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1、第四章第四章 自由大气中的平衡运动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，运动是度远小于水平速度，运动是准水平准水平的，并且的，并且对于中纬度大尺度运动而言，运动是准定常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的，在水平方向上作用于大气的力基本上相力基本上相平衡平衡。 讨论在一些力的平衡下的大气水平运动，讨论在一些力的平衡下的大气水平运动，即所谓大气即所谓大气平衡运动平衡运动。这些平衡运动有：地转。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风、梯度风、旋转
2、风等，这些平衡运动反映了大气运动的基本特征。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/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
3、准地转平衡状态，这是大尺度运动一个重要性质。 2、热成风、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？地转风可能随高度发生变化吗？地转风随高度的变化产生热成风。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：斜压矢量矢量力管项：力管项：正压流体
4、：正压流体：等压面平行于等容等压面平行于等容面，力管项为面，力管项为0斜压流体：斜压流体：等压面与等容面相等压面与等容面相交，力管项不为交，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；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：坐标： 地转风，P坐标：坐标： 取决于同一等压面上的位势梯度，即取决于同一等压面上的位势梯度，即等压面坡度。等压面坡度。等压面上温度分布均匀等压面上温
5、度分布均匀正压大气情形，密度仅仅和气压有关正压大气情形，密度仅仅和气压有关P+与与P-之间二个气柱重量之间二个气柱重量相同，密度相同相同，密度相同高度也相同高度也相同 P+与与P-平行平行两等压面没有坡度变两等压面没有坡度变化化地转风不随高度变化地转风不随高度变化热成风为热成风为0等压面上温度分布不均匀等压面上温度分布不均匀斜压大气情形，暖区密度减少，气柱斜压大气情形，暖区密度减少，气柱膨胀。膨胀。P+与与P-之间二个气柱重量相同，之间二个气柱重量相同，密度暖区小于冷区密度暖区小于冷区高度高度h1h2 P+与与P-不平行不平行两等压面有坡度变化两等压面有坡度变化- 地转风随高度变化地转风随高度
6、变化热成风存热成风存在在由此可见：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定义：热成风为垂直方向上两等压面上地转风的矢量差。地转风的矢量差。热成风定义热成风定义已知地转风：已知地转风：地转风随高度(地转风随气压坐标)的变化为： 热成风表达式推导：（1）进一步：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，线平行，北
7、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）。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：从以上讨论可见： 正压大气，等压面上温度分布均正压大气，等压面上温度分布均匀，热成风为匀，热成风为0，上下运动一致。，上下运动一致。 斜压大气，等压面上温度分布不斜压大气，等压面上温度分布不均匀，热成风不为均匀，热成风不为0，上下运动不一致。，上下运动不一致。例如： （1） 副热带高压： 从低层、到中层、直到高层，都表现为高压
8、（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：）高原的动力与热力作用例：夏季：夏季：冬季：冬季：（5）天气系统槽脊倾斜）天气系统槽脊倾斜二、地转偏差二、地转偏差(Geostrophic deviation)定义：定义：实际风与地转风的矢量之差实际风与地转风的矢量之差地转运动：
9、地转运动： 天气系统不变天气系统不变 由此可见，地转偏差是天气系统变化的重由此可见，地转偏差是天气系统变化的重要原因要原因 。物理意义：物理意义： 有地转偏差时，风可以穿越等压线运动，引起有地转偏差时，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。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。正比，和纬度的正弦成正比。1.地转偏差与动能制造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动能的制造有重要的作用。证明：12VVg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。
