气象学与气候学第四章大气的运动

（二）、自由大气中的风
自由大气：
指距离地面1—2km 以上的大气层
种类：
地转风和梯度风
1-2km
1、地转风
定义：自由大气中，在平直等压线的气压场中，那么空气 只在水平气压梯度力和水平地转偏向力作用下运动。当这 两个力处于平衡时(大小相等，方向相反)，空气就沿着等 压线作匀速直线运动，这种风称为地转风
冬季 海洋 陆地
热源 冷源
低压 高压
1、季风（季风形成的原因）
（2）由行星风带随季节移动而引起
夏季，赤道低 压北移，南半 球的东南信风 越过赤道形成 西南风
夏季
1、季风
我国盛行的季风
冬季
受蒙古高压控制，盛行西北风
夏季
受太平洋高压控制， 盛行偏南风
我国季风活动及影响
我国黄河流域以南，包括长江流域的大部分地区都处在副热带 高压带即30°N附近。
水平气流的辐合（b、d）和辐
（2） 空气的垂直运动
3、气压的时间变化
3、气压的时间变化
第二节 气压场
气压场 气压的空间分布，用等压线和等压面表示 等压线：同一水平面上各气压相等点的连线， 水平面上的等压线即为地面天气图。 等压面：空间气压相等的点组成的面，用等 压面上的等高线来画出高空天气图
2、地方性环流
与地形或地表性质有关的局部地区 的风，以日为周期。
海陆风、山谷风、焚风、峡谷风
海陆风
山谷风
焚风:气流越过山岭时，在背风坡绝热下沉形成的干且热
的风
复习题
1.概念：气压、气压场、低气压、高气压、高压脊、低压槽、 海陆风、山谷风、焚风
2.气压随高度的变化规律如何？为什么？ 3.气压场的基本类型包括哪些？气压系统包括什么？（低气压、
hpa
50 0
高 空 天 气 图
地 面 天 气 图
气压场的基本形式
低空气压系统
气压的空间分布不均匀而呈现出各种不同的气压形势， 概括起来可分为五种基本类型。
低气压 高气压 低压槽 高压脊 鞍形气压场
气压系统
低压和高压的空间等压面图示
2、低空气压场的基本形式
高空气压系统受地面影响较小，
990 1000 1010 1020
A
990
1000 1010 1020
B
2 气压变化原因
• 热力因子使空气密度变化 • 大气运动引起气柱质量变化
➢ 水平气流的辐合与辐散 ➢ 空气的垂直运动 ➢ 不同密度气团的移动（冷暖气团的移动）
水平气流的辐合与辐散
辐合则空气质点 聚集，气压升高
辐散空气质点流 散，气压降低
第四章 大气的运动
第一节 气压的变化
气压 单位面积上所承 受的垂直大气柱 重量。单位帕 （hPa）
1、气压的垂直变化
拉普拉斯压高公式
描述气压与高度之间的数量关系
z 18400 (1 t) lg P1
P2
气压随高度的变化程度
冷气团中空气密度大,气压随高度降 低速度比暖气团快
降低同样的气压，冷气团中上升的高 度小，而暖气团中上升的高度大
大气活动中心
形成原因： 由于海陆分布和地形条件的差异
对于下 垫面
暖的下垫面 易产生 低压 冷的下垫面 易产生 高压
大气活动中心
当对无于海副陆热带差高异压时 当有海陆差异时
是一个连续的高压带
夏季
海洋 陆地
高压 低压
冬季
海洋 陆地
低压 高压
源自文库
对我国影响较大的高低压中心
夏季 冬季
低压在陆地 中心在印度 印度低压 高压在海洋 中心在夏威夷 夏威夷 高压
高空气压系统 相对较简单，大多呈纬向平直或 波状，有时也会出现闭合系统
第二节、空气运动
一、水平运动 二、大气环流运动 三、湍流运动
一、水平运动
风的定义： 大规模的空气质点的水平流动
风的表示方法 风向 风的来向 16方位 风速 单位时间内空气质点水平移动的距离 m/s
为什么空气质点会产生大规模的水平流动呢？
