四种作用力

引起空气微团运动的四种作用力及其在风的形成过程

中所起的作用

摘要：引发空气微团运动的四种作用力在风的形成中起了重要的作用，这些作用通过相互的影响并与自然界的温度，凹凸物等产生空气相对地面所形成的运动。关键字：空气微团作用力气压

空气微团,是指是大气中的一团很小的空气。它小到这种程度，以致我们必须在气象科学的意义下把它看作是一个点。它仅有唯一的气象参量值，例如有唯一的温度、气压值和风速值。而整个大气是由极其众多的大气微团组成的。

引起空气微团运动的作用力有四种，分别是水平气压梯度力、水平地转偏向力、惯性离心力和摩擦力。

水平气压梯度力是指由水平气压梯度引起的作用在单位质量空气上的压力差就是水平气压梯度力，气压梯度不仅表示气压分布的不均匀程度，而且还表示了由于气压分布不均而作用在单位体积空气上的压力。

水平地转偏向力是指空气是在转动着的地球上运动着，当运动的空气质点依其惯性沿着水平气压梯度力方向运动时，对于站在地球表面的观察者看来，空气质点却受着一个使其偏离气压梯度力方向的力的作用，这种因地球绕自身轴转动而产生的非惯性力称为水平地转偏向力。

惯性离心力是指物体在作曲线运动时所产生的，由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用在物体上的力，这个力是物体为保持沿惯性方向运动而产生的，因而称惯性离心力。

摩擦力是指空气在近地面运动时，地表对空气产生的阻碍作用力。摩擦力一般分为内摩擦力和外摩擦力：内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变，也称湍流摩擦力，但其数值很小，往往不予考虑：外摩擦力是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空气运动的阻力，它的方向与空气运动方向相反，大小与空气运动的速度和摩擦系数成正比。

大气是处于不停的运动状态之中的，大气的运动可分为水平运动和铅直运动两部份。风的形成即是大气的水平运动，而空气的微团运动是大气运动的直接推动力，因此空气微团运动的四种作用力对风的形成过程中起了重要的作用。

人类所处的环境中，可将风分成以下三大类：

一、自由大气中的风

空气水平运动的形式是多种多样的，这些不同运动形式的产生是由受力情况不同所造成的。根据大气中不同高度各种力的作用情况，我们把大气分为摩擦层和自由大气。在自由大气中，主要是气压梯度力和地转偏向力相平衡，如果空气质点作曲线运动还要考虑惯性离心力。在流动的空气中，空间各点的运动率不随时间变化的运动称为空气的稳定运动。在空气稳定运动中作用于运动质点上的诸力之合力等于零。这种稳定运动又称平衡运动。

⑴地转风

在自由大气中，平直等压线情况下，水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡时空气的等速、直线水平运动称为地转风。地转风的风速大小取决于水平气压梯度、空气密度及地转参数。若在同一地理纬度上，并空气密度一样时，水平面上的等压线越密集，地转风速就越大；若在同一地理纬度，并各高度上水平气

压梯度相同时，由于密度的影响、地转风将会随高度的增高而加大。当水平气压梯度和密度不变时，纬度越高，地转风速越小。在赤道附近，由于地转偏向力很小，所以不存在产生地转风的条件。

⑵热成风

在自由大气中，各个高度上的风向风速经常是不一致的，我们把地转风在铅直方向上的速度矢量差称为热成风。热成风是指某一高度上空气的水平运动，它的大小决定于该高度上的水平气压梯度和空气密度，所以地转风随高度的变化也取决于水平气压梯度和空气密度的变化。然而温度在水平方向上的不均匀会引起气压梯度的改变。由于水平温度梯度的存在，使地转风随高度发生了改变。热成风随高度发生变化，只能发生在密度的分布依赖于气压和温度的斜压大气中，但需要知道的的是热成风并不是实际上的空气水平运动，而是风随高度的改变量，是上层地转风与下层地转风的矢量差。

⑶梯度风

在自由大气中，不计摩擦力的影响，水平气压梯度力、水平地转偏向力及惯性离心力三个力达到平衡时空气的等速、水平、圆周运动。梯度风的大小与水平气压梯度、地理纬度、空气密度及空气运动的曲率半径有关。并具有以下特点：1梯度风是水平等速曲线运动，风向与等压线平行。在北半球，地转偏向力总是指向空气运动方向的右方。2所以低压中的风是沿等压线逆时针方向吹的。在高压中的风是沿等压线顺时针方向吹的，南半球相反。3当曲率半径趋向无限时，梯度风变成了地转风，所以地转风是梯度风的一种特殊情形。4同一纬度的地区，气旋式低压中的梯度风比相同气压梯度下的地转风小；反气旋式高压中的梯度风比相同气压梯度下的地转风大。

二、行星边界层中的风

⑴摩擦力对空气水平运动的影响

在行星边界层中，因摩擦力与水平气压梯度力及水平地转偏向力具有同样量级，所以在分析空气水平运动时，必须考虑摩擦力的作用。在平直等压线的情况下，由于摩擦力的作用使风速变小，因而水平地转偏向力也减小，此时三个力达到平衡时的风就不再平行于等压线，而是朝向低压。在圆形等压线的情况下，空气作曲线运动，还必需考虑惯性离心力的影响，即空气作稳定运动时应有水平气压梯度力、水平地转偏向力、摩擦力及惯性离心力四个力达到平衡。在低压中是水平地转偏向力、惯性离心力及摩擦力的合力与水平气压梯度力平衡，风向向低压偏转。造成空气逆时针方向向低压辐合。在高压中，当水平地转偏向力、惯性离力心和摩擦力的合力与水平气压梯度力相平衡时，风向向低压偏转，出现空气顺时针向地由高压中心向边缘辐散。

⑵边界层中风随高度的变化

在边界层内，随着高度的增加，摩擦力逐渐减弱.在近地面层中风速随高度的上升增加很决，而风向变化很小。

在上部摩擦层中，如果气压场没有明显的变化，在北半球风速随高度增加而加大，风向随高度增加逐渐向右偏。当高度达摩擦层顶时，风矢量逐渐趋于地转风。

三、大气环流及地方性风

大气环流是指大范围的大气运动状态。其水平范围达数千千米，垂直尺度在10千米以上，时间尺度在1—2日以上。大气环流反映了大气运动的基本状态，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不同尺度的天气系统发生、发展