农林气象学 4第四章大气的运动

C
B
P A
ZAa ZBb ZCc 等压面
H
a
b
c
等高面
等压面 等高面
PA＝PB＝PC＝P Ha＝Hb＝Hc＝H ZAa＜ZBb＜ZCc
HA＜HB＜HC Pa＜Pb＜Pc
地面天气形势图（地面天气图、地面图）
本站气压 气压订正 海平面气压, 等高面
（海拔高度为0）上的等压线（每隔2.5hPa）
二、气压场的基本型式
双峰型：与一日间的增、降温交替所产生的大气半 日振动周期和日月引起的大气潮有关;其日变化规 律是一天中出现一个最高值（9-10点），一个次高 值（21-22点）；一个最低值（15-16点），一个次 低值（03-04点）如图（雅加达、莫斯科、南高）
气压日变幅随纬度增高而减小，低纬度为3～ 5hPa,在纬度50°附近小于1hPa。我国低纬度地 区为2.5～4hPa，中纬度地区为1～2.5hPa。 气压年变化是以一年为周期的波动，受气温的年变 化、纬度、海陆性质、海拔高度等地理因素影响。 大陆上，一年中气压最高值出现在冬季，最低值出 现在夏季，气压年变化值很大，并由低纬向高纬逐 渐增大。海洋上最高值出现在夏季，最低值出现在 冬季，年较差小于同纬度的陆地。高山区一年最高 值出现在夏季，最低值出现在冬季。
1、低压（低气压、 气旋） 逆时针旋转 向中心辐合 绝热上升 多阴雨天气 2、高压（高气压、反气 旋） 顺时针旋转 向四周辐散 绝热下沉 多晴好天气
D
G
气旋
反气旋
3、槽（低压槽）
4、脊（高压脊）
D
G
5、鞍形气压场（鞍形场）
§4.3 大气的水平运动和垂直运动
大气的水平运动对于大气中水分、热量的输送和 天气、气候的形成、演变起着重要的作用。 一、作用于空气的力
总结 ：气压梯度力是使空气产生运动的直接动力，
是最基本的力. 地转偏向力对高纬地区或大尺度的空
气运动影响较大，而对低纬地区特别是赤道附近的空
气运动，影响甚小。 惯性离心力是在空气作曲线运 动时起作用，而在空气运动近于直线时，可以忽略不 计。 摩擦力在摩擦层中起作用，而对自由大气中的 空气运动也不予考虑。后三个力虽然不能使空气由静
（二）压高方程
P 1 z z2 z1 18400(1 t ) lg P2
由压高公式可知：气层上界和下界的气压若 保持不变，气层的厚度与平均温度有关。平均 温度高、气层厚；平均温度低，气层薄。因此 在冷空气中气压随高度变化递减快，暖空气中 气压随高度变化递减慢。
海拔高度 （km） 31.0 23.5 20.0 16.0
1000
等压 线疏 密与 气压 梯度 大小
气压梯度小
1002.5
p n
1005 气压梯度 1007.5
水平气压梯度值很小：一般为1-3hPa/赤道度 垂直气压梯度：在大气低层可达1/10m左右 赤道度：赤道上经度相差一度的纬圈长度（111km）
(二）水平地转偏向力（A科里奥利力、科氏力）
y
（ The Butterfly Effect）
蝴蝶效应是指在一个动力系统中， 初始条件下微小的变化能带动整个系统的 长期的巨大的连锁反应。这是一种混沌现 象。蝴蝶在热带轻轻扇动一下翅膀，遥远 的某个国家就可能造成一场飓风。
热量分布不均导致大气压力变化后产生大气运 动（水平，垂直），并形成尺度不一(规模很大的 全球性运动、小的局地运动）的大气环流,产生热 量、水分等物质与能量输送，影响和制约着不同 地区的天气和气候。
（一）平直等压线的气压场中的风 C＝0 空气所受的力：G、A、R
997.5
1000.0 1002.5 1005.0
摩擦层中的白贝
罗风压定律： 北半球：背风 而立，低压在 左前方，高压 在右后方。 南半球相反。
低压 G R A 高 压
V
在摩擦层中，风穿越等压线，向低压偏转
（二）弯曲等压线的气压场中的风 C≠0
止状态转为运动状态，但却能影响运动的方向和速度。
而气压梯度力和重力既可改变空气运动状态，又 可 使空气由静止状态转变为运动状态
二、自由大气中的风（
R＝0 ）
（一）地转风－平直等压线气压场中的风 C＝0 空气所受的力：G、A 地转风: A=G
G
低压
568 572 576
G
G V
V A A A
V
580 584
不同大气压下血液中的含氮量（正常气温下）
