第六章 大气环流

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自由大气的地转平衡
• 在1.0-1.5km以上的大气中，摩擦力很小可忽略，称 为自由大气 • 地转平衡：在自由大气中，大尺度水平运动是水平 气压梯度力和科氏力相平衡下的运动，称之为地转 平衡。 • 地转平衡的数学表达式
1 p fv x 1 p fu y
其中 f =2sin为科氏参数，ω为 地球自转角速度，为地理纬度
何为科氏力？
• 科氏力是一种惯性力 • 科氏力是由于地球自转引起的 地转偏向力

O
科里奥利 1792---1843
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•地球的自转对单摆的运动会产生影响，单摆的振动平面将顺 时针方向不断偏转。
•傅科1851年在巴黎的教堂第一次用摆长达67m，摆球质量为 28kg，摆的振动周期为16s，而随圆旋转的周期则为32h。在 历史上，傅科以此第一次显示了地球的自转。
• 水平方向上，自由大气中的主要作用力是水平气压梯度 力和科氏力，两者近似达到地转平衡 • 大气运动大致平行于等压线，风速反比于等压线之间的 距离
0.1
0.3 1.0 1.5 2.5 4.0 5.5 7.5 10.0 12.5 16.0 -
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气象要素—气压
• 大气压强简称气压，指观测高度到大气上界单位面积上铅直 空气柱的重量 • 气象学上规定，将温度为0ºC时、纬度为45度的海平面的气 压作为标准大气压，称为1个大气压。其值为760mm水银柱高， 或相当于1013.25 hPa • 国际单位制用“帕（Pa）”，气象学上常用百帕（hPa）
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蒲福风力等级表
风级 0 名称 无风 风速(m/s) 0.0-0.2 (km/h) <1 陆地地面物象 静,烟直上 海面波浪 平静 浪高(m) 0.0 最高(m) 0.0
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
软风
轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
0.3-1.5
烟示风向
感觉有风 旌旗展开 吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 折毁树枝 小损房屋 拔起树木 损毁重大 摧毁极大
微波峰无飞沫
小波峰未破碎 小波峰顶破裂 小浪白沫波峰 中浪折沫峰群 大浪白沫离峰 破峰白沫成条 浪长高有浪花 浪峰倒卷 海浪翻滚咆哮 波峰全呈飞沫 海浪滔天
0.1
0.2 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 5.5 7.0 9.0 11.5 14.0
4
大气对流层
• 对流层是大气的最低层，下界为 地球表面，上界是对流层顶。对 流层的厚度大约为10km. • 低层大气受地、海面加热，产生 强烈的铅直运动。 • 对流层内温度随高度降低，大气 的铅直混合强，大气处于不稳定 状态（为什么？） • 对流层内大气温度的平均递减率 为6.5K/km，大气温度随高度下降 到-500~700C。（高处不胜寒） • 当温度递减率下降到2K/km时，称 为对流层顶。
8级：风树枝断 9级：风烟囱毁 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4
3级：风旗飘动 3.4-5.4
4级：风灰尘起 5.5-7.9 5级：风水起波 8.0-10.7 6级：风大树摇 10.8-13.8
10级：风树根拔 24.5-28.4 11级：风陆罕见 28.5-32.0 12级：风浪滔天 >32.0
特征量 系统量 大尺度系统
L／m 106
H／ m 104
U／（m· s-1） W／（ms-1） τ/s 101 10-2 105
中尺度系统
小尺度系统 微尺度系统
105
104 103
104
102～104 103
101
101～102 100～101
10-2
10-1 10-1～100
105
104 102～ 104
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大气运动的基本特征
• 大气运动的水平尺度越大，生命史越长，铅 直速度越小；水平尺度越小，生命史越短， 铅直速度越大 • 大气运动受到地球偏向力—科氏力的影响， 水平尺度越大科氏力的影响越重要（？） • 何谓科氏力？ 如果没有科氏力，台风就不可能产生！！！
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f c mv
第六章 大气环流
1
大气与海洋
• 太阳和大气直接或间接地驱动着海洋的所 有动力学过程 •在相互制约的大气海洋系统中，海洋主要 通过向大气输送热量，尤其是提供潜热，来 影响大气运动； • 大气主要通过风应力向海洋提供动量，改 变洋流及重新分配海洋的热含量。 • 在大尺度海气相互作用中，海洋对大气的 作用主要是热力的，而大气对海洋的作用主 要是动力的。
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气象要素—气压
• 地面气压值在980-1040 hPa之间
• 气压值随高度增加指数减小，近地面气层中，铅直方向每升 高8m，气压就减少1hPa • 气压在铅直方向上满足静力方程，即与重力取得平衡
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气压的变化
水平分布由于地表非均一及动力、热力影响，不呈 简单纬向分布。 可分为高低压、低压区、高压脊、低压槽等（？）
地球自转角速度
2 7.27 105 rad/s 24 3600
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地球上科氏力的方向
• 在北半球，沿着运动方向看，科氏力总是垂直于 运动方向向右。 • 在南半球，沿着运动方向看，科氏力总是垂直于 运动方向向左。
为什么?
