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1、第四章 自由大气中的平衡运动(Balance Flow),由尺度分析可知，大尺度运动中铅直速度远小于水平速度，运动是准水平的，并且对于中纬度大尺度运动而言，运动是准定常的，在水平方向上作用于大气的力基本上相平衡。,讨论在一些力的平衡下的大气水平运动，即所谓大气平衡运动。这些平衡运动有：地转风、梯度风、旋转风等，这些平衡运动反映了大气运动的基本特征。,一、地转平衡与地转风、热成风,1.地转平衡与地转风(Geostrophic Flow) 自由大气中，水平气压梯度力与科氏力二者的平衡称为地转平衡；相应的空气水平运动称为地转风，记为Vg。 地转平衡满足：,地转风公式：,地转风Vg，是水平等速(dVh
2、/dt0)运动，风向与等压线平行(运动定常时，等压线为地转风的流线)，而且在北半球，背风而立，高压在右，低压在左；南半球相反，风速大小与水平气压梯度力的大小成正比，与空气密度、科氏参数成反比。,地转平衡关系的重要性：,揭示了风场与气压场之间最简单，最基本的联系。,大尺度运动处于准地转平衡状态，这是大尺度运动一个重要性质。,2、热成风 由热力作用引起的(Thermal Wind),地转风可能随高度发生变化吗？,地转风随高度的变化产生热成风。,由地转风的表达式看到，地转风的大小取决于同一等高面上的气压梯度，即又决定于等压面的坡度，如等压面的坡度不随高度改变，即如果不同高度上的等压面都平行，那么，地
3、转风就不随高度改变。,是什么因素决定等压面的坡度随高度变化呢?,（1）正压大气和斜压大气,概念,正压大气中等压面、等密度面、等温面重合； 斜压大气中等压面与等温面、等密度面相交。,表征项：,斜压矢量,力管项：,正压流体： 等压面平行于等容面，力管项为0 斜压流体： 等压面与等容面相交，力管项不为0,由图示可知：,可见，大气斜压性与等压面上温度分布不均匀相联系热力过程相对应；,总结：,斜压大气与热力过程相对应； 驱动中高纬大气（斜压大气）运动的主要机制是：大气的斜压性； 驱动热带大气（正压大气）运动的主要机制是：潜热释放。,地转风，Z坐标：,地转风，P坐标：,取决于同一等压面上的位势梯度，即等压
4、面坡度。,等压面上温度分布均匀 正压大气情形，密度仅仅和气压有关,P+与P-之间二个气柱重量相同，密度相同 高度也相同 P+与P-平行 两等压面没有坡度变化地转风不随高度变化热成风为0,等压面上温度分布不均匀 斜压大气情形，暖区密度减少，气柱膨胀。,P+与P-之间二个气柱重量相同，密度暖区小于冷区 高度h1h2 P+与P-不平行 两等压面有坡度变化- 地转风随高度变化热成风存在,由此可见：斜压大气是地转风随高度改变的充分必要条件，即热成风是与大气的斜压性相联系，与热力作用相关。,（2）热成风,定义：热成风为垂直方向上两等压面上地转风的矢量差。,热成风定义,已知地转风：,地转风随高度(地转风随气
5、压坐标)的变化为：,热成风表达式推导：,（1）,进一步：,（2）,（3）,将（2）代入（1）,(4),由（5）式可见，等压面上平均温度分布的不均匀，引起了热成风 。,（5）,两等压面间厚度梯度,由此可见，热成风方向与等平均温度线平行，北半球，背风而立，高温在右，低温在左；大小与等压面上的温度梯度成正比（即等温线的疏密成正比）。,热成风的重要物理意义：,揭示了静力平衡下大尺度运动中风场、气压场、温度场之间的关系。 见书：P95,从以上讨论可见： 正压大气，等压面上温度分布均匀，热成风为0，上下运动一致。 斜压大气，等压面上温度分布不均匀，热成风不为0，上下运动不一致。,例如： （1） 副热带高压
6、： 从低层、到中层、直到高层，都表现为高压（反气旋） 正压系统 成因动力作用； （2）夏季的青藏高原： 高层是反气旋，低层是气旋， 斜压系统 成因：热力作用；,（3）整层大气的平均运动，体现的是上下相同的部分，属于正压分量动力过程结果。 500hPa为对流层中层，体现的是大气上下平均状况，相当正压层。 上层与下层大气的差，体现的是上下不同的部分，属于斜压分量热力过程结果。 例如：,（4）高原的动力与热力作用例： 夏季：,冬季：,（5）天气系统槽脊倾斜,二、地转偏差(Geostrophic deviation),定义：,实际风与地转风的矢量之差,地转运动：,天气系统不变,由此可见，地转偏差是天气系统变化的重要原因 。,物理意义： 有地转偏差时，风可以穿越等压线运动，引起质量重新分布，造成气压场，风场的变化，从而推动天气系统的演变。,由此可见，地转偏差与加速度相互垂直，在北半球指向水平加速度的左侧。大小和水平加速度成正比，和纬度的正弦成正比。,1.地转偏差与动能制造,从能量学的角度来看，地转偏差对大气运动动能的制造有重要的作用。,证明：,1,2,V,Vg,因此，地转偏差对大气运动动能的制造和转换具有重要作用。,2.地转偏差与水平运动、垂直运动的关系,因此，实际风的水平散度就是地转偏差的水平散度。,由此可见，垂直运动与水平散度联系在一起。,
