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。

●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：