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天气学原理

Char1 大气运动的基本特征

1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力

（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生 （2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力 （3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力

2、视示力：惯性离心力、地转偏向力

惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反。C=Ω2R

地转偏向力：由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立。 地转偏向力的特点：A= -2Ω×V

（1）地转偏向力A与Ω相垂直，在纬圈平面内

（2）地转偏向力A与风速V垂直，只改变气块运动方向，不改变其速度大小 （3）在北半球A在水平速度的右侧，在南半球A在水平速度的左侧

（4）地转偏向力的大小与相对速度成正比，V=0时，A=0；只有在做相对运动时A才存在 重力：地心引力与惯性离心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。

3、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？

水平地转偏向力：大气中垂直运动一般比较小，气块的运动主要受x方向和y方向的影响。 通常情况下w很小，因而近似有Ax=2Ωv和Ay= -2Ωu。对水平运动而言，北半球Ax、Ay使运动向左偏，南半球右偏。 地转偏向力：包括垂直运动。

4、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒 牛顿第二运动定律——运动方程 质量守恒定律——连续方程

能量守恒定律——热力学能量方程 气体实验定律——气体状态方程

5、温度平流变化

-V·▽hT是气块在温度水平分布不均匀的区域内保持原有的温度作水平运动而对局地温度变化所提供的贡献，称为温度平流变化。-▽T温度梯度由高温指向低温。 当-V·▽hT<0时，有冷平流，夹角为钝角，风从冷区吹向暖区，使局地温度降低。 当-V·▽hT>0时，有暖平流，夹角为锐角，风从暖区吹向冷区，使局地温度升高。

对流变化：空气垂直运动引起的局地温度变化

6、质量散度和速度散度

质量散度：▽·(ρV)单位体积流体的净流出量。净流出时散度为正，净流入时散度为负。 速度散度：▽· V流体在单位时间内的相对膨胀率。▽· V >0时，体积增大辐散。 不可压缩流体：速度散度为零

水平散度：流体在单位时间内水平面积的相对膨胀率 精品文档

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7、热力学能量方程

空气块的热力学能量的变化率=加热率+外力对空气块的作功率

8、用热力学方程解释引起固定点温度变化的原因 由热力学能量方程的零级简化得，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。在非绝热作用很小的情况下，温度变化主要是由温度平流引起的。

9、等位势面

当物体在等位势面上移动时，位能不发生变化，不需要克服重力作功，等位势面处处与重力方向垂直，等位势面是水平面。

10、地转风

地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立低压在左高压在右。 地转风性质：

（1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的。 赤道上（φ=0）水平地转偏向力为零，地转风不存在。 （2）地转风的大小与水平气压梯度力成正比

（3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律） （4）地转风速大小与纬度成反比

11、梯度风

水平气压梯度力、水平地转偏向力、惯性离心力平衡时，有效分力为零，风沿等压曲线作惯性等速曲线运动，这就是梯度风。 应用：（1）顺时针旋转对应高压中心，逆时针旋转对应低压中心。

（2）低压中心等压线可分析的密集些，高压中心附近等压线应分析的稀疏些。

（3）气旋中心气压梯度和风速可无极限，而在反气旋中则有极限，梯度风有极大值。 （4）气旋性环流中对风速估计过高，反气旋中V?max=2Vg对风速估计过低。

12、热成风：地转风随高度的改变量

热成风与平均等温度线（或等厚度线）平行，背风而立，低温在左高温在右。 热成风大小与平均温度梯度或厚度梯度成正比，与纬度成反比。 热成风解释浅薄&深厚系统：百度温压场对称系统

地转风随高度顺转有暖平流，地转风随高度逆转有冷平流。

13、正压大气和斜压大气

正压大气：大气中密度的分布仅仅随着气压而变，等压面和等密度面（等温面）重合，没有热成风。

斜压大气：大气中密度的分布不仅随气压变化，还随温度变化。等压面和等密度面（或等温面）是相交的。等压面上具有温度梯度，地转风随高度变化，就有热成风。

14、地转偏差 精品文档

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实际风与地转风之差称为地转偏差。D=V-Vg 摩擦层中的地转偏差：（1）地转偏差垂直于摩擦力的方向，并指向摩擦力方向的右方。摩擦力越大，实际风越小，左偏越多。

（2）风速比应有的梯度风风速小，风向偏向低压。因此在北半球低压中的空气逆时针流动，但有向内流的分量；高压中的空气顺时针流动，但有向外流的分量。摩擦作用使低压辐合上升，高压辐散下沉。

