动力气象学 大气科学学院 王文.

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1 动力气象学 大气科学学院 王文

2 教材： 吕美仲等，动力气象学，气象出版社，2004 参考教材： 1.吕克利等，动力气象学，南京大学出版社，1996 2.HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press, Fourth Version, 2004 3.刘式适等，大气动力学（第二版），北京大学出版社，2011

3 第一章 绪论 动力气象学是气象科学的一个分支，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，以及它们之间的相互关系，从理论上探讨大气环流、天气系统演变和其它大气运动过程的学科。 动力气象学又是流体力学的一个分支——地球流体力学的主要组成部分。 动力气象学是大气科学的基础理论。

4 大气科学的目的： 天气预报；气候预测 大气科学的研究方法： 观测(诊断)分析；理论研究；数值模拟 大气科学的特点： 已观测事实为基础 大气科学的分支： 大气动力学、大气物理学、天气学、气候学，…

5 动力气象学的基础知识： 高等数学；流体力学；天气气候学 学科特点和学习方法： 物理学为基础，数学为工具，观测事实为依据 知识的延拓和提升： 同一教材前后的贯通，不同教材的横向连接，不同分支之间的联系，重大天气气候的联想。

6 1、叶笃正，李崇银，大气运动中的适应问题，科学出版社，1965 2、Lorenz，大气环流的性质和理论，科学出版社，1976。
 参 考 书 目： 1、叶笃正，李崇银，大气运动中的适应问题，科学出版社，1965 2、Lorenz，大气环流的性质和理论，科学出版社，1976。 3、Haltiner, G, Numerical Prediction and Dynamical Meteorology, 1980(有中译本) 4、小仓义光，大气动力学原理，科学出版社，1980 5、Holton，动力气象学引论，科学出版社，1980 6、郭晓岚，大气动力学，江苏科技出版社，1981

7 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出版社，1981 8、伍荣生等，动力气象学，上海科技出版社，1983。
 参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出版社，1981 8、伍荣生等，动力气象学，上海科技出版社，1983。 9、杨大升，刘余滨，刘式适，动力气象学，气象出版社（修订本），1983 10、栗原宜夫，大气动力学入门，气象出版社，1984 11、李崇银等，动力气象学概论，气象出版社，1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 2nd ed, 1987

8 13、陈秋士，天气和次天气尺度系统动力学，科学出版社，1987 14、Hoskins等，大气中大尺度动力过程，气象出版社，1987
 参 考 书 目： 13、陈秋士，天气和次天气尺度系统动力学，科学出版社，1987 14、Hoskins等，大气中大尺度动力过程，气象出版社，1987 15、Gill，大气-海洋动力学，海洋出版社，1988 16、叶笃正，李崇银，王必魁，动力气象学，科学出版社，1988。 17、吕美仲，彭永清，动力气象学教程，气象出版社，1990 18、巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学，气象出版社，1993 19、余志豪，杨大升等，地球物理流体动力学，气象出版社，1996

9 21、伍荣生，大气动力学（修订版），高等教育出版社，2002
 参 考 书 目： 20、吕克利等，动力气象学，南京大学出版社, 1996 21、伍荣生，大气动力学（修订版），高等教育出版社，2002 22、HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press, Fourth Version, 2004 23、李国平，新编动力气象学，气象出版社，2006 24、贺海晏，简茂秋，乔云亭，动力气象学，气象出版社，2010 25、刘式适，刘式达，大气动力学（第二版），北京大学出版社，2011

10 §1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。 大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这些场变量都是时间和空间的连续函数； 理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体

11 §1.2 地球大气的运动学和热力学特性 大气是重力场中的旋转流体。 大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重要性质之一；科里奥利力的作用。 大尺度运动中科里奥利力作用很重要。中纬度大尺度运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平衡——地转平衡。 地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西风带中的波动有关。 稳定性作用——位能、动能的转换——锋面。

12 大气是层结流体。 大气的密度随高度是改变的——层结稳定度。 不稳定层结大气中积云对流；稳定层结大气中重力内波。 大气中含有水份。 相变潜热——低纬度扰动和台风的发展 大气的下边界是不均匀的。 湍流性；海陆分布和大气环流。

13 §1.3 大气运动的多尺度性 空间尺度——空间范围 积雨云、飑线、背风波、热带云团；温带气旋、西风带中的长波；超长波、热带辐合带。 相互作用——反馈——CISK 非线性 尺度分析

14 §1.4 动力气象学的发展简史与发展动向 18世纪，力学、物理学、化学和数学等基础科学的发展，观测仪器地陆续发明，气象科学由纯定性的描述进入了可定量分析的阶段，这是气象科学发展过程中的一次飞跃。 1820年，布兰德斯绘制了气象历史上第一张天气图，创立了近代天气分析和天气预报的方法。这是气象科学发展过程中又一次飞跃。

15 1835年提出科里奥利力的概念，1857年白贝罗建立了风压场关系的经验定律，成为地球大气动力学和天气分析的基石。
动力气象学起源于北欧。 1897年，V.皮耶克尼斯建立了旋转地球大气中的环流理论；1904年V.皮耶克尼斯以力学和物理学的观点，建立了描写旋转地球大气运动方程组. 在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，提出了极锋气旋学说，形成了挪威(卑尔根)学派。

