变化气候变化1.为为什么地球是什么地球是椭圆椭圆球体？球体？2.

2、在在北北半半球球河河流流（如如：长长江江）的的左左右右两两岸哪一岸凹岸哪一岸凹?3.单单圈圈环环流流三圈三圈环环流流思考题思考题第三章第三章 大气运动的基本规律大气运动的基本规律第第 三三 章章 本本 章章 内内 容容第一节第一节 坐标系坐标系第二节第二节 受力分析受力分析第三节第三节 大气运动方程大气运动方程风压关系风压关系第第四四节节 大大气气运运动动方方程程组组对对方方程程的的求求解和分析解和分析x推力推力Ft=t0v=0s=0t=t1v=？s=？分析步分析步骤骤：1、建立坐、建立坐标标系系 2、分析小方、分析小方块块的受力情况的受力情况 3、建立方程：、建立方程：F=ma；v0=0 4

3、、求解方程得到、求解方程得到t1时时刻的刻的v和和s光滑表面光滑表面怎么分析大气运动？怎么分析大气运动？1、坐、坐标标系系运动总是相对的运动总是相对的建立相应的坐标系建立相应的坐标系Run with Bolt?参考系参考系运动是普遍的、绝对的。同一物体相对于不同的标准，具有不同的运动状况，这叫做运动的相对性。例如火车启动后，对坐在火车里的乘客来说，车厢中的行李架是静止的，而站台上的人却看到行李架是运动的。两位观察者研究该物体（行李架）运动时所选择的标准不同。要描述一个物体的位置和运动情况，就应该首先选定其他物体作为标准，并假定它（它们）是静止的，被选作标准的物体叫做参考系参考系。太阳参考系是惯

4、性参考系地球是非惯性参考系，它是旋转的参考系如何选择，原则上是任意的。在气象研究中通常都选地球作为参考系。气象上最常用的坐标系：球坐标，局地直角坐标自然坐标系p坐标系，坐标系，坐标系等。局地直角坐标系局地直角坐标系 自然坐标系自然坐标系 球坐标系球坐标系 局地直角坐标系：局地直角坐标系：x方向：与方向：与纬纬圈相切，向圈相切，向东为东为正正y方向：与方向：与经经圈相切，向北圈相切，向北为为正正z方向：向上方向：向上为为正正在地球上可随意移在地球上可随意移动动，在地球上的不同地点在地球上的不同地点（x,y,z）的方向是）的方向是变变化的；化的；又称：z坐标系 o:地面区域中心地面区域中心z:垂直

5、地面向上垂直地面向上 (天顶方向）天顶方向）y:与经圈相切向北与经圈相切向北x:与纬圈相切指向东与纬圈相切指向东忽略地球的曲面性。忽略地球的曲面性。局地直角坐标系的实质上是简化的球坐标系，它部分考虑地球的球面性：它保持球坐标系的标架方向，但忽略与地球曲率有关的力。但在高纬或极地附近二者的区别明显。但在高纬或极地附近二者的区别明显。局地直角坐标系局地直角坐标系局地直角坐标系局地直角坐标系笛卡尔直角坐标系笛卡尔直角坐标系1、标标架方向架方向变变化化 标标架方向固定架方向固定2、重力只出重力只出现现在在 z方向方向 重力一般在水平面上也有分量重力一般在水平面上也有分量 在中高纬度地区，当所考虑范围不

6、是很大时，在中高纬度地区，当所考虑范围不是很大时，切平面与球面差别不是很大，两坐标系的区别也切平面与球面差别不是很大，两坐标系的区别也不大。但在高纬或极地附近二者的区别明显。不大。但在高纬或极地附近二者的区别明显。局地直角坐标系局地直角坐标系在一个不大的范围内，又可以将在一个不大的范围内，又可以将（x,y,z）的方的方向看成不变；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。采用球坐标系，其余情况采用局地直角坐标系。局地直角坐标系：局地直角坐标系：北京北京纽约纽约xx北京的西风北京的西风 Vs 纽约的西

7、风纽约的西风2、受力分析、受力分析Q1：对谁做受力分析？：对谁做受力分析？Q2：受到哪些力？：受到哪些力？一、空气微团（流点、质块、质点）与连续介质假设一、空气微团（流点、质块、质点）与连续介质假设L2L1L3假假设设：流点的：流点的线线尺度尺度为为L2 分子的平均分子的平均间间距距为为L1 流流动动（运（运动动）范）范围线围线尺度尺度为为L3 则则：L1 L2 P1 P0气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力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，这种风称为匀速直线运动，这种风称为“地转风地转风”，这种平衡称，这种平衡

8、称为为“地转平衡地转平衡”。气气压压梯度力梯度力+地地转转偏向力偏向力=0风沿等压线吹，背风而立，高压在右（北半球）风沿等压线吹，背风而立，高压在右（北半球）二、水平方向二、水平方向2、若等压线为圆形，且中心气压高，向外降低，、若等压线为圆形，且中心气压高，向外降低，称为称为“高压高压”。在。在 无摩擦情况下：无摩擦情况下：P0P1气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力V惯性离心力惯性离心力此平衡称为此平衡称为“梯度风平衡梯度风平衡”，此时的风称为，此时的风称为“梯度风梯度风”。北半球，高压中，风呈顺时针旋转，称为北半球，高压中，风呈顺时针旋转，称为“反气旋反气旋”地地转转偏向力偏向力+惯惯

9、性离心力性离心力+气气压压梯度力梯度力=03、若等压线为圆形，且中心气压低，向外升高，、若等压线为圆形，且中心气压低，向外升高，称为称为“低压低压”，在，在 无摩擦情况下：无摩擦情况下：P1P0地转偏向力地转偏向力气压梯度力气压梯度力V惯性离心力惯性离心力地地转转偏向力偏向力+惯惯性离心力性离心力+气气压压梯度力梯度力=0此平衡称为此平衡称为“梯度风平衡梯度风平衡”，此时的风称为，此时的风称为“梯度风梯度风”。北半球，低压中，风呈逆时针旋转，称为北半球，低压中，风呈逆时针旋转，称为“气旋气旋”4、若有摩擦存在，以平行直线等压线为例、若有摩擦存在，以平行直线等压线为例P0P1P2气压梯度力气压梯

10、度力地转地转偏向力偏向力FVVgD称为称为“地转偏差地转偏差”地转偏差，指向摩擦力的右侧，且与之垂直，地转偏差，指向摩擦力的右侧，且与之垂直，指向低压一侧指向低压一侧地转偏差的作用：地转偏差的作用：低压低压 辐辐 合合 上升运动上升运动 恶劣天气恶劣天气高压高压 辐辐 散散 下沉运动下沉运动 好天气好天气思考题1.旋旋转转参考系中运参考系中运动动方程的矢量形式？方程的矢量形式？2.地球旋地球旋转转（自（自转转）会）会产产生哪些力？生哪些力？3.为为什么地球不可能是一个什么地球不可能是一个绝对绝对球体？球体？4.在赤道上，水平运在赤道上，水平运动动有没有科氏力？有没有科氏力？5.惯惯性离心力是怎么性离心力是怎么产产生的？如果空气微生的？如果空气微团团不运不运动动是否有此力？是否有此力？