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科氏力效应举例
• 在北半球，向北平射的炮弹会偏向东还是 西？ • 假设有一物体从高度为h的塔上自由落下， 问落点是偏东还是偏西？还是不偏？ • 可以证明向东偏离的距离为 x 2 h cos 2h
3 g
• 将一物体铅直上抛到一定高度后下落，会 落回原地点吗？
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其他例子
• 江河中的水流相对于地球运动，在科氏力作用下， 河水右偏(北半球)，使得右岸冲刷较为严重 • 南半球则左岸冲刷较为严重。 • 对于双轨铁路，由于列车总是单方向行驶，在北半 球右侧铁轨磨损较为严重；在南半球左侧铁轨磨损 较为严重。
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• 从平流层顶到80-85km高度的气层称为中间层 • 中间层的温度随高度升高而降低得很快，到中间 层顶温度下降到-900C，是大气中最冷的部分 • 中间层内有强烈的铅直运动（？） • 平流层和中间层约包含了大气质量的1/4
大气中间层
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大气热成层
• 从中间层顶到800km左右的 气层称为热成层 • 在该层内，温度随温度升高， 太阳辐射中波长小于0.17μm 的紫外线辐射几乎全部被该层 吸收 • 在100km以上，大气热量的 传输主要靠热分子传导过程， 传导效率很低 • 在热层层内，温度很快升到几 百度，最终趋于常数，约在 1000K以上，是大气中温度最 高的层（？）
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大气中的二氧化碳
• 大气中二氧化碳仅占整个大气容积的万分之三，多集中在 20km以下；二氧化碳可以强烈地吸收地球表面发出的长波辐 射并放出长波辐射，产生“温室效应” • 地球变暖已经成为全世界关注的问题！！
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高层大气的成分
• 高层大气的主要成分 为氮和氧，其他气体 的含量非常少 • 臭氧主要分布在10-40 km高度处，近地面含 量很少，极大值在2025km附近，它具有强 烈吸收太阳紫外辐射 0.2-0.3μm的能力
1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 >32.6
1-5
6-11 12-19 20-28 29-38 39-49 50-61 62-74 75-88 89-102 103-117 >117
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气象要素
表示大气中物理现象与物理过程的物理量称为气象 要素。以气温、气压、湿度和风最为重要
• 气温：气象上使用摄氏温标 和开氏温标，开氏温标的零 度是绝对零度，即分子完全 停止运动的温度 • 通常所说的地面气温是指离 地面1.5m高度上百叶箱所测 得的温度 • 热带温度最高，最冷的地区 是冬季的西伯利亚和加拿大 的东北部以及全年中的南极洲
傅 科 摆
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地球上的科氏力
• 只要物体有相对地球的运动，就会有科氏 力产生 • 由于科氏力总是垂直于运动方向，它仅使 运动方向发生改变，而不改变速度的大小 • 通常人们仅考虑水平方向的科氏力，忽略 铅直方向的（？） • 科氏力的大小等于科氏参数与速度乘积 • 科氏参数 f 2sin 为地球纬度
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高压和低压的差异
为什么会出现高、低压区？ 两者有何不同？
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全球气压分布
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大尺度大气运动的基本特征
将有天气意义的大气运动，按其水平运动尺度分为： • 大尺度系统：水平尺度达数千公里，如大气长 波、大型气旋和反 气旋 • 中尺度系统：水平尺度数百公里，如小型气旋和反气旋、热带风暴 • 小尺度系统：水平尺度几十公里，如小型涡旋、雷暴 • 微尺度系统：水平尺度几公里，如积云、浓积云
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自由大气的地转平衡