16 在这个时期,v.皮耶克尼斯和J.皮耶克尼斯等人撰著的三卷巨著《动力气象学和水文学》(《静力学》,《运动学》,《物理流体力学及其在动力气象学上的应用》),是对他们本人和本学派研究成果的系统总结。
前苏联也有以柯钦为首的一些学者所做的一系列工作。 20世纪30年代，无线电探空仪获取了高空气象探测资料，发现高空西风气流之上叠加有长波。 1939年罗斯贝引进β平面近似，创建了著名的长波理论。1941年以来，形成了气象科学的芝加哥学派。

17 芝加哥学派在20世纪40年代主要贡献有：提出了大气运动的地转适应理论(罗斯贝，1938年)；长波能量频散理论(罗斯贝，1949年；叶笃正，1949年)；发现了西风带中的急流并研究了其在大气环流中的作用(罗斯贝，1947年；帕尔门，1951年)；提出了大气运动尺度分析理论(恰尼，1948年)；提出了长波斜压不稳定理论(恰尼，1947年；伊迪，1949年)及长波正压不稳定理论(郭晓岚，1949年)等。这些创新的研究成果是动力气象学历史上的重大发展。

18 中纬度大尺度运动的准地转体系的建立，奠定了数值预报理论基础。在50年代初首次成功地制作出数值天气预报(恰尼、费约托夫、冯·诺伊曼，1950年)，开始了将动力气象学理论应用于制作客观定量预报的新阶段。
菲利普斯利用两层准地转模式，成功地对大气环流进行数值模拟试验。 数值天气预报和大气运动的数值试验是气象科学从定性的、描述性的科学发展成定量的、试验性数理学科的重要标志。

19 20世纪50年代以后，特别是60年代以来卫星技术、空基和地基遥感技术，以及计算机技术在大气科学广泛应用，气象探测资料大量增加，处理原始探测资料能力迅速提高，促进了动力气象学进一步发展。
对热带大气运动的研究，提出了第二类条件不稳定理论(恰尼，1964年)和波动型第二类条件不稳定理论(斯蒂文斯和林赞，1978年)；提出了赤道波动理论(松野，1966年)和积云对流参数化(郭晓岚，1965年)。 低纬大气行星波的活动，积云对流反馈，中低纬度相互作用和海气相互作用，热带地区数值预报研究。

20 中小尺度动力学 1951年利达创造了“中尺度”(mesoscale)一词。 60年代建立了中尺度运动的方程组(小仓、菲利普斯，1962年；巢纪平，1962年；达顿、菲希特尔，1962年)。研究了中尺度重力惯性波的结构和传播特征。 研究了斜压大气中一般切变气流的稳定的充分条件(米勒斯定理，半圆定理，1961年)；提出了对称不稳定和条件对称不稳定概念及其不稳定条件(霍斯金斯，1974年，伊曼纽，1979年)；研究了中尺度环流的强迫机制和中尺度环流与大尺度环流相互作用等。 中尺度数值预报。

21 平流层大气动力学 平流层爆发性增温、准两年振荡。 20世纪50年代，短期大尺度数值预报取得成功 80年代，中期预报取得突破性进展。 欧洲数值预报中心的业务预报的有用的预报时效已达到10天左右。 大气环流模式进行模拟试验是近代气象科学最重要的成就之一。

22 经济发展战略制订的需求 20世纪70年代以来，全球范围的气候异常，世界面临着日益严重的粮食、能源、水资源危机，和生态环境恶化问题，分析气候异常原因，预测气候异常的出现。 大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。 球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理(霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等，1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和短期气候预报提供了理论基础。

23 1963年洛伦兹提出了“确定性非周期流”的概念，反映出一个强迫耗散非线性系统的某些基本特征。他提出了分岔和怪引子与混沌理论，阐明了一个确定性系统由于内部非线性作用而引起变化的不确定性，即确定性系统具有内在的随机性，从理论上给人们展现了非线性系统的复杂性和演化形态的多样性。 此后，气象学家重视了对大气动力学领域中大气运动的多平衡态，大气环流突变，大气非线性波，非线性不稳定，以及不同尺度运动间相互作用等的研究。

24 作为气象科学的基础理论学科，动力气象学已取得了一系列的突破性进展，它促进了整个气象科学的进步，使得气象科学由定性的描述性科学已发展成为建立在坚实的数理基础上，和试验室模拟试验、数值模拟试验以及综合性现场(全球或局部地区)观测试验基础上的定量和试验性科学。 20世纪40年代在大尺度动力学理论取得重大进展和数值模拟试验取得成功之后，促进了中尺度气象学、中层大气科学、热带气象学等学科的发展，促进了数值预报和全球大气环流数值试验——动力气候学的产生与发展，促进了环境科学的兴起与发展。

25 发展方向 运动系统作为三维、瞬变、具有强迫耗散的非线性动力学来研究；
重视理论研究者与从事观测资料分析的研究者之间的合作，共同分析研究观测到的大气运动特征； 在研究方法上，观测分析、解析研究、数值模拟齐头并进。 抓中间，促两头：中尺度天气预报，月和季中长期预报及短期气候预测。 海气、陆气耦合。

26 学科特点： 动力气象学属数理性质学科，应着重对物理概念和基本原理的理解，也要掌握如何将数学方法应用到理论研究之中。 1。理解概念； 2。掌握数学的应用； 3。物理解释。