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天气学原理和方法 知识点 2017 年5 月 第一章 大气运动的基本特征 §1.1 影响大气运动的作用力 1、大气运动受质量守衡、动量守衡和能量守衡等基本物理定律支配。 2、影响大气运动的真实力有气压梯度力、地心引力、摩擦力。影响 大气运动的视示力（外观力）有惯性离心力、地转偏向力。 3、气压梯度力： 作用于单位质量气块上的净压力称为气压梯度力；气压梯度力的方向 指向-▽P 的方向，即由高压指向低压的方向；气压梯度力的大小与 气压梯度成正比，与空气密度成反比。 4、地心引力：宇宙间任何两个物体之间都具有引力，其大小与两物 体的质量乘积成正比，与两物体之间的距离平方成反比。 5、摩擦力：单位质量气块所受的净粘滞力称为摩擦力。 6、惯性离心力： 7、地转偏向力： (1)地转偏向力A 与Ω 相垂直，而Ω 与赤道平面垂直，所以A 在 纬圈平面内。 (2)地转偏向力A 与V 相垂直，因而地转偏向力对运动气块不作功， 它只能改变气块的运动方向，而不能改变其速度大小。 (3)在北半球，地转偏向力A 在水平速度V 的右侧，南半球，地转偏 向力A 在水平速度V 的左侧。 (4)地转偏向力的大小与相对速度的大小成比例。当V=0 时，地转偏 向力消失。 8、气象上将单位质量大气所受到的地心引力与惯性离心力的合力称 为重力；气象上的重力，除在极地和赤道外，并不指向地球中心，在 任何地方都垂直于水平面；重力在赤道上最小，随纬度而增大，至极 地最大。 §1.2 控制大气运动的基本定律 1、气块在运动中其温度随时间的变化率，在气象上称为温度的个别 变化，也就是场变量的全导数；固定位置上温度随时间的变化率，在 气象上称为局地变化，也就是场变量的局地导数。 2、局地温度的变化等于气块运动中温度的个别变化（加热或冷却） 加上温度的平流变化和对流变化。 3、旋转坐标系大气运动方程： 4、连续方程： 当流体为不可压缩时，即流体在运动过程中其密度不 变（ ），则 ，即不可压缩流体的速度散度为零。 5、热力学能量方程： 是比容，第二项表示压力对单位质量空气的作功率，代表了热 能和机械能之间的转换，反映了大气动力过程与热力过程的相互联 系。正是这种相互联系和转换过程使太阳热能可以驱动大气运动。 §1.3 大尺度运动系统的控制方程 1、尺度分析是针对某种类型的运动估计基本方程各项量级的一种简 便方法。通过尺度分析，保留大项，略去小项，可以使方程得到简化。 2、零级简化只保留方程中数量级最大的各项，其他各项都略去不计。 一级简化除保留方程中数量级最大的各项外，还保留比最大项小一个 量级的各项，而将更小的各项略去不计。 3、大尺度运动系统的静力方程： 4、大尺度系统的连续方程： 5、热力学能量方程的零级简化： 表明大尺度系统中的局地温度变化是由温度平流和非绝热作用造成 的结果。 §1.4 “P”坐标系中的基本方程组 1、重力位势 ：单位质量的物体从海平面上升到高度z 克服重力所 2 2 作的功。位势的单位是焦耳/千克，量纲为m /s 。1 位势米=9.8 焦耳 /千克。 2、准静力平衡方程建立了p 和z 之间一一对应的函数关系，在等高 面上的水平气压梯度力，可用等压面上的位势梯度来表示。而位势梯 度就是等压面的坡度。水平气压梯度力的大小也表示了等压面坡度的 大小。等高面上计算水平气压梯度力时，只知道气压梯度还不够，还 必须知道该处的空气密度才能计算，而在等压面上计算时，只要根据 等位势线计算位势梯度即可，不必考虑密度的大小，所以用高空各层 等压面上的位势梯度就可以比较各层上的水平气压梯度力的大小。而 用等高面时，则各层的水平气压梯度力就不能作简单的比较。因此， 应用等压面图比用等高面图要方便得多。 3、P 坐标系中大气运动基本方程组： §1.5 风场和气压场的关系 1、满足水平地转偏向力和水平气压梯度力平衡的风称为地转风。 2、地转风的特点： （1）地转平衡只有在中纬度自由大气的大尺度系统中，当气流呈水 平 （无垂直）直线 （无弯曲）运动且无摩擦时才能成立。在赤道上， 水平地转偏向力等于零，不可能建立地转平衡关系，也不存在地转风。 在低纬处地转风与实际风差别较大，地转风原理不能应用。