大气中的运动

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1、第三章 大气中的水分,本章内容,气压随时间和高度的变化,气压场,大气的水平运动和垂直运动,大气环流,本章教学目的,通过本章教学，使学生初步掌握大气环流的基本特征；掌握大气运动、温压场结构的基本原理.,本章教学重点及难点：,气压场特征分析、温压场结构理论；大气水平运动的原因和形式；大气环流在天气、气候中的作用.,大气时刻不停地运动着，运动的形式和 规模是复杂多样的. 大气运动使不同地区、不同高度间的热 量和水分得以交换和传输，直接影响着 天气的变化和气候的形成. 大气运动的根本原因在于气压的分布的 不均,第一节 气压随时间和高度的变化,一 气压随高度的变化 气压是随高度的增加而下降的. 1 静力

2、学方程 前提静力平衡 推导 讨论 (1) 单位高度气压差: (2) 单位气压高度差(h):,同压下，单位气压高度差与温度成正比 同温下，单位气压高度差与气压成反比,2 压高方程,压高方程表示： 气压随高度的增加而按指数规律递减； 大气底层，气压递减得快，在高层递减 得慢； 在温度低时，气压递减得快，在温度高 时，递减得慢.,第一节 气压随时间和高度的变化,二 气压随时间的变化 气压是随高度的增加而下降的. 1 气压随时间变化的实质 大气质量重新分配的结果 2 气压随时间变化的原因 气压的变化，表面上是由于空气柱重量增加 或减少引起，实质上由于空气柱质量变化而 引起.,空气柱质量的变化主要由热力

3、和动力因子 引起： 热力因子：温度升高或降低引起的体积膨 胀或收缩、密度的增大或减少以及伴 随的气流辐合所造成的质量增多或减 少. 动力因子：大气运动所造成的气柱质量的 变化.,空气运动状况：,水平气流的辐合与辐散 水平气流辐散：特定区域理的空气质点逐渐向周 围流散，引起气压降低的现象. 特点：前面空气运动快，后面运动慢 水平气流辐合：特定区域理的空气质点逐渐聚集 起来，引起气压升高的现象. 特点：前面空气运动慢，后面运动快,空气运动状况：,不同密度气团的移动 冷、暖平流气团性质不同，密度也不同 冬天，冷平流造成流经之处气压升高； 夏季，暖平流造成流经之处气压降低.,空气运动状况：,空气的垂直

4、运动,气压随时间的变化 实际大气中气压变化的原因往往是由 多种情况综合作用的结果.,3 气压的周期性变化,气压的周期性变化是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，明显的是以日为 周期和以年为周期的波动.,气压的日变化有单峰、双峰和三峰等型式,其中双峰型较普遍. 气压日变化的原因比较复杂,尚无公认解释.,气压的年变化：,受气温的年变化影响很大. 1) 大陆型-冬季气压最高，夏季气压最低； 2) 海洋型冬季气压最低，夏季气压最高; 3) 高山型冬季气压最高，夏季气压最低.,4 气压的非周期性变化,特定地区气压的变化既有周期性变化又有非周期 性变化； 中高纬度地区气压变化以非周期性变

5、化为主； 低纬度地区气压变化以周期性变化为主.,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。 (一) 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. 1) 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。,第二节 气压场,等压面-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700hp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(

6、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).,(二) 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., 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

7、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。,气压场的几种基本形式,(三) 气压系统空间结构,温压场对称系统 (温度场与气压场配置重合) (高低温中心-高低压中心,等温线平行等压 线,轴线铅直) 暖高；冷低；暖低；冷高. 温压场不对称系统(温度场与气压场配置不重合) (高低温中心与高低压中心不重合;等温线 不平行等压线;轴线不铅直,低压中心轴线- 冷区,高压中心轴线-暖区).,暖性高压： 高压中心为暖区，四周为冷区，等压线和等 温线基本平行，暖中心与高中心基本重合的气压系 统.高压的强度愈向高空愈增强. 冷性低压： 低压中心为冷区，四周为暖区，等压线和等 温线基本平行，冷中心

