第四章 大气的运动

在北极，地平面绕其垂直轴（地轴）的角速度恰好等于地球自转的角速度ω 。 转动方向也是逆时针的。因而在北极，单位质量空气受到的水平地转偏向力与 空气运动方向垂直，并指向它的右方，大小等于2Vω。 在赤道，地球自转轴与地表面的垂直轴正交，表明赤道上的地平面不随地球 自转而旋转，因而赤道上没有水平地转偏向力。 在北半球的其它纬度上，可以得出任何纬度上作用于单位质量运动空气上的 偏向力为： A=2Vωsinφ 地转偏向力只是在空气相对于地面有运动时才产生，空气处于静止状态时没 有地转偏向力作用。
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第二节 气压场
（二）高空情况 气压系统存在于三度空 间中。由于愈向高空受地 面影响愈小，以致 高空 气 压系统比低空系统要相对 简单，大多呈现出沿纬向 的平直或波状等高线，有 时也有闭合系统如切断低 压、阻塞高压。
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第二节 气压场
三、气压系统的空间结构 （一）温压场对称系统 当温度场与气压场配置重合时， 称气压系统是温压场对称。 1.深厚系统 1）暖性高压 2）冷性低压 暖性高压和冷性低压系统不仅存在于对 流层低层，还可伸展到对流层高层，而 且其气压强度随高度增加逐渐增强， 2.浅薄系统 3）暖性低压 4）冷性高压
2.动力因子 指大气运动所引起的气柱质量的变化。 1）水平气流的辐合与辐散 2）不同密度气团的移动 3）空气垂直运动
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第一节 气压随高度和时间的变化
（二）气压的周期性变化 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，以日或年为周 期的波动。
1．地面气压的日变化
1）变化特征 2）气压日变化的原因 一般认为同气温日变化和大气潮汐密切相关。
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
二、自由大气中的空气水平运动 （一）地转风（Vg) 地转风是气压梯度力和地转偏向力相平 衡时，空气作等速、直线的水平运动。 1.地转风的方向 地转风方向与水平气压梯度力的方向垂 直，即平行于等压线。若背风而立，在北半 球高压在其右方，在南半球，高压在其左方， 即风压定律 2.地转风的大小 1）水平面（等高面）上地转风公式
Z Z
2
1
184001 t / 273) log (
P
2
多元大气（温度随高度变化，但直减率不变）的情况
P2
P (1
0
z
T0
g R
)
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第一节 气压随高度和时间的变化
二、气压随时间的变化 （一）气压变化的原因： 引起空气柱质量变化的因子： 空气柱质量的变化
1.热力因子 指温度的升高或降低引起的体积膨胀或收缩、密度的增大或减小 以及伴随的气候辐合或辐散所造成的质量增多或减少。
为了精确地获得气压与高度的对应关系，通常将静力学方程从气层底 部到顶部进行积分，即得出压高方程
假定气温和重力加速度不随高度变化，忽略水汽影响，此条件下的压高 方程，称为等温大气压高方程。
P
2
P1 e