• 地转风沿水平面上等压线吹，在北半球背风而立，高压在右低压 在左，南半球则相反。 • 在赤道上由于科氏力的水平分量为零，地转关系不成立 • 接近地面时，由于摩擦力的存在，产生加速度，出现非平衡运动
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平均大气环流
• 大气环流：凡是大范围的、半球的或全球、对流层、平 流层或整层大气长期的平均运动状态 • 在铅直方向上，铅直气压梯度力与重力基本达到平衡 • 大气的大尺度运动近似为水平运动
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全球气温
南半球不论冬夏，最低温度都出现在南极。 北半球仅夏季最低温度出现在极地附近， 冬季最冷地区出现在东部西伯利亚和格陵兰地区。
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气象要素—湿度
• 湿度：大气中水汽含量的比例 • 水汽压：湿空气中，由水汽所引起的那一部分压 强称为水汽压 • 饱和水汽压：当温度一定时，若从纯水的水平面 逸入空气中的水分与空气中进入水面的水分达到 平衡时，此时水汽所造成的那部分压强称为饱和 水汽压 • 饱和水汽压随温度升高而增大 • 相对湿度：空气中的实际水汽压与同温度下的饱 和水汽压之比 • 露点温度：湿空气等压降温到饱和时的温度
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地球与太阳
• 地球绕太阳的轨道近乎圆形，平均半径为1.5X108km
•地球赤道面与其轨道面的夹角为23.5度 •南、北纬23.5度范围内称为热带
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大气的铅直分层
• 最常用的分层方法是按 大气的温度结构分层， 即根据铅直温度梯度的 方向，把大气分成 对流层 平流层 中间层 热成层 散逸层 • 各层之间分别由称为 “顶”的隔层（如对流 层顶）分开 。
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大气热成层
• 热成层内直接受太阳照射 影响，白天和夜间的温差 可达几百度 • 在高纬地区，热成层内会 出现极光现象 （来自大气外的高能粒子撞 击高层大气中的原子，常 发生在地球磁极周围区域 ）
• 热成层以上的大气边缘层 称为散逸层
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85km以下（对流和平流层）的大气
•
• • • •
定常成分：各成分间大致保持固定比例，主要是氮、氧和微量惰性气体如 氩、氦、氪、氙、氖等 可变成分：包括水汽、二氧化碳、臭氧和一些碳、硫、氮的化合物 干空气：除水汽以外的纯净大气 湿空气：含有水汽的空气 在85km以下，由于大气运动和分子扩散，空气充分混合，干洁大气中各成 分的比例得以维持恒定，可将干空气当作平均摩尔质量为28.9644g/mol 的单 一气体
5
• 对流层里集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽，所有 的的天气现象和天气过程均发生在该层 • 对流层顶的高度随季节和纬度变化，赤道附近约为 15~20km高，极地和温带约8~12km. • 对流层高度低纬度地区比高纬度高？在同一地区，则 夏天高、冬天低（为什么？）
大气对流层
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大气平流层
• 由对流层向上到50km左右的气 层称为平流层 • 平流层的底层温度随高度无大 变化，上部的温度随高度增加 而增大，到平流层的上界温度 可达0ºC左右 • 平流层包含臭氧层，臭氧层在 25km左右浓度最大。平流层温 度增大是臭氧强烈吸收太阳辐 射的结果。 • 平流层温度层结稳定，水汽含 量少，几乎没有在对流层中经 常出现的各种天气现象 • 飞机适宜在平流层中飞行？
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气象要素—风
• 空气相对于地面作水平运动即为风 • 风向是指风的来向，气象上用16个方位 • 风速的单位用m/s或km/h。国际上通用蒲福风力等级 表
• 风能的利用
• 风的危害
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风级
(m/s)
0级：风烟直上 0-0.2 1级：风烟稍斜 0.3-1.5 2级：风树叶响 1.6-3.3
(m/sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 7级：风步难行