第4章 第3节 大气的水平运动与垂直运动
第4章 航空气象
第4章 航空气象
严重影响飞行的气象
2.风切变 （4）低空风切变产生的原因 产生低空风切变的原因主要有两大类，一类是大气运动本身的变化所造成 的，另一类则是地理、环境因素所造成的，有时由两者综合而成。 1）强对流天气 强对流天气通常指雷暴、积雨云等天气。在这种天气条件影响下的一定空 间范围内，均可产生较强的风切变。 2）锋面天气 无论是冷锋或暖锋均可产生低空风切变。这种天气的风切变多以水平风的 水平和垂直切变为主。 3）辐射逆温型的低空急流天气 在秋冬季节晴空的夜间，由于强烈的地面辐射降温而形成低空逆温层的存 在，该逆温层上面有动量堆积，风速较大形成急流，而逆温层下面风速较 小，近地面往往是静风，所以产生逆温风切变。
顺风切变对飞行的影响
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第4章 航空气象 严重影响飞行的气象
2.风切变 （3）对飞行有影响的风切变
2）逆风切变 在这种情况下飞行，由于顺风矢量减少，逆风矢量增大，机体与空气的相 对速度增加，升力随之增大，飞机将高于正常轨迹。在着陆过程中，如果 目测过高，不及时修正，就会造成飞机着陆速度过大，滑跑距离增长，甚 至会冲出跑道。
4
第4章 航空气象
大气运动
3.障碍物对风的影响 地面上障碍物影响风的流向。地面的地形和大的建筑物会分散风的流向, 产生会 快速改变方向和速度的阵风。当飞进或者飞离靠近这些障碍物的 飞机场时,操作员需要高度警惕。如图所示。
障碍物对风的影响
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第4章 航空气象
大气运动
3.障碍物对风的影响 和地面建筑物有关的湍流强度依赖于障碍物的大小和风的基本速度。这会 影响任何飞机的起飞和着陆性能,也会引发非常严重的危险。在飞行的着陆 阶段,飞机可能由于湍流空气而下降,导致飞得太低而不能飞越进近时的障碍 物。在山地区域时,这种情况甚至更加明显。风沿着迎风侧平稳地向上流动, 上升的气流会帮助飞机飞越山脉的顶峰,而背风侧的效果则不一样。当空气 流在山的背风侧向下时,空气顺着地形的轮廓流动,湍流逐渐增加。这就趋向 于把飞机推向山的一侧。风越强,向下的压力和湍流就变得越强烈。
气象学 第四章 大气的运动
二 大气环流的变化
（一）年变化
1.高空：高空平均槽脊 2.低空：常年气压活动中心和季节性气压活动中心
（二）中短期变化
西风带的波状流型是时刻变化着的，有时表现为相当平 直的气流（纬向环流）；有时表现为与纬圈交角很大，以经 向环流为主。西风带表现出的中短期变化的主要特征就是纬 向环流或者经向环流的维持及二者之间的转换。 纬向环流指数（西风指数） 环流指数 经向环流指数
2.等压面：空间气压相等的点组成的面。等压面上气压处 处相等。 ①等压面的起伏形势与其附近的水平面上的气压高低之间 的关系：
②等压面对应着等高线图。等高线图一般用于高空分析。
③等高线图上所标数值为高度值而非气压值。但是在反映气 压水平分布形势上它与等压线上的气压值有同样的意义。因此， 通过比较高度值的大小我们同样可以判断出气压水平分布形势。
赤道高温
低空低压（赤道低气压带）；高空高 受到地转偏向力
压
大气向南北（高纬）辐散
赤道地区高空气流向高纬流动 在纬度30°附近偏转成为
的作用向右偏（北半球）
西风
积
西风将环绕地球运行
环绕的西风阻滞了
低纬气流向高纬流动
在纬度30°附近产生大气的堆
纬度30°附近气压升高（副热带高气压带） 副热带高压区盛行下沉气流， 气流下沉后南北分
3.具体影响
①对高空大气环流的影响 在北半球 对流层中，高 层的平均水平 环流形式是西 风带上存在着 大尺度的平均 槽脊。 500hpa等压面平均高度图
②对近地面大气环流的影响
气压带的纬向分布被破坏，形成一个一个独立的气 压活动中心。 常年气压活动中心 季节性气压活动中心
世界一月海平面平均气压分布形势图
结论：北半球背风而立，高压在右后方，低压在左前方。
7,大气运动
• 静力学方程给我们指出了气压随高度的变化关 系，但静力学方程只能计算当高度增量很小时 气压的变化值， • 而实际工作中往往需要知道较厚气层内气压随 高度的变化规律，所以要对静力学方程进行积 分。 • 但由于大气温度及密度随高度的分布受多种因 素的影响，很难用函数关系表达，给积分带来 困难， • 所以气象学中对密度和温度的垂直分布作一些 假定，讨论几种典型条件下气压随高度的变化 规律，而这些假定具有一定的实际意义，用它 们可以来讨论和解决实际问题。
（一）静力学方程（静压方程）
在垂直方向上，空气要受到重力的作用。如果只是在这一力的作用下， 空气应迅速下降。但实际情况并非如此，大气中的下降气流一般是很微弱的， 因此一定有其他的力存在而抵消了重力的作用。 分析截面积为1cm2的薄气柱在垂直方向上的受力情况。 除重力w外，还在顶部和底部分别受到压力的 作用，且顶部的压力小于底部的压力，二者的压力 P2 差△P的方向是垂直向上的。若该压力差等于重力， △P 则簿气柱在垂直方向上所受的合力为0，即处于静力 P1 平衡状态。 在实际大气中，除了在山区或是当有强烈对流运动 的时候外，铅直运动速度都很小，可以近似地把大气 当作处于静力平衡状态，即△P= － W 由于W=mg=△v· △z· ρg，所以，△P= ρg= 如果取△z为一无限小量，则上式可写成：