Z 1
Z2
g dZ RT
Z Z
2
1

RT P1 ln g P2
等温大气中，气压随高度仍是按指数规律递减的 。将T换成t，自然 对数换成常用对数，并将g、R代入，得到气象上常用的等温大气压高 方程： P1
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
（二）地转偏向力(A) 因地球绕自身轴转动而产生的非惯性力称为水平地转偏向力或科里奥利力。
圆盘上偏向力A的大小等于圆 盘的角速度ω 与小球运动速 度V的乘积的两倍。A的方向 垂直于转动轴，也垂直于相 对速度V，指向V的右侧。
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
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第一节 气压随高度和时间的变化
（二）静力学方程 假设大气相对于地面处于静止状态，则某一点的 气压值等于该点单位面积上所承受铅直气柱的重量。 -dP=ρ gdZ 说明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。 根据状态方程，可以得到单位高度气压差：
dP g P dZ Rd T
垂直气压梯度虽然很大，但是总有单位体积空气的重力来和它平衡，水平气 压梯度虽然比垂直气压梯度小得多，但在空气水平运动中，它的作用是非常重 要的。
2.等压面坡度
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第二节 气压场
二、气压场水平分布的基本型式 （一）低空的情况 一般从海平面图上等压线的分布特征来确定
1 低气压
简称低压，由闭合等压线构成的低气 压区。 气压值由中心向外逐渐增高。空间等 压面向下凹陷。 2 低压槽 简称槽，低气压延伸出来的狭长区域。 在低压槽中，各等压线弯曲最大处的连 线称槽线。 气压值沿槽线向两边递增。槽附近的 空间等压面类似地形中狭长的山谷，呈 下凹形。
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第二节 气压场
2 等压面
1）等压面的概念
等压面是空间气压相等点组成的面。在某一等压面以
上各处的气压值都小于该等压面上气压值，等压面以下各处则反之。 2）等压面的特征 等压面并不是一个水平面，而是一个高低起伏的曲面。
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第二节 气压场 3）等压面与附近水平面上气压的关系 等压面下凹部位对应着水平面上的低压区域，等压面愈下凹，水平 面上气压低得愈多。等压面向上凸起的部位对应着水平面上的高压区 域，等压面愈上凸，水平面上高压愈强大 。 4）等压面图： 将某一等压面上相对于海平面的 各位势高度点投影到海平面上，就 得到一张等位势高度线（等高线） 图，这种图称为等压面图。 此图能表示等压面的形势，
1 P 2V g sin n
1 P 2 sin n
V
g

