第四章 大气的运动

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自由大气中地转风形成示意图
Байду номын сангаас
3)形成与方向 白贝罗风压定律 (地转风与水平气压差之间的关系) 北半球——背风而立,高压在右、低压在 左,南半球相反。

4)大小:随纬度增高而减少,实测数据不符 • 除地转偏向力近于零的低纬度地区,在 中高纬度地区地转风与自由大气的实 测风十分近似(地转风适用于中、高纬度)。
• 鞍形气压区 概念——两高压和两低压交错相对的中间区域称为 鞍形气压区简称鞍。其附近空间等压面形如马鞍。 •上述四种气压系统称为气压系统,不同天气系统,天气 情况各不相同。 高空等高线(91图4.12)
气压场的几种基本形式
对比:低压环流的形成
气压变低
气压变高
1000 气压变低 1002
气压变高 冷却

气压场基本形式
• 低气压(简称低压) 概念——由闭合等压线构成的低压区,中心 气压值低, 向外逐渐增高。空间等压面向下凹形如盆地。 • 高气压(简称高压) 概念——由闭合等压线构成的高气压区,中心气压值 高,向外逐渐降低。空间等压面向上凸类似山丘。 • 低压槽、高压脊 概念——低压延伸出来的狭长区域叫低压槽简称槽。 槽附近的空间等压面类似山谷。高压延伸出来的狭长区 域叫高压脊简称脊,脊附近的空间等压面类似山脊。
高气压 低气压(高空)
低气压 低纬(暖)
高气压(地表) 高纬(冷)
② 空气密度(空气质量)
受地球引力场作用,近地表空气密度(空 气质量)多于上层。 相同垂直距离,低空(近地表)气压降低 (减小)快,高空(上层)气压降低(减小) 慢。 不同气温(℃)及气压(hpa)下的 单位气压高度差(m/hpa)
(4)气压场 概念——气压的空间分布称为气压场。 不同地区气压的高低不同,使气压场呈现不同形 势,统称气压系统。 ①气压场表示方法 气压水平分布形势用等压线和等压面表示。 • 等压线——同水平面上各气压相等的连线。 表示方法: A、每间隔2.5hpa绘制一条等压线(如: 2.5hpa,5hpa, 7.5hpa…),并构成气压水平分布 图。 B、等压线有平直和闭合二种。
二、自由大气的空气水平运动 自由大气的空气水平运动分直线运 动(地转风)和曲线运动(梯度风)二 种。是与实际大气风相似的一种达到暂 时平衡的风。
(1)地转风Vg 1)定义:气压梯度力和地转偏向力二个力相平 衡( G=Fc ),自由大气运动,空气作匀速直线运 动时产生的风。 2)关系式:Vg=[1/(-2ω ρ sin)](△p/△n) 上式由G和Fc代入得到。P98
一、作用于空气的力 (1)气压梯度与气压梯度力 ① 气压梯度 概念—— 气压梯度为既有方向又有大小的空间向 (矢)量。其方向由高压指向低压,大小等于单位距 离内的气压差。 单位:hpa/m(km) 可据某地点气压梯度方向,了解气压朝哪个方向 降低,还可据气压梯度值大小,了解周围大气空间内 气压差异的程度。 表示方式:-△p/△N。 △p为两相邻等压线间气 压差,△N为两相邻等压线间距离。负号表示气压降 低,因气压取正值而加负号。
气压变化无固定的波动周期(气压系 统移动和演变产生)。 例:24h气压变化,高纬可达10hpa, 低纬因气团属性较接近而仅为1hpa。 气压变化一般既有周期变化也有非周 期变化。中高纬非周期气压变化多于周期, 低纬周期性气压变化强于非周期,但特殊 情况时有呈相反现象。
气压变化的原因
P86
P87
公式运用
• 已知海平面气压为1013百帕,海平面气温是 15度,气温直减率为0.6度/100米,求1500米 处的气压为多少? • T=15-1500*0.6/100=6 • t=(15+6)/2=11.5 • 1500=18400(1+11.5/273)(lg1013-lgp2) • P2=846百帕(压高方程)