• （2）海洋型：与大陆型相反，夏高冬低。 • 气压年较差小于同纬度的陆地，因为海洋上气 温年变化比大陆小。如P88图4· 8，火奴鲁鲁， 3.6hpa。 • （3）高山型：最高值出现在温暖季节，最低 值出现在寒冷季节。与海洋型相似， • 但成因不同。 • 在温暖季节，空气受热，气柱膨胀、上升，使 高山地面以上气柱质量增加。 • 在寒冷季节，空气冷却，气柱收缩、空气下沉， 使高山地面以上气柱质量减少。如青藏高原
地理：大气的水平运动
等压线闭合，数值
低压中心
压中心的范围
中低周高
高气压延伸出来的 高压 脊控制地区 与高
高压脊
狭长区域
压中心天气状况相近
低压槽往往与锋面结
低气压延伸出来的 合在一起，其控制地区
低压槽
狭长区域
与低压中心一样以阴
雨天气为主
核心图表解读
第1讲
[方法技巧] 1．风向的运用
利用风向可判断以下几方面问题：
(1)等压线值的变化规律：顺着风向，等压线值越来越小。
在同一水平面上气压相等的各点的连线就是等压线。等 压线实际上是等压面和等高面的交线，所以等压线分布 图表示在同一高度上气压水平分布的状况。“高压”和 “低压”是针对同一水平面上的气压差异而言的。
核心图表解读
第1讲
本
课
栏
目
开
气压系统
特征
注意点
关
等压线闭合，数值
高压中心
最外一条封闭等压线
中高周低
以内是高压中心或低
9．从热力环流原理看图示近地面( C )
A．①为海洋 ④为陆地 B．①为谷地 ④为山地 C．①为郊区 ④为城区 D．①为陆地 ④为海洋 10．若图示近地面地势低平，气温都为21.5℃，则 飞机在图中①②③④四处飞行，飞行员感觉最颠簸
的是( A )
A．① B．② C．③ D．④
读下图，沿甲图E－F，A－B所作的海平面气压变化图分别为乙图和丙图， 回答11～12题。
第1讲
第 1 讲 冷热不均引起大气运动
本
课 栏
一、大气的受热过程
目
开 关
二、热力环流
大气受热过程
低 D
高 G
A
冷却
大气科学基础第四章
5、影响我国的气团
冬半年：通常受极地大陆气团影响， 冬半年：通常受极地大陆气团影响，当它与热带海洋气团相 遇时，在交界处会形成阴沉多雨的天气。 遇时，在交界处会形成阴沉多雨的天气。北极气团有时也会 南下侵袭我国，造成气温剧降的强寒潮天气。 南下侵袭我国，造成气温剧降的强寒潮天气。 极地大陆气团 干冷 北极气团 干冷
大气科学概论
§1.3 辅助天气图
地面辅助图中常用的有天气实况演变图、变压图、变温图、 地面辅助图中常用的有天气实况演变图、变压图、变温图、 降水量图等。 降水量图等。 高空辅助图中常用的有热力学图表、流线图、变高图、 高空辅助图中常用的有热力学图表、流线图、变高图、 剖面图等。 剖面图等。
大气科学概论
大气科学概论
1、气团的定义
物理属性（主要指温度、湿度、稳定度）的水平分布 比较均匀的大范围空气团。
大气科学概论
2、气团空间尺度：
水平范围：几百千米～几千千米； 垂直范围：几千米～十几千米。
大气科学概论
3、气团的形成与变性
(1)形成条件：a）大范围性质比较均匀的下垫面；
b）适合的环流条件。
形成过程：辐射、湍流和对流、蒸发和凝结 (2)气团变性：气团形成后，当它离开源地移到另一地区时，
大气科学概论
复习题
锋、暖锋、冷锋、准静止锋、锢 囚锋 暖锋、冷锋、准静止锋、 按锋在移动过程中冷暖气团所占的主次地位， 按锋在移动过程中冷暖气团所占的主次地位，锋可分为 哪几类？ 哪几类？
大气科学概论
§2 温带地区天气系统
§2.1 气团 §2.2 锋 §2.3 温带气旋和反气旋
1、气旋与反气旋概念
低气压
中心气压低于四周气压 中心气压高于四周气压 气流由四周向中心旋转流入 气流由中心向四周旋转流出
第四章风的水平运动
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4、风力等级
风力等级与风速（米/秒）之间有如下近似关系：
1— 4级 风速≈1.5×风力等级
5—12级 风速≈3.8×风力等级 – 10
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风力等级表
风力等级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 陆地地面物体征象 静，烟直上。 烟能表示风向。 人面感觉有风，树叶微动。 树叶及微技摇动不息，旌旗展开。 能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动。 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。 大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难。 全树动摇，迎风步行感觉不便。 微枝折毁，人向前行感觉阻力甚大。 草房遭受破坏，大树枝可折断。 树木可被吹倒，，一般建筑物遭破坏。 陆上少见，大树可被吹倒，一般建筑物遭 严重破坏。 相当风速 公里／时 小于1 1－5 6～11 12～19 20～28 29～38 39～49 50～61 62～74 75～88 89～102 103～117 米／秒 0 ～ 0 ．2 0．3～1．5 1．6～3．3 3．4～5．4 5．5～7．9 8．0一10．7 10．8～13.8 13．9～17．l 17．2～20．7 20．8～24．4 24．5～28．4 28．5～32．6
