《大气静力学》PPT课件.ppt

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1、 第四节第四节 主要气象要素主要气象要素气象要素：表征大气状态和现象的物理气象要素：表征大气状态和现象的物理量。例如，气温、空气湿度、气压、风量。例如，气温、空气湿度、气压、风一、气温一、气温1、定义：表示空气冷热程度的物理量、定义：表示空气冷热程度的物理量2、温标、温标摄氏温标摄氏温标华氏温标华氏温标绝对温标绝对温标单位单位FK常用符号常用符号tFT关系关系：3、观测、观测地面气温指离地地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶（我国）高处百叶箱里的气温箱里的气温二、气压二、气压1、定义：大气压力、定义：大气压力2、单位：国际单位、单位：国际单位 帕（帕（Pa)气象上常用气象上常用 百帕（百帕（

2、hPa）标准大气压标准大气压 =1013.25 hPa3、测量：、测量：n n三、空气湿度三、空气湿度1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。程度的物理量。2、水汽达饱和、水汽达饱和3、湿度参量、湿度参量(p19)由水汽和平面纯水（或由水汽和平面纯水（或纯水）组成的系统，在某温纯水）组成的系统，在某温度下达到两相平衡时，称为度下达到两相平衡时，称为水汽达饱和。水汽达饱和。有很多个有很多个1）水汽混合比）水汽混合比r单位：单位：kg/kg2)比湿比湿 q单位：单位：kg/kgq于于r的关系：的关系：3)绝对湿度（水汽密度绝对湿度（水汽密度)单位：单

3、位：kg/m3V为湿空气体积为湿空气体积4）水汽压）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位：湿空气中水汽的分压强。单位 为为hPa相对于纯水相对于纯水(冰）平面的饱和水汽压冰）平面的饱和水汽压 E w（Ei），仅是温度的函数，随温度升高而增大），仅是温度的函数，随温度升高而增大饱和水汽压计算公式（饱和水汽压计算公式（p21）5）相对湿度）相对湿度 f6）露点）露点 td、霜点、霜点 tf湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯水水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于纯纯冰冰平面达饱和时

4、的温度称为霜点。平面达饱和时的温度称为霜点。四、风四、风1、风的概念、风的概念1）空气相对运动形成风）空气相对运动形成风大气科学中的风以地面为参照大气科学中的风以地面为参照物，分水平风、垂直风物，分水平风、垂直风2）风是矢量，水平风是二维矢量）风是矢量，水平风是二维矢量3）水平风有两种描述方法：分量法、）水平风有两种描述方法：分量法、方向大小法方向大小法2、风向、风向1）指风的来向）指风的来向2）表示方法：用）表示方法：用16个地理方位个地理方位用方位角用方位角3、风速、风速表示方法表示方法1）单位时间里空气所经过的距离。）单位时间里空气所经过的距离。单位：单位：m/s、mile/hNWNSW

5、ESESWNE地面风向表示方法地面风向表示方法在在地地面面天天气气图图上上，用用下下列列图图示示来来表表示示风风，风风尾尾长长划划风风速速为为4米米/秒秒，即即风风力力为为2级级，短短划划风风速速为为2米米/秒秒。一一个个风风旗旗，表表示示风风力力为为8级级。风风尾尾和和风风旗旗均均放在风杆的左侧。放在风杆的左侧。西南风5级东南风12级天气图上风的表示方法天气图上风的表示方法2)风级风级1.热带低压热带低压(中心附近最大风力中心附近最大风力67级级)2.热带风暴热带风暴(89级级)3.强热带风暴强热带风暴(1011级级)4.台风台风(12级级)。例如，热带气旋用风级划分为：例如，热带气旋用风级

6、划分为：第五节第五节 大气静力学方程大气静力学方程 一、方程推导一、方程推导假定大气处于静力平衡假定大气处于静力平衡状态，即大气相对于地状态，即大气相对于地面静止，达到力的平衡。面静止，达到力的平衡。任取一块截面积为任取一块截面积为1m2，厚度为厚度为dz的铅直气柱，的铅直气柱，对它进行受力分析对它进行受力分析（）称为大气静力学方程的微分形式（）称为大气静力学方程的微分形式（）称为大气静力学方程的导数形式（）称为大气静力学方程的导数形式当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静力学方程精确成立。力学方程精确成立。当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学当大气有弱的

7、垂直加速度时，大气静力学方程近似成立。方程近似成立。二、适用条件二、适用条件 大气运动具有准水平性，即任意时刻大大气运动具有准水平性，即任意时刻大部分空间范围的大气以水平运动为主。垂直部分空间范围的大气以水平运动为主。垂直加速度一般小于加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度至少比重力加速度至少小小4个数量级。个数量级。大气静力学方程不仅适用于静止大气，而大气静力学方程不仅适用于静止大气，而且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动的大气（见图）的大气（见图）三、应用三、应用1、用来定义平衡气压（大气静力学气压）、用来定义平衡气压（大气静力学气压）对（

