海洋學 第六章.ppt

第六章大氣運動 大氣運動在地球環(huán)境的形成中有重要的作用 大尺度的空氣環(huán)流將熱量從能量盈余的低緯地區(qū)輸向能量虧損的高緯地區(qū) 氣流的運動還將水分充足地區(qū) 如海面和熱帶潮濕地區(qū)輸送到其他地區(qū) 盛行氣流是形成天氣和氣候的重要因素 大氣運動決定了生態(tài)環(huán)境的水熱條件 從而影響自然景觀 動植物群落乃至人類生活 大氣運動對海水運動有極大的影響 風能可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ撕脱罅髂?從而形成第二個全球性環(huán)流系統(tǒng) 海水運動不只影響了海洋和海岸地貌 而且也將熱量從低緯地區(qū)輸送到高緯地區(qū) 非常強烈的大氣運動 如臺風和龍卷風 會給地球環(huán)境帶來嚴重的破壞 Tothinkdeeply 1 自然界的大氣為什么會運動 2 大氣運動主要有幾種方式 3 大氣首先以哪種方式做運動 6 1大氣的成分及垂直分層 6 2大氣的水平與垂直運動 6 3大氣環(huán)流 6 4風 一 大氣成分 不可變氣體成分 易變氣體成分 主要指氮 氧 氬三種氣體 以水汽 二氧化碳和臭氧為主 6 1大氣的成分及垂直分層 6 1大氣的成分及垂直分層 一 大氣成分1 干潔大氣干潔空氣是指大氣中除去水汽 液體和固體微粒以外的整個混合氣體 簡稱干空氣 它的主要成分是氮 氧 氬 二氧化碳等 其容積含量占全部干潔空氣的99 99 以上 其余還有少量的氫 氖 氪 氙 臭氧等 2 水汽 水汽在大氣中含量很少 其變化范圍在0 4 之間 水汽絕大部分集中在低層2公里以下一半4公里以下3 410 12公里高度以下99 大氣中的水汽來源于下墊面 包括水面 潮濕物體表面 植物葉面的蒸發(fā) 水汽能強烈地吸收地表發(fā)出的長波輻射 也能放出長波輻射 水汽的蒸發(fā)和凝結(jié)又能吸收和放出潛熱 都直接影響到地面和空氣的溫度 影響到大氣的運動和變化 3 雜質(zhì)和微粒 雜質(zhì)是指來源于火山爆發(fā) 塵沙飛揚 物質(zhì)燃燒的顆粒 流星燃燒所產(chǎn)生的細小微粒和海水飛濺揚入大氣后而被蒸發(fā)的鹽粒 還有細菌 微生物 植物的孢子花粉等 它們多集中于大氣的底層 液體微粒 是指懸浮于大氣中的水滴 過冷水滴和冰晶等水汽凝結(jié)物 大氣中雜質(zhì) 微粒 聚集在一起 直接影響大氣的能見度 但它能充當水汽凝結(jié)的核心 加速大氣中成云致雨的過程 它能吸收部分太陽輻射 又能削弱太陽直接輻射和阻擋地面長波輻射 對地面和大氣的溫度變化產(chǎn)生了一定的影響 4 大氣污染物 隨著人類社會生產(chǎn)力的高度發(fā)展 各種污染物大量地進入地球大氣中 這就是人們所說的 大氣污染 其中影響范圍廣 對人類環(huán)境威脅較大的主要是煤粉塵 二氧化碳 一氧化碳 碳化氫 硫化氫和氨等 從污染物來源看 主要有燃料燃燒時從煙囪排出的廢氣與汽車排氣和工廠漏掉跑掉的毒氣 而煙囪與汽車廢氣約點總污染物的百分之七十之多 二 大氣的垂直分層按物理性質(zhì)大氣層上界 定為距地面1000km處1 對流層范圍只有整個大氣厚度的1 左右 集中了整個大氣質(zhì)量的3 4和幾乎全部的水汽與雜質(zhì) 低緯 17 18km 中緯 l0 12km 高緯 8 9km 就季節(jié)而言 同一地區(qū)夏季對流層的厚度大于冬季 云 霧 雨 雪 雷 電等天氣現(xiàn)象都出現(xiàn)在這一層中 特征a 