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1、第四章第四章 大气的运动大气的运动王锡平河北师范大学地球大气时时刻刻都在运动地球大气时时刻刻都在运动水平运动（风）水平运动（风）垂直（对流运动）空气的运动空气运动的原因：大气压力分布的不均匀（气压梯度力）空气运动的原因：大气压力分布的不均匀（气压梯度力）n 热量和水分的传输和交换n 不同空气相互接近、相互作用n 影响天气、气候的形成和演变第一节第一节 气压随高度和时气压随高度和时间的变化间的变化一、气压随高度的变化一、气压随高度的变化l气压气压（大气压力） 静止大气中任意高度上的气压值 单位面积上大气柱的重量单位面积上大气柱的重量: 从观测高度到大气上从观测高度到大气上界单位截面积垂直空气柱的
2、重量界单位截面积垂直空气柱的重量。l固定地点气压变化的原因固定地点气压变化的原因 空气柱质量空气柱质量产生变化 空气柱厚度? 密度? 任何地方的气压值总是随任何地方的气压值总是随任何地方的气压值总是随任何地方的气压值总是随海拔高度的增高而递减海拔高度的增高而递减海拔高度的增高而递减海拔高度的增高而递减不同高度上相同高度变化，不同高度上相同高度变化，不同高度上相同高度变化，不同高度上相同高度变化，引起的气压值变化不一样引起的气压值变化不一样引起的气压值变化不一样引起的气压值变化不一样大气低层气压随高度变化大；高层气压随高度变化小（）（一）静力学方程（一）静力学方程l作用：作用：描述空气密度大小与
3、气压随高度变化的定量关系假设 大气相对于地面处于静止状态气压随高度的增加而降低如果空气柱取得非常薄，则趋向无穷小大气静力学基本方程大气静力学方程的物理意义大气静力学方程的物理意义 两高度上的压力差应等于两高度两高度之间单位截面积上的空气柱所受的重力之间单位截面积上的空气柱所受的重力 气压随高度递减的速度与气压随高度递减的速度与空气密度空气密度和和重力加速度重力加速度有有关关。主要决定于空气密度主要决定于空气密度（重力加速度随高度变化很小）大气静力学基本方程的适用条件大气静力学基本方程的适用条件l推导静力学方程的前提条件是假定大气是静止的，理论方程。 除在有强烈的对流运动的地区外，一般条件下其误
4、差1。l当气层不太厚和要求精度不高时，静力学方程可以用来粗略地估算气压与高度间的定量关系估算气压与高度间的定量关系，或者用于将地面气压订正为海平面气压。气层高度变化范围很大，空气柱中上下层温度、密度变化显著，无法直接利用静力静力学方程学方程，需要采用适合较大气压随高度变化的关系式 压高方程压高方程压高方程压高方程。（二）（气）压高（度）方程（二）（气）压高（度）方程l引入目的引入目的 获得气压与高度的更精确对应关系。l实际应用实际应用：如海平面气压订正海平面气压订正，野外工作中的气压测高气压测高等，需要在较大的高度范围内较大的高度范围内进行压高计算进行压高计算 l方法方法 将静力学方程在气层积
5、分任意两个高度上的气压差等于这两个高度间的单位截面积空气柱的重量 因为（状态方程）通用的压高方程方程在使用中存在的问题方程在使用中存在的问题：g、R、T均随高度产生变化，积分困难气压气压 随随 高高 度度 的增加按的增加按 指指 数数 规规律递减律递减解决方法解决方法：根据实际情况做某些特定假设忽略重力加速度重力加速度的变化和水汽水汽的影响，假定气温不随气温不随高度发生变化高度发生变化，得到（温度不随高度的变化而变化的大气）等温大气等温大气等温大气等温大气压高公式：气层平均温度问题：实际大气并非等温大气问题：实际大气并非等温大气解决办法解决办法：将实际大气划分为许多薄层，每一薄层可以看作是等温