水平气压梯度力的方向与水平气压梯度方向一致，垂直于等压线，
从高压指向低压，它的大小与水平气压梯度成正比，与空气密度成反 比。即
G= -
1 ρ
ΔP ΔN
同一水平面上空气密度通常变化不大，因此，一般水平气压梯度越 大的地方，水平气压梯度力也越大。
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1、形成风的力－水平气压梯度力
水 平 气 压 梯 度 力
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2、风的形Leabharlann －摩擦风自由大气(Free Atmosphere)：
8,大气垂直和水平运动
实际大气在运动中所受到的C通常很小， 因为空气运动时的曲率半径都很大，从几十千米到 上千千米，所以C往往小于A。 但在低纬度地区或空气运动速度很大，且曲率半径 很小时，C的数值较大，并有可能超过A。 例如：龙卷风： 当风速V=10m／s时，运动的曲率半径为500km， 一克空气所受到的惯性离心力C=2×10-7牛顿。 而 当 风 速 V=10m／s 时 ， 在 纬 度 φ=30° 处 ， ω=7.292×l0-5弧度／秒，则一克空气所受到的地 转偏向力A=7×10-7牛顿， 这个数值与1百帕／赤道度气压梯度力相同，而惯性 离心力小得多。
在北半球中纬度地区，物体从A点沿经线向正北方向 运动，经过一段时间，地球自转到B点。物体仍保持 其运动方向，即在B点的运动方向与A点的运动方向 平行，对于地球上的观察者来说，在B点物体的运动 方向已不是正北方向，而是向右偏了一个角度。 同理，在北半球的高纬度地区，某物体从C点沿经线 向南运动，当地球自转到D点时，观察者面向物体的 运动方向，看到的仍然是运动的物体向右偏了一个 角度。
空气的运动是在力的作用下产生的。 作用于空气的力有： 重力（g） 由于气压分布不均而产生的气压梯度力（G） 由于地球自转而产生的地转偏向力（A） 由于空气层之间、空气与地面之间存在相对 运动而产生的摩擦力（R） 由于空气作曲线运动时产生的惯性离心力 （C）
这些力在水平分量之间的不同组合，构成了 不同形式的大气水平运动。
第三节
大气的水平运动和垂 直运动
空气无时无刻不在运动着。 它的运动可分为水平运动和垂直运动两个分 量。 垂直运动与出现在广阔区域并能持续几天以 致几十天之久的水平运动相比，一般是很不 显著的。
第四章 大气圈
氧是化学性质上高度活跃的元素，也 是人类和动物生存的主要元素。在氧 化过程中，它易于和其它元素化合。 通过光合作用和呼吸作用实现在 大气和生命中交换。 大气中的水汽和固态杂质主要存在于 大气低层，是产生天气现象的必要条 件之一。
二氧化碳在大气中有重要作用，因为它对 太阳辐射吸收甚少，但却能强烈地吸收地 面辐射，同时又向周围空气和地面发射长 波辐射，从而使地层大气因接受热辐射而 变暖。 绿色植物在光合作用过程中，利用大气中 的CO2，在水的参与下将它转化为固态的碳 水化合物，这正是人类食物的重要来源。 过去300年， CO2增加了25%，主要是人类 引起的化石燃烧、森林砍伐及土地利用形 式的改变。
C
气旋与反气旋：
气旋：中心气压低、周围气压高
的大尺度空气漩涡称为气旋。在 北半球，气旋风是围绕其中心作 逆时针方向旋转的；南半球则相 反。气旋是由于锋面上或密度不 同的空气分界面上发生波动，进 一步发展形成的。气旋常常带来 大风和降水天气。
三、天气和天气系统 天气是指某一地区、某一时刻的大气物理 状况。 天气系统是具有一定的温度、气压或风等 气象要素空间结构特征的大气运动系统。 一个地区某一时刻的天气，是由该地 区大气中不同的各类天气系统（如高压、 低压、气旋、反气旋等）的移动、变化所 引起的，而各天气系统之间又是相互作用、 相互交织着的，共同形成不同形态的天气 状况。
地球大气由多种气体的混合物组成，
主要成分是氮和氧，共占99%，其 中氮占大气体积的78%，氧占21%， 此外还有氢、二氧化碳、臭氧、水 汽和固体杂质等，只占1%。 在高出海平面80~90千米以下的空间 内的大气质量占整个大气圈质量的 99.999%以上，其余部分质量甚微， 但分布空间可达地面几千万米以上。
大气的水平运动(风)详解
课堂小结：风向与气压的关系
①高空中的风: 在北半球，背风而立，低压在左，高压在右； 在南球则相反。
②近地面的风： 由于风向斜穿等压线流向低压，故在北半球， 背风而立，低压在左前方，高压在右后方； 南半球则相反。
1.在下面四幅等压线分布图中，①②③④四地风力由
