大气科学概论课件(第七：大气运动1)
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运动而产生） 运动而产生） 水平地转偏向力（地球自转而产生的） ◇水平地转偏向力（地球自转而产生的） 惯性离心力（空气作曲线运动时产生的） ◇惯性离心力（空气作曲线运动时产生的）
前两种力是真实力， 前两种力是真实力，后两者是相对转动参照 系运动时所产生的力，为假想力。 系运动时所产生的力，为假想力。 这些力在水平方向上的分量之间的不同 组合，构成了不同形式的大气水平运动。 组合，构成了不同形式的大气水平运动。
上述四个力都是在水平方向上作用于空气的 它们对空气运动的影响是不一样的。 力，它们对空气运动的影响是不一样的。 一般来说， 一般来说， 气压梯度力是使空气产生运动的直接动力 是使空气产生运动的直接动力， ◇气压梯度力是使空气产生运动的直接动力， 是最基本的力。 是最基本的力。 地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动 ◇地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动 影响较大， 影响较大，而对低纬地区特别是赤道附近的空 气运动，影响甚小。 气运动，影响甚小。
风是指空气相对于地面的水平运动。 是指空气相对于地面的水平运动。
大气运动对大气中的水分、 热量输送， 以及天气、 大气运动对大气中的水分 、 热量输送 ， 以及天气 、 气候的形成、演变起着重要的作用。 气候的形成、演变起着重要的作用。
4.1 大气的水平运动 4.1.1 作用于空气的力
空气的水平运动是在力的作用下产生的。 空气的水平运动是在力的作用下产生的。 水平方向作用于空气上的力有： 水平方向作用于空气上的力有： 水平气压梯度力（气压水平分布不均而产生的） ◇水平气压梯度力（气压水平分布不均而产生的） 摩擦力（空气层之间、 ◇摩擦力（空气层之间、空气与地面之间存在相对
第四章
大 气 运 动
地球大气处于不断的运动中， 地球大气处于不断的运动中，时空尺度的范围 非常广（小到分子运动，大到全球的纬向环流） 非常广（小到分子运动，大到全球的纬向环流）； 运动状态复杂多样（水平运动和垂直运动；层流、 运动状态复杂多样（水平运动和垂直运动；层流、 湍流、波动；直线、曲线和涡旋运动） 湍流、波动；直线、曲线和涡旋运动）。 尽管其运动状态是复杂多样的，但都可以分为 尽管其运动状态是复杂多样的， 相对于地面的水平运动和铅直运动两个分量。 相对于地面的水平运动和铅直运动两个分量。
观测表明，水平气压梯度值很小，一般为1 3hPa/赤道度， 3hPa/赤道度 观测表明，水平气压梯度值很小，一般为1—3hPa/赤道度， 而垂直气压梯度在大气低层可达1/10m左右， 1/10m左右 而垂直气压梯度在大气低层可达1/10m左右，即相当于水平 气压梯度的10万倍。 气压梯度的10万倍。 10万倍 这种气压梯度力持续作用3 这种气压梯度力持续作用3h，可使风速由零增大到 m/s。 7.6m/s。可见气压梯度力是空气产生水平运动的直接原因和 动力。 动力。
练习：画出Ａ、Ｂ、Ｃ三点的受力情况， Ａ、Ｂ、Ｃ三点的受力情况 练习：画出Ａ、Ｂ、Ｃ三点的受力情况，低压的风 向逆时针平行于等压线吹， 向逆时针平行于等压线吹，高压的风向顺时针平行 于等压 线吹。 线吹。
A
B C
课外练习题： 课外练习题：
指出气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、 1、 指出气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、 摩擦力的大小、方向，各自存在的条件和作用。 摩擦力的大小、方向，各自存在的条件和作用。 画出Ａ、 2、画出Ａ、 Ｂ、Ｃ三 Ｂ、Ｃ三 点的受力 情况。 情况。
二、地转偏向力An 地转偏向力
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A 科里奥利力） 地转偏向力 n （科里奥利力）。 方向：北半球， 垂直与运动方向指向右。 方向：北半球，An垂直与运动方向指向右。 南半球， 垂直与运动方向指向左。 南半球，An垂直与运动方向指向左。 大小： 大小： An=2Vωsinφ
v2 C= r
作用： 一样，只改变物体运动方向， 作用：C和An一样，只改变物体运动方向，不改变 运动速度。 运动速度。对低纬度地区或空气运动速度很 大而曲率半径很小的空气运动有很大的影响。 大而曲率半径很小的空气运动有很大的影响。
四、摩擦力
大气是粘滞流体，当气层与气层、 大气是粘滞流体，当气层与气层、气层与地面 之间发生相对运动时，会产生摩擦力。 之间发生相对运动时，会产生摩擦力。 气层与气层的摩擦力称内摩擦力，气层与地面 气层与气层的摩擦力称内摩擦力， 的摩擦力称外摩擦力 外摩擦力。 的摩擦力称外摩擦力。 方向: 外摩擦力R与运动方向相反。 方向: 外摩擦力R与运动方向相反。 大小： （Ｋ为地面摩擦系数 为地面摩擦系数） 大小： R＝－ＫＶ （Ｋ为地面摩擦系数）
/s， 为纬度） （ω ＝7.29*10-5/s，φ为纬度）
