第一章概论及流体力学基础

动力气象学王树舟[e-mail]南京信息工程大学大气科学学院•概论及流体力学基础1•运动方程及尺度分析2•自由大气中的平衡运动3•环流定理与涡度方程4•大气边界层5•大气能量学6•大气波动及不稳定理论7章节安排第一章概论及流体力学基础学科特点研究对象、任务和方法动力气象学的发展流体力学基础学科特点动力气象学是应用物理学定律和数学方法，研究大气运动的动力过程、热力过程及之间的关系，从理论上探讨大气环流、天气系统演变和其他大气运动过程的学科，是大气科学的一个重要分支学科和带头学科。研究对象，任务，方法1.本课程研究的对象：大尺度大气大气中发生的天气过程在日常天气图上可见，影响日常天气研究对象，任务，方法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研究对象，任务，方法3、方法：物理基础：将大气视为可压缩连续流体，这是研究大气运动的基本出发点，可广泛应用流体力学和热力学的原理不去研究声、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，近似方法步骤：气象问题→物理模型→数学模型→求解→解释原问题动力气象发展挪威学派1904年，V.皮耶克尼斯以力学和物理学的观点，制订了研究天气预报计划；同一年他建立了描写旋转地球大气运动方程组，这是将流体力学、物理学的观点引入气象科学，研究大气运动规律的开端。1920年前后，V.皮耶克尼斯和J.皮耶克尼斯概括了温带气旋生命史，提出了著名的极锋气旋学说。流体力学基础芝加哥学派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。准地转和地转适应理论（Rossby，1938）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）20世纪60年代以后的发展1.热带大气动力学2.中小尺度动力学3.大气环流持续异常或气候异常动力学4.非线性大气动力学。。。本课程涉及30－60年代理论。主要参考教材《新编动力气象学》（李国平等）、《动力气象学》（吕美仲等）流体力学基础分析流体运动的两种方法，1.拉格朗日方法以流体中某一物质体积元（又称微团）为研究对象，研究它的空间位置及其物理属性随时间的变化规律。2.欧拉方法以流体空间中某一固定体积元为研究对象，研究不同微团通过某一固定点时的运动状态，从而掌握流场中各物理量的空间分布及其变化规律。流体力学基础Lagrange变量Euler变量的具体方法：①利用Lagrange变量，对时间t求偏导数，求解各流点的流速；②在速度表达式中，消去Lagrange参数（x0,y0,z0），即可得到Euler变量。流体力学基础牵连变化=平流变化+对流变化流体的物理性质主要表现为流动性、黏性和压缩性。流体力学基础V涡度矢①涡度的定义定义涡度矢为矢量微商符和速度矢的矢性积，即：ijkwvuwvuVijkxyzyzzxxyuvwV度，顺时针，反气旋式涡，无旋，逆时针，气旋式涡度000流体力学基础②散度的定义定义散度为矢量微商符和速度矢的数性积，即：zwyvxuV散度V，辐合，无辐散，辐散000DDD（1）定义流线：是指在某一固定时刻，处处与风向相切并指向气流方向的曲线。轨迹：是指在某一段时间内个别空气块运动的路径。（2）流线能表现在某一时刻的天气图上，而轨迹却不能。所以日常中，等压线、等高线近似为流线，不能当作轨迹线。流体力学基础需要掌握的重点动力气象发展史拉格朗日方法和欧拉方法涡度和散度流线和迹线个别变化和局地变化