大到小正确排序的是（ D ）
A.②＞①＞③＞④ B.①＞②＞③＞④ C .①＞③＞②＞④ D.④＞③＞②＞①
预习“全球气压带和风带的分布”，并完成《学 法大视野》P49的“知识图解”。
二、影响风的作用力分析
1.影响风的因素——水平气压梯度力
B.水平气压梯度力：水平方向气压差异所产生的力。 方向：由高压指向低压，垂直于等压线。 注意：水平气压梯度力是形成风的直接原因。
对风的影响：影响风速和风向
（百帕）
1000 低
1005
1010 高
水平气压梯度力大小的判读
1、判断图中A、B两点水平气压梯度力的大小
488 低
490 492 494 496 498
500 高
单位：hPa
有一飞机在南半球的平流层飞行，飞行员 的左侧是高压，右侧是低压，请问飞机现在是 顺风飞行还是逆风飞行？
顺行
高
低
二、影响风的作用力分析
3.影响风的因素——摩擦力
风 向
摩擦 力
（百帕） 1000 1005
摩擦力：指地面与空气 之间，以及运动状况不 同的空气层之间相互作 用而产生的阻力 。
单位：hPa
探究活动
要闻点击：今年十月中上 旬，浙江省遭受了“菲特 ”强台风的袭击。在强盛 期登陆沙埕，其强度强、 云系范围大、持续时间长 、影响范围广，给该省造 成了严重灾害。据悉，为 浙江省带来重大经济损失 ，受“菲特”影响，浙江 省共874余万人受灾，直 接经济损失达275亿元。
第四章 大气的运动
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第二节 气压场
（二）高空情况 气压系统存在于三度空 间中。由于愈向高空受地 面影响愈小，以致 高空 气 压系统比低空系统要相对 简单，大多呈现出沿纬向 的平直或波状等高线，有 时也有闭合系统如切断低 压、阻塞高压。
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第二节 气压场
三、气压系统的空间结构 （一）温压场对称系统 当温度场与气压场配置重合时， 称气压系统是温压场对称。 1.深厚系统 1）暖性高压 2）冷性低压 暖性高压和冷性低压系统不仅存在于对 流层低层，还可伸展到对流层高层，而 且其气压强度随高度增加逐渐增强， 2.浅薄系统 3）暖性低压 4）冷性高压
2.动力因子 指大气运动所引起的气柱质量的变化。 1）水平气流的辐合与辐散 2）不同密度气团的移动 3）空气垂直运动
6
第一节 气压随高度和时间的变化
（二）气压的周期性变化 指在气压随时间变化的曲线上呈现出有规律的周期性波动，以日或年为周 期的波动。
1．地面气压的日变化
1）变化特征 2）气压日变化的原因 一般认为同气温日变化和大气潮汐密切相关。
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
二、自由大气中的空气水平运动 （一）地转风（Vg) 地转风是气压梯度力和地转偏向力相平 衡时，空气作等速、直线的水平运动。 1.地转风的方向 地转风方向与水平气压梯度力的方向垂 直，即平行于等压线。若背风而立，在北半 球高压在其右方，在南半球，高压在其左方， 即风压定律 2.地转风的大小 1）水平面（等高面）上地转风公式
水平运动和垂直运动的区别
关于水平运动和垂直运动A．什么是水平运动？所谓水平运动是指运动者在其运动过程中其身体与地面保持基本平行的状态下进行的各种运动。
换言之，只要运动者的身体处于水平状态而进行的各种运动都可以叫水平运动。
典型的水平运动有游泳和爬行等。
B．水平运动有哪些优点？水平运动的主要优点是能减少和消除重力对人体的副作用，甚至能利用重力对身体产生各种有利的影响。
C．什么是垂直运动？所谓垂直运动是指运动者在其运动过程中其身体与地面保持垂直状态而进行的各种运动。
现代人类日常生活中进行的绝大多数运动都是垂直运动，如走路，跑步，跳跃，站立，坐立都属于垂直运动，即在运动中，我们的整个身体与地面保持基本垂直状态，或者至少上身是处于垂直状态。
现在人们所进行的绝大多数体育运动也都是垂直运动，如篮球，足球，网球等球类运动，各种田径运动和体操运动等。
现在人们利用传统的健身器材所进行的健身运动也都是垂直运动，如跑步机，椭圆机，健身车，划船机，踏步机，扭腰机等。
D．垂直运动有哪些缺点？垂直运动的主要缺点是不但不能减少和消除重力对人体的副作用，反而在某种程度上一边在运动一边在对人体进行伤害（主要是对脊柱和对心腦血管系统）。
重力对人体的副作用重力对人体造成副作用，是造成脊柱问题（包括颈椎和腰椎），循环系统问题（包括心脑血管系统问题），身体变矮，器官下垂（包括胃，肾，子宫下垂等）和其他人体功能问题的主要因素。
A.为什么重力对脊柱造成问题？人体脊柱主要由颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾骨组成。
从人体旁侧观看脊柱，它不是笔直的，而是拥有四个曲线的弧度，呈S形状，这就是脊柱的四个生理曲线，即脊柱的两个前凸和两个后凸。
脊柱的这种生理结构具有缓冲外力、反作用力对身体的冲击，取到减压和避震的作用。
但是，当人体直立时，头部的重量主要靠颈椎来承受，整个躯干的重量几乎全靠腰椎来承受。
