《大气动力学》教学大纲.doc
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1、大气动力学教学大纲 第 0 章引论 第一章 大气运动的基本方程组 1. 旋转坐标系下的动量方程 2. 连续性方程 3. 热力学能量方程 4. 闭合方程组及其初边值条件 5. 球坐标系 6. 局地直角坐标系 7. P 坐标系第二章 自由大气中的平衡运动 1. 自然坐标系 2. 地转平衡与地转风 3. 梯度平衡与梯度风 4. 旋转平衡与旋转风 5. 惯性平衡与惯性风 6. 地转风随高度的变化:热成风 7. 地转偏差与垂直运动第三章 大气中的涡旋运动 1. 环流定理 2. 涡度与涡度方程 3. 位势涡度方程 4. 散度与散度方程第四章 大气边界层 1. 雷诺平均运动方程组 2. 行星边界层 3. 次
2、级环流与旋转减弱 4. 地形上空的边界层(I) 均质流体 5. 地形上空的边界层(II) 层结流体第五章 中纬度天气系统动力学 1. 大气层结与层结稳定度 2. 中纬度天气系统的结构:观测事实 3. 天气尺度系统的尺度分析 4. 准地转位势倾向方程 5. 方程 6. 发展中的斜压系统的理想模式第六章 大气中的波动 1. 波动的基础知识 2. 摄动方法 3. 大气声波 4. 浅水重力波 5. 重力内波6. Rossby 波第七章 大气波动的稳定度 1. Rossby 波的正压不稳定 2. 斜压不稳定 3. Eady 波 4. 两层模式中的斜压不稳定波第八章 大气中的非线性过程 1. 非线性波与孤
3、立波 2. 大气孤立波 3. Lorenz 混沌系统主要参考书目主要参考书目: : 1、Holton,Holton, J.J. R.,R., AnAn IntroductionIntroduction toto DynamicDynamic Meteorology,Meteorology, 4 4thth Edition,Edition, AcademicAcademic Press,2004.Press,2004. 2、刘式适、刘式达编著大气动力学上 册 3、杨大升等编著动力气象学 4、伍荣生等,动力气象学成绩构成成绩构成:作业 20;报告,口试 20; 期终考试 60大气动力学名词、思考题
4、、习题和文献阅读大气动力学名词、思考题、习题和文献阅读一、名词一、名词f-平面 -平面 正压大气 斜压大气 地转风 梯度风 热成风 地转偏差 自由大气 边界层 Ekman 泵 旋转减弱 Ekman 螺旋线 气旋 反气旋 大气层结 包辛尼斯克近似 大气标高 Rossby 数 Ekman 数 基别尔数 层结稳定度 惯性稳定度 静力平衡 地转平衡 梯度平衡 正压不稳定 斜压不稳定 白贝罗定律 准不可压缩 二、思考题二、思考题1 考虑地球自转后,牛顿第二定律的形式如何?写出科氏力和惯性离心力的表达式。2 什么是球坐标系?使用球坐标系的优缺点是什么?3 什么是局地直角坐标系?局地直角坐标系的适应范围如何
5、?4 什么是 P 坐标系?P 坐标系的物理基础是什么?使用 P 坐标系的优缺点是什么5 什么是自然坐标系?在此坐标系下大气水平运动方程的形式如何?6 在地转风运动中,风场与气压场的关系如何?7 什么情况下梯度风是次地转的?什么情况下梯度风是超地转的?8 在热成风关系中热成风与温度场的关系如何?怎样利用热成风关系判断某地上空的冷暖平流?10解释海陆风的形成,并指出其能量转换的特点。11什么是涡度?叙述涡度方程各项的物理意义并熟练推导大气垂直涡度方 程。12什么是位势涡度?它守恒的条件是什么?准地转位势涡度的表达式如何?13在气象上散度方程有何作用?14什么是分子粘性力,什么是湍流粘性力?15在
6、Ekman 边界层中是哪几种力的平衡?Ekman 螺旋解的性质如何?16由边界层中的摩擦引起的次级环流是怎样运动的?17自由大气与边界层是怎样相互作用的?18大气温度、密度、气压随高度变化特征如何19不可压和可压缩流体的层结稳定度的判据如何?20动力学上指的大、中、小三类运动的水平特征尺度各是多少?21叙述基别尔数、罗斯贝数和 Ekman 数等几个动力学参数的表达式及其物理意义。22 什么是准地转平衡?什么是准静力平衡?准地转运动的原始方程组如何简化?准地转涡度方程形式如何?准地转位势方程形式如何?23 中高纬发展的斜压天气尺度系统的结构如何?你怎样理解,在发展的斜压系统中“次级环流”是“大气
7、的温度的变化满足静力平衡,涡度的变化满足地转”的约束的结果。24 什么是频散波、什么是非频散波?什么是相速度、什么是群速度?25 大气中有哪几类基本波动?它们是怎样产生和传播的?26 什么是滤波?怎样滤波?27 罗斯贝波是怎样产生的?无基本气流时罗斯贝波的波速公式如何?28 举出几种常见的计算大气垂直运动的方法,并叙述它们各自的优缺点。29 举例说明,地球旋转对大气运动有显著影响。三、习题三、习题第一章 引论1、查找并学习大气辐射平衡图,给出大气能量收入和支出的主要过程。2、查找并学习传记:V Bjerknes J Bjerknes LF Richardson VW Ekman CG Ross
8、by EN Lorenz JG Charney JR Holton BJ Hoskins J Pedlosky 郭晓岚 叶笃正 谢义炳 第二章 大气运动的基本方程组1、 全导数()与局地时间导数()有何区别?用测风气球测出的物理量随时dtd t 间的变化是个别变化还是局地时间变化?在百叶箱里测出的温度随时间的变化是个别变化还是局地变化?2、 设 f 为大气的某一物理属性,试分别说明和的意义 f t 0,vf 0d f dt 0并指出 f 守恒的条件3、 设 f 为任一标量函数,试证明, f tf trfIR并由此验证df dtdf dtIR 式中下标“I”,“R”分别指惯性系和旋转系。4、 设
9、地球是球形,求在地表面纬度为处重力与引力之间的夹角。其最大值是多少?5、 计算赤道上空同步人造卫星的高度。用绳子将此卫星与地面连接,再用同样长的绳子将第二颗人造卫星与第一颗卫星连接,并使第二颗卫星在第一颗卫星的上空以同样的角速度旋转。若不计绳子的质量,求绳子作用于单位质量卫星的张力。6、 证明曲率项力对大气质点不做功。7、 有一物体在处由 1000 米高度自由下落,试求该物体着地时因科氏力的作用400N向东偏移的距离。8、 不考虑地球曲率的影响,且认为地球只绕铅直轴以角速度旋转,推导出以sin地表面为极平面的柱坐标系下的大气运动方程和连续方程。( , , )rz9、设地球表面处的大气压为 10
10、00hPa,求大气总质量。10、利用 z-P 坐标系的转换关系式,证明du dtdu dtzP第三章 自由大气中的平衡运动1、 考虑定常的水平圆涡旋运动,当时空气以常角速度逆时针旋转,当rR时,空气的切向速度与 r 成反比,设空气运动满足梯度风关系和静力平衡关系,rR且风场是连续的,证明:通过涡旋中心高度为的等压面方程为z0zzf grrRzR gR rfR gr RrR 020222222221 2,;ln,.2、一陆龙卷风以等角速度逆时针旋转,设它满足旋转风方程,证明其中心的气压为ppr RT02 022exp,其中是离中心距离为处的气压,T 是气温,设为常数。若 T=288K,m 米p0
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