8、与低中心基本重合的气压系 统.冷压的强度愈向高空愈增强.,暖性低压： 低压中心为暖区，四周为冷区，暖中心与低中 心基本重合的气压系统.低压等压面凹陷程度随高 度升高而逐渐减小，最后趋于消失，在温压场结构 不变的情形下，可发展称为暖高压系统. 冷性高压： 高压中心为冷区，四周为暖区，冷中心与高 中心基本重合的气压系统.高压等压面凸起程度随 高度升高而逐渐减小，最后趋于消失，在温压场结 构不变的情形下，可发展称为冷低压系统.,在温压场不对称气压系统中，中心轴线发 生偏斜，地面低压中心轴线随高度升高不 断向冷区请倾斜，高压中心轴线随高度不 断升高而想暖区倾斜. 大气气压系统中的温压场配置绝大多数是

9、不对称的，因而气压系统的中心轴线大多 是倾斜的.,第三节 大气的水平运动和垂直运动,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.,作用于大气的力,大气的水平运动,大气环流,一 大气的水平运动,作用于大气的力 自由大气中的空气水平运动 摩擦层中空气的水平运动,

10、(一) 作用与大气的力,作用与大气的力有两类： 一是真实作用于大气的力- - 牛顿力/基本 力，如气压梯度力、地心引力、摩擦力等； 二是虚设的力、惯性力，如地转偏向力、惯 性离心力等.,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.,垂直气压梯度

11、-p/Z 单位: hpam. 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., 气压梯度的大小,等压线稀疏，单位距离内气压差异小(气压梯度小),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,1 气压梯度与气压梯度力,(2) 气压梯度力 概念- - 由于气压分布不均匀而产生在单 位质量空气块上的大气静压

12、力. 气压梯度力分为水平气压梯度力和垂直 气压梯度力.,水平气压梯度力(G) - -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/）（P/N） 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),2 地转偏向力,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。起到限制风无限增大的作用。 Fc =A=2Vsin 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 作用-

13、 -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.,3 惯性离心力,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,实际大气空气运动曲率半径(几十米- -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. 作用-只改变风向，不改变风速大小.,4 摩擦力,概念- -两个作相对运动的物体，在相互接触的界面 间产生

14、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=kV 摩擦力的方向及大小： 方向与运动空气，大小与运动空气的速度（V）和摩擦系 数(K)成正比；海上R小，风大；陆上R大，风小。,(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(团)间产生的摩擦力(相互牵制的力). 大小：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.,作用：可减小运动空气的速度(风速)和地转偏 向力. 影响:近地面大于上层。随高度增加而逐渐减 小，12km高度以上其影响可忽

15、略不计. 边界范围：1-2km以下称作摩擦层或边层， 1-2km以上称作自由大气.,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：在摩擦层中其作用.,气压梯度力,原始动力,摩擦力,地转偏向力,惯性离心力,真实力,惯性力,与空气 运动速 度有关,(二) 自由大气中的空气水平运动,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.,地转风(Vg) 概念- -气压梯度力和地转偏向力二个力相 平衡

16、(GFc)，自由大气运动，空气 作匀速直线运动时产生的风. 表达式：Vg=- 1/（2sin(p/n) 该式子由地转偏向力和气压梯度 力计算得到.,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. 地转风大小的影响因子： 与气压梯度成正比； 与纬度的正弦成反比. 地转风方向：与水平气压梯度力的方向垂直,(2) 梯度风(Vc，Vac) 概念- -气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力三者达到 平衡时的一种空气运动. 低压中的梯度风风速(Vc)与高压中的梯度风风速(Vac)表 达式分别为： 区别- -北半球低压中的梯度风沿等压线按反时针方向吹，高压