1 气压（标准） 100ml血液中含氮量（ml） 1.2
2 2.2
3 3.0
6 6.0
10 9.4
鲜为人知的例子就是一个生活在平原地区的健康 人突然到4000米以上的青藏高原，生理机能会发生急 剧变化，导致身体极为不适，即所谓的“高山反应”。 这是因为随着海拔高度升高，大气柱重量减轻，大气 中的氧含量也随之减少，到海拔4000米高度处，空气 中的氧含量大约减少了三分之一。所以生活在平原地 区的人突然到青藏高原，会因为缺氧而感到不适。在 日常生活中，人们也会有在低气压控制下的不舒适感 特别是心脑血管病患者更有憋闷感。 气压对人体生理的影响主要是影响人体内氧气的 供给，人每天需要大约750毫克的氧气，其中20％为 大脑所用。
12.0 9.0 5.5 3.0 1.5 0.0
气压 （hPa） 10 30 50 100
200 300 500 700 850 1000
高度
气压
人体对气压的变化有较强的适应能力。一般来说， 既可忍受15个大气压的高压，也可忍受0.303个大气 压的低压。但短时间内气压变化太大，人体很难适应 低压环境：一般认为在240毫米汞柱（相当于8500 米高度）时，人体内只有正常气压下45%的血色素和 氧结合成血氧，因此称这个气压（或高度）为生命 的生理极限。在低压缺氧状况下，轻者（3000米高 度以下）人会感到口鼻眼干燥、头晕、气喘，但经 过7天到3个月后，高山反应就会逐渐消失；重者 （3000～5000米高度）人就会出现胸闷、呼吸急促、 恶心呕吐，以至神经系统发生显著障碍。
（三）气压的非周期性变化 非周期性变化是指变化不存在固定周期的波动，它是 气压系统移动和演变的结果。通常在中高纬度地区气 压系统活动频繁，气团属性差异大，气压非周期性变 化较低纬度明显。如以24h气压的变化高纬度地区可达 10hPa，低纬度地区因气团属性比较接近，气压的非周 期变化量很小，一般只有1hPa。
C
曲率中心
r 曲率半径
V
V2 C＝—— r
静止
V＝0
C＝0
直线运动
r＝∞
C＝0
（四）摩擦力 （R） 是两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之 间所产生的一种阻碍物体运动的力。大气运动中所 受到的摩擦力一般分为内摩擦力和外摩擦力。 摩擦力的方向： R＝－K V 摩擦层 自由大气层 与运动方向相反 摩擦力 R K 摩擦系数 R≠0 R＝0
P (hPa) 1000 500 100
-40 6.7 13.4 67.2
-20 7.4 14.7 73.6
温度t℃ 0 20 8.0 806 16.0 17.3 80.0 86.4
40 9.3 18.6 92.8
从表中得出：①气压相同时，气柱的温度愈高，密 度愈小，气压随高度递减得愈缓慢，h愈大。反之， 气柱温度愈低，h愈小。②温度相同时，气压高的地 方，空气密度愈大，气压随高度递减快，h愈小。反 之，气压低的地方h愈大。比如到高空，空气稀薄， 虽然同样取上下气压差一个百帕，而气柱厚度却随高 度而迅速增大。
作用于 空气的力 基本力 （牛顿力） 水平气 压梯度力 摩擦力 假想力 （外观力）
水平地转 偏向力
惯性离心力
(一)水平气压梯度力（G）
z
y
0
p dz
A
dx
B
dy
p ﹣（p＋— dx） x
x
作用于单位质量空气块上的压力（气压梯度力） G， 方向由高压指向低压
G＝﹣— Δ p/Δ n

1
水平气压梯度力是形成风的原始动力
北 半 球
高压
（二）梯度风－弯曲等压线气压场中的风 C≠0 空气所受的力：G、A、C 梯度风： A+C+G=0
G 逆 时 针 旋 转 V A
D
G
V
G C
顺 时 针 旋 转
A
C
在自由大气层中，风沿着等压线吹。 自由大气层中的风压定律：北半球，背风而立，低压 在左，高压在右，南半球相反
三、摩擦层中的风 （ R≠0 ）

以圆盘外为参照系
x
O B
O
A
B
y’
以圆盘为参照系
x’ O A
B
作用于单位质量物体上的科里奥利力 F(含 有垂直方向）
F＝2 V 水平地转偏向力 A A＝2 V sin ＝2／24小时 ＝7.292×10-5rad*s-1