自由大气中的地转偏差：梯度力和地转偏向力不平衡时，产生加速度。地转偏差垂直于加速度的方向，并指向加速度方向的左方。

D1变压风：▽h·V=▽h·(Vg+D)= ▽h·D地转风的散度为0，所以实际风散度取决于地转偏差的散度。地面图上，负变压中心区，变压风辐合引起上升运动；正变压中心区，变压风辐散引起下沉运动。高空图，槽前脊后必有负变压，有变压风辐合。槽后脊前有正变压，变压风辐散。

D2平流加速度（横向纵向地转偏差）：槽前脊后有纵向、横向地转偏差辐散；槽后脊前有纵向横向地转偏差辐合。

低层以变压风辐散（合）为主，高层以纵向、横向辐散（合）为主： 槽前脊后：变压风辐合，纵向、横向辐散 槽后脊前：变压风辐散，纵向、横向辐合

因此高层槽前脊后辐散槽后脊前辐合，低层槽前脊后辐合槽后脊前辐散。

Char2 气团与锋 1、 气团

气象要素水平分布比较均匀的大范围的空气团。

形成条件：性质均匀的广阔的地球表面，下沉辐散，稳定的环流

方式：各种尺度的湍流、系统性垂直运动、蒸发、凝结和辐射等物理过程 冬季：极地大陆气团和热带海洋气团、北极气团

夏季：西伯利亚气团、热带海洋气团、热带大陆气团、赤道气团 春季：西伯利亚气团、热带海洋气团

秋季：变性西伯利亚气团主导，热带海洋气团，秋高气爽。

2、锋

锋：冷暖气流相遇所形成的狭窄过渡带

锋区：天气图上温度水平梯度大而窄的区域，如果它又随高度向冷空气团一侧倾钭，这样的等温线密集带通常称为锋区。实际上，锋区就是密度不同的两个气团之间的过渡区。 锋面：由于锋区的宽度同气团宽度相比显得很狭窄，因而常把锋区看成是空间一个面 锋线：锋面与地面的交线

3、锋面的坡度公式

（1）其他条件不变，锋面坡度随纬度增高而增大f。赤道上（φ=0），没有锋面存在 （2）锋两侧温差越大坡度越小，温差为零则不会有锋面△T

（3）锋两侧风速差△Vg为零时，锋面不存在；锋存在时，tgα>0,两侧平行于它的地转风分速应具有气旋式切变。锋面坡度与锋面两侧风速差成正比 （4）冷暖气团的平均温度越高坡度越大Tm

锋附近气流曲率很大时应用梯度风公式，即气旋曲率越大的气流中锋面平衡坡度越大 精品文档

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4、锋面附近温度场的特征 （1）水平方向：

锋区内温度水平梯度大，等温线相对密集，越密集水平温度梯度越大，锋区越强。锢囚锋在高空图上有暖舌，暖舌两侧等温线密集。

根据锋区内等温线密集度确定锋区强度、地面锋线位置；等压面上冷暖平流确定锋的类型。 （2）垂直方向：

锋区内温度垂直梯度小，逆温或温度直减率小。冷暖气团内温度随高度递减。 冷暖气团温差越大，锋面逆温越强或过渡区越窄，通过锋区时等温线弯折越厉害。 （3）等位温面随高度向冷区倾斜，与锋面倾斜方向一致，在绝热条件下雨锋面平行。

5、以密度的零级不连续面模拟锋面时，锋面附近气压场、风场和变压场的特征 气压场：

锋面两侧气压连续，密度不连续，气压梯度不连续：冷气团中气压梯度大于暖气团中气压梯度（锋面必须为物质面）

等压线过锋面有气旋性弯曲，锋面处等压线有折角，指向高压

水平风场：锋面附近风场具有气旋性切变，地面摩擦作用可使风向偏离等压线向低值区吹，并导致锋线附近强的风场辐合

垂直风场：暖锋附近风向随高度顺转；冷锋附近风向随高度逆转 变压场：空间各点气压随时间的变化在某位面上的分布情况 气压倾向方程：

右边第一项为地面以上整个气柱中密度平流（热力因子）：暖锋前地面减压，冷锋后地面加压；冷锋前暖锋后、静止锋附近变压不明显

第二项为地面以上整个气柱中速度水平散度总和（动力因子）：若整个气柱散度总和辐散则地面气压下降，散度总和辐合则地面气压上升。冷锋、暖锋均是锋前变压代数值小于锋后变压代数值

