第5章大气的运动课件

5.1 5.1 气气压和和气气压场一一.气压气压二二.气压场气压场三三.气压随高度的变化气压随高度的变化5.1 气压和气压场气压和气压场一、气一、气压的定的定义地球表面单位面积上所承受的大气柱重量，地球表面单位面积上所承受的大气柱重量，称为大气压力。其数值等于从观测高度到大气上称为大气压力。其数值等于从观测高度到大气上界单位地球表面所受的空气柱重量。界单位地球表面所受的空气柱重量。二、气二、气压场 气压在水平面上的分布称为气压在水平面上的分布称为(水平气压场水平气压场)气压在三维空间的分布称为气压在三维空间的分布称为(空间气压场空间气压场)气压场上表现出的各种气压型式称为气压场上表现出的各种气压型式称为(气压系统气压系统)5.1 气压和气压场气压和气压场二、气二、气压场气压场的表示气压场的表示：a.a.等高面上的等压线分布图等高面上的等压线分布图 b.b.等压面上的等高线分布图等压面上的等高线分布图5.1 气压和气压场气压和气压场二、气二、气压场等等压面和等面和等压线1、等、等压面面空空间气气压相等的点所相等的点所组成的面叫等成的面叫等压面。面。因同一高度上各地气因同一高度上各地气压不一不一样，所以等，所以等压面不面不是等高面，而是起伏不平的曲面，等是等高面，而是起伏不平的曲面，等压面的起伏面的起伏形形势与水平面上气与水平面上气压分布相分布相对应。5.1 气压和气压场气压和气压场二、气二、气压场2、等、等压线等等压面与等高面的交面与等高面的交线，叫做等，叫做等压线，也就，也就是同一等高面上气是同一等高面上气压相等各点的相等各点的连线，同一等高，同一等高面与空面与空间各等各等压面的交面的交线，构成等高面，构成等高面图。从等高面从等高面图上，可以看出上，可以看出该等高面上气等高面上气压的分的分布情况布情况。5.1 气压和气压场气压和气压场二、气压场二、气压场3 3、位势高度、位势高度 单位质量的物体从海平面（位势取零）单位质量的物体从海平面（位势取零）抬高到抬高到Z Z高度时，克服重力做的功，又称重高度时，克服重力做的功，又称重力位势，单位是位势米。力位势，单位是位势米。1 1位势米：位势米：1kg1kg空气上升空气上升1m1m时，克服重力作了时，克服重力作了 9.8J 9.8J的功，也就是获得的功，也就是获得9.8J/kg9.8J/kg的位的位 势能，即势能，即1 1位势米位势米=9.8J/kg=9.8J/kg 5.1 气压和气压场气压和气压场二、气压场二、气压场3 3、位势高度、位势高度位势高度与几何高度的换算：位势高度与几何高度的换算：H=g H=gZ/9.8Z/9.8 g g取取9.8m/s9.8m/s时，位势高度和几何高度相等，但时，位势高度和几何高度相等，但物理意义完全不同，位势米是能量的单位，米是几物理意义完全不同，位势米是能量的单位，米是几何高度的单位。何高度的单位。位势高度位势高度(位势米位势米)几何高度几何高度(m)(m)纬度纬度处的重力加速度处的重力加速度5.1 气压和气压场气压和气压场二、气二、气压场气气压场的基本型式的基本型式由于各地气由于各地气压高低不一，而且高低不一，而且还时刻刻变化着，所以在等高面化着，所以在等高面图和等和等压面面图上反映出上反映出来的气来的气压型式是多种多型式是多种多样的。的。基本型式可概括基本型式可概括为以下五种：以下五种：低气低气压、低、低压槽、高气槽、高气压、高、高压脊、脊、鞍形气鞍形气压场1 1、低压、低压 中心气压低于四周的闭合等压线区，又叫气旋。2 2、低压槽、低压槽低压向外延伸出来的狭长区域或一组不闭合的等压线向气压高的一方突出的部分。低压槽中，各条等压线曲率最大处的连线称为槽线。其对应空间等压面形状类似狭长的山谷。倒槽线倒槽线槽线槽线横槽线横槽线横槽线横槽线3 3、高压、高压中心气压高于四周的闭合等压线区，又叫反气旋。其对应的空间等压面是上凸的，形如山丘。4 4、高压脊、高压脊高压向外延伸出来的狭长区域或一组不闭合的等压线向气压低的一方突出的部分。