大气运动规律

摩擦层中的白贝罗 风压定律：
G
V
北半球：
R A
高压
背风而立， 低压在左前方， 高压在右后方。 南半球相反。
在摩擦层中，风穿越等压线，向低压偏转。
弯曲等压线的气压场中的风 C≠0
空气所受的力：G、A、C、RGA NhomakorabeaD
C R
G
V R V G C
A
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 大气连续方程
大气运动不仅遵循牛顿运动定律， 而且还受质量守衡定律的约束。表 示大气质量守恒定律的数学表达式 称为连续方程。在一个固定的几何 空间内，根据质量守恒原理，其中 流体质量变化取决于流体从四周流 入与流出量之差。
图示 X方向流体净流入量
连续方程 可写为：
V 0 t
北 半 球
地转风的方向与等压线平行，在北
半球，背风而立，高压在右低压在 左；在南半球，背风而立，高压在 左低压在右。 地转风的大小与水平气压梯度成正 比。
地转风大小还与地转参数和空气
密度成反比，因此，赤道地区由 于科氏力为零，地转关系不成立。 地转风抓住了自由大气中风压场 之间的基本关系。除了极地和赤 道附近地区以外，自由大气中的 实际风与地转风相当近似，因此 常用地转风代替实际风。
Frim V
2
湍流应力是由流速不同的流体之 间湍流运动引起的湍流动量交换 而作用在流体界面上的应力 ：
Frit K V
2
大气中分子粘性力很小，通常可 以不考虑。但在行星边界层（以 下），大气经常处于湍流状态， 湍流摩擦力不能忽略。
二 视示力有哪些？
视示力包括同地球旋转有关的惯 性离心力和地转偏向力。
*
海平面地心引力
*
在气象应用范围内，Z 值一般仅 为数十公里，而地球半径竟达六 千多公里，故ｇ可作为常数处理。
3. 摩擦力
外摩擦 摩擦力
分子摩擦
内摩擦
湍流摩擦
外摩擦力是指空气与地表之间的 摩擦力（也称地面摩擦力） ：
Fro k FV
分子粘性力是由流速不同的流体 （液体气体）之间，分子不规则 运动引起分子动量交换而作用在 流体界面上的粘性力 ：
正压大气
正压大气定义：大气中密度的变化仅仅
随气压而变化时，即 :这种状态的大气 称为正压大气
正压大气的特点
当大气是正压时，等压面也就是
等温面,等密度面。于是在等压面 上没有温度梯度，也就是在等压 面上分析不出等温面。因而也就 没有热成风
什么是斜压大气？
当大气中密度分布不仅随气压而
且还随温度而变时，这种状态的 大气称为斜压大气。 在斜压大气中地转风是随高度而 发生变化的。大气的斜压性对于 天气系统的发生、发展有很重要 的意义。
在自由大气层中，风沿着等压线吹。大尺度R小C小 自由大气层中的白贝罗风压定律：(判断风压关系的定律） 北半球，背风而立，低压在左，高压在右，南半球相反。
二、摩擦层中的风 （ R≠0 ）
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 低压
作用于空气微元上的气压梯度力 分析
p ( p dx ) x
P
dx
dz dy
气压梯度力的大小与气压梯度成 正比，方向与气压梯度一致，由 高压指向低压。在大气中，垂直 方向气压梯度力通常与重力相平 衡，因此，水平方向的气压梯度 力可以说是空气水平运动的原动 力。
2. 地心引力
牛顿万有引力定律说明，宇宙间 任何两个物体之间都具有引力， 其大小与两物体的质量乘积成正 比，与两物体之间的距离平方成 反比。 GMm r Fg 2 r r
但是，由于地球是近似椭球体， 调整得平行地面指向赤道上没有 重力分量，因而在任何地方重力 都垂直于水平面。重力在赤道上 最小，随纬度而增大，至极地达 最大。
第三节 大气运动的若干规律
大气静力学方程 运动学方程 连续性方程 热流量方程 状态方程 大气辐射方程 水汽方程
一 大气静力方程
假设大气处于静力平衡状态，考虑 面积为1平方米的垂直气柱中厚度 为dz的薄气柱在垂直方向的受力情 况。
-dp=p-(p+dp) dz dz ρ gdz
p+dp
p
图 3.10 静止大气中垂直方向力的平衡
在静力平衡条件下，薄气柱受的净 压力应与重力相等，于是有：
dp gdz
大气运动方程
在惯性坐标系中，大气运动满足 动量守衡定律其方程可直接用牛 顿第二定律来描述.