重力的作用致使颈椎、腰椎等S形的拐点处长期受压，产生不良形变——诸如骨质增生、椎间盘突出、骨裂等等，而且这些形变还会对周围的肌肉和韧带产生不良影响。
大气的水平运动
右(北半球)或向左(南半球)偏转30°～45°角，画出实线箭头，
即为经过该点的风向。如下图(北半球)：
①近地面风：
②高空风：
(3)风向的应用： ①判断气压的大小：顺着风向，气压值越来越小。 ②判断南北半球：向右偏→北半球；向左偏→南半球 。 ③判断近地面和高空(高空忽略摩擦力)：风向与等压线 的关系：斜交 →近地面；平行→高空。 ④判断高压和低压：观测者背风而立，北半球高压中心
，则反之。
③相邻两条等压线数值差越大，水平气压梯度力越大，风力 越大；相邻两条等压线数值差越小，水平气压梯度力越小，风力 越小。
(2)判断风向： 第一步：在等压线图中，按要求画出过该点 的切线并作垂直于切线的虚线箭头(由高压指向低压，但并非一 定指向低压中心)，表示水平气压梯度力的方向。 第二步：确定南、北半球后，面向水平气压梯度力方向向
脊中各条等压线上弯曲最大处的连线叫脊线。
2．等压线的判读与应用 (1)风力的判读：风力的大小取决于水平气压梯度力大小。
等压线密集处水平气压梯度力大，风力也大。但要注意不同的两
幅图上的等压线值和比例尺两种情况的变化。 ①同一等压线图上：等压线越密集，风力越大；等压线越 稀疏，风力越小。 ②比例尺越大，水平气压梯度力越大，风力越大；比例尺越小
三种力：水平气压梯度力—方向垂直等压线，指向低压；地转偏 向力—始终与风向垂直；摩擦力—始终与风向相反。
（2007海南）下图示意某一等高面。M、N为等压线，其气压值分别 为PM、PN，M、N之间的气压梯度相同。①～⑧是只考虑水平受力，
不计空气垂直运动时，O点空气运动的可能方向。回答8～10题。
A
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C.与气压梯度力方向成90°角
D.与气压梯度力方向成180°角
第四章 大气运动
一、作用于空气的力
（1）气压梯度与气压梯度力
气压梯度： 概念—— 气压梯度为既有方向又有大小的空间向 （矢）量。其方向由高压指向低压，大小等于单 位距离内的气压差。 单位：hpa／m（km）
可据某地点气压梯度方向，了解气压朝哪个方向 降低，还可据气压梯度值大小，了解周围大气空 间内气压差异的程度。 表示方式：-△p/△N。 △p为两相邻等压线间气压 差，△N为两相邻等压线间距离。负号表示气压 降低，因气压取正值而加负号。
5、四种力的区别：
1、水平气压梯度力是促使空气运动的原始动 力 2、水平地转偏向力和惯性离心力都是假想的 力，只改变空气运动的方向，而不改变空 气运动的速度。 3、水平气压梯度力和摩擦力是实力，即改变 空气运动的方向，又改变空气运动的速度 4、在赤道上：A=0，忽视水平地转偏向力的 作用空气作直线运动：r=0，忽视惯性离心 力的作用在自由大气中 的空气：K=0，忽 视摩擦力的作用
第二节
气压场
气压的空间分布叫气压场。三度空间的气 压场叫空间气压场，某一水平面上的气压 场叫水平气压场。气压场形式的变化可引
起天气的变化。
一、气压场的表示方法
（一）等高面图：在等高面上用等压线表示水平方向上的气 压分布状况 （二）等压面图：在等压面上用等高线表示等压面空间起伏 特征的图
等高面图
静力学方程
如图示，在整个大气柱中截取面积 为1厘米，厚度为△Z的薄气柱 ，设 高度Z1处的气压为P1，高度Z2处的气 压为P2，空气密度为ρ，重力加速 度为g。在静力平衡条件下，Z1面上 的气压P1和Z2面上的气压P2间的气压 差应等于这两个高度面间的薄气柱 重量，即 P2-P1=-△P=-ρg（Z2-Z1）=ρg△Z 式中负号表示随高度增高，气压降 低。若△Z趋于无限小，则上式可写 成-dP=ρgdZ，上式是气象上应用的 大气静力学方程。
大气的水平运动
大气的水平运动通过上节课的学习，我们已经知道了大气运动有两种方式，一种是水平运动，那么另外一种呢？是垂直运动。
其中对我们影响最大的是大气的水平运动，也就是风。
我们说，热力环流是最简单的大气运动形式，其中，最重要的原因是我们在分析的时候只考虑了高低的气压诧异，对不对？那么，在我们的实际生活中，是不是风的形成的也是这样的呢？还是说风的形成还和其他的因素有关系呢？那么，这节课我们就一起来探究一下，我们一起来学习大气的水平运动。
（板书）下面请同学们翻到书p31 仔细阅读这一节的内容，结合书上给出的三幅图和老师等一下画再黑板上的表格，带着问题认真阅读仔细思考，阅读完之后完成黑板上的表格的前两部分（大小和风向）。
方向大小影响风向水平气压梯度力由高压指向低压取决于气压梯度，等压线越紧密越大大气运动的直接原因，风向、风速的最重要影响因素一个力作用时，风向垂直于等压线，由高压指向低压地转偏向力与运动方向垂直北半球指向右侧南半球指向左侧与纬度、风速等因素有关影响风向二力平衡时，风向平行于等压线（高空）摩擦力与运动方向相反近地面大高空小影响风向、风速三力共同作用是，与等压线斜交（近地面）这位同学填表格的时候，我想请一位同学起来告诉大家，什么是气压梯度？什么是气压梯度力？（请同学）好，这位同学都说对了吗？请大家看到书第一自然段中，用笔勾出来气压梯度是（单位距离间的气压差，叫做气压梯度）而我们说的气压梯度力呢？（是由于水平面上产生了气压梯度，就产生了促使大气由高气压流向低气压的力，那么这个力叫做气压梯度力。
