高等大气动力学 Advanced Atmospheric Dymamics 主讲教师:李国平(教授) 学时:72 学分:4 授课对象:气象学硕士研究生 成都信息工程学院大气科学系 2005年6月
高等大气动力学 Advanced Atmospheric Dynamics 主讲教师：李国平（教授） 学时：72 学分：4 授课对象：气象学硕士研究生 成都信息工程学院大气科学系 2005 年 6 月
目录 第一章大气动力学发展回顾与展望 第二章大气运动的坐标系与方程组一一 第三章大气中的涡旋运动 第四章大气的准地转运动 27 第五章大气边界层 第六章波动理论 第七章 Rossby波的传播与演变 第八章大气的非线性运动 参考书目 88
2 目 录 第一章 大气动力学发展回顾与展望―――――――――――――――――――― 3 第二章 大气运动的坐标系与方程组―――――――――――――――――――－ 7 第三章 大气中的涡旋运动―――――――――――――――――――――――－21 第四章 大气的准地转运动――――――――――――――――――――――――27 第五章 大气边界层―――――――――――――――――――――――――――32 第六章 波动理论――――――――――――――――――――――――――――33 第七章 Rossby 波的传播与演变 ―――――――――――――――――――――40 第八章 大气的非线性运动 ――――――――――――――――――――――－59 参考书目―――――――――――――――――――――――――――――――88
第一章大气动力学发展回顾与展望 §1大气动力学发展历程回顾 l、动力气象学奠基 科里奥利力(1835); 风压场关系的白贝罗定律(1857) 2、动力学气象学创建及快速发展 旋转地球大气运动方程组( V Bjerknes,1904) 温带锋面气旋理论(Ⅴ Bjerknes为代表的挪威卑尔根学派,1920) 长波理论(Rosb为代表的美国芝加哥学派,1939); 地转适应理论( Rossby,1938) 西风急流( Rossby,1947) 尺度分析理论( Charney,1948) 长波能量频散理论(叶笃正,1949) 长波正压不稳定理论(郭晓岚,1949) 长波斜压不稳定理论(Eady,1949) 中纬度大尺度运动的准地转理论并成功作出第一张数值天气预报图( Charney, Fjortoft, Von Neumann, 1950) 大气环流的数值模拟试验( Phillips,1956) 该时期可谓是动力气象学的黄金发展期,近代动力气象学形成,成为气象学的“带头学科”。 3、动力气象学分支的形成 20世纪90年代以后,大气环流数值模拟、数值天气预报、大气热力学从动力气象独立出去后, 动力气象多改称大气动力学 (1)热带大气动力学 第二类条件不稳定理论一CISK( Charney,1964) 积云对流参数化(郭晓岚,1965) 混合 Rossby-重力波(松野,1966;柳井和大山,1967) 大气 Kelvin波( Wallace和 Kousky,1968) 波动型第二类条件不稳定理论一 Wave-CISK( Sevens和 Lindzen,1978) 低纬大气行星波 积云对流反馈 中低纬相互作用 海气相互作用 台风动力学 (2)中小尺度动力学 中尺度运动方程组(小仓义光,巢纪平等,1962) 中尺度惯性一重力波 中尺度稳定性的条件(Mles定理,半圆定理) 对称不稳定( Hoskins,1974) 中尺度数值模拟模式(MM5,RAMS,WRF)
3 第一章 大气动力学发展回顾与展望 §1 大气动力学发展历程回顾 1、 动力气象学奠基 科里奥利力（1835）； 风压场关系的白贝罗定律（1857） 2、 动力学气象学创建及快速发展 旋转地球大气运动方程组（V.Bjerknes，1904）； 温带锋面气旋理论（V.Bjerknes 为代表的挪威卑尔根学派，1920）； 长波理论（Rossby 为代表的美国芝加哥学派，1939）； 地转适应理论（Rossby，1938） 西风急流（Rossby，1947） 尺度分析理论（Charney，1948） 长波能量频散理论（叶笃正，1949） 长波正压不稳定理论（郭晓岚，1949） 长波斜压不稳定理论（Eady，1949） 中纬度大尺度运动的准地转理论并成功作出第一张数值天气预报图（Charney，Fjortoft， VonNeumann，1950） 大气环流的数值模拟试验（Phillips，1956） 该时期可谓是动力气象学的黄金发展期，近代动力气象学形成，成为气象学的“带头学科”。 3、 动力气象学分支的形成 20 世纪 90 年代以后，大气环流数值模拟、数值天气预报、大气热力学从动力气象独立出去后， 动力气象多改称大气动力学。 （1） 热带大气动力学 第二类条件不稳定理论－CISK（Charney，1964） 积云对流参数化（郭晓岚，1965） 混合 Rossby－重力波（松野，1966；柳井和大山，1967） 大气 Kelvin 波（Wallace 和 Kousky，1968） 波动型第二类条件不稳定理论－Wave-CISK（Stvens 和 Lindzen，1978） 低纬大气行星波 积云对流反馈 中低纬相互作用 海气相互作用 台风动力学 （2） 中小尺度动力学 中尺度运动方程组（小仓义光，巢纪平等，1962） 中尺度惯性－重力波 中尺度稳定性的条件（Miles 定理，半圆定理） 对称不稳定（Hoskins，1974） 中尺度数值模拟模式（MM5，RAMS，WRF）
3)平流层和中层大气动力学 平流层爆发性増温一SSW(松野,1971) 准两年振荡一QBO(Read等,1960) 行星波的垂直传播 对流层与平流层相互作用 (4)数值模式(定量试验) 数值天气预报(NWP)模式( ECMWE,1980) 大气环流模拟模式-GCM( Phillips,1956) 气候模拟及预报模式(CCM3) 5)行星波动力学 定常波、瞬变波 低频振荡( Madden和 Julian,1971) 遥相关( Wallace,1948) 球面 Rossby波的经向频散一大圆理论( Hoskins,1981) E-P通量( Eliassen和Palm,1961) (6)非线性大气动力学 混沌理论( Lorenz,1963) 分叉 奇怪吸引子(茹勒(Rul和泰肯斯,1971) 多平衡态( Charney和 De vore,1979) 突变(叶笃正,1959)(环流,气候) 非线性波(孤立波, JS. Russell,1840) 共振 非线性不稳定( Stuart和 Watson,1960) 波流相互作用 (7)气候动力学 ENSO循环动力学 混沌动力学 海气动力学 季风动力学 副热带高压动力学 大气季节内振荡,年代际变化 气候可预测性 资料同化理论 气候一生态一环境动力学 §2大气动力学发展趋势展望 、研究方法:观测分析(诊断分析),解析研究,数值模拟 2、研究热点:中尺度系统,海气耦合(地球流体力学有望成为大气科学、海洋科学的带头学科) 3、大气动力学末来研究的主要方向 以海洋-大气-陆地相互作用理论为代表的气候系统动力学 中尺度动力学 高影响天气系统( High Impact Weather,如台风、暴雨、陆龙卷、沙尘暴等)的发生、发展机制的
4 （3） 平流层和中层大气动力学 平流层爆发性增温－SSW（松野，1971） 准两年振荡－QBO（Read 等，1960） 行星波的垂直传播 对流层与平流层相互作用 （4） 数值模式（定量试验） 数值天气预报（NWP）模式（ECMWF，1980） 大气环流模拟模式－GCM（Phillips，1956） 气候模拟及预报模式（CCM3） （5） 行星波动力学 定常波、瞬变波 低频振荡（Madden 和 Julian，1971） 遥相关（Wallace，1948） 球面 Rossby 波的经向频散－大圆理论（Hoskins，1981） E-P 通量（Eliassen 和 Palm，1961） （6） 非线性大气动力学 混沌理论（Lorenz，1963） 分叉 奇怪吸引子（茹勒（Ruelle）和泰肯斯，1971） 多平衡态（Charney 和 DeVore，1979） 突变（叶笃正，1959）（环流，气候） 非线性波（孤立波，J.S.Russell，1840） 共振 非线性不稳定（Stuart 和 Watson，1960） 波流相互作用 （7） 气候动力学 ENSO 循环动力学 混沌动力学 海气动力学 季风动力学 副热带高压动力学 大气季节内振荡，年代际变化 气候可预测性 资料同化理论 气候－生态－环境动力学 §2 大气动力学发展趋势展望 1、研究方法：观测分析（诊断分析），解析研究，数值模拟 2、研究热点：中尺度系统，海气耦合（地球流体力学有望成为大气科学、海洋科学的带头学科）。 3、大气动力学未来研究的主要方向 以海洋-大气-陆地相互作用理论为代表的气候系统动力学； 中尺度动力学； 高影响天气系统（High Impact Weather，如台风、暴雨、陆龙卷、沙尘暴等）的发生、发展机制的
