大气基础动力学

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1、大气动力学基础, 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是气压分布的不均。,提 纲,第一节 气压的时空分布 第二节 大气的水平运动 第三节 大气环流 第四节 季风与海陆风,定义,单位,大气受到地球引力的作用，具有一定重量。地面上每平方米大约要承受十吨重的大气柱的压力，这个压力、就是大气压力。我们常说某地气压多少，就是指该地的单位面积上大气柱的重量。,气 压,气压随时间的变化,在通常情况下，早晨气压上升，下午气压下降。冬季气压最高；夏季气压最低。但有时候，如在

2、一次寒潮影响时，气压会很快升高，冷空气一过，气压又慢慢降低。,气压的单位用水银柱高度毫米数表示(mmHgh)。气象上常用一种力的单位毫巴(mb)作为气压单位： 1hPa=1毫巴0.75毫米水银柱高=3/4毫米水银柱高。,测量仪器,。,定槽式水银气压表、动槽式水银气压表、自记气压计、空盒水银气压表。,一、气压随高度的变化,气压变化的根本原因：其上空大气柱中空气质量 的增多或减少。,定性,1、随高度增加而递减,2、低层气压降低的数值大于高层,定量,1、静力学方程,2、压高方程,基本概念： 大气静力学：研究静止大气所的受力作用，及在力的作用下质量和压强分布规律的科学。 大气静力平衡状态：大气受重力和

3、垂直气压梯度力的作用达到的平衡状态。 准静力平衡：除强烈对流外，空气垂直运动速度很小，近似认为大气处于静力平衡状态。,（一）静力学方程（静压方程）,在垂直方向上，空气要受到重力的作用。如果只是在这一力的作用下，空气应迅速下降。但实际情况并非如此，大气中的下降气流一般是很微弱的，因此一定有其他的力存在而抵消了重力的作用。,1cm2,分析截面积为1cm2的薄气柱 在垂直方向上的受力情况。,P,W,Z2 Z Z1,P2 P P1,除重力w外，还在顶部和底部分别受到压力的作用，且顶部的压力小于底部的压力，二者的压力差P的方向是垂直向上的。若该压力差等于重力，则簿气柱在垂直方向上所受的合力为0，即处于静

4、力平衡状态。,1cm2,P,W,Z2 Z Z1,P2 P P1,在实际大气中，除了在山区或是当有强烈对流运动的时候外，铅直运动速度都很小，可以近似地把大气当作处于静力平衡状态，即P= W,由于W=mg=vg=z g，所以， P= W= g z 如果取z为一无限小量，则上式可写成：,dP= gdZ，或 dP= gdZ,此式是气象上广泛应用的大气静力学方程,dp= g dz,它表示了大气在垂直方向上处于静力平衡状态时，气压随高度变化的关系。由此式可知： 1、当dz0时，dp0，气压随高度增加而减小 2、由于g随高度变化很小，所以气压随高度减小的快慢（dp/dz的大小）主要决定于。近地面层大，气压随

5、高度减小得快，上层小 ，气压随高度减小得慢。 3、两个不同高度上的气压差等于这两个高度之间单位截面积空气柱的重量。,一、气压随高度的变化,大气静力学方程,一、气压随高度的变化,（一）静力学方程： dp= - gdz 1、条件： 大气是静止的，无水平和垂直方向上的运动。并且垂直方向上受力为零。 2、公式的意义： 负号：气压随高度而减小 因g在垂直方向变化小，因此，气压在垂 直方向上减小的快慢程度主要决定于密度,低层大， 气压变化快,高层小， 气压变化慢,空气密度与气压变化快慢的关系,大气静力学方程只适用于较薄的大气层。对于厚气层，不精确。 将静力学方程从Z1到Z2高度，进行积分，得到气压和高度的