氣溫隨高度的增加而降低 平均 0 65 100m氣溫隨高度增加而升高的氣層 稱為逆溫層 b 具有強烈的對流運動 c 溫度 濕度水平分布不均勻 大氣運動的不同特征 摩擦層厚度約為1 0 1 5km 風速隨高度的增加而增大 氣溫在很大程度上受下墊面冷熱的影響 自由大氣層摩擦作用可忽略 大氣運動的規(guī)律顯得比較簡單和清楚 2 平流層平流層位于對流層頂之上 約伸展到55km左右 下層 溫度隨高度不變或微有上升 20km以上 溫度隨高度的增加顯著升高 這是由于臭氧強烈吸收太陽輻射的結(jié)果這種溫度隨高度增加的逆溫現(xiàn)象使平流層大氣很穩(wěn)定 空氣以水平運動為主 呈現(xiàn)出明顯的成層結(jié)構(gòu) 故此層稱為平流層 3 中間層自平流層頂向上到大約85km的氣層稱為中間層 特點 氣溫隨高度的增加而迅速下降 到中間層頂溫度下降到180K 是大氣中最冷的部分 有相當強烈的垂直運動在80km高度上有一個只在白天出現(xiàn)的電離層 稱為D層 D層能夠反射無線電波 4 熱層從85 800km左右的氣層稱為熱層 亦稱熱成層 1 氣溫隨高度的增加而迅速升高 空氣處于高度電離狀態(tài) 故該層又稱為電離層 2 溫度日變化和季節(jié)變化很顯著 白天和夜間溫差可達幾百度5 散逸層又叫外層 它是大氣的最高層 高度最高可達到3000公里 這一層大氣的溫度也很高 空氣十分稀薄 受地球引力場的約束很弱 一些高速運動著的空氣分子可以掙脫地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空間中去 根據(jù)宇宙火箭探測資料表明 地球大氣圈之外 還有一層極其稀薄的電離氣體 其高度可伸延到22000公里的高空 稱之為地冕 地冕也就是地球大氣向宇宙空間的過渡區(qū)域 人們形象地把它比作是地球的 帽子 按特征分第一 按著大氣的化學成分來劃分 這種劃分是以距海平面90公里的高度為界限的 均質(zhì)層非均質(zhì)層 第二 是按著大氣被電離的狀態(tài)來劃分 可分為非電離層和電離層 在海平面以上60公里以內(nèi)的大氣 叫非電離層 在60公里以上至1000公里的高度 這一層大氣在太陽紫外線的作用下 大氣成分開始電離 形成大量的正 負離子和自由電子 所以這一層叫做電離層 這一層對于無線電波的傳播有著重要的作用 一 氣壓和風 大氣運動包括垂直運動與水平運動 以垂直運動為主的空氣運動 稱為上曳氣流或下曳氣流 空氣在水平方向的流動稱為風 氣壓的水平分布不均勻是風的起因 6 2大氣的水平與垂直運動 風在單位時間里移動的距離稱為風速 單位是米 秒或者公里 小時 移來的方向稱為風向 1805年英國人蒲福 FrincisBeanfort 根據(jù)我國唐代天文學家李淳風撰寫的 乙巳占 把風力定為13個等級 最小0級 最大為12級 0級風風速為0 0 0 2米 秒 稱為無風 唐朝詩人王維 使至塞上 詩句 大漠孤煙直 長河落日圓 描寫的就是0級風景象 1級風風速是0 3 1 5米 秒 稱為軟風 每級風風速包含的數(shù)字范圍自下而上逐漸增大 如3級風風速為3 4 5 4米 秒 稱為微風 上下相差2 0米 秒 4級風風速為5 5 7 9米 秒 稱為和風 上下相差2 4米 秒 蒲福創(chuàng)立的風級 具有科學 精確 通俗 適用等特點 已為各國氣象界及整個科學界認可并采用 蒲福之后 蒲福風力等級 幾經(jīng)修訂補充 現(xiàn)已擴展為18個等級 如12級風 即現(xiàn)在所說的達到臺風標準的風 風速是32 