5)局限性P98
• (2)梯度风(Vc,Vac) • 1)定义:概念——自由大气中空气质点作曲线运 动时,受到气压梯度力与地转偏向力和惯性离心 力的作用,当三力平衡时的风 • 自由大气中 • 匀速运动 • 曲线运动
• • • •
2)形成与方向 低压中 高压中 梯度风和等压线平,北半球,低压中空气 作逆时针旋转,高压中作顺时针旋转,南 半球相反
• 气压梯度的大小
1005hpa 1002.5hpa
等压线稀疏,单位距离内 气压差异小(气压梯度小)
A
1000hpa
等压线密集,单位距离内 气压差异大(气压梯度大)
• 气压梯度的方向— — 由高压指向低压
② 水平气压梯度力(G)
概念—— 水平气压梯度存在时,单位质量空气在 水平方向上受到的作用力。 表达式: G=-(1/ρ )· (△p/△n).94 式 中:ρ =1.293kg/m3。△p/△n=1hpa/111km 时,G=7×10-4N/kg。 • 表示1Kg质量的空气,可获7×10-4牛顿的力,此力相 当于1Kg质量空气在水平方向上可获7×10-4 m/s2的 加速度。 • 此力虽小,但持续的加速度作用,足以使空气从静 止状态转为运动状态,是空气产生运动的原动力。 例:3小时,风速从0增至7.6m/s(4级风) 1天,风速从0增至60m/s(17级风力)
m/hpa t(℃) p(hpa) 1000 500 100 -40 6.8 13.7 68.3 –20 7.4 14.8 74.1 0 8.0 16.0 80.0 20 8.6 17.2 85.9 40 9.2 18.3 91.7
静力学方程(压阶公式)
h=8000/P(1+t/273)m/hpa. p84 P:平均气压t:平均气温 适用范围:气层薄和低精度 从上表结论:p84 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,单 位气压高度差愈大 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,单 位高度差愈大
②内摩擦力
概念——空气运动速度不同或运动 方向不同两个相互接触的气层(团)间 产生的摩擦力(相互牵制的力)。
主要通过乱流(湍流)交换作用使 气流发生改变(也称湍流摩擦力)。摩 擦力数值很小,可忽略不计。
上述四个力对空气运动影响不同。 气压梯度力是空气产生运动的直接动力,为最基本的 力; 地转偏向力对高纬度或大范围的空气运动影响大; 惯性离心力对空气作曲线运动时其作用; 摩擦力在摩擦层中起作用。
温压场不对称系统(高低温中心与高低压中心不 重合; 轴线不铅直, 低压中心轴线-冷区,高压中心轴线-暖区).p92图 4.14
4.2 风(wind)
• 地-气系统物质与能量的输送和交换,是通过 空气分子运动来实现和进行的,一旦空气分子产生 运动则立即出现人们所说的风的天气现象。
• 据物理学原理推论,任何物体只有在受力时才产 生运动。大气层空气之所以产生运动,是在力的 作用下产生。该作用力主要是气压梯度(水平与 垂直)、地转偏向力、惯性离心力、摩擦力。它 们的综合作用,对大气中的水分、热量输送和天 气、气候的形成和演变起着重要作用。
• 垂直气压梯度 -△p/△Z 单位:hpa/m。 △p是两相邻等压线 间的气压差, △Z是两相邻等压线间的垂直距离。 • 水平气压梯度 -△p/△N 单位: hpa/赤道度(111km)。 △p 为两相邻等压线间的气压差, △N为两相邻等压线间 的水平距离。 • 实际大气中,水平梯度变化<<垂直气压梯度,但 垂直气压梯度力有重力与之相平衡,水平气压梯度 推动空气产生运动的作用力>>垂直气压梯度。 例:在低层大气中,气压发生变化时的垂直气压梯度 为1hpa/10m,水平气压梯度为1-3hpa/赤道度。