动力学 中高纬度气候系统动力学及其年际与年代际变化 季风环境系统耦合的动力学理论及演化规律 平流层与对流层相互作用、多尺度耦合的中高层大气动力学等。 §3动力气象学大事记 1735年英国哈德莱解释了北半球东北信风和南半球东南信风,创立经圈环流理论。 1755年瑞士数学家欧拉提出理想流体动力学方程组 1805年法国拉普拉斯导出气压测高公式。 年法国科里奥利提出地转偏向力(也称科里奥利力)概念。 1856年美国费雷尔将科里奥利力引入大气运动的研究中,并提出中纬度存在经向反环流圈。 1857年荷兰白贝罗指出风与气压关系的经验规律(也称白贝罗定律) 1888年德国赫姆霍兹提出流体切变动力不稳定概念。 1895年英国雷诺提出湍流运动方程组和湍流粘性力的概念。 1897年挪威皮耶克尼斯提出大气环流理论。 904年挪威皮耶克尼斯建立大气运动方程组。 1905年瑞典埃克曼提出埃克曼螺线 1906年奥地利马古列斯提出位能转换为动能的能量转换原理,并导出锋面坡度公式。 1918年皮耶克尼斯父子以及索尔伯格、伯格斯和伯杰龙等提出概括温带气旋生命史的锋面学 说,形成卑尔根学派也称挪威学派。通过天气图分析的方式把当时还无法得到解析解 的流体动力学方程应用于大气。锋面学说至今还在广泛应用于天气分析和天气预报中 被认为是20世纪大气科学一个重要的理论成就。 年英国理查逊第一次用差分法求解大气运动方程,进行数值天气预报的尝试 1936年美籍瑞典人罗斯贝提出气压场和风场相互调整的地转适应问题。 年挪威皮耶克尼斯和芬兰帕尔门用探空记录阐明气旋波的结构 1939年美国罗斯贝从观测和理论上发现了控制天气和大气环流变化的大气长波,导出长波公 1930-40年代苏联莫宁、奥布霍夫提出大气边界层相似理论。 年德国埃特尔提出位势涡度守恒定律。 1945年 美国里尔总结出东风波模型。 946年中国赵九章提出行星波不稳定性的概念。 1947年 美国査尼提出行星波斜压大气不稳定性理论。 年美籍华人郭晓岚提出正压大气不稳定判据 1948年 美国华莱士提出大气遥相关概念。 1949年 中国叶笃正提出长波的能量频散理论 美国伊迪提出大气平均经圈环流的热力与动力学理论。 1940-50年代形成了以罗斯贝为首、在大气科学理论中占有重要地位的芝加哥学派。芝加哥学派所 建立的大气波动的理论体系是20世纪大气科学最重要的理论研究成就,不仅为天气 预报提供了理论依据,而且使数值天气预报和大气环流数值试验成为可能,奠定了现 代大气环流和大气动力学的基础
5 动力学； 中高纬度气候系统动力学及其年际与年代际变化； 季风环境系统耦合的动力学理论及演化规律； 平流层与对流层相互作用、多尺度耦合的中高层大气动力学等。 §3 动力气象学大事记 1735 年 英国哈德莱解释了北半球东北信风和南半球东南信风，创立经圈环流理论。 1755 年 瑞士数学家欧拉提出理想流体动力学方程组。 1805 年 法国拉普拉斯导出气压测高公式。 1835 年 法国科里奥利提出地转偏向力(也称科里奥利力)概念。 1856 年 美国费雷尔将科里奥利力引入大气运动的研究中，并提出中纬度存在经向反环流圈。 1857 年 荷兰白贝罗指出风与气压关系的经验规律(也称白贝罗定律)。 1888 年 德国赫姆霍兹提出流体切变动力不稳定概念。 1895 年 英国雷诺提出湍流运动方程组和湍流粘性力的概念。 1897 年 挪威皮耶克尼斯提出大气环流理论。 1904 年 挪威皮耶克尼斯建立大气运动方程组。 1905 年 瑞典埃克曼提出埃克曼螺线。 1906 年 奥地利马古列斯提出位能转换为动能的能量转换原理，并导出锋面坡度公式。 1918 年 皮耶克尼斯父子以及索尔伯格、伯格斯和伯杰龙等提出概括温带气旋生命史的锋面学 说，形成卑尔根学派也称挪威学派。通过天气图分析的方式把当时还无法得到解析解 的流体动力学方程应用于大气。锋面学说至今还在广泛应用于天气分析和天气预报中， 被认为是 20 世纪大气科学一个重要的理论成就。 1922 年 英国理查逊第一次用差分法求解大气运动方程，进行数值天气预报的尝试。 1936 年 美籍瑞典人罗斯贝提出气压场和风场相互调整的地转适应问题。 1937 年 挪威皮耶克尼斯和芬兰帕尔门用探空记录阐明气旋波的结构。 1939 年 美国罗斯贝从观测和理论上发现了控制天气和大气环流变化的大气长波，导出长波公 式。 1930-40 年代 苏联莫宁、奥布霍夫提出大气边界层相似理论。 1942 年 德国埃特尔提出位势涡度守恒定律。 1945 年 美国里尔总结出东风波模型。 1946 年 中国赵九章提出行星波不稳定性的概念。 1947 年 美国查尼提出行星波斜压大气不稳定性理论。 1948 年 美籍华人郭晓岚提出正压大气不稳定判据 1948 年 美国华莱士提出大气遥相关概念。 1949 年 中国叶笃正提出长波的能量频散理论。 美国伊迪提出大气平均经圈环流的热力与动力学理论。 1940-50 年代 形成了以罗斯贝为首、在大气科学理论中占有重要地位的芝加哥学派。芝加哥学派所 建立的大气波动的理论体系是 20 世纪大气科学最重要的理论研究成就，不仅为天气 预报提供了理论依据，而且使数值天气预报和大气环流数值试验成为可能，奠定了现 代大气环流和大气动力学的基础