高压脊中，各条等压线曲率最大处的连线称为脊线。其对应空间等压面形状类似狭长的山脊。5 5、鞍形气压场、鞍形气压场相对的两个高压和两个低压组成的中间区域。其对应空间等压面形状类似马鞍。5.1 气压和气压场气压和气压场三、气三、气压随高度的随高度的变化化 一个地区的气一个地区的气压值经常有常有变化，任何地方化，任何地方的气的气压值总是随着海拔高度的增加而是随着海拔高度的增加而递减。减。确定空气密度大小与气确定空气密度大小与气压随高度随高度变化的定化的定量关系，一般是量关系，一般是应用静力方程。用静力方程。5.1 气压和气压场气压和气压场三、气三、气压随高度的随高度的变化化（一）静力平衡方程（一）静力平衡方程 取空气中任一微小气块，体积为dxdydz，设空气相对于地面处于静力平衡状态，铅直方向上受平衡力的作用。dxdydzF1=P1dxdyF2=P2dxdyG=gdxdydz所以F1=F2+G 即P1dxdy=P2dxdy+gdxdydz（P1-P2）=gdz 上下底面外界压力差：dp=P2-P1=-gdz 负号表示气压随高度增加而降低静力平衡方程 P随z变化决定于空气和g，密度大的气层(低层)，P随z增加而降低的快。（二）压高公式将状态方程（=P/RdT）代入dp=-gdz中得dp=-Pgdz/RdT所以 积分得 所以z2-z1=8000（1+at）（lnP1-lnP2）或z2-z1=18400（1+at）（lgP1-lgP2）,其中其中T=273(1+t/273)=273(1+at)压高公式的应用：根据不同高度上的气压差和气柱的平均根据不同高度上的气压差和气柱的平均 温度，求这两处之间的高度差。温度，求这两处之间的高度差。根据某高度的气压值和气柱的平均温根据某高度的气压值和气柱的平均温 度，推算另一高度上的气压值。度，推算另一高度上的气压值。由不同高度上的气压，求两高度之间由不同高度上的气压，求两高度之间 气柱的平均温度。气柱的平均温度。z z2 2-z-z1 1=8000=8000（1+at 1+at）（）（lnPlnP1 1-lnP-lnP2 2）或或 z z2 2-z-z1 1=18400=18400（1+at 1+at）（）（lgPlgP1 1-lgP-lgP2 2）a=1/273（三）（三）铅直气直气压梯度梯度 和和 气气压阶由静力平衡方程可知由静力平衡方程可知dp=-gdz 推出推出-单位高度气压差铅直气压梯度 单位气压高度差气压阶 指高度每变化单位距离气压的改变值，其值大，表示随高度递减愈快。hpa/100m或hpa/m气压每变化1hpa高度的改变值，用h表示，米/百帕5.1 气压和气压场气压和气压场三、气三、气压随高度的随高度的变化化由状态方程由状态方程 P=P=RRd dT T可推出可推出=P/=P/R Rd dT T代入气压阶代入气压阶定义式得定义式得Rd=0.287J/(g),T0=273，g=980cm/s2，代入得气压阶计算方程：可以计算不同温度和气压条件下的气压阶。在气层不太厚，精度要求不太高的情况下，在气层不太厚，精度要求不太高的情况下，t t、p p取气层的平均值，可利用该式计算高度。取气层的平均值，可利用该式计算高度。a=1/273 a=1/2735.2 5.2 空气的水平运动空气的水平运动一一.作用于空气上的力作用于空气上的力二二.自由大气中空气的水平运动自由大气中空气的水平运动三三.摩擦层中空气的水平运动摩擦层中空气的水平运动四四.空气的垂直运动空气的垂直运动一、作用于空气的力（一）水平气压梯度力1、气压梯度：由于空间气压分布不均而作用在单位体积空气上的力。它可分为铅直气压梯度和水平气压梯度。2、水平气压梯度：是气压梯度在水平方向上的分量。方向：垂直等压线，由高压指向低压。大小：单位距离内气压的改变量。-dp/dn 3、水平气压梯度力：把在水平气压梯度存在时，单位质量空气在水平方向上所受的力记作Gn方向：由高压指向低压dpdnGn=-大小：若水平方向上无气压差，则Gn=0，空气没有水平运动；只要水平方向上存在气压差，就有水平气压梯度力，空气在Gn作用下就会由高压区流向低压区。