8、）式两边积分对（）式两边积分，得得即以某高度即以某高度z1上的平衡气压等于从该高上的平衡气压等于从该高度直到大气上界的单位截面铅直气柱的重量。度直到大气上界的单位截面铅直气柱的重量。2、求气压阶、求气压阶hp (p31)1）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对应的几何高度增加量应的几何高度增加量3）影响因子）影响因子3、计算气压标高、计算气压标高Hp1）定义）定义标高分气压标高和密度标高，这里只介绍前者标高分气压标高和密度标高，这里只介绍前者 气压标高表示气压随高度的变化气压标高表示气压随高度的变化趋势，定义式为趋势，定义式为 (平面平行大气的假设下平面平行大

9、气的假设下)2）计算式）计算式3）等温大气的标高）等温大气的标高对（）式变形后两边积分，得对（）式变形后两边积分，得对于等温大气，对于等温大气，Tv不随高度变化，不随高度变化，故故Hp也不随高度变化，所以也不随高度变化，所以对于等温大气，对于等温大气，Hp在数量上等于气压在数量上等于气压减小到起始气压的减小到起始气压的1/e所需要的高度增量。所需要的高度增量。4、用来推导模式大气的压高公式、用来推导模式大气的压高公式压高公式：表明气压与高度间关系的公式。压高公式：表明气压与高度间关系的公式。模式大气：是满足一定假设条件的大气。模式大气：是满足一定假设条件的大气。1）等温大气）等温大气a)定义：

10、虚温或温度不随高度变化的大气定义：虚温或温度不随高度变化的大气b)压高公式压高公式：把（）代入，有把（）代入，有在气象观测中，常用（）求算等在气象观测中，常用（）求算等压面位势高度和海平面气压换算。压面位势高度和海平面气压换算。c)上界（上界（p=0 的高度）：无上界的高度）：无上界2）多元大气）多元大气a)定义：气温随定义：气温随高度线性变化的高度线性变化的大气称大气称 为多元为多元大气。大气。b)压高公式：设压高公式：设，代入大气静力学方程中可推，代入大气静力学方程中可推导出导出c)上界：上界：3）均质大气）均质大气a)定义：空气密度不随高度变化的定义：空气密度不随高度变化的大气称为均质大

11、气。大气称为均质大气。b)压高公式压高公式：c)上界：上界：数值上等于低层大气的标高。数值上等于低层大气的标高。卓奥友峰卓奥友峰 8201米米8000米是米是人类生存人类生存的极限的极限d)铅直温度递减率铅直温度递减率由均质大气压高公式和状态方程，由均质大气压高公式和状态方程，求得均质大气铅直温度递减率为：求得均质大气铅直温度递减率为：变形，得变形，得由（）式发现，由（）式发现，所以，所以，也称为自由对也称为自由对流铅直温度递减率流铅直温度递减率四、标准大气四、标准大气1、定义（、定义（WMO的定义）的定义）所谓标准大气，就是能够粗略地反所谓标准大气，就是能够粗略地反映出周年、中纬度状况的，得

12、到国际上承映出周年、中纬度状况的，得到国际上承认的，假定的大气温度、压力和密度的垂认的，假定的大气温度、压力和密度的垂直分布。直分布。它的典型用途是作为压力高度计它的典型用途是作为压力高度计校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、弹道制表和气象制图的基准。假定空气服弹道制表和气象制图的基准。假定空气服从使温度、压力和密度与位势发生关系的从使温度、压力和密度与位势发生关系的理想气体定律和流体静力学方程。理想气体定律和流体静力学方程。在一个在一个时期内，只能规定一个标准大气，这个标时期内，只能规定一个标准大气，这个标准大气，除相隔多年做修正外，不允许经准大气，除相隔

13、多年做修正外，不允许经常变动。常变动。2、美国、美国1976年标准大气：年标准大气：是对美国是对美国1962年标准大气的修正，年标准大气的修正，它表示了中等太阳活动期间，由地面到它表示了中等太阳活动期间，由地面到1000km的理想化、静态的中纬度平均的理想化、静态的中纬度平均大气结构。大气结构。3、我国国家标准、我国国家标准：我国国家标准总局规定，在建立我国我国国家标准总局规定，在建立我国自己的标准大气之前，可使用自己的标准大气之前，可使用1976年美国年美国标准大气，取其标准大气，取其30 km以下部分作为国家以下部分作为国家标准。标准。第六节第六节 气压场气压场气压场：气压的空间分布。气压

14、的三维气压场：气压的空间分布。气压的三维空间分布称为空间分布称为空间气压场空间气压场；气压的水平；气压的水平分布称为分布称为水平气压场水平气压场。书签 气气压 hPa 亚洲洲:10月月 11日日 北京北京时间 08:00一、基本概念一、基本概念1、等高面图、等高面图等压面：指空间气压相等各点组成的等压面：指空间气压相等各点组成的 曲面，见下页图曲面，见下页图等高面：海拔高度相同的各点组成的等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面曲面等高面上的等压线：是等高面上气压等高面上的等压线：是等高面上气压相同点的连线。是等压面与等高面的相同点的连线。是等压面与等高面的交线。交线。目前地面天气图，就是高度为零