）我们接着下面的文字看，在这个力的作用下，大气由高压指向低压做水平运动，形成了风，可见，水平气压梯度力是形成风的直接原因。
大家都做好记号了吗？好了，我们来看这位已经填完了，那么他填的到底正确吗？下面，我们一起来详细的学习了今天的课之后再回过头去看看这位同学刚才的预习效果到底怎么样，好不好？（边画图边讲）好了，我们先来看看在理想的状态下，我们假设空气质点只受一个力，即只受水平气压梯度力的作用时，水平气压梯度力是垂直于等压线的，并且，由高压指向低压。
第4章 第3节 大气的水平运动与垂直运动
第三节、大气的水平运动和垂直运动要求：● 1.熟练掌握水平气压梯度力、水平地转偏向力，地转风、梯度风的形成及风压定律；热成风。
● 2.掌握惯性离心力、摩擦力的大小、方向；风随高度的变化规律。
一、促使空气运动的力：●（一）水平气压梯度力：●1、气压梯度：●（1）定义：●垂直等压线方向，单位距离内气压的改变量，即作用于单位体积空气上的压强。
既有方向，又有大小。
一、促使空气运动的力：●（2）方向：垂直等压线从高压指向低压●（3）大小：-dp/dN●（4）单位：hPa/赤道度（1赤道度=111公里）●（5）特点：当两个等压线间的压差一定时，气压梯度与两个等压线间的垂直距离成反比。
一、促使空气运动的力：●（6）气压梯度力●在气象上讨论空气水平运动时，通常取单位质量的空气作为讨论对象，并把在气压梯度存在时，单位质量空气所受的力称为气压梯度力。
G=-△P/△Nρ一、促使空气运动的力：●2、水平气压梯度力：●当水平气压梯度存在时，在水平方向上作用在单位质量空气上的力。
●G =-dp/ρdn●方向：垂直于等压线从高压指向低压●意义：水平气压梯度力是空气运动的原始动力，是实力。
一、促使空气运动的力：●（二）水平地转偏向力：●1、定义：●空气是在转动的地球上运动的，由于地球的转动而产生作用于空气的惯性力。
它是使空气运动偏离水平气压梯度力方向的主要原因。
一、促使空气运动的力：●2、水平地转偏向力的形成：●如图：一、促使空气运动的力：●3、水平地转偏向力的大小：●OA=Vt ∠A′OA=ωt●A′A=OA∠A′OA=Vωt2●S ≈A′A●S=1/2×at2●Vωt2=1/2×at2●a=2Vω●F=ma=2mVω一、促使空气运动的力：●单位质量空气受到的地转偏向力是A=2 Vω●北极：地平面轴与地轴相重合，则A=2 Vω●赤道：地平面轴与地轴垂直，ω=0，则A=0●任一纬度：自转轴与地轴交角大于零小于90º，则ω′=ωsinΦ●a =2 VωsinΦ●4、特点：●①A是为解释转动的物体产生偏向而假想的力，只有物体相对于地面有运动时产生的，物体静止时，没有A。
动力气象第四章 平衡流场——【动力气象】
Vg
1
f
k
hP
1
k
f
g f
k pz
由地转风的表达式看到，地转风的大小取决于同一等高面上
的气压梯度，即又决定于等压面的坡度，如等压面的坡度不随高 度改变，即如果不同高度上的等压面都平行，那么，地转风就不 随高度改变。
是什么因素决定等压面的坡度随高度变化呢 ?
（1）正压大气和斜压大气
一、地转平衡与地转风、热成风
1.地转平衡与地转风(Geostrophic Flow)
自由大气中，水平气压梯度力与科氏力二
者的平衡称为地转平衡；相应的空气水平运动 称为地转风，记为Vg。
地转平衡满足：
1
h
p
fk
V
0
地转风公式：
Vg
1
f
k
h
P
地转风Vg，是水平等速(dVh/dt＝0)运动，风向与等压线平行 (运动定常时，等压线为地转风的流线)，而且在北半球，背风而
立，高压在右，低压在左；南半球相反，风速大小与水平气压梯 度力的大小成正比，与空气密度、科氏参数成反比。
地转平衡关系的重要性：
揭示了风场与气压场之间最简单，最基本的联系。
大尺度运动处于准地转平衡状态，这是 大尺度运动一个重要性质。
2、热成风 — 由热力作用引起的 (Thermal Wind)
地转风随高度的变化产生热成风。
（2）热成风
由此可见：斜压大气是地转风随高 度改变的充分必要条件，即热成风 是与大气的斜压性相联系，与热力 作用相关。
热成风定义
定义：热成风为垂直方向上两等压面上 地转风的矢量差。
定义式：VT Vg (P1) Vg (P0 )
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第三节、大气的水平运动和垂直运动要求：● 1.熟练掌握水平气压梯度力、水平地转偏向力，地转风、梯度风的形成及风压定律；热成风。
● 2.掌握惯性离心力、摩擦力的大小、方向；风随高度的变化规律。
一、促使空气运动的力：●（一）水平气压梯度力：●1、气压梯度：●（1）定义：●垂直等压线方向，单位距离内气压的改变量，即作用于单位体积空气上的压强。
既有方向，又有大小。