7 36 9米 秒 海面浪高一般為14 0米 征象是 海浪滔天 陸上極少 其摧毀力極大 13級以上的風 浪高及海陸征象就很難表達了 最高一級 17級風的風速是56 1 61 2米 秒 17級以上的風速 極為罕見 但也絕非未出現(xiàn)過 只是現(xiàn)在還沒有制訂出衡量它們級別的標準 風向指的是風的來向 風力指的是風的強弱 風向風力符號解 電視天氣預報圖中一般用帶尾羽的箭頭來表示風向風力 尾羽的數(shù)目和形狀表示風力 如 根尾羽表示 級風 跟尾羽表示 級風 尾羽呈三角旗狀 則表示風力為 級或 級以上 風力最多12級 風桿 風尾 每一道尾羽代表風力2級 風桿與風尾一起指示風向 表示風力8級或8級以上 西北風6級 東南風7級 請判斷出符號所代表的風向風力 北風 4級 東風 6級 南風 2級 西風 5級 東北風 8級 東南風 10級 西南風 12級 你喜歡什么樣的空氣 A B 風玫瑰 圖也叫風向頻率玫瑰圖 它是根據(jù)某一地區(qū)多年平均統(tǒng)計的各個方風向和風速的百分數(shù)值 并按一定比例繪制 一般多用八個或十六個羅盤方位表示 如圖 由于該圖的形狀形似玫瑰花朵 故名 風玫瑰 玫瑰圖上所表示風的吹向 即風的來向 是指從外面吹向地區(qū)中心的方向 一 氣壓大氣是有重量的 它施加于地面的壓力稱為氣壓 氣壓的單位以毫米水銀柱高 mm 或毫巴 mb 表示 單位面積上承受大氣柱的重量是產(chǎn)生氣壓的原因 隨著海拔高度的上升 大氣柱的重量減少 所以氣壓隨高度升高而降低 氣壓隨高度變化的實際情況與氣溫和氣壓條件有關 1 在氣壓相同的條件下 氣柱溫度愈高 單位氣壓高度差愈大 氣壓垂直梯度愈小 因此 當空氣受熱狀況有差異時 暖區(qū)的氣壓垂直梯度比冷區(qū)小 2 在相同氣溫下 氣壓愈高 單位氣壓高度差愈小 氣壓垂直梯度愈大 因此 在地面的高氣壓區(qū) 氣壓隨海拔高度上升很快降低 上空往往出現(xiàn)高空低壓 基于這兩點 在地面受熱較強的暖區(qū) 地面氣壓常比周圍低 而高空氣壓往往比同一海拔高度的鄰區(qū)高 在地面熱量損失較多的冷區(qū) 地面氣壓常比周圍高 而高空氣壓往往比周圍低 由于熱力和動力的原因 在同一水平面上氣壓的分布是不均勻的 高氣壓 低氣壓 地面 熱 地面冷熱不均形成的空氣環(huán)流 叫熱力環(huán)流熱力環(huán)流 是大氣運動的最基本形式 二 空氣的水平運動 風 氣壓的水平分布不均勻產(chǎn)生氣壓梯度力 從而引起空氣運動 空氣一旦開始運動就立即會受到地轉(zhuǎn)偏向力 慣性離心力和摩擦力的影響 1 水平氣壓梯度力 風的產(chǎn)生首先是由于存在著水平氣壓梯度力 由于氣壓在空間分布不均 便產(chǎn)生一個從高壓指向低壓的力 這就是氣壓梯度力 水平氣壓梯度力雖然很小 但沒有受到任何力的抵消 在長時間里會使空氣運動產(chǎn)生加速度 這種加速度可以用全球水平氣壓的平均梯度 G 1mb 100km 求出 水平面上存在著氣壓梯度 就產(chǎn)生了促使大氣由高壓區(qū)流向低壓區(qū)的力 叫水平氣壓梯度力 1 水平氣壓梯度力 a 垂直于等壓線 b 由高壓指向低壓 2 地轉(zhuǎn)偏向力地球自轉(zhuǎn)的角速度分為垂直和水平兩個方向的分量 水平方向分量對地球上任何作水平運動的物體產(chǎn)生一個與其運動方向相垂直的作用力 這就是地轉(zhuǎn)偏向力F 它的大小為F 2mvwsinj式中 m為運動物體質(zhì)量 v為物體水平運動速度 w為地球自轉(zhuǎn)角速度 為0 