空气的水平运动

大气是处于不停的运动状态之中的，大气的运动可分为水平运动和铅直运动两部份。空气的水平运动就是通常所说的风。风对于地球上热量和水份的输送起着重要作用，直接影响着各地区天气的变化和气候的特征。本章对空气水平运动的形成及基本规律做一介绍。

§1 大气运动方程

任何物体的运动都是在力的作用下产生的，空气的水平运动也是一样。空气受到不同性质的力的作用，就会出现不同的运动状态。“因此我们首先要讨论作用于空气上的力，也就是讨论空气所受到的各种力的形成及其性质。

一、作用于空气的力

空气微团的运动是相对于某一个坐标系而言的，在观察空气运动时，坐标系选在地球以外的空间固定位置上时，则称此坐标系为静止坐标系（绝对坐标系或惯性坐标系）。而选在转动的地球上的坐标系，则称为运动坐标系（相对坐标系或非惯性坐标系）。在运动坐标系中所看到的静止的空气，在静止坐标系中则看到此空气是随着地球一起转动的。在本章讨论中，我们所选的是运动坐标系，即观测者是站在地球上来看空气所受到的力的。

1．气压梯度力

单位质量空气在气压场中由于气压分布不均匀而受到的力称为气压梯度力。气压梯度力是引起空气运动的主要的力，它的大小决定于气压梯度和空气密度，它的方向垂直于等压面从高压指向低压。空气的水平运动，主要是在水平气压梯度力的作用下产生的。在气压场中，由于水平方向气压分布不均匀，作用于单位质量空气上的力称为水平气压梯度力用。

水平气压梯度力的大小取决于水平气压梯度和空气密度的大小，其方向垂直于等压线由高压指向低压。它的单位为牛顿／千克。

由气压梯度的物理意义可知，水平气压梯度表示了在水平方向由于气压分布不均匀作用在单位容积空气上的力。水平气压梯度力的数值为

Gn=7×10-4牛顿/千克。

由以上计算看出，在上述条件下，水平气压梯度力的数值不是很大，若此力作用于1千克质量的空气上，可获得了7×10－4米／秒2的加速度。两小时后能产生5.1米／秒的风速。可见此力虽然很小，但空气在它的长时间作用下可产生很大的速度。如果空气仅受水平气压梯度力的作用，空气质点将沿着水平气压梯度力的方向作加速运动，但实际观测表明，风并不是沿着水平气压梯度力的方向吹，说明空气质点还要受到其它力的作用。

2．地转偏向力

由物理学知道，如果质点相对于以匀角速转动的参照系运动，则该质点要受到一种惯性力的作用，该惯性力依赖于相对速度和参照系的转动角速度以及质点的质量，这种惯性力称为科里奥利力。同理，由于地球的自转，当物体相对于地面运动时，对于站在地面上的观察者来说，感到物体运动的方向发生了改变，设想物体受到一力的作用，此力称为地转偏向力，也就是物理学中的科里奥利力。地球除绕太阳作公转外，还不停地绕地轴作逆时针方向的旋转，其地转角速度以Ω表示，它的大小为：

Ω＝7．29× l0-5（弧度／秒）

Ω的方向是沿着地轴垂直于北极点地平面向上（这里的“日”是指恒星日·，一恒星日等于23时56分）。由于地球的自转，使各处的地平面发生转动。就北半球来说，以极地平面为例，由于地球的旋转使极地地平面产生一个绕它的垂直轴作逆时针方向的转动，它的角速度就是地转角速度。若有物体相对于极地地面运动时，站在地面上的观察者会感到物体受到一个平行于地平面的力的作用，这个力称为水平地转偏向力。再以赤道平面为例，在赤道上，与其上任何一点相切的地平面都随着地球的自转而绕着穿过这一点与地轴相平行的一个轴转动。只有水平方向的角速度。地球自转时，赤道地平面的东边一侧“下降”，而西边一侧“上升”。若有物体相对于地平面运动时，地球上的观察者感到向东运动的物体受到向上的力的作用，而向西运动的物体，受到向下的力的作用。所以认为在赤道平面上运动的物体只受到垂直方向力的作用，此力即为垂直地转偏向力。

在赤道和极地之间的各纬度上，由于地球的自转，使其各处的地平面产生转动。此转动可分解看成一个绕垂直轴的转动（相当于极地平面的情况）和一个绕水平轴的转动（相当于赤道平面的情形）。地转角速度在垂直和水平两个方向均有分量。所以，若物体要同时受到垂直和水平两个方向的作用。因此认为在中间纬度地区运动的物体，既受水平地转偏向力的作用，又受垂直地转偏向力的作用。

上面从地平面日转动分析了地转偏向力的物理意义。此力是站在转动地球上的观察者感动到的由于地球自转而作用于相对于地球运动的空气质点上的力。

3．摩擦力

如果两个互相接触的物体作相对运动，在接触面上，会产生阻碍相对运动的力，这种力称为摩擦力。在大气与地面之间，大气内的各气层之间，存在着相对运动，因而在它们相接触的界面上，也会产生摩擦力，摩擦力阻碍着它们的相对运动。我们把气层与气层之间的摩擦力称为内摩擦力，大气与地面之间的摩擦力称为外摩擦力。（1）内摩擦力内摩擦力是由空气内部各气层之间气流速度的大小和方向不同而产生的一种相互制约的力。在流速不同的气层之间，通过分子不规则运动，层与层之间进行动量交换，使流动慢的气层加速，流动快的气层减速，从而使流速有趋向一致的倾向，这相当于一种摩擦作用而产生的阻力，这种阻力是由于气层之间分子不规则运动而引起的，故称为分子摩擦力，又称为分子粘滞力。由实验得到，在流速不同的界面上，分子粘滞力的大小与流体的速度梯度成正比，它的方向与界面相切，故又称为切应力。

§2 自由大气中的风

空气水平运动的形式是多种多样的，有直线运动，有曲线运动。有等速运动也有变速运动。这些不同运动形式的产生是由受力情况不同所造成的。根据大气中不同高度各种力的作用情况，我们把大气分为摩擦层和自由大气。摩擦层又称为行星边界层，它的范围从地面到1-2千米高度。在摩擦层中又分为近地面层和上部摩擦层。近地面层从地面到50米左右，此层中以湍流粘性力的作用为主。上部摩擦层又称埃克曼层，它的范围由50米向上到摩擦层顶，在该层中气压梯度力、地转偏向力和湍流粘性力相平衡。摩擦层顶以上称为自由大气，在自由大气中，主要是气压梯度力和地转偏向力相平衡，如果空气质点作曲线运动还要考虑惯性离心力。

在流动的空气中，空间各点的运动率不随时间变化的运动称为空气的稳定运动。在空气稳定运动中作用于运动质点上的诸力之合力等于零。这种稳定运动又称平衡运动。下面介绍几种平衡运动。

一、地转风