一、促使空气运动的力：●（2）方向：垂直等压线从高压指向低压●（3）大小：-dp/dN●（4）单位：hPa/赤道度（1赤道度=111公里）●（5）特点：当两个等压线间的压差一定时，气压梯度与两个等压线间的垂直距离成反比。
一、促使空气运动的力：●（6）气压梯度力●在气象上讨论空气水平运动时，通常取单位质量的空气作为讨论对象，并把在气压梯度存在时，单位质量空气所受的力称为气压梯度力。
G=-△P/△Nρ一、促使空气运动的力：●2、水平气压梯度力：●当水平气压梯度存在时，在水平方向上作用在单位质量空气上的力。
●G =-dp/ρdn●方向：垂直于等压线从高压指向低压●意义：水平气压梯度力是空气运动的原始动力，是实力。
一、促使空气运动的力：●（二）水平地转偏向力：●1、定义：●空气是在转动的地球上运动的，由于地球的转动而产生作用于空气的惯性力。
它是使空气运动偏离水平气压梯度力方向的主要原因。
一、促使空气运动的力：●2、水平地转偏向力的形成：●如图：一、促使空气运动的力：●3、水平地转偏向力的大小：●OA=Vt ∠A′OA=ωt●A′A=OA∠A′OA=Vωt2●S ≈A′A●S=1/2×at2●Vωt2=1/2×at2●a=2Vω●F=ma=2mVω一、促使空气运动的力：●单位质量空气受到的地转偏向力是A=2 Vω●北极：地平面轴与地轴相重合，则A=2 Vω●赤道：地平面轴与地轴垂直，ω=0，则A=0●任一纬度：自转轴与地轴交角大于零小于90º，则ω′=ωsinΦ●a =2 VωsinΦ●4、特点：●①A是为解释转动的物体产生偏向而假想的力，只有物体相对于地面有运动时产生的，物体静止时，没有A。
●②A的方向与空气运动方向始终是垂直的，只改变空气运动的方向，不改变运动的速度，在北半球，背风而立，偏向运动的右方，南半球则偏向左方。
一、促使空气运动的力：●③水平地转偏向力与空气运动的速度成正比。
●④若空气运动的速度一定时，水平地转偏向力与纬度成正比，纬度愈高水平地转偏向力愈大。
一、促使空气运动的力：●（三）惯性离心力：●1、定义：●在曲线轨道上运动的空气质点时刻受到一个离开曲率半径中心向外的作用力，这个力是为空气质点保持惯性方向而产生的。
●2、大小：C=ω2r＝v2 / r一、促使空气运动的力：●3、方向：与空气运动方向相垂直，指向曲率半径的外侧。
●4、特点：惯性离心力是一个假想的力，只改变空气的方向，不改变空气运动的速度；此力的值较小，只有在气旋中才很大。
一、促使空气运动的力：●（四）摩擦力：●1、定义：空气运动时，因受地面摩擦和气层间的相互摩擦作用，减缓空气运动速度，此阻力称为摩擦力。
●2、大小：R=-KV●（五）四种力的区别：●1、水平气压梯度力是促使空气运动的原始动力。
●2、水平地转偏向力和惯性离心力都是假想的力，只改变空气运动的方向，而不改变空气运动的速度。
●3、水平气压梯度力和摩擦力是实力，既改变空气运动的方向，又改变空气运动的速度。
●4、在赤道上：A=0，忽视水平地转偏向力的作用；空气作直线运动：r=0，忽视惯性离心力的作用；在自由大气中的空气：K=0，忽视摩擦力的作用。
一、作用于空气的力●（六）大气运动方程●大气运动方程是描述作用于空气微团上的力与其所产生的加速度之间关系的方程。
●根据牛顿第二定律，物体所受的力等于质量和加速度的乘积，即F=ma，F 为物体所受的力，是各个作用力的总和。
单位质量空气运动方程的一般形式为：一、作用于空气的力●以FX、FY、FZ 分别表示单位质量空气团受的合力在标准坐标系X、Y、Z 三个方向上的分量，则一、作用于空气的力●将G、A、R、g 值代入上式，简化后的运动方程为：一、作用于空气的力●在空气作大规模水平运动中，大气近似于静力平衡，因而上式中的垂直运动项可以略去。
在自由大气中，R 也可略去。
上式可写成二、自由大气中的空气运动：●（一）地转风：●1、定义：●在自由大气中，因气压场是平直的，空气仅受水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用，当二力大小相等方向相反时，空气的水平运动称为地转风。
二、自由大气中的空气运动：二、自由大气中的空气运动：●3、风速：●条件：水平气压梯度力=水平地转偏向力。
●即：G=A●-dp/ρdn=2 V gωsinΦ●则：V g= -dp/dnρ×1/（2ωsinΦ）二、自由大气中的空气运动：●4、白贝罗风压定律：●在北半球，背风而立，低压在左手边，高压在右手边，南半球则相反。
二、自由大气中的空气运动：●（二）梯度风●1、定义：●在自由大气中，空气质点作曲线运动时，受到水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力的共同作用，当三个力达到平衡时的空气运动，称梯度风。
二、自由大气中的空气运动：●2、低压区中的风速●在北半球风是逆时针吹A+C=G 。
二、自由大气中的空气运动：●3、高压区中的风速：●在北半球风是顺时针吹A=G+C。
二、自由大气中的空气运动：●4、梯度风的特性：●①空气运动的速度受水平气压梯度、大气密度、纬度和曲率半径的影响。
●②当气压梯度和纬度相同时，V c<V g<V ac二、自由大气中的空气运动：●③旋衡风●赤道附近低压区中出现，G=C，运动方向可以是顺时针也可以是逆时针。