000073弧度 秒 j為地理緯度 百帕 100010051010 水平氣壓梯度力 地轉(zhuǎn)偏向力 北半球 a 北半球向右偏 南半球向左偏 b 垂直于空氣的運動方向 即風向 c 由低緯向高緯增大 當空氣在氣壓梯度力作用下運動時 地轉(zhuǎn)偏向力使氣流產(chǎn)生偏向 在北半球 氣流偏向運動方向的右方 在南半球 氣流偏向左方 作用于相同質(zhì)量和速度但在不同地點運動的物體的地轉(zhuǎn)偏向力的大小是不同的 在赤道為零 隨緯度的增高偏向力加大 在兩極達最大值 38 在氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力共同作用下的風 北半球高空 百帕 10001005101010151020 氣壓梯度力 地轉(zhuǎn)偏向力 風向 氣壓梯度力 地轉(zhuǎn)偏向力 風向 3 摩擦力水平氣壓梯度力使空氣運動產(chǎn)生加速度 但風速加大總是有限度的 因為處于運動狀態(tài)不同的氣層之間 空氣和地面之間都會相互發(fā)生作用 對氣流運動產(chǎn)生阻力 氣層之間產(chǎn)生的阻力 稱為內(nèi)摩擦力 地面對氣流運動產(chǎn)生的阻力 叫外摩擦力 摩擦力總是和運動的方向相反 摩擦力的存在限制了風速的加大 地轉(zhuǎn)偏向力 地面摩擦力 與空氣運動方向相反 請依據(jù)圖中風向 畫出空氣運動時的受力情況 水平氣壓梯度力 水平氣壓梯度力 地轉(zhuǎn)偏向力 使風向垂直于等壓線 使北半球風向右偏 南半球風向左偏 地面摩擦力 大氣作水平運動所受作用力 二力平衡 風向平行于等壓線 三種力共同作用下 風向斜穿等壓線 與空氣的運動方向相反 空氣產(chǎn)生水平運動的原動力 總結(jié) 1 以上三種力對氣流運動的意義并不是等同的 在一定條件下 可以忽略某些力的作用 例如 在高空自由大氣中 摩擦力可以忽略不計 起作用的主要是氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力 當這兩種力平衡時 就形成地轉(zhuǎn)風 高空風近似于地轉(zhuǎn)風 它的方向與等壓線平行 背風而立 在北半球是高壓在右 低壓在左 在南半球是高壓在左 低壓在右 即風壓定律 在近地面氣層中 必須考慮摩擦力對空氣運動的作用 摩擦力降低了風速 削弱了地轉(zhuǎn)偏向力的作用 使風向與等壓線出現(xiàn)一定交角 2 以上三種力的作用使氣流運動具有一定的方向和速度 風可以用風向和風速來描述 風向指氣流的來向 它表明風的性質(zhì) 對天氣有直接影響 例如 在北半球 北風表示氣流從北方來 會引起氣溫降低 南風表示氣流從南方來 會導致天氣轉(zhuǎn)暖 根據(jù)風速的大小 可將風力劃分為12級 有些國家增為17級 從風力征象 可估算出相應的風級 從天氣預報中的風力等級 也可以知道風力征象 二 空氣的垂直運動1 垂直運動的成因和類型大氣氣團受力 重力 浮力重力 浮力 靜力平衡重力 浮力 產(chǎn)生垂直運動 1 對流運動熱力對流 下墊面局部受熱不均勻引起的對流動力對流 因地形強迫抬升 或鋒面抬升以及系統(tǒng)性輻合上升運動引起的對流 2 系統(tǒng)性垂直運動 風速相等 但風向不同 風向某一地區(qū)匯合 將造成該地區(qū)空氣質(zhì)量堆積 水平輻合風向從某一地區(qū)向外疏散 使該地區(qū)空氣質(zhì)量疏散 水平輻散 風向相同 但風速不等在同一方向上 若前面的風速小于后面的風速 