6、以密度的一级不连续面模拟锋面时，锋面附近气压场、风场和变压场的特征 锋区存在，锋区附近密度一级不连续，气压二级不连续

气压场：锋区内等压线气旋式曲率比锋区外大得多，反气旋式曲率比锋区外小得多 水平风场：锋区内气旋式切变比锋区外大得多，锋区外反气旋式切变比锋区外小得多 垂直风场：锋区中温度水平梯度大于两侧，锋区中热成风比锋区外大得多

风随高度顺转，暖平流最强且热成风最大的高度为高空暖锋区；风随高度逆转，冷平流最强且热成风最大的高度为高空冷锋区；热成风很大而无明显平流，可能是静止锋。 变压场：锋区边界变压梯度不连续，变压风也不连续；地面锋区中，等变压线密集，锋区外，等变压线稀疏，变压值比较小

7、锋附近湿度场特征：

一般暖空气湿度大，露点高；冷空气湿度小，露点低。所以锋面附近露点差异显著

8、锋面天气的输送带模式

输送带是指以天气系统为坐标系的相对气流，它们是系统内产生云和雨区的主要气流。 分为暖输送带：向后上滑暖输送带、向前上滑暖输送带和冷输送带

9、锋面分析的基本原则 精品文档

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历史连续性原则 结合高空锋区：锋随高度向冷区倾斜，地面锋线位于高空等压面上等温线相对密集区的偏暖一侧，根据冷暖平流确定锋的性质；分析地面天气图上各气象要素以确定锋的位置 高空测风资料的应用（单站测风）：

根据风向随高度的变化确定锋的性质，风随高度逆转有冷锋，风随高度顺转有暖锋 热成风方向大致代表锋线的走向

原点与代表锋面的热成风的垂线代表锋的移向和速度

10、锋生、锋消 锋生：指密度不连续性形成的一种过程或指已经有的一条锋面，其温度或位温水平梯度加大的过程。锋消：指作用相反的过程。

在等压面图上某一带有一组等温线，其水平升度为Tn= ?T/ ?n，假如大气运动使Tn沿这一带比其他部分增大得更迅速，则这个带称为锋生带，这种使Tn增大的过程称为锋生过程。 峰生条件：第一，锋生带里，必须有一狭窄区域，其锋生作用最强烈即F>0，?F/ ?n=0，?2F/ ?n2<0；第二，锋生线必须是物质线。 F>0表示有锋生作用，温度水平梯度加大 F<0表示有锋消作用，温度水平梯度减小 锋生函数讨论：

（1）水平运动作用 F1= -Tn (?Vn/ ?n)

若?Vn/ ?n<0，即沿温度升度方向水平气流辐合，而Tn>0，F1>0，有锋生作用； 若?Vn/ ?n>0，即沿温度升度方向水平气流辐散，而Tn>0，F1<0，有锋消作用。 （2）垂直运动作用 F2= -( rd-r) ?ω/ ?n ω<0为上升，ω>0为下沉

稳定大气rd-r>0，冷锋上山下山，?ω/ ?n >0，F2<0，锋消。冷锋上山，因为暖空气沿山脉抬升速度大于槽后冷空气，上升运动引起的绝热冷却在暖空气中比冷空气更甚，锋两侧温度梯度减小，锋消。冷锋下山，因为冷锋后的暖空气下沉比锋前暖空气快，下沉绝热增温在冷空气中更强，锋两侧温度梯度减小，锋消。

不稳定大气rd-r<0，冷锋上山下山，?ω/ ?n >0，F2>0，锋生，即冷锋上山加强。因为冷锋上山（爬坡），锋前暖空气上升运动较强，大量水蒸气凝结释放潜热使暖空气温度升高，而锋后冷空气因为干燥上升速度小，冷空气上升绝热冷却。这样锋区中等温线密集带变密，冷锋上山（爬坡）加强。冷锋下山，靠暖的一侧，上升运动很弱或无上升运动，温度变化不大；而靠近其冷的一侧下沉运动强，以水汽吸收潜热为主，温度降低。这样温度密度集带变密。所以锋生。

11、锋生锋消概况

锋生带概况：南方锋生带：华南到长江流域北方锋生带：河西走廊到东北 锋生时的温压场形势：

高空温压场——锋生区的上空有低槽移入和发展 地面气压场——地面天气图上，锋生常发生在低压或低槽中 锋生时气象要素的变化：

变压场——冷锋锋生前，地面常有明显的正3h变压出现；暖锋锋生前，地面常有明显的负3h变压出现

风场——江南地区，暖锋锋生前常有明显的气旋性风切变 天气状况——锋生前天气有明显变化 精品文档