作用：改变空气的运动方向，但不能改变运动速度， 作用：改变空气的运动方向，但不能改变运动速度， 虽然不大， An虽然不大，但对大规模的空气水平运动是 很重要的。 很重要的。
三、惯性离心力C 惯性离心力C
是物体在作曲线运动时所产生的， 惯性离心力C是物体在作曲线运动时所产生的， 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。 上的力。 方向:垂直于运动方向沿曲率半径指向外。 方向:垂直于运动方向沿曲率半径指向外。 大小： 大小：
惯性离心力是在空气作曲线运动时起作用 是在空气作曲线运动时起作用， ◇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。 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 摩擦力在摩擦层中起作用 在摩擦层中起作用， 中的空气运动也不予考虑。 中的空气运动也不予考虑。
源自文库
dp为两等压线的气压差，dn为两等压线的水平距离 dp为两等压线的气压差，dn为两等压线的水平距离 为两等压线的气压差
作用： 作用： Fg很小 仅是垂直气压梯度力的10 很小， Fg很小，仅是垂直气压梯度力的10-4, 但在它的作用下， 但在它的作用下，空气由静止状态作水平 直线匀加速运动，是空气的原始动力。 直线匀加速运动，是空气的原始动力。
地转偏向力、 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， 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，摩擦力还能改变速度。 能影响运动的方向，摩擦力还能改变速度。 气压梯度力既可改变空气运动状态， 气压梯度力既可改变空气运动状态，又可 既可改变空气运动状态 使空气由静止状态转变为运动状态。 使空气由静止状态转变为运动状态。
作用： 作用： 地面摩擦作用可以通过乱流动量交换， 地面摩擦作用可以通过乱流动量交换，逐层 向上传递，使上空气层也受影响。 向上传递，使上空气层也受影响。但大于 2km的高度 可以忽略R 的高度， 1-2km的高度，可以忽略R。 因此，把地面到1 2km的气层称摩擦层， 因此，把地面到1-2km的气层称摩擦层， 的气层称摩擦层 2km以上的气层称自由大气。 以上的气层称自由大气 1-2km以上的气层称自由大气。
一、水平气压梯度力Fg 水平气压梯度力F
是在气压水平分布不均匀时， 水平气压梯度力Fg是在气压水平分布不均匀时， 单位质量空气所受到的净压力。 单位质量空气所受到的净压力。 方向： 垂直于等压线，由高压指向低压。 方向： Fg垂直于等压线，由高压指向低压。 大小： 大小：
Fg = − 1 dP ρ dn
前两种力是真实力， 前两种力是真实力，后两者是相对转动参照 系运动时所产生的力，为假想力。 系运动时所产生的力，为假想力。 这些力在水平方向上的分量之间的不同 组合，构成了不同形式的大气水平运动。 组合，构成了不同形式的大气水平运动。
上述四个力都是在水平方向上作用于空气的 它们对空气运动的影响是不一样的。 力，它们对空气运动的影响是不一样的。 一般来说， 一般来说， 气压梯度力是使空气产生运动的直接动力 是使空气产生运动的直接动力， ◇气压梯度力是使空气产生运动的直接动力， 是最基本的力。 是最基本的力。 地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动 ◇地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动 影响较大， 影响较大，而对低纬地区特别是赤道附近的空 气运动，影响甚小。 气运动，影响甚小。
风是指空气相对于地面的水平运动。 是指空气相对于地面的水平运动。
大气运动对大气中的水分、 热量输送， 以及天气、 大气运动对大气中的水分 、 热量输送 ， 以及天气 、 气候的形成、演变起着重要的作用。 气候的形成、演变起着重要的作用。
4.1 大气的水平运动 4.1.1 作用于空气的力
空气的水平运动是在力的作用下产生的。 空气的水平运动是在力的作用下产生的。 水平方向作用于空气上的力有： 水平方向作用于空气上的力有： 水平气压梯度力（气压水平分布不均而产生的） ◇水平气压梯度力（气压水平分布不均而产生的） 摩擦力（空气层之间、 ◇摩擦力（空气层之间、空气与地面之间存在相对
第四章
大 气 运 动
地球大气处于不断的运动中， 地球大气处于不断的运动中，时空尺度的范围 非常广（小到分子运动，大到全球的纬向环流） 非常广（小到分子运动，大到全球的纬向环流）； 运动状态复杂多样（水平运动和垂直运动；层流、 运动状态复杂多样（水平运动和垂直运动；层流、 湍流、波动；直线、曲线和涡旋运动） 湍流、波动；直线、曲线和涡旋运动）。 尽管其运动状态是复杂多样的，但都可以分为 尽管其运动状态是复杂多样的， 相对于地面的水平运动和铅直运动两个分量。 相对于地面的水平运动和铅直运动两个分量。
