第7章 空气水平运动

两个相互接触物体相对运动时，接触面之间产生阻碍物体运 动的力。方向与空气运动方向相反，大小与空气运动的速度和 摩擦系数成正比。
水平气压 梯度力
风向
（百帕） 1000
高度愈高，作用
愈弱，到1-2km以 上，摩擦力影响忽 地面摩擦力
1005
1010 地转偏向力
略不计。
（北半球）
重力
作用于空气的力（水平）
水平气压梯度
力大小取决于水
平气压梯度和空 气密度；方向垂
直于等压线由高
压指向低压。
等压线越密， 气压梯度越 大，水平气 压梯度力就 越大。
C A
Gn
（hPa） 1010 1020
B
1030
地转偏向力
Baidu Nhomakorabea
作用于空气的力
定义：因地球绕自身轴转动而产生的惯性力称为水平 地转偏向力或科里奥利力。
A 2V sin
②、等温线与等压线相交 暖平流 T1
v g上 v g下
VT
T2
p2
p1 T1
决定
p2 p1
T2
决定 气压场 ⇒V g ，温度场 VT 下 结论：风速随高度增加而增加，风向随高度 向右转（顺转），愈到高层，风向与热成风 风向愈接近，有暖平流。
由上述可知，在自由大气层中，随Z增加，风 总是愈来愈趋向于热成风。
梯度风
反 气 旋 式 高 压
fr VC 2
f r r p 4 r
2 2
上式取正号所得到的风速，远大于实际大气 中可能出现的风速，因此是不合理的解。 另外，要使上式根号内为非零正值必须有：
f 2 r 2 r p 4 r
r
p f 2 r 4
梯度风
r p f 2 r 4
地转偏向力A大 （百帕）
小与空气相对地面 1002
运动速度（V）、 地球自转角速度、 1004
地理纬度有关。
方向：在北半球，1006 与空气运动方向相
气 压 梯 度 力
北半球 地转偏向力A
垂直，并指向它的 1008
右方。
1010
惯性离心力
作用于空气的力
定义：惯性离心力是物体在作曲线运动时所产生的，
地转风 梯度风 自由大气中风随高度的变化及热成风 地转风随高度变化的基本类型 地转偏差
空气水平运动的形式是多种多样的，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； 在自由大气中，主要考虑气压梯度力和地 转偏向力相平衡，---地转风；如果空气质点 作曲线运动还要考虑惯性离心力，三力平衡相 时---梯度风；
C r
2
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。
V2 2 r r
惯性离心力同运动的
方向垂直，自曲率中心 指向外缘（方向）， 大小：同物体转动的 角速度Ω 的平方和曲率 半径r的乘积成正比。
摩擦力
N kV
以近地面层（地 面至30-50米）最 为显著；
作用于空气的力（水平）
不同温度场与气压场的配置形成风随高度
的变化情况，根据多年的经验，归纳以下两类： 等温线与等压线平行；等温线与等压线相交。
① 、等温线与等压线平行 p1 p1 T1 p2 T2
高压区与高温区相对应
T1
p2 T2
v g下
VT
结论：随Z增加，风向不变，风速逐渐增 大。
① 、等温线与等压线平行 p1
此结论与实际情况是符合的。例如，在北半球， 对流层中，由于太阳辐射影响，南面是暖区，北 面是冷区，温度分布大致是南暖北冷，并且在纬 度30°附近温度梯度最大，因而在对流层顶上部 总是以西风为主（热成风是西风），并在纬度30 °附近上空出现最大的西风风速区，称为西风急 流。
利用热成风原理，判断具有自西向东运动低压和高压系统， 其上层槽脊结构。
热成风
VT Vg上 Vg下
定义：上下层地转风 的向量差。
Vg下
大小
gz T uT f T y gz T vT f T x
V VT
V g上
可知 V g 下 VT 由以上定义，知 V g ， 上 推知 反知： VT V g 下 Vg 上 Vg 下 VT
作用于单位质量空气上的重力是地心引 力和运动坐标系中空气所受惯性离心力的
向量和。即重力含有惯性离心力。
