В. К. Аргучинцев
ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ
Учебное пособие
2-е издание, исправленное и дополненное <...> В. К. АРГУЧИНЦЕВ
УДК 551.5
ББК 26.23
А79
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Иркутского государственного университета
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук П. Г. Ковадло;
канд. геогр. наук А. А. Кречетов
А79
Аргучинцев В. К. <...> УДК 551.5
ББК 26.23
ISBN 978-5-9624-0385-4
© Аргучинцев В. К., 2006
© ГОУ ВПО «Иркутский государственный
университет, 2009
2
ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Динамическая метеорология является одной из метеорологических дисциплин, которая изучает атмосферные процессы на основе общих законов физики (гидромеханики и термодинамики). <...> Возникающие при этом атмосферные движения
оказывают обратное влияние на процессы тепло- и влагообмена. <...> Таким образом, атмосферные движения в совокупности с тепло- и
влагообменом представляют собой основные факторы, определяющие погоду и климат. <...> Динамическая метеорология, изучая атмосферные движения
во взаимосвязи с термодинамическими процессами, вскрывает основные закономерности погоды и климата, а затем использует эти
закономерности для решения различных практических задач, важнейшими среди которых являются разработка объективных методов прогноза погоды и развитие теории воздействий на погоду и
климат. <...> Поля различных метеорологических величин, как и сами величины, подразделяются на скалярные и векторные. <...> Наряду с распределением метеорологических величин в
трехмерном пространстве, при решении ряда задач анализируется
распределение величин на горизонтальной поверхности или вертикальной плоскости, т. е. рассматриваются плоские и поверхностные поля метеорологических величин. <...> (1.2.1)
Для наглядного представления о пространственном распределении величины поле этой величины изображают в виде семейства поверхностей, каждая из которых проходит через точки поля
с одинаковым значением . <...> Градиент , как и любой другой вектор, можно спроектировать на оси <...>
Динамическая_метеорология.pdf
В. К. АРГУЧИНЦЕВ
УДК 551.5
ББК 26.23
А79
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Иркутского государственного университета
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук П. Г. Ковадло;
канд. геогр. наук А. А. Кречетов
А79
Аргучинцев В. К.
Динамическая метеорология : учебное пособие /
В. К. Аргучинцев. – 2-е изд., испр. и доп. – Иркутск : Изд-во
Иркут. гос. ун-та, 2009. – 161 с.
ISBN 978-5-9624-0385-4
Излагаются общие принципы теоретической метеорологии. Основное внимание уделяется
первоначальному ознакомлению с количественным анализом атмосферных процессов и со
специфическими преобразованиями уравнений гидромеханики и термодинамики применительно
к атмосфере.
Пособие предназначается для студентов очного и заочного отделений специальности
«Метеорология», направления «Гидрометеорология».
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программ «Фундаментальные
исследования и высшее образование» (проект НОЦ-017 «Байкал»), «Развитие научного потенциала
высшей школы (2009–2010 гг.)» (проект РНП.2.2.1.1/5901) и Госконтракта (№ 02.740.11.0335) на
выполнение научно-исследовательских работ.
Библиогр. 11 назв.
УДК 551.5
ББК 26.23
ISBN 978-5-9624-0385-4
© Аргучинцев В. К., 2006
© ГОУ ВПО «Иркутский государственный
университет, 2009
2
Стр.2
ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ
Введение .................................................................................................................................................. 3
1. ПОЛЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ........................... 5
1.1. Общие понятия ....................................................................................................................... 5
1.2. Скалярное поле и его градиент.......................................................................................... 5
1.3. Линии тока и траектории частиц воздуха ................................................................. 10
1.4. Поток вектора скорости через поверхность............................................................... 11
1.5. Дивергенция вектора скорости ....................................................................................... 13
1.6. Циркуляция вектора скорости ......................................................................................... 15
1.7. Вихрь скорости ...................................................................................................................... 16
1.8. Натуральная система координат ................................................................................... 20
1.9. Вычисление дифференциальных характеристик
полей метеорологических величин методом конечных
разностей ..................................................................................................................................................... 24
1.10. Изменение метеорологических величин во
времени. Связь между полной и частной производными
по времени.................................................................................................................................................... 28
1.11. Деформация воздушной частицы и теорема
Коши – Гельмгольца о разложении скорости .................................................................................. 31
2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ДИНАМИКИ АТМОСФРЫ .................................................................. 39
2.1. Силы, действующие в атмосфере ........................................................................................................ 39
2.1.1. Массовые силы ............................................................................................................... 39
2.1.2. Поверхностные силы .................................................................................................. 49
2.2. Уравнения движения атмосферы ....................................................................................................... 57
2.3. Уравнение неразрывности ..................................................................................................................... 68
175
Огл
а
в
л
е
н
и
е
Стр.175
В. К. АРГУЧИНЦЕВ
2.4. Начальные и граничные условия ......................................................................................................... 71
2.5. Основные представления теории атмосферной турбулентности ................................. 73
2.6. Уравнение усредненного движения
турбулентной атмосферы ............................................................................................................................................ 77
2.7. Определение турбулентных напряжений ..................................................................................... 81
2.8. Вертикальные турбулентные потоки в атмосфере................................................................. 88
2.9. Основы теории подобия и упрощение уравнений динамики атмосферы ..................... 91
2.10. Классификация атмосферных движений ...................................................................................... 101
2.11. Влияние турбулентности воздуха на
атмосферные движения и вертикальное расслоение
атмосферы ............................................................................................................................................................................. 104
3. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕРМОДИНАМИКИ АТМОСФЕРЫ ........................................... 106
3.1. Уравнение состояния атмосферного воздуха.
Виртуальная температура .......................................................................................................................................... 106
3.2. Первое начало термодинамики ........................................................................................................... 110
3.3. Политропические изменения термодинамического состояния воздуха ....................... 112
3.4. Адиабатические процессы. Уравнение Пуассона. Потенциальная температура. .... 116
3.5. Уровень конденсации ................................................................................................................................. 119
3.6. Влажно-адиабатический градиент температуры ................................................................... 120
3.7. Условия вертикальной устойчивости атмосферы ................................................................... 124
3.8. Энергия неустойчивости ....................................................................................................................... 128
3.9. Уравнение притока тепла ..................................................................................................................... 131
3.10. Уравнение переноса водяного пара ................................................................................................... 143
4. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН В АТМОСФЕРЕ .......................................................................... 144
4.1. Лучистая энергия ........................................................................................................................................ 144
4.2. Законы Кирхгофа ........................................................................................................................................ 148
176
Стр.176
ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ
4.3. Формула Стефана-Больцмана .............................................................................................................. 150
4.4. Закон смещения Вина ............................................................................................................................... 152
4.5. Уравнения переноса длинноволновой радиации
и их интегрирование ....................................................................................................................................................... 154
5. СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ГИДРОТЕРМОДИНАМИКИ АТМОСФЕРЫ ............................. 168
5.1. Постановка задач динамической метеорологии ......................................................................... 168
5.2. Общая система уравнений гидротермодинамики атмосферы .......................................... 169
Библиографический список ............................................................................................................... 176
177
Стр.177