陆地为高压 中心在蒙古 蒙古高压
海洋为低压 中心在阿留申 阿留 申低压
（三）、季风和地方性环流
1、季风 大范围的低空盛行风，风向有显著改变
的现象，以年为周期
海陆热力差异产生
形成原因
行星风带随季节移动而引起
1、季风（季风形成的原因）
（1）海陆热力差异
夏季 陆地 海洋
热源 冷源
低压 高压
高气压：风沿等压线按顺时针方向吹，称反气旋。 反气旋风向是顺时针旋转的。空气从反气旋中心 向外扩散，冷空气从高处向下运动绝热增温，下 沉空气将使天气变得干燥、晴朗
低气压
高气压
高、低压中的空气运动
第四节 大气环流
大气环流
定义： 地球上各种规模的空气运动的综合表现， 由各种相互关联的气流（水平方向、垂直方 向、地面和高空）所构成的一个复杂整体。
大气环流构成全球大气运行的基本形势，它 是全球气候特征和大范围天气形势的原动力。
大气环流形成的基本因子
❖太阳辐射构成的赤道与极地之间的温度差 异
❖由地球自转造成的对流运动的偏转作用 ❖地球表面海陆分布和地形条件的影响
（一）、单圈环流
形成条件
地球不动 地表分布均匀 太阳直射赤道
（二）、三圈环流
A 2V sin
2、水平地转偏向力A
特点 只有当空气相对于地面有运动时，才会产生水平地转偏
向力，静止时无此力作用 A 的方向和空气质点运动的方向垂直，并指向运动方向
的右侧（北半球） A是人们假想的一种力，不改变空气质点的运动速度，
只改变运动方向，使空气质点向运动方向的右侧偏转。 A的大小与风速和所在纬度正弦成正比。 作用：改变空气质点的运动方向
3、惯性离心力C
• 惯性离心力是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。
产生条件 当空气作曲线运动时产生的
特点：
大小 方向 由运动轨迹的曲率中心，沿曲率半径指向外侧
V2 C
（一）、作用在空气质点上的力
水平气压梯度力（ G ）
A 水平地转偏向力 （ ）
惯性离心力（ C ）
摩擦力 （ R）
同这 组些 合力 大，在 气构水 水成平 平了分 运不量 动同之 形间 式的 的不
1、水平气压梯度力G
定义 单位质量空气，在气压场中， 水平方向上，由于气压分布的 不均匀，而受到的力
r
4、摩擦力 R
摩擦力
内摩擦力 外摩擦力
•特点
方向 永远与空气质点运动方向相反 使空气质点的运动速度减小
小结：
水平气压梯度力 水平地转偏向力 惯性离心力 摩擦力
1. 产生的原因 2. 作用 3. 特点
这四个力对空气运动的影响是不一样的。通 常G是使空气产生运动的直接动力，是最基 本的力；低纬地区不考虑A，直线运动不考 虑C，1～2公里以上，摩擦力R影响可以忽略 不计。
产生的条件： 在自由大气平直等压线气压场中产生的
空气质点所受的力： 水平气压梯度力 水平地转偏向力
形成过程
A 2V sin
北 半 球
当水平地转偏向力增大到与水平气压梯度力大小相等方向 相反时，空气就沿着与等压线平行的方向作匀速直线运动， 这就形成了地转风。
1、地转风
地转风的风向和气压场的关系遵循白贝罗风压定 律： 背风而立，高压在右，低压在左（北半球）
地球上同纬度的其他地区是世界上最大沙漠所在地：撒哈拉大 沙漠、阿拉伯大沙漠、伊朗沙漠、阿富汗沙漠、印度西北部沙 漠等。
如果没有夏季风的影响，我国的江南鱼米之乡，气候将十分干 燥，将变成一片不毛之地。
夏季风不仅使酷热干旱的气候变得暖湿多雨，而且每年入春后， 从海洋上吹来的潮湿气流还带给华南，华中，华北及东北南部 地区大量雨水，使这些地区成为一年两熟或三熟的祖国大粮仓。
2、梯度风