因此，水平方向上气压分布不均是使空气产生水平运动的直接原因，而Gn则是空气运动的原始动力。（二）地球自转偏向力（地转偏向力）在转动的地球上，由于地球的自转，空气质点依其惯性顺着水平气压梯度力的方向前进时，便会产生偏离水平气压梯度力方向的力叫地球自转偏向力。用An表示。An=2wvsin v为风速，为纬度，w为自转角速度w=2/24h=7.29210-5/s，由此得到以下结论：1、An的方向与空气运动方向相垂直，在北半球偏向空气运动的右方2、An只改变运动方向而不改变运动速度3、An大小还与v成正比，v=0时，An不出现；v愈大，An也愈大4、An大小还与纬度有关，赤道上纬度为零，An=0，随纬度增加而增大（三）（三）惯性离心力性离心力当空气作曲线运动时，受到的离当空气作曲线运动时，受到的离开曲率中心向外的力叫惯性离心开曲率中心向外的力叫惯性离心力。用力。用C C表示。表示。方向方向:与运与运动方向垂直，由曲率中心指向方向垂直，由曲率中心指向边缘 大小:C=2r=v2/r 惯性离心力和地转偏向力一样，只改变物体惯性离心力和地转偏向力一样，只改变物体运动的方向，不改变运动的速度。运动的方向，不改变运动的速度。（四）摩擦力（四）摩擦力 空气运动时，因气层与气层之间，气层与地面之空气运动时，因气层与气层之间，气层与地面之间的相互摩擦而使空气运动减弱。这种两个相互接触间的相互摩擦而使空气运动减弱。这种两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一种阻碍的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一种阻碍物体运动的力称为摩擦力。物体运动的力称为摩擦力。摩擦力摩擦力 内摩擦内摩擦力力：速度不同或方向不同的相互接触的两个空：速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流气层之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变。交换作用使气流速度发生改变。其数值很小，往往不予考虑。其数值很小，往往不予考虑。内摩擦力内摩擦力外摩擦力外摩擦力 V R1外摩擦力：R1=-k1v 与运动方向相反外摩擦力：外摩擦力：粗糙地面对空气运动的阻力。粗糙地面对空气运动的阻力。（四）摩擦力（四）摩擦力 随高度的增加，外摩擦力的作用逐渐减弱，以随高度的增加，外摩擦力的作用逐渐减弱，以近地面层（近地面层（30 50m）最为显著，到）最为显著，到距地面距地面1 2km以上以上作用很小，可忽略不计。所以此高度以下作用很小，可忽略不计。所以此高度以下的气层称为的气层称为摩擦层（或行星边际层）摩擦层（或行星边际层），此层以上称，此层以上称为为自由大气层自由大气层。二、自由大气中空气的水平运二、自由大气中空气的水平运动自由大气自由大气层高度高度为大于大于1.5km，此此层无需考无需考虑摩擦力摩擦力若若等等压线为平直等平直等压线-地地转风等等压线为闭合等合等压线-梯度梯度风大气水平运大气水平运动各力关系各力关系不考虑地转偏向力，不考虑摩擦力。hpa10041006100810101012只考虑水平气压梯度力；V二、自由大气中空气的水平运二、自由大气中空气的水平运动（一）地（一）地转风考考虑水平气水平气压梯度力和地梯度力和地转偏向力，偏向力，不考不考虑摩擦力摩擦力 hpa10041006100810101012水平气压梯度力地转偏向力地地转风Gn=An二、自由大气中空气的水平运二、自由大气中空气的水平运动（一）地（一）地转风 当当在自由大气中，空气作在自由大气中，空气作直线运动时，只直线运动时，只考虑考虑G Gn n和和A An n 。定义：在定义：在自由大气中，平直等压线情况下，自由大气中，平直等压线情况下，运动运动 的的空气在空气在GnGn和和AnAn达到平衡时，沿达到平衡时，沿等压线所等压线所 作