作用——只改变风向,不改变风速大小。
(4)摩擦力(R) 概念——两个作相对运动的物体,在相互接触的界面 间产生的一种阻碍物体运动的力(有外摩擦力、内摩擦力之 分)。 ① 外摩擦力 概念——地表阻碍与之接触的近地表空气运动的力 表达式 :R=-K· V
摩擦力的方向
• 方向与运动空气相反,大小与运动空气的速 度(V)和 摩擦系数(K)称正比。 • 海上R小,风大;陆上R大,风小。
(2)地转偏向力(Fc )
概念——由于地平面转动而产生的使空气偏 离气压梯度力方向的力。 Fc =A=2VωsinΦ
• 差别——北半球Fc使运动空气向右偏,南半球相 反使运动空气向左偏,改变了大气物质能量输送的 方向(见下图)。 • 作用——只改变空气运动方向,不改变速 率(只改变风向,不改变风速大小)。 • 大小——地转偏向力在赤道为零,随纬度而增加, 极地达最大。
4.1 气压变化(pressure change) (1)气压变化主要因素(纬度、空气密度) ①纬度 水平和垂直方向大气压力不均和气压变化,是推动空气 发生运动和大气运动出现变化的直接原因。而不同纬度地表 在垂直方向的热量(气温)分配不公是导致大气层中水平与 垂直方向产生气压不均、气压变化、空气运动、大气运动变 化的诱因。 例:低纬h⊙大、 Q0大、T高(地表低压、高空高压) 高纬h⊙小、 Q0小、T低(地表高压、高空低压)
第四章 大气的运动
atmosphere circulation 或general circulation 4.1 气压变化 4.2 风 4.3 全球大气环流——行星风系 4.4 区域大气环流——季风环流 4.5 地方性大气环流——局地环流
本章要点 热量分布不均导致大气压力变化后产 生大气运动,并形成尺度不一的大气环 流,产生热量、水分等物质与能量输送, 影响和制约着不同地区的天气和气候。
气压变低 受热
1004 气压变高 1006 冷却
气压变低
气压变高
1000 气压变低 1002
气压变高 冷却
气压变低 受热
1004 气压变高 1006 冷却
气压系统空间结构
• 温压场对称系统(高低温中心-高低压中心, 轴线铅直) 暖高;冷低;暖低;冷高.p91-92图4.13 • 温压场不对称系统(高低温中心与高低压中 心不重合;轴线不铅直, 低压中心轴线-冷区,高压中心轴线-暖 区).p92图4.14
地转偏向力
(3)惯性离心力(C)
概念——空气作圆周运动时,为保持沿惯性方向 运动产生的力。 • 惯性离心力同运动方向相垂直,自曲率中心沿半 径指向外缘,其大小同空气运动的线速度(V)的 平方成正比,与曲率半径(r)成反比。 表达式: C=V2/r
惯性离心力

实际大气空气运动曲率半径(几十千 米——几千千米)很大,故C很小。但 在低纬度或空气运动速度大而曲率半径 很小时,C 较大并可能超过 G。
(2)气压周期性变化
① 日变化 • 特点:一天中出现一个 最高值9-10时)、一个最 低值(15-16时)、一个 次低值(凌晨3-4时)、一个 次高值(21-22时)的双峰型变化。
气压日变化示例
• 最高最低气压值出现时间和变化 幅度随纬度不同。 低纬度日变化最明显,气压日较差达3-5hpa。 随纬度增加,气压日较差逐渐减小(例:50 º N,气 压日较差仅1hpa)。
② 年变化
• 特点:受气温年变化制约,并与纬度、 海 拔高度、海陆性质等地理因素有关。
气压年变化 示例
大陆——冬季出现最高值,夏季出现最低 值。气压年变化值由低纬向高纬逐渐增大。 海洋——夏季出现最高值,冬季出现最低 值。气压年较差小于同纬度大陆。 高山区——夏季出现最高值,冬季出现最 低值。
(3)气压非周期变化
压高方程
• 压高方程: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 得压高方程. • Z2-Z1=18400(1+t/273)*lgp1/p2.p 85 t:平均气温, Z2-Z1:高度差,p1高度Z1的气压(低高 度) 方法:分层求和(非等温大气) 适用范围:气层厚和高精度;低层和干洁空气 (高层g,湿空气tv) • 标准大气:p85
• 等压面 概念——空间气压相等点组成的面。 表示方法——某等压面各点的气压值都相等。例 700hpa等压面上各点的气压值都等于700hpa。 注意:等压面上各点的气压值虽都相等(如上700hpa 等压面),但各点却不一定处在同海拔高度上(不为 同高度)。 1位势米=9.8J/kg. P89-90 类似于等高线的等压线和等压面
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