定义：在自由大气中，空气作曲线运动时，除 了受水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用 外，还受惯性离心力的作用，这三个力达到平 衡时的风，称为梯度风
产生的条件： 在自由大气弯曲等压线气压场中产生的
空气质点所受的力： 水平气压梯度力 水平地转偏向力 惯性离心力
形成过程 风向与气压场的关系
科学家认为，我国一年分成7个季节更恰当。 １） 初春——3月初～4月中，冬季风第一次明显减弱，夏季风 开始在华南出现。 ２）暮春——4月中～6月中，冬季风再度减弱，华南雨季开始， 华中开始受夏季风影响，雨量增多。 ３）初夏——6月中旬～7月中，华南夏季风极盛，降水量略减 少，东南丘陵地，南岭附近出现干季。 4） 盛夏——7月中～9月初，华中夏季风极盛，梅雨结束，相 对干季开始，华北、东北夏季风开始盛行，雨季开始。 5）秋季——9月初～10月中，冬季风迅速南下，我国大陆几乎 都受冬季风影响。 6）初冬10月中～12月初，夏季风完全退出我国大陆。 7） 隆冬——12月初～3月初；冬季风全盛期
形成条件:
地球自转 地表分布均匀 太阳直射赤道
在三圈环流形成的过程中，形成了四个气压 带和三个风带：
气压带
赤道低压带 副热带高压带 副极地低压带
风带
极地东风带 西风带
极地高压带
东北信风带
行星风带：
把全球范围内成纬向带状分布的气压带和风
带
大气活动中心
定义： 由于海陆热力差异的原因，把完整的纬 向带状分布的气压带，切割成范围很大 的、闭合的高压中心和低压中心，它们 主宰着大气的活动和水热的交换，对天 气变化和气候特性有重大的影响。
高气压、高压脊、低压槽、鞍形气压场） 4.在地转风和梯度风形成的过程中，作用在空气质点上的力分
别包括哪些？ 5.在摩擦层大气中，空气质点的运动方向是否仍然和等压线平
行（即沿着等压线方向）？并说明原因。 6.画图解释海陆风、山谷风、焚风形成的过程。
V
低压
A
G
C
A 高
GC V
V
（三）、摩擦层中的风
摩擦层 距离地面1—2km以下的大气层
摩擦层中空气质点受到摩擦力的作用。 使得空气质点的运动方向不再与等压线平行 而是斜穿等压线并且指向低压方向
风速减小：中纬度地区陆地上55～65%，海洋上 30～40%
风向与等压线的交角：在陆地上约为25°～35°, 海洋上约为10°～20°
科里奥利力
如果质点相对于以匀角速度运动的参照系运 动，则该质点要受到一种力（假想的力）的 作用，该力的大小依赖于相对速度和参照系 转动的角速度，及质点的质量。
同理，由于地球的自转，在地球之上运动的 空气也受到此力的作用，称水平地转偏向力。
2、水平地转偏向力
C
o
AB
2、水平地转偏向力A
1020hpa
1010hpa
•特点：
•有方向，由高压指向低压
•垂直于等压线
•与水平气压梯度成正比 △P/△n
1、水平气压梯度力G
G


1
•
P
n
作用：使空气质点产生运动的原动 力
2、水平地转偏向力
问题的提出 如果空气只受水平气压梯度力的作用而产生风时，则风向 和水平气压梯度力方向一致，并且风速也应越来越大。 但实际上，风向和水平气压梯度力并不一致，风速也没有 无限加大，说明必然还有其它力作用在运动的空气上
2.在曲线等压线的气压场中：则受四个力作用G，A，C，R 在低压中心（气旋）中，气流斜穿等压线逆时针向中心辐合； 在高压中心（反气旋）中，气流斜穿等压线顺时针向外辐散。
气旋和反气旋及其天气学意义
低气压：风沿等压线逆时针方向吹，称气旋。空 气在气旋中绝热上升冷却，形成云或者降水。气 旋和气压下降常伴随风暴和降水