观测表明，水平气压梯度值很小，一般为1 3hPa/赤道度， 3hPa/赤道度 观测表明，水平气压梯度值很小，一般为1—3hPa/赤道度， 而垂直气压梯度在大气低层可达1/10m左右， 1/10m左右 而垂直气压梯度在大气低层可达1/10m左右，即相当于水平 气压梯度的10万倍。 气压梯度的10万倍。 10万倍 这种气压梯度力持续作用3 这种气压梯度力持续作用3h，可使风速由零增大到 m/s。 7.6m/s。可见气压梯度力是空气产生水平运动的直接原因和 动力。 动力。
练习：画出Ａ、Ｂ、Ｃ三点的受力情况， Ａ、Ｂ、Ｃ三点的受力情况 练习：画出Ａ、Ｂ、Ｃ三点的受力情况，低压的风 向逆时针平行于等压线吹， 向逆时针平行于等压线吹，高压的风向顺时针平行 于等压 线吹。 线吹。
A
B C
课外练习题： 课外练习题：
指出气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、 1、 指出气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、 摩擦力的大小、方向，各自存在的条件和作用。 摩擦力的大小、方向，各自存在的条件和作用。 画出Ａ、 2、画出Ａ、 Ｂ、Ｃ三 Ｂ、Ｃ三 点的受力 情况。 情况。
二、地转偏向力An 地转偏向力
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A 科里奥利力） 地转偏向力 n （科里奥利力）。 方向：北半球， 垂直与运动方向指向右。 方向：北半球，An垂直与运动方向指向右。 南半球， 垂直与运动方向指向左。 南半球，An垂直与运动方向指向左。 大小： 大小： An=2Vωsinφ
v2 C= r
作用： 一样，只改变物体运动方向， 作用：C和An一样，只改变物体运动方向，不改变 运动速度。 运动速度。对低纬度地区或空气运动速度很 大而曲率半径很小的空气运动有很大的影响。 大而曲率半径很小的空气运动有很大的影响。
四、摩擦力
大气是粘滞流体，当气层与气层、 大气是粘滞流体，当气层与气层、气层与地面 之间发生相对运动时，会产生摩擦力。 之间发生相对运动时，会产生摩擦力。 气层与气层的摩擦力称内摩擦力，气层与地面 气层与气层的摩擦力称内摩擦力， 的摩擦力称外摩擦力 外摩擦力。 的摩擦力称外摩擦力。 方向: 外摩擦力R与运动方向相反。 方向: 外摩擦力R与运动方向相反。 大小： （Ｋ为地面摩擦系数 为地面摩擦系数） 大小： R＝－ＫＶ （Ｋ为地面摩擦系数）
/s， 为纬度） （ω ＝7.29*10-5/s，φ为纬度）
作用：改变空气的运动方向，但不能改变运动速度， 作用：改变空气的运动方向，但不能改变运动速度， 虽然不大， An虽然不大，但对大规模的空气水平运动是 很重要的。 很重要的。
三、惯性离心力C 惯性离心力C
是物体在作曲线运动时所产生的， 惯性离心力C是物体在作曲线运动时所产生的， 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。 上的力。 方向:垂直于运动方向沿曲率半径指向外。 方向:垂直于运动方向沿曲率半径指向外。 大小： 大小：
惯性离心力是在空气作曲线运动时起作用 是在空气作曲线运动时起作用， ◇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。 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 摩擦力在摩擦层中起作用 在摩擦层中起作用， 中的空气运动也不予考虑。 中的空气运动也不予考虑。
源自文库
dp为两等压线的气压差，dn为两等压线的水平距离 dp为两等压线的气压差，dn为两等压线的水平距离 为两等压线的气压差
作用： 作用： Fg很小 仅是垂直气压梯度力的10 很小， Fg很小，仅是垂直气压梯度力的10-4, 但在它的作用下， 但在它的作用下，空气由静止状态作水平 直线匀加速运动，是空气的原始动力。 直线匀加速运动，是空气的原始动力。
地转偏向力、 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， 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，摩擦力还能改变速度。 能影响运动的方向，摩擦力还能改变速度。 气压梯度力既可改变空气运动状态， 气压梯度力既可改变空气运动状态，又可 既可改变空气运动状态 使空气由静止状态转变为运动状态。 使空气由静止状态转变为运动状态。
作用： 作用： 地面摩擦作用可以通过乱流动量交换， 地面摩擦作用可以通过乱流动量交换，逐层 向上传递，使上空气层也受影响。 向上传递，使上空气层也受影响。但大于 2km的高度 可以忽略R 的高度， 1-2km的高度，可以忽略R。 因此，把地面到1 2km的气层称摩擦层， 因此，把地面到1-2km的气层称摩擦层， 的气层称摩擦层 2km以上的气层称自由大气。 以上的气层称自由大气 1-2km以上的气层称自由大气。
一、水平气压梯度力Fg 水平气压梯度力F
是在气压水平分布不均匀时， 水平气压梯度力Fg是在气压水平分布不均匀时， 单位质量空气所受到的净压力。 单位质量空气所受到的净压力。 方向： 垂直于等压线，由高压指向低压。 方向： Fg垂直于等压线，由高压指向低压。 大小： 大小：
Fg = − 1 dP ρ dn