6、的，求出每一薄层的tm，然后分别计算各薄层的厚度，最后把各薄层的厚度求和便是实际大气的厚度。等温大气压高公式的用途等温大气压高公式的用途（1）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高度差。（气压测气压测高原理高原理）（2）根据某高度的气压值和气柱的平均温度，推算另一高度的气压值气压值气压值气压值（海平面气压订正海平面气压订正）（3）由不同高度上的气压，求两高度之间的气柱的平均温度平均温度平均温度平均温度。二、气压随时间的变化二、气压随时间的变化l气压：观测高度到大气上界单位截面积垂直空气柱的重量l空气柱的重量是其质量质量和重力加速度重力加速度的乘积l重力加速度通常近似看作
7、是定值 一个地方气压的变化决定于其上空气柱质量的变化（一）气压变化的原因（一）气压变化的原因空气柱质量变化的因子空气柱质量变化的因子l热力因子：指温度的升高或降低引起的体积膨胀或者收缩、密度的增大或减小; 会伴随气流辐合或辐散，造成质量的增多或减少。l动力因子：大气运动所引起的气柱质量的变化，可分为三种情况空气柱质量变化的动力原因空气柱质量变化的动力原因1 1、水平气流的辐合与辐散、水平气流的辐合与辐散辐合与辐散：由于空气运动速度的不均匀而导致空气质量在某些区域堆聚或流散的现象辐散：辐散：辐散：辐散：空气都背着同一条线或同一点散开，而且前面的空气速度快，后面的空气速度慢，显然这个区域的空气质点
8、会逐渐向周围流散，引起气压降气压降低低，这种现象称为水平气流辐散水平气流辐散 空气柱质量变化的动力原因空气柱质量变化的动力原因11 1、水平气流的辐合与辐散、水平气流的辐合与辐散辐合与辐散辐合与辐散辐合与辐散辐合与辐散：由于空气运动速度的不均匀而导致空气质量在某些区域堆聚或流散的现象辐合：辐合：辐合：辐合：空气向着同一点或同一条线集聚，而且前面空气质点运动速度慢，后面运动速度快，结果这个区域里空气质点会逐渐聚积起来，引起气压升气压升高高，这种现象称为水平气流辐合水平气流辐合 空气柱质量变化的动力原因空气柱质量变化的动力原因22 2、不同密度气团的移动、不同密度气团的移动不同密度的空气交替不同密
9、度的空气交替会引起气压变化。 性质不同的气团，密度往往不同。如果移到某地的气团比原来气团密度大，则该地上空空气柱中质量会增多，气压随之升高。反之该地气压就要降低。 冷空气冷空气温度低，密度大，造成流经之地气压明显上升 夏季时暖湿气流暖湿气流北上，引起流经之处密度减小，地面气压下降空气柱质量变化的动力原因空气柱质量变化的动力原因33 3、空气垂直运动、空气垂直运动当空气有垂直运动而空气柱内质量没有外流时，空气柱中总质量没有改变，地面气压不会发生变化。但空气柱中质量的空气柱中质量的上下传输，可造成上下传输，可造成空气柱中某空气柱中某一层次一层次空气质量改变，引起气空气质量改变，引起气压变化。压变化
10、。二、气压随时间的变化二、气压随时间的变化（二）气压的周期性变化（二）气压的周期性变化指在气压随时间变化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的和以年为周期的波动。1、 气压日变化气压日变化l气压的日变化有单峰、双峰和三峰等型式l双峰型最为普遍：一天有一个最高值，一个次高值，一个最低值，一个次低值。l气压的日变化与气温日变化有关，与潮汐有关气压的日变化与气温日变化有关，与潮汐有关l日较差随纬度升高而减小日较差随纬度升高而减小2、气压的年变化 气压的年变化是以年为周期的波动。可以分为以下三种类型： （1）大陆型：一年中气压最高值 出现在冬季，最低值出现在夏季，气压年变化值
11、很大，并由低纬向高纬逐渐增大。（2）海洋型：一年中气压最高值 出现在夏季，最低值出现在冬季，气压年较差小于同纬度的陆地。（3）高山型：一年中气压的最高值出现在夏季，最低值出现在冬季。大气压的高山型年变化（三）气压的非周期性变化（三）气压的非周期性变化 气压的非周期性变化是指气压的变化不存在固定周期的波动，它是气压系统移动和演变的结果。第二节第二节 气压场气压场气压的空间分布称为气压场气压场一、气压场的表示方法一、气压场的表示方法（一）等压线和等压面1、等高面图 等高面等高面等高面等高面是空间高度相等的（平）面。在等高面图上，各点气压值不同，通过分析等压线等压线了解空间气压气压分布情况。 等压线