6、普遍关系。,压高公式,压高公式的意义 根据不同高度的气压和期间的平均温度，可求算两点的高差； 根据某高度的气压值和气柱的均温，可求算另一高度的气压值； 根据某站气压值、海拔高度和气柱均温，可求算海平面气压值； 根据两不同高度的气压值，可求算两高度的均温。,二、 气压场,1、气压场的表示方法 概念： 气压的空间分布气压场。 气压的水平分布水平气压场。 表示方式： 等压线： 等压面：,等压线平直还是弯曲，表示气压分布简单还是复杂；等压线的排列方向，表示气压分布的方向。 等压线呈东西向，表示气压沿纬向分布；呈南北向，表示气压沿经向分布；等压线疏密，表示水平方向上气压差异的程度。,地面天气形势图（地面

7、天气图、海平面气压场图） 本站气压 海平面气压 等高面（海拔高度为0）上的等压线（每隔2.5hPa）图,气压订正,2、 海平面气压场,海平面气压场的基本型式（气压系统）,低压（低气压、气旋）,高压（高气压、反气旋）,槽（低压槽）,脊（高压脊）,D,G,气压场的一个很小的局部高压,高空天气形势图（高空天气图、高空图） 等压面上的等高线（每隔4位势什米）图 等高线的单位：位势高度 位势米、位势什米 1位势什米10位势米 Hzg9.8 H 位势高度（位势米） z 海拔高度（米） g 重力加速度,3、 高空气压场,等压面与等高面的关系,等压面 PAPBPCP HAHBHC 等高面 HaHbHcH ZA

8、aZBbZCc PaPbPc,高空气压场的基本型式（气压系统）,槽线,4、气压场的基本型式,低气压 低压槽 高气压 高压脊 鞍形气压区,6、气压系统的垂直结构 温压场对称系统 ：气压场中心和温度场中心重合 的系统；水平面上等温线与等压线基本平行。,暖高压： 冷低压： 冷高压： 暖低压：,深厚系统：可伸展到高层，强度随 高度增高而逐渐增强 浅薄系统：存在于低层，强度随高 度增高而逐渐减弱，到高层变成相 反性质的气压系统, 暖性高压 冷性低压 暖性低压 冷性高压, 温压场不对称系统 ：低层气压场中心和温度场中心,不重合的系统；水平面上等温线与等压线相交。, 高压 低压,地面低压中心轴线随高度升高不

9、断向冷区倾斜； 地面高压中心轴线随高度升高不断向暖区倾斜； 气压系统的结构随高度升高而增强。,7.气压随时间的变化,大气具有流动性和连续性，因此气压 变化的实质就是空气柱内大气质量的增多 或减少。 （在同一时刻，有的地方气压增加，另一地区的气压必然降低。）,（一）影响气压变化的因素,1、热力因素：,空气受热膨胀，减小，p下降,空气冷却收缩。增大， p升高,2、冷暖平流因素：,2、动力因素,水平气流的辐合与辐散,不同密度气团的移动,冷空气南下,气压升高,暖空气北上,气压降低,辐合,下 降,辐散,辐散,上 升,辐合,空气的垂直运动,（二）气压随时间的变化,日变化： 一天中有两个高值和两个低值。 年

10、变化： 陆地上pmax在冬季，pmin在夏季 海洋、高原上气压分布与陆地相反,气压年变化的类型,第二节 大气的水平运动,一、风的定义 二、作用于空气的力 三、自由大气中的空气水平运动 四、摩擦层中的风,定义,风的基本特性,大气中的风速,空气相对于地面的运动称为风。一般情况下，风是指空气运动的水平分量。风向是指风吹来的方向，常用十六方位表示。风速是空气在单位时间内移动的水平距离，常用米秒-1为单位。,空气运动时，总是带有乱流性的，在固定的空间位置上，表现出风向和风速的明显变动，此现象称为风的阵性。因此，在风向、风速的仪器测定和资料使用上，就有瞬时值和平均值两种。,大气中水平风速一般为10102米