大小：g 方向：竖直向下。
小结 在水平方向影响空气运动4个力：
气压梯度力是空气产生运动的直接动力，是
最基本的力；（动力） 地转偏向力对高纬度地区或大尺度的空气运 动影响较大； 惯性离心力是在空气作曲线运动时起作用，
特征。
1 大气运动方程
（1）作用于空气的力
（2）大气运动方程
（1）
Gn G x G y 1 p p ( i j) x y 1 p Gz k z
作用于空气的力
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。 气压梯度力是引起空气运动的主要力，空气水平运动 主要是在水平气压梯度力的作用下产生的。
热成风的形成过程
假若等压面在低层是水平的（气压梯度为零），而由于气柱中平均温
度在水平方向上有差别，到高层以后，等压面倾斜，暖区一侧等压面抬起， 冷区一侧等压面下降，结果使高空水平面上的气压值不相等，出现了由暖区
指向冷区的气压梯度力，从而产生了平行于等温线的风，而且气层中平均
温度梯度愈大，高层出现的风也愈大， 这种由于水平温度梯度的存在而产生的地转风在垂直方向上速度矢量差， 就称为热成风。P126
为了达到力的平衡，离心力必须足够大， 这就要求V很大并且（或者）r很小。 但在大、中尺度的闭合系统中，不可能出 现如上式表示的那种平衡关系。 这类反气旋式低压只有在可忽略科氏力 （地转偏向力）的小尺度中才能出现。如龙卷 风。
梯度风（小结）
梯度风的大小与水平气压梯度、地理纬度、空气密度及空气运动的曲率半 径有关。 梯度风是水平等速曲线运动，风向与等压线平行。在北半球，低压中的 风是沿等压线逆时针方向吹的（气旋）；在高压中的风是沿等压线顺时针方 向吹的（反气旋）。南半球相反。 当r趋于无穷时，梯度风变成地转风，所以地转风是梯度风的一种特殊 情形。 在同一纬度的地区，气旋式低压中的梯度风比相同气压梯度下的地转风
自由大气中，上层地转风等于下层地转风与气层之间热成 风的矢量和； 热成风方向，在北半球背热成风而立，高温在右，地温在 左； 热成风大小，它正比于空气层的厚度和该层平均温度水平 梯度；而反比于地理纬度的正弦和气层的平均绝对温度。
（4）地转风随高度变化的基本类型
上层地转风为下层地转风与气层之间热成风 之和，下层地转风是由下层水平气压梯度决定， 热成风的大小是由气层的平均水平温度梯度决 定。
在高压的东部A风矢随高度逆转，且有冷平流； 在低压的西部B风矢随高度顺转，且有暖平流； 在低压的北部D起初风速随高度减小，风向不变，到某一高度风速为0，然后风速又随高度
气 旋 式 高 压
CA
G
梯度风
在低压中，气 气 旋 式 低 压
压梯度力指向中
心，地转偏向力 和惯性离心力自 中心指向外。三 力达到平衡： G C A
fr VC 2
f 2r 2 r p 4 r
5.2.2
梯度风
反气旋式低压中力的平衡关系为：
反 气 旋 式 低 压
V2 1 p fV r r
An
C
G
FGn
vac
反气旋（高压）中梯度风是==>风顺时针旋转
FGn
D
An C
气旋（低压）中梯度风是==>逆时针旋转
梯度风
闭合的气压场和旋转式的流场，可能出现四种组合，即，反气旋
式高压，气旋式高压（×），气旋式低压和反气旋 式低压。
反气旋式高压（√） 气旋式高压（×）
气旋式低压（√） 反气旋式低压（√）
离的程度也越来越大，
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，空气将沿着平直等压线作等速的水平直线运 动，就形成地转风Vg。
地转风方向
P-1
P0
FGn
V1 An1
FGn
V2 An2
FGn 低压
Vg An 高压
P-1 P0
方向（白贝罗风压定律） 方 向
在北半球，背地转风而立，高压在右，低压在左。
高压区与低温区相对应
T2
p2 T1
v g下
VT
p1 T2 p2 T1
结论：起初随Z增加，风向不变，风速逐 渐减小，到某一高度处为零后；再往上， 风向相反，风速逐渐增大。