15、的等高目前地面天气图，就是高度为零的等高面图，在地图上填上海平面气压值，绘面图，在地图上填上海平面气压值，绘制等压线，此外，地面天气图上还标有制等压线，此外，地面天气图上还标有其他天气符号和等值线。其他天气符号和等值线。2、等压面图、等压面图用高度间隔相等的若干等高面去截用高度间隔相等的若干等高面去截某等压面某等压面P，将所得截线即等高线都投，将所得截线即等高线都投影到水平面上，便得影到水平面上，便得P等压面上的许多等压面上的许多等高线。构成等压面图的主体。等高线。构成等压面图的主体。目前气象台绘制的高空天气图就目前气象台绘制的高空天气图就是一组等压面图。其上除等高线，还是一组等压面图。其上除

16、等高线，还有其他等值线和天气符号。有其他等值线和天气符号。注：这里的高度为位势高度注：这里的高度为位势高度位势位势500hPagpdm500hPagpdm亚洲亚洲:10:10月月1111日日 北京时间北京时间08:0008:003、位势高度、位势高度1）重力位势）重力位势把单位质量的物体从海平面上（重力位把单位质量的物体从海平面上（重力位势为零）抬升（沿任意路径）到势为零）抬升（沿任意路径）到Z高度时，高度时，外力克服重力所作的功。外力克服重力所作的功。2）位势米）位势米gpm 质量为质量为1千克的物体在标准重力加千克的物体在标准重力加速度速度g0下，上升下，上升1m所增加的势能为所增加的势能

17、为1位位势米。势米。3）位势高度与几何高度的关系）位势高度与几何高度的关系4）计算位势高度的测高公式）计算位势高度的测高公式已知两个气压，求气压间的位势高度已知两个气压，求气压间的位势高度对（）两边微分，有对（）两边微分，有把（）和状态方程代入大气静力学方把（）和状态方程代入大气静力学方程中，有程中，有（）可化为（）可化为（）式两边积分，有（）式两边积分，有则（）式化为则（）式化为二、气压场的基本型式二、气压场的基本型式(1)低气压(简称低压)，其等压线闭合，中心气压低，向外逐渐增高。空间等压面向下凹，形如盆地。（2）高气压）高气压(简称高压简称高压)，其等压线，其等压线闭合，中心气压高，向外

18、逐渐减低。闭合，中心气压高，向外逐渐减低。空间等压面向上凸形状，形似山空间等压面向上凸形状，形似山丘。(3)低压槽低压槽(简称槽简称槽)。是低压向外伸出的狭长部分，。是低压向外伸出的狭长部分，或一组未闭合的等压线向气压较高的方突出的部分。或一组未闭合的等压线向气压较高的方突出的部分。在槽中，各等压线弯曲最大处的连线叫槽线。气压在槽中，各等压线弯曲最大处的连线叫槽线。气压沿槽线最低，向两边递增。槽的尖端，可以指向各沿槽线最低，向两边递增。槽的尖端，可以指向各个方向，但在个方向，但在北半球中纬度地区大多指向南方北半球中纬度地区大多指向南方。因。因此，尖端指向北的称为倒槽，指向东西的称为横槽，此，尖

19、端指向北的称为倒槽，指向东西的称为横槽，槽附近的空间等压面类似山谷谷槽附近的空间等压面类似山谷谷。4)高压脊高压脊(简称脊简称脊)是高压向外伸出的狭长部分，是高压向外伸出的狭长部分，或一组未闭合的等压线向气压较低的方突出的或一组未闭合的等压线向气压较低的方突出的部分。在脊中，各等压线弯曲最大处的连线叫部分。在脊中，各等压线弯曲最大处的连线叫脊线。气压沿脊线最高，向两边递减。脊附近脊线。气压沿脊线最高，向两边递减。脊附近的空间等压面，类似山脊。的空间等压面，类似山脊。(5)鞍形气压区鞍形气压区(简称鞍部简称鞍部)，是两个低压与，是两个低压与两个高压交错组成的中间区域，其附近空间两个高压交错组成的中间区域，其附近空间等压面形如马鞍。等压面形如马鞍。三、气压系统的空间结构三、气压系统的空间结构（1）气压场与温度场重合时的气压系统）气压场与温度场重合时的气压系统的空间结构的空间结构冷高压、暖低压系统是冷高压、暖低压系统是浅薄系统浅薄系统；暖高压、冷低压系统是暖高压、冷低压系统是深厚系统深厚系统（2）气压场与温度场不重合时的气压）气压场与温度场不重合时的气压系统的空间结构系统的空间结构低压的中心轴线随高度向冷区偏移，低压的中心轴线随高度向冷区偏移，高压的中心轴线随高度向暖区偏移高压的中心轴线随高度向暖区偏移.