12、等压线：同一等高面上各气压相等点的连线。等压线的形状和疏密程度反映着水平方向上气压的分布形势。等压面等压面等压面等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不平的曲面。 2、等压面图 等压面是曲面的原因：下垫面性质的差异、水平方向上温度分布和动力条件的不均匀，所以同一高度上各地的气压不一样(如 海平面)通常用等压面图上的等高线等高线等高线等高线来表示等压面附近的气压分布。一、气压场的表示方法一、气压场的表示方法（二）位势高度（重力位势）位势高度位势高度：将单位质量的空气从海平面（令其位势等于零）抬升到任一高度Z时，克服重力所作的功所作的功所作的功所
13、作的功，又称为重力位势，以J/kg为单位，简称为位势。 1位势米位势米: 1空气上升1米时，克服重力作了9.8J的功，也就是获得了9.8J/kg位势能(的高度差)，即：1位势米9.8J/kg位势米和几何米的换算公式位势高度重力加速度几何高度位势米是能量单位，几何米是长度单位什么情况下二者数值相等？什么情况下二者数值相等？二二、气气压压场场的的基基本本型型式式 1 1 1 1、低、低、低、低 气气气气 压压压压等压线闭合，气压自四周向中心递减，气流自四周逆时针向中心辐合的地区。低压又称为气旋气旋。2 2、低压槽、低压槽是低压向某一方向延伸的部分，低压槽中等压线曲率最大处各点连线称槽槽槽槽线线线线
14、，气气流流自自槽槽线线两两侧侧向向槽槽线线辐合辐合。低气压低气压 与与 低压槽低压槽 3 3 3 3、高、高、高、高 气气气气 压压压压等压线闭合，气压由中心向四周低，气流自中心向四周顺时针顺时针辐散辐散的地区，高压又称反气旋反气旋。4 4 4 4、高压脊、高压脊、高压脊、高压脊是高压在某一方向的延伸部分，高压脊中，等压线曲率最大处各点的连线称脊脊线线，气气流流自自脊脊线线向向两两侧侧辐散辐散。 高气压高气压 与与 高压脊高压脊5、鞍型场由两两相对排列的高、低压区组成的气压系统，其空间等压面形似马鞍，故得此名。鞍型场两高压区之间是气流的辐合地带。高空常见的气压系统高空气压系统比低空气压系统相对
15、简单多呈现沿纬向（即东西向）的平直或波状等高线，有时也有闭合系统如切断低压、阻塞高压 三、气压系统的空间结构三、气压系统的空间结构1 1、温压场对称的系统、温压场对称的系统温压场对称的系统指气压系统的高、低压中心与温度场的冷暖中心重合的系统。包括深厚系统和浅薄系统两类。（1 1 1 1）深厚系统）深厚系统）深厚系统）深厚系统有冷低压和暖高压两种系统。冷低压：低压中心与低温中心重合。其空间结构特征为：等压面坡度随高度的增高而增大，冷低压随高度逐渐增强 单位气压的高度差小于周围地区暖高压：高压中心与高温中心重合。其空间结构特征是：等压面坡度随高度的增高而增大，暖高压随高度逐渐增强 单位气压的高度差
16、大于周围地区（2 2 2 2）浅薄系统）浅薄系统）浅薄系统）浅薄系统有暖低压和冷高压两种系统。暖低压：低压中心与高温中心重合。暖低压的空间结构是：随高度的增高等压面坡度减小，低压中心下凹的程度越来越小，到某一高度以上，等压面反而隆起，暖低压随高度减弱，在一定高度以上消失，而出现暖高压冷冷高高压压：高压中心与低温中心重合，冷高压随高度减弱，在一定高度以上消失，出现冷低压主要存在于对流层的低空（二）温压场不对称系统（二）温压场不对称系统地面的高、低压中心与温度场的冷暖中心配置不相重合的系统。系统的中心轴线不铅直，而发生倾斜。地面低压中心轴线随地面低压中心轴线随高度升高不断向冷区倾斜，高压中心轴线随高度升高不断向高度升高不断向冷区倾斜，高压中心轴线随高度升高不断向暖区倾斜。暖区倾斜。北半球中高纬度的冷空气多从西北方向移来、因而低压中心轴线常常向西北方向倾斜；高压的西南侧比较暖和，高压中心轴线多向西南方向倾斜。