②、等温线与等压线相交 冷平流 p2 T2
v g下
v g上
T1 p2 p1
VT
p1
T1 T2 结论：风速随高度增加而增加；方向随高 度向左转（逆转），愈到高层，风向与热 成风风向愈接近，有冷平流。
p0 低 压 Vg p1 高 压 p1 p0 高压 Vg 低压 p0 p1
地转风大小
讨论：对一定地 区而言， ω 、 4、大小：由定义 为常量。 水平方向 FGn 1）Vg与 成 正比==>等压线 密，Vg大，反 之成立。 2）Ｖg与ρ 成反 比==>高空的地 转风比低空大。
p n
An
小；反气旋式高压中的梯度风比相同气压梯度下的地转风大。
（3） 自由大气中风随高度的变化-热成风
大量高空探测资料表明，不同高度上风向、风速是不 一致的，风随高度有明显变化。 定义：地转风 V g 在垂直方向上的速度矢量差称为热 成风 V 。
T
自由大气中风（地转风）是指某一高度上空 气的水平运动，其值取决于该高度上的水平气压 梯度和空气密度。然而由于有了水平温度梯度， 引起气压梯度随高度发生变化，使得风也相应地 随高度发生变化。 地转风随高度发生变化，只能发生在密度分 布依赖于气压和温度的斜压大气中。
在流动的空气中，空间各点的运动率不随 时间变化的运动里，作用于运动质点上诸力之 合力等于0。这种稳定的运动称为平衡运动。
（1） 地转风
概念：在自 由大气中，平 1000 直等压线情况 下，水平气压 1002 梯度力与水平 地转偏向力达 1004 到平衡时空气 气 压 的等速、直线 1006梯 水平运动称为 度 地转运动，这 力 1008 时的风称为地 转风。 1010
1 p x:0 fv g x 1 p y:0 fu g y 1 p ug f y 1 p vg f x
p p ug vg x y Vg h p 0
（2） 梯度风
概念：梯度 风就是在自由 大气中，不计 摩擦力的影响， 水平气压梯度 力、水平地转 偏向力及惯性 离心力三个力 达到平衡时空 气的等速、水 平、圆周运动。
而在空气直线运动时忽略不计；
摩擦力在摩擦层中起作用；对自由大气中的 空气运动不予考虑。
6.1.2
大气运动方程 是描述作用于空 气微团的力与其 所产生的加速度 之间关系的方程。
大气运动方程

x y z
sin
f 2 sin
自由大气中（N=0） 水平运动
0
2 自由大气中的风
（1） （2） （3） （4） （5）
（百帕）
Vg 风向 北半球
地转偏向力
地转风形成过程
在高空平直等压线气压场中，暂时静止的空气，受水平 气压梯度力的作用，由高压指向低压，空气开始运动，
当空气开始运动，地转偏向力立即产生，并迫使它向右
偏离（北半球），空气在水平气压梯度力的作用下，它的 速率越来越大，水平地转偏向力也越来越大，使它向右偏
热成风
热成风与温度场的关系（类似于地转风与气压梯度）：
方向
热成风平行等温线吹，北半球、背热成风而立，高温在右， 低温在左。
T1 T2
补充两个基本概念：
VT
T1（低温）
T2（高温）
①冷平流：对本站而言，如果有冷空气流来，叫冷平流。
②暖平流：对本站而言，如果有暖空气流来，叫暖平流。
热成风（小结）
第七章 空气水平运动
本章主要内容
1 大气运动方程
2 自由大气中的风
3 行星边界层中的风 4 大气环流及地方性风
大气是处于不停的运动状态中的，大气运
动可分为水平运动和铅直（垂直）运动两部
分。 空气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很重 要作用，直接影响着各地区天气的变化和气候
反 气 旋 式 高 压
可见反气旋的曲率半径r大小受气压梯度力
和地转参数的制约，不能太小。
在高压中心，r
p 很小，r
也必须很小，说明
高压中心附近气压梯度和风速必定都很小。 实际大气中常见反气旋式高压如冷高压、副 热带高压、西风带中的阻塞高压。
梯度风
在气旋式高压环流中，科氏力、气压梯度力和 离心力都是向外的，不可能维持力的平衡关系， 因此这类环流在实际大气中不可能存在。