可以看出： 纬度一定时，地转风速与气压梯度力的大小成正比,与空气密度成反比. 地转风速与纬度的正弦成反比。
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
2) 等压面图上的地转风公式
G 9.8
H n
式中，H为位势高度， H
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
一、作用于空气的力 （一）气压梯度力 1．气压梯度 气压梯度是一个向量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于两 等压面间的气压差（△P）除以其间的垂直距离（△N），用下式表达：
P GN N
气压梯度可以分为水平气压梯度和垂压梯度方向一致
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
2．气压梯度力(G) 气压梯度不仅表示气压分布的不均匀程度，而且还表示了由于气压分布不均 而作用在单位体积空气上的压力。 气压梯度存在时，单位质量空气所受的力称为气压梯度力。通常用G表示：
G
1 P N
气压梯度力由高压指向低压，大小与气压梯度成正比，与空气密度ρ 成反比。 气压梯度力可以分解为水平气压梯度力（Gn）和垂直气压梯度力（Gz），即：
地转偏向力只改变气块运动方向而不能改变其运动速度。在风速相同情况下
它随纬度减小而减小。 （三）惯性离心力（C) （四）摩擦力 (R)
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
几点说明： 上述四个力都是在水平方向上作用于空气的力，它们对空气运动的影响是 不一样的。一般来说，气压梯度力是使空气产生运动的直接动力，是最基本 的力。其它力是在空气开始运动后产生和起作用的，而且所起的作用视具体 情况而有不同。 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
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说明： 图中的 气压值 前应有 10
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第二节 气压场
（二）气压场的定量表示方法 1.气压梯度 垂直于等压面（由高压指向低压），单位距离内气压的改变量。一般用ΔP/ΔN 表示， ΔN 为两等压面之间的垂直距离。 水平气压梯度可以分解力在水平方向和垂直方向上的两个分量。垂直气压梯 度也就是单位高度气压差。 水平气压梯度的单位通常用毫巴/赤道度表示，1赤道度等于赤道上经度相差 1度时的纬圈长度，约为111公里。 观测资料表明，垂直气压梯度要比水平气压梯度大一万倍左右。可见，气压 梯度的方向几乎与垂直气压梯度方向一致，大气中的等压面近似于水平。
气象台日常工作所分析的等压面图有850hPa、700hPa、500hPa以及300、200、 100hPa等. 它们分别代表1500m、3000m、5500m和9000m、12000m、16000m高度附近的水平 12 气压场。
说明：图 中的气压 值为位势 什米（等 于10米）
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说明：图中的气压值为位势什米（等于10米）
第四章 大气的运动
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第一节 气压随高度和时间的变化
一、气压随高度的变化 (一)、变化规律及变化原因 1．变化特征 2．变化原因 变化的根本原因是其上空大气柱中空气质量的增多或减少。 任何地方的气压值总是随着海拔高度的增高而递减。
大气柱质量的增减又往往是大气柱厚度和密度改变的反映。当气 柱增厚、密度增大时，则空气质量增多，气压就升高。反之，气压则 减小。 确定空气密度大小与气压随高度变化的定量关系，一般是应用静 力学方程和压高方程。
① 在同一气压下，气柱的温度愈高，密度愈小，气压随高度递减得
愈缓慢，单位气压高度差愈大。反之，气柱温度愈低，单位气压高 度差愈小。
② 在同一气温下，气压值愈大的地方，空气密度愈大，气压随高度
递减得愈快，单位高度差愈小。反之，气压愈低的地方单位气压高 度差愈大。
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第一节 气压随高度和时间的变化 （三）压高方程
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。 地转偏向力、惯性离心力和摩擦力虽然不能使空气由静止状态转变为运动 状态，但却能影响运动的方向和速度。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。
实际工作中还经常引用单位气压高度差（h），它表示在铅直气柱中气 压每改变一个单位所对应的高度变化值。
h dz Rd T dP P g
式中Rd=287J/kgK为干空气的气体常数
h
8000 (1 t / 273)( m / hPa ) P
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第一节 气压随高度和时间的变化
根据计算结果可以得出：
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2．气压年变化 受气温的年变化影响很大，与纬度、海陆性质、海拔高度等地理因素 有关。
（三）气压的非周期性变化 气压的非周期性变化是指气压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。
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第二节 气压场
气压场：气压的空间分布。 气压系统：由于各地气柱的质量不相同，气压的空间分布也不均匀， 有的地方气压高，有的地方气压低，气压场呈现出各种不同的气压 形势，统称气压系统。 一、气压场的表示方法 （一）等压线和等压面（图形表示法） 1 等压线 等压线是同一水平面上各气压相等点的连线。等压线按一定气 压间隔（如2.5hPa或5hPa）绘出，构成一张气压水平分布图(气压分 布图)。
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第二节 气压场
3 高气压 简称高压，由闭合等压线构成，中心气 压高，向四周逐渐降低，空间等压面类 似山丘，呈上凸状， 4 高压脊 简称脊，是由高压延伸出来的狭长区域， 在脊中各等压线弯曲最大处的连线叫脊 线，气压值沿脊线向两边递减，脊附近 空间等压面类似地形中狭长山脊。 5 鞍形气压场 简称鞍，是两个高压和两个低压交错分 布的中间区域。
暖性低压和冷性高压系统主要
存在于对流层低空
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第二节 气压场
（二）温压场不对称系统 当温度场与气压场的配置不重合时，称气压系统是温压场不对称。 指地面的高、低压系统中心同温度场冷暖中心配置不相重合的系统。 这种气压系统，中心轴线不是铅直的，而发生偏斜。 地面高压中心轴线随高度升高不断向暖区倾斜。 地面低压中心轴线随高度升高不断向冷区倾斜；
g
9 .8
Z
V
g

9.8 H 2 sin n
式中已经不出现ρ ，地转风直接与等压面上的位势梯度成正比，与纬 度的正弦成反比。
对于一地来说，纬度相同，只要比较各层等压面图上的等高线疏密程
度，就可确定各层风速的大小。
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第三节 大气的水平运动和垂直运动
G
n

1 P n
G
z

1 P z
在大气中,气压梯度力垂直分量比水平分量大得多，但是重力与Gz始终处于 平衡状态，因而在垂直方向上一般不会造成强大的垂直加速度。而水平气压梯 度力虽小，由于没有其它实质力与它相平衡，在一定条件下却能造成较大的空 气水平运动。 因此气压梯度力是空气产生水平运动的直接原因和动力。