cos sin


水平地转偏向力（A）的特点：
空气所受的力：G、A、C、R
G
A V C
D
G
R
R
V A G
C
风逆时针旋转，向中心 辐合。绝热上升，多阴雨 天气
顺时针旋转，向四周辐散 绝热下沉，多晴好天气
（三）风的变化
★ 日变化
上层白天午后风小，夜间风大
近地层白天午后最大，夜间和清晨最小； 晴天>阴天，陆地>海洋 ★ 年变化 一般北半球中纬度地区，冬季最 大，夏季最小；
海拔高度与含氧量的关系
二、气压随时间的变化
（一）气压变化的原因 动力因子：大 气运动引起的 大气质量变化
热力因子：温度 的升高或降低、 密度的增大或减 小、气候辐合或 辐散所造成的质 量增多或减少
（二）气压的周期性变化
气压的周期性变化是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，明显的是以日 为周期和以年为周期的波动。 地面气压的日变化有单峰、双峰和三峰等型式 双峰型最普遍，气压日变化的原因比较复杂， 现在还没有公认的解释。 单峰型：原因是温度的日变化 三峰型：与一日波、半日波以及局部地形条件 等综合作用有关
我国大部份地区春季是冷暖空 气交替时期，所以春季风最大。
★风随高度的变化 摩擦层：风呈爱克曼（Ekman）螺线分布 摩擦层顶：风速接近地转风、风向与等压线平行 ★风的阵性 在观测中，风速时大时小、风向不停变化， 这种现象称为风的阵性。近地层的风，阵性显著
四、空气的垂直运动
大气运动经常满足静力学方程，基本上是准水平 的，因而空气的垂直运动速度很小，一般仅为水 平速度的百分之一，甚至千分之一或更小。然而 垂直运动却与大气中云雨的形成和发展及天气变 化有着密切关系。 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 （二）系统性垂直运动 （一）对流运动 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
★ 地转偏向力只有在空气相对于地面运动时才 产生。 空气静止时 V＝0 A＝0 ★北半球指向运动方向的右侧，南半球指向运 动方向的左侧 ★地转偏向力的方向：与运动方向垂直，只改 变运动的方向，不改变速度的大小。 ★赤道 北极 ＝0 ＝90° A＝0 A＝2 V ，最大
（三）惯性离心力（C） 惯性离心力的方向： 与运动方向垂直由曲 率中心指向外缘 作用于单位质量物体 上的惯性离心力
§4.1 气压随高度和时间的变化ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、气压随高度的变化 单位面积上所受到的大气压力，称 大气压强，简称气压。气压等于单位面 积上空气柱的重量。 一个标准大气压:条件是在45°N／S 的海平面上，温度为0℃，水银柱的高度 气压是随着海 拔高度的增高 而递减 在地面层中，高度每升100m， 气压平均降低12.7hPa，在高层 则小于此数值
高压环境：机体各组织逐渐被氮饱和（下表）。一般 在高压下工作５～６小时后，人体就被氮饱和。体内 过剩的氮从各组织血液由肺泡随呼气排出的过程慢、 时间长。如果从高压环境很快回到标准气压环境，则 脂肪中蓄积的氮有一部分就会停留在机体内，并膨胀 形成小的气泡，阻滞血液、液体和组织，形成气栓而 引起病症，甚至危及人的生命。
§4.2 气压场
气压场是指气压的空间分布状况
一、气压场的表示方法
等压面是空间气压相等的点所组成的曲面。常用 的等压面有850hpa、700hpa、500hpa、300hpa等 等压线是同一水平面上各气压相同点的连线。水 平面与等压面的交线即就是等压线 等高线是等压面上高度相同的点的连线 等高面是高度间隔相等的水平面
（一）静力学方程
dP g dz
dP dz
铅直气压梯 度或单位高 度气压差
结论：气压随高度递减的快 慢取决于空气密度（ρ）和重 力加速度（g）的变化。重力加 速度（g）随高度的变化量一般 很小，因而气压随高度递减的 快慢主要决定于空气的密度
dz h dP
气压阶，单 位气压高度 差
不同气温(℃)，气压(hPa下的 h值(m/hPa)