1. 绝对运动方程
若不考虑地球的旋转运动，大气 运动方程可直接用牛顿第二定律 来描述，其绝对运动方程可写为： G 为地心引力 dVa 1 pG F dt
二 什么是梯度风？
梯度风是水平气压梯度力、水平科 氏力和惯性离心力相平衡下的空气 水平运动 。梯度风也是一种简化的 大气运动 。
气旋式环流A指向-N向
2
弯曲等压线的气压场中的风 C≠0
空气所受的力：G、A、C 梯度风： A+C+G=0
逆 时 针 旋 转
G
A
D
G
V
顺 时 针 旋 转
V A C
G
C
四 地转偏差是什么？
在一般情况下，大气中的实际风 都不是纯粹的地转风。所以地转 风平衡只是相对而暂时的。既然 实际风和地转风不同，二者之间， 必有一定的差别。我们把实际风 与地转风之差称为地转偏差，或 偏差风。D=V-Vg
D V Vg
V Vg D
图 3.18 地转偏差
Vg P 科氏力
Vg P 科氏力
(a)
(b) 图 3.12 地转平衡的风压关系 (a) 北半球 (b) 南半球
第三节
风
一、自由大气层中的风 （ R＝0 ）
平直等压线的气压场中的风 C＝0 空气所受的力：G、A 地转风: A=G
低压 568 572
G
G G V V
576 580 584 高压
V A A A
大气运动的基本规律
研究大气运动的主要坐标系 为了观测地球上的大气运动， 理论研究大气运动的规律及其 演变特征，我们需要选取合适 的坐标系作为参照系
气象上常用的坐标系有哪些：
（1）坐标轴的方向与气流的流向无 关，如直角(x,y,z)Z坐标、球坐标 等； （2）坐标轴的方向决定于流向，如 自然坐标系 ； （3）垂直坐标用气象要素表示。如 （x,y,p）P坐标系 。
一 基本作用力
基本力是大气与地球或大气之间 的相互作用而产生的真实力，它 们的存在与参考系无关。 气压梯度力,地心引力,摩擦力
1. 什么是气压梯度力
气压梯度: 由于大气中气压分布不 均匀所造成的作用于单位体积空 气上的的力．
描述气压场不均匀程度的物理量
气压梯度力: 由于大气中气压分布 不均匀所造成的作用于单位质量 空气上的的力。
2. 相对运动方程
在相对坐标系中的相对运动方程为： g为重力
dV 1 p 2Ω V g F dt
对于中纬度大尺度运动，可取主 要项，得到简化方程组：
1 p f v x 1 p f u y p g z
z PA(z2) δ zA PA(z1) PB(z1) P0 A（冷） B（暖） x δ zB PB(z2) P1 P2
图 3.16 热成风的形成
T 3 T 2 T1 T0
VT
▽n T
图 3.17 热成风与平均温度场之间的关系
热成风平行于气层的平均温度等 值线，在北半球，背热成风而立， 右手为高温区，左手为低温区； 南半球则相反。热成风的大小与 气层平均温度的水平梯度和气层 厚度成正比，与纬度的正玄及平 均温度成反比。
局地直角坐标系
自然坐标系
n n
s
p
s
球坐标系
P点的单位矢量I,j,k
第二节 决定大气运动的主要因子 和作用力
和所有运动一样，大气运动受质量 守恒（连续性方程）、动量守恒（运动方程） 和能量守恒（热流量方程）等基本物理 定律所支配。
牛顿第二定律适用于惯性坐标系， 即静止或匀速运动的坐标系，而 地球是一旋转球体，对于站在地 球上的人们来说，大气在做非惯 性运动，为了在非惯性坐标系中 描述大气运动，必须引进视示力， 它包括同地球旋转有关的惯性离 心力和地转偏向力。
G为引力常数
地心引力
M
r
m
地球对单位质量空气的引力（称 地心引力）为：
Fg GM r 2 g* m ru r
设地球平均半径为（即中心至海 a ， 为海拔高度， 平面的距离） 则上式可写成：
z
g0 GM r GM 1 r g 2 2 2 2 (a z) r a (1 z a) r (1 z a)
摩擦层顶：风速接近地转风、风向与等压线平行。
引出天气图分析的基本原则①．风基本沿 等压线、等高线运动，背风而立，气 压高的在右，低的在左。②．逆时针旋转 分析低压；顺时针旋转分析高压③．低压 中心附近等压线密，有大风；高压边缘等 压线密，有大风。2．在中高纬地区，采用 地转近似而不采用梯度风近似。
三
什么是热成风？
地转风取决于水平气压梯度力， 因此，水平气压梯度力随高度的 变化就是地转风随高度变化的原 因。 而水平温度梯度是造成水平 气压场随高度的变化原因。这种 由于水平温度梯度所引起的上、 下气层之间的地转风矢量差，称 为热成风。VT =Vg1-Vg0 T-P-Vg
暖气柱密度小,同样气压差二等压面间厚度大,使上层等压面坡 度大,气压梯度大,地转风就大.
四 热力学能量方程