則會在該區(qū)域出現(xiàn)空氣質(zhì)量堆積 水平輻合 反之 為水平輻散 低層水平輻合必然伴隨有上升運動 低層水平輻散必然伴隨有下沉運動 2 垂直運動過程中空氣性質(zhì)與狀態(tài)的變化 1 干空氣的絕熱變化干絕熱直減率 干空氣在絕熱升降過程中 每上升 或下沉 100m溫度降低 或升高 的度數(shù) 2 濕空氣的絕熱變化未飽和濕空氣絕熱上升到飽和狀態(tài)的高度 稱為凝結(jié)高度 凝結(jié)高度以下 按干絕熱直減率變化凝結(jié)高度以上 水汽凝結(jié) 釋放凝結(jié)潛熱 溫度隨高度降低的速率要比干絕熱直減率小 按濕絕熱直減率變化 100m或0 6 100m 四 大氣的穩(wěn)定度穩(wěn)定 氣塊移動后 大氣層結(jié)使它減速 并有返回原來位置的趨勢不穩(wěn)定 氣塊移動后 大氣層結(jié)使它加速 并有遠離原來位置的趨勢中性 氣塊移動后 大氣層結(jié)后既不使它加速也不使它減速鑒別方法 氣塊法氣塊A 穩(wěn)定 氣塊B 中性 氣塊C 不穩(wěn)定 五 大氣中的逆溫逆溫層好像一個蓋子 阻擋水汽和塵埃等向上傳送 近地面有逆溫時 易產(chǎn)生霧 毛毛雨或低云等天氣 當逆溫出現(xiàn)在空中某高度時 抬升運動引起的上升氣流很難突破它 而在其下形成層狀云 問1 日本的 汽球炸彈 怎么飛到了美國 問2 為什么在20 25 處沙漠的面積廣大 魯卜哈利沙漠內(nèi)夫得沙漠 塔爾沙漠 納米布沙漠 澳大利亞西部大沙漠 阿塔卡馬沙漠 撒哈拉沙漠 問題3 南極上空怎么會有人類釋放的破壞臭氧的物質(zhì) 1 大氣環(huán)流的概念 全球性的有規(guī)律的大氣運動 2 作用 促進高低緯度間 海陸間的熱量和水汽交換 促進了地球上的水量平衡和熱量平衡 探究問題 地球的大氣到底是怎樣有規(guī)律的運動的 二 大氣環(huán)流 BAC 等壓線 假設1 地球不自轉(zhuǎn)2 地表性質(zhì)均一3 太陽直射赤道 不移動 思考 地球表面什么地方受熱較多 地球表面什么地方受熱較少 動手 請大家做出這種情況下形成的環(huán)流圈 高低緯間熱量差異 單圈環(huán)流 總結(jié) 冷熱不均產(chǎn)生了赤道低壓帶和極地高壓帶 故成因為熱力因素所致 理想狀態(tài)下的地球表面的 單圈環(huán)流 2 地表性質(zhì)均一3 太陽直射赤道 不移動 1 地球不自轉(zhuǎn) 假設 地球自轉(zhuǎn) 有地轉(zhuǎn)偏向力的影響 副熱帶高壓帶 副熱帶高壓帶 副熱帶高壓帶 副極地低壓帶 三圈環(huán)流 思考 副熱帶高氣壓帶和副極地低氣壓帶是否為熱力因素所致 副熱帶高壓帶 副極地低壓帶 副熱帶高壓帶 副極地低壓帶 赤道低壓帶 副熱帶高壓帶 副熱帶高壓帶 副極地低壓帶 副極地低壓帶 極地高壓帶 極地高壓帶 東 南 信 風 盛 行 西 風 極地東風 地球上的氣壓帶 7個 和風帶 6個 假設1 地球表面性質(zhì)均一2 太陽直射赤道 不移動 赤道 南極圈 南回歸線 北回歸線 北極圈 太陽位置 低壓帶 高壓帶 春分日秋分日 夏至日 冬至日 假設1 地球表面性質(zhì)均一 2 太陽直射赤道 不移動 A B C 氣壓帶和風帶 課后思考 如果把 地球表面性質(zhì)均一 這個假設否定掉 我們地球表面的大氣應該是一種什么狀況 1 在地球上氣壓帶和風帶的分布圖中 有兩股冷暖性質(zhì)不同的氣流相遇的地帶 它出現(xiàn)在 A 赤道附近B 南北緯30 附近C 南北緯60 附近D 極地附近 2 