动力气象学

前言

绪论

第1章 大气运动的基本方程组

1．1 地球大气的基本特征

1．2 作用于大气的力与惯性坐标系运动方程

1．3 旋转坐标系中的大气运动方程

1．4 质量守恒定律——连续性方程

1．5 状态方程、热力学方程、水汽方程

1．6 球坐标系中的大气运动方程组

1．7 局地直角坐标系中的大气运动方程组

1．8 p坐标系中的大气运动方程组

1．9 有关科里奥里力的三个近似

思考题

习题

第2章 尺度分析与大气运动基本方程组的简化

2．1 尺度和大气运动分类

2．2 尺度分析法

2．3 z坐标系运动方程组的简化

2．4 z坐标系连续性方程和热力学方程的简化

2．5 z坐标系大气运动方程组的简化

2．6 p坐标系大气运动方程组的简化

2．7 常见的动力学特征无量纲参数

思考题

习题

第3章 自由大气中的平衡运动

3．1 自然坐标系

3．2 轨迹与流线

3．3 地转风

3．4 梯度风

3．5 热成风

3．6 地转偏差

思考题

习题

第4章 环流与涡度

4．1 环流与环流定理

4．2 涡度与涡度方程

4．3 散度方程及其简化

4．4 位势涡度与位势涡度守恒

思考题

习题

第5章 大气能量学

5．1 大气中能量的基本形式

5．2 有效位能

5．3 铅直气柱中各种能量的比较

5．4 保守系统中的能量方程与能量守恒定律

5．5 大气运动的能量转换与循环方程

5．6 大气运动的能量转换与循环

思考题

习题

第6章 大气中的基本波动

6．1 波动的基本概念

6．2 群速度

6．3 微扰动法与基本方程组的线性化

6．4 大气声波

6．5 重力外波

6．6 重力内波

6．7 惯性波

6．8 惯性重力外波

6．9 惯性重力内波

6．10 罗斯贝（Rossby）波

思考题

习题

第7章 大气边界层

7．1 大气边界层及其特征

7．2 近地层的风随高度变化规律

7．3 埃克曼层风随高度变化规律

7．4 埃克曼抽吸与旋转减弱

思考题

习题

参考文献

附录A 矢量分析常用公式

附录B 常用物理参数

附录C 常用单位及换算表

附录D 动力气象名词

1.1地球大气的基本特征

在研究大气运动时，首先应注意地球大气的一些基本特性。地球大气的这些特性，决定了大气运动的复杂性。

1.1.1大气是地球重力场中的旋转流体

地球大气在运动过程中，时时刻刻受到地球重力场的作用，90%的大气质量集中在距地表10km左右的薄层中。大气的这一特征厚度与地球半径（6370km）相比，可谓微不足道，即大气可近似为一薄层。因此，水平尺度在数千千米以上的运动是准水平运动，铅直运动速度远小于水平运动速度，通常可以不予考虑。

重力的作用使得垂直运动受到抑制，使得铅直方向上气压梯度力近似与重力相平衡，这种近似平衡关系称为静力平衡。这种状态是大气运动的重要特征之一。

地球绕地轴作定常旋转（Q=7.292×10-5rad·s-1），建立在地球上的坐标系就成了非惯性坐标系。当在地球上考虑大气运动时，就必须考虑科里奥利力（Coriolis force）的作用，在中纬度大尺度运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本保持平衡，这种近似平衡关系称为地转平衡，所形成的大气运动称为地转风。这是旋转地球上大尺度运动系统的又一重要特征。

倾斜锋面的存在表明，原本在非旋转系统中可以释放出来的重力位势，在旋转的地球上却

无法完全释放（参见第5章）。

地球的旋转角速度虽然是常数，但它在垂直于地表面铅直方向上的分量却是随纬度变化的，这个变化的分量在中纬度西风带上形成大气长波的过程中至关重要。

1.1.2大气是层结流体

大气中由于其温度直减率随高度的分布不均匀而分成若干层次的现象，称为大气层结。

大气的稳定与否，取决于大气层结的温度、湿度和压强。在稳定层结的大气中，与重力相联系的阿基米德净浮力可形成重力内波；在不稳定层结的大气中，净浮力可使积云对流发展。

1.1.3大气中的水分循环与能量

大气中含有水分是大气活跃多变、充满生机活力的重要体现。大气中水分有三种形态：气态（水汽）、液态（水）、固态（冰），称为水的三相。当温度下降，水汽冷却为水时，称为凝结；直接转变为冰，称为凝华，同时，两者都将释放大量潜热；水分子从液态水表面变为水汽的汽化现象，称为蒸发。蒸发时水必须吸收热量；液态水冷却达到冰点时就凝固成冰，同时，放出热量；当温度上升高于冰点时，冰可以转变为水，称为溶化。冰还可不经过溶化直接转变为水汽，称为升华，冰溶化和升华都要吸收热量。这种水相的相互转化就称为水相变化，而水相变化必然伴随热量的收支。应该指出，大气中水汽是水分三相中的主体，而它又基本上集中在对流层

内。该层大气的温度不但永远低于水的沸点温度，有时甚至还低于水的冰点温度。因此，对流层大气中没有水的沸腾现象，最常见的是水汽凝结（凝华）和地面水和冰的蒸发与升华对大气中水汽的补给。水汽从空气中直接凝集在地表或物体上的凝结现象，有露、霜、雨淞、雾等；一定温度下，当空气不可容纳更多的水汽时，称为饱和空气。当饱和空气中的水汽和温度相匹配时，不会出现水汽凝结现象，但当空气达到过饱和状态时，则会产生多余的水汽并发生水汽凝结，产生云雨等天气现象。

大气中的水汽来源于下垫面，包括水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸发。由于大气温度远低于水面的沸点，因而水在大气中有相变效应。水汽含量在大气中变化很大，是天气变化的主要角色，云、雾、雨、雪、霜、露等都是水汽的各种形态。水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射，也能放出长波辐射，水汽的蒸发和凝结又能吸收和放出潜热，这都直接影响到地面和空气的温度，影响到大气的运动和变化。

本书主要讲述旋转大气运动的基本规律，共分为七章，介绍如何将数学、物理学、流体力学和气象学等多学科知识有机结合，灵活运用于研究大气运动特征的基本方法，阐明大气运动的基本特征、性质和机理。本书内容简洁明了，强调物理概念，简化数学推导，理论联系实际，本书在各章后都充实了一定的思考题和习题，培养读者学以致用的能力。