如：龙卷风。
●④梯度风风速的变化●高压中空气运动的速度受到限制，不能无限制增大；低压中空气运动的速度可以不受任何限制，无限制增大。
在高压中：如果空气运动的曲率半径减小，则惯性离心力增大（C=V2/r），空气运动速度增大，水平地转偏向力增大（A=2 V ωsinΦ），则水平气压梯度力减小（G=A-C），因A与V是线性关系，而C与V（C=V2/r）平方关系，则C比A增大程度强，所以G变小。
因此高压中空气运动的速度受到限制，不能无限制增大。
在低压中：如果空气运动的曲率半径减小，则惯性离心力增大（C=V2/r），空气运动速度增大，水平地转偏向力增大（A=2 Vωsin Φ），，则水平气压梯度力增大（G=A+C）因此空气运动的速度可以不受任何限制，无限制增大。
二、自由大气中的空气运动：●⑤梯度风和地转风的关系●地转风是梯度风的特例。
梯度风遵守地转风风压定律。
●在实际大气中，严格的地转风和梯度风是不存在的，因为：a、气压场随时空不断变化；b、空气的水平运动经常跨纬圈。
就会出现非平衡条件下的实际风，促使气压场和风场相互调整，达到新的平衡。
二、自由大气中的空气运动：●（三）自由大气中风随高度的变化：●1、热成风：●由于水平温度梯度的存在而产生的地转风在铅直方向上的速度矢量差，称为热成风，即：二、自由大气中的空气运动：二、自由大气中的空气运动：●特点：●①热成风与温度和气压有关，温度差愈大，等压面越倾斜，水平气压梯度力愈大，空气运动的速度也就愈快。
●②热成风的风压定律：在北半球，背热成风而立，高温在右，低温在左，热成风与等温线是平行的。
●③只要温度场不变，热成风的大小、方向就不变。
二、自由大气中的空气运动：●2、风随高度的变化规律：●原则：地转风的风压定律、热成风的风压定律。
二、自由大气中的空气运动：二、自由大气中的空气运动：二、自由大气中的空气运动：二、自由大气中的空气运动：二、自由大气中的空气运动：●因此，在自由大气中，随高度的增加，不论风向如何变化，总是趋向于热成风。
例，北半球北冷南暖，热成风的方向则从西向东，高空风都为西风。
三、摩擦层中的空气运动：●（一）摩擦对风的作用：三、摩擦层中的空气运动：●（二）运动特征：●1、风压定律：●在北半球，背风而立，高压在右后方，低压在左前方，风斜穿等压线。
●南半球相反。
●至于风向偏离等压线的角度（α）和风速减小的程度，则取决于摩擦力的大小。
摩擦力愈大，交角愈大，风速减小得愈多。
三、摩擦层中的空气运动：●2、气压系统中的风（北半球）三、摩擦层中的空气运动：●（三）摩擦层中风随高度的变化●在摩擦层中风随高度的变化，既受摩擦力随高度变化的影响，又受气压梯度力随高度变化的影响。
假若各高度上的气压梯度力都相同，由于摩擦力随高度不断减小，其风速将随高度增高逐渐增大，风向随高度增高不断向右偏转（北半球），到摩擦层顶部风速接近于地转风，风向与等压线相平行。
三、摩擦层中的空气运动：●埃克曼螺线，是风速矢端迹图。
不考虑垂直方向上水平气压梯度力的影响。
三、摩擦层中的空气运动：●（四）风的日变化和风的阵性●1.风的日变化●（1）特点●近地面层中，风存在着有规律的日变化。
白天风速增大，午后增至最大，夜间风速减小，清晨减至最小。
而摩擦层上层则相反，白天风速小，夜间风速大。
三、摩擦层中的空气运动：●（2）日变化特征的改变●上层与下层的分界线随季节而有变化，夏季湍流最强，可达300m，冬季湍流最弱，低至20m，平均约50—100m。
●风的日变化，晴天比阴天大，夏季比冬季大，陆地比海洋大。
当有强烈天气系统过境时，日变规律可能被扰和或被掩盖。
三、摩擦层中的空气运动：●2.风的阵性●（1）定义●是指风向变动不定、风速忽大忽小的现象。
它是因大气中湍流运动引起的。
当大气中出现强烈扰动时，空气上下层间交换频繁，这时与空气一起移动的大小涡旋可使局部气流加强、减弱或改变方向。
三、摩擦层中的空气运动：●（2）表现●实箭头表示大范围气流的方向，虚箭头表示水平涡旋中气流的方向。
四、空气的垂直运动●（一）对流运动●对流运动是由于某团空气温度与周围空气温度不等而引起的。
●对流运动的高度、范围和强度同上升气团的气层稳定度有关。
大气中这种热力对流的水平尺度多在0.1—50km，是温暖的低、中纬度地区和温暖季节经常发生的空气运动现象。
它的规模较小、维持时间短暂，但对大气中热量、水分、固体杂质的垂直输送和云雨形成、天气发展演变具有重要作用。
四、空气的垂直运动●（二）系统性垂直运动●是指由于水平气流的辐合、辐散、暖气流沿锋面滑升以及气流受山脉的机械、阻滞等动力作用所引起的大范围、较规则的上升或下降运动。
这种运动垂直速度很小，但范围很广，并能维持较长时间，对天气的形成和演变产生着重大影响。
●1、什么是白贝罗风压定律？●2、在同一个气压场中，Vc、Vg、Vac是什么关系，请解释？●3、北半球暖高冷低区风随高度变化的规律是什么？●4、水平气压梯度力的表达式是什么，有什么意义？●5、随着纬度的增高水平地转偏向力有什么变化？●6、赤道上空的空气会发生偏向吗？为什么？●7、为什么在北半球0-30°N间吹东北风吗？●8、请解释为什么风筝会越放越高越稳？。