在南北緯30 附近形成副熱帶高氣壓帶的原因是 A 空氣在這一帶大量收縮下沉B 近地面氣壓較低 使高空空氣下沉補充C 由赤道上空流來的空氣在南北緯30 附近上空聚積產(chǎn)生下沉氣流D 空氣受熱膨脹 產(chǎn)生上升氣流 c c 鞏固練習 4 形成三圈環(huán)流的因素有 A 太陽輻射對各緯度加熱的不均勻B 地球自轉(zhuǎn)偏向力C 海陸熱力性質(zhì)差異D 氣壓帶 風帶的季節(jié)移動 5 我國南極中山站的五星紅旗常年是 A 向東飄揚B 向西北飄揚C 向南飄揚D 向東南飄揚 AB B 3 關于大氣環(huán)流的敘述正確的是 A 三圈環(huán)流的近地面除中緯度是西風外 高緯和低緯都是東風 B 副熱帶下沉氣流和副極地上升氣流都是熱力作用形成的 C 三圈環(huán)流包括低緯環(huán)流 高緯環(huán)流和季風環(huán)流 A 季風 一 季風的概念 大范圍地區(qū)盛行風向和氣壓系統(tǒng)明顯的季節(jié)變化 并且天氣 氣候也隨之發(fā)生明顯的變化 存在冬 夏風向的季節(jié)性反轉(zhuǎn)和干 濕期的季節(jié)性交替 大范圍地區(qū)盛行風向明顯的季節(jié)變化 定義 特點 盛行風向隨著季節(jié)變化而有很大差異 甚至接近相反 兩種季風各有不同的源地 其氣團的性質(zhì)有根本的不同 能給天氣現(xiàn)象造成明顯不同的季節(jié)性差異 類型 赤道季風 熱帶季風 東亞季風 副熱帶季風 溫帶季風 赤道季風 地理位置 赤道非洲 印度南部 斯里蘭卡 印度尼西亞 馬來西亞一帶 緯度很低 接近赤道 氣候特點 有明顯的雨季和旱季 全年炎熱 熱帶季風 地理位置 南亞和東南亞 北回歸線以南 氣候特點 有明顯的雨季和旱季 冬夏已有明顯的溫度差別 但不大 夏季受來自南半球的西南季風的直接影響 東亞季風 副熱帶季風區(qū)和溫帶季風區(qū) 地理位置 亞洲南部 氣候特點 冬夏溫度差異明顯 最冷月和最熱月平均溫差至少20度以上 有明顯的雨季 雨季主要是由于東南季風和冬季風相互作用造成的 副熱帶季風區(qū) 雨季主要在初夏和秋季 即夏季風在進退過程中前沿經(jīng)過該區(qū)域 最冷月平均氣溫在2 10 氣溫年較差為20 28 年降水量約大于800mm 溫帶季風區(qū) 雨季主要在盛夏 即夏季風的鼎盛時期 溫度比副熱帶季風區(qū)更低 年較差更大 年降水量少于800mm 中國的季風分布狀況 熱帶季風區(qū) 東區(qū) 兩廣 江西南部 福建 西區(qū) 西藏南部 云南 副熱帶季風區(qū) 東區(qū) 湖南 北 安徽 江蘇 上海 浙江 西區(qū) 青海南部 四川大部 陜南 甘肅南部 溫帶季風區(qū) 甘肅中西部地區(qū) 陜西中部和北部 東北三省 內(nèi)蒙東部 華北 印度季風與中國東部季風的差異 印度冬季風弱于夏季風 中國東部季風區(qū)則相反 印度降水集中在夏季風最強的季節(jié) 中國東部季風區(qū)降水集中在夏季風最盛之前 二 東亞季風 成因 海陸冬夏熱力差異 主要成因 青藏高原的影響 陸地 相對于海洋 冬季溫度低冷高壓夏季溫度高熱低壓 二 南亞季風 成因 行星風帶的季節(jié)性移動 三 局地環(huán)流1 定義 行星風系 季風風系都是在大范圍氣壓場控制下的大氣環(huán)流 由于局部環(huán)境影響 如地形起伏 地表受熱不均等等引起的小范圍氣流 稱局地環(huán)流 局地環(huán)流雖然不能改變大范圍氣流的總趨勢 但對小范圍的氣候卻有很大的影響 2 主要類型 1