11、秒-1，最大可达百米以上。垂直运动速度比水平风速小两个量级，为10-210米秒-1，仅在局部范围短时间内才出现每秒几米、十几米的数值。,地面风向表示方法,风向方位图,在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长划风速为4米/秒，即风力为2级，短划风速为2米/秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。,西南风5级,东南风12级,天气图上风的表示方法,二、 作用于空气的力,影响大气运动的作用力,水平方向作用于空气的力,水平气压梯度力 G 水平地转偏向力 A 惯性离心力 C 摩擦力 R,风 的 作 用,传送水分,作用于运动空气的力,水平气压梯度力,水平地转偏向力,惯性离心力,摩擦力,当

12、空气质点作曲线运动时，受到惯性离心力的作用。其大小为： 式中C为惯性离心力；V为空气质点的线速度； r为运动轨迹的曲率半径。,水平气压梯度是由高压指向低压的方向上(垂直于等压线方向)，单位距离内气压的改变量。其数值为 其中p为n距离内气压的改变量。 气压梯度力的数值为：,摩擦力(R)的方向和运动方向相反，其大小和运动速度成正比： R-KV 式中K是摩擦系数，V为运动速度。,-,（一）水平气压梯度力（G）,x方向上：气压梯度 气压差 dx A：气压 p ；压力 pdydz B：气压（pdx）；压力（pdx）dydz x方向上的净压力：pdydz（pdx）dydz dxdydz,p,x,p,x,p

13、,x,p,x,p,x,p,x,x,y,z,dx,dy,dz,A,B,p,（p dx）,p,x,0,x方向上的净压力 dxdydz,p,x,y方向上的净压力 dxdydz,p,y,z方向上的净压力 dxdydz,p,z,总的净压力（ i j k）dxdydz p dxdydz 由于 dxdydzVm 因此 作用于单位质量空气块上的净压力（气压梯度力） G G p,p,x,p,y,p,z,1,气压梯度力 G p 气压梯度p 气压梯度的方向：由高压指向低压。 气压梯度力的方向：由高压指向低压。 铅直气压梯度力 GZ 水平气压梯度力 Gn nxiyj 水平气压梯度力是形成风的原始动力。,1,1,p,z

14、,1,p,n,思考,若仅受水平气压梯度力,风向和风速具有什么特点?,（二）水平地转偏向力（科里奥利力、科氏力） A,地转偏向力的方向：与运动方向垂直 北半球指向运动方向的右侧 南半球指向运动方向的左侧,F2 V 水平地转偏向力 A A2 V sin 224小时 7.2910-5 秒-1 静止 V0 A0 赤道 0 A0 北极 90 A2 V,作用于单位质量物体上的科里奥利力 F,地转偏向力,（百帕） 1000 1005 1010,水平气压 梯度力,地转偏向力,（北半球）,a.北半球向右偏， 南半球向左偏；,b.垂直于空气的运动 方向(即风向)；,c.由低纬向 高纬增大；,d.改变大气运动方向

15、但是不改变速度,地转偏向力方向：垂直风向,在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风 （北半球高空）,南半球高空大气的风向,南半球近地面大气的风向,作用于运动空气的力,水平气压梯度力,水平地转偏向力,惯性离心力,摩擦力,当空气质点作曲线运动时，受到惯性离心力的作用。其大小为： 式中C为惯性离心力；V为空气质点的线速度； r为运动轨迹的曲率半径。,-,（三）惯性离心力（C）,只改变物体运动方向， 不改变速率,作用于运动空气的力,水平气压梯度力,水平地转偏向力,惯性离心力,摩擦力,摩擦力(R)的方向和运动方向相反，其大小和运动速度成正比： R-KV 式中K是摩擦系数，V为运动速度。,-,（四）摩擦力 （R）,摩擦力的方向： 与运动方向相反 摩擦力 R RK V K 摩擦系数 摩擦层 R0 自由大气层 R0,地转偏向力,地面摩擦力,请依据图中风向，画出空气运动时的受力情况,水平气压 梯度力,摩擦力方向：与风向相反,在气压梯度力与地转偏向力共同作用下形成的风（北半球）