第四章2第三節(jié)大氣的水平運動與垂直運動

1、第四章大氣的運動第四章大氣的運動 第一節(jié)第一節(jié) 大氣壓變化大氣壓變化 第二節(jié)氣壓場第二節(jié)氣壓場第三節(jié)大氣的水平運動和垂直運動第三節(jié)大氣的水平運動和垂直運動第四節(jié)大氣環(huán)流第四節(jié)大氣環(huán)流王錫平河北師范大學資源與環(huán)境科學學院大氣的水平運動通常稱為風。大氣的水平運動通常稱為風。風對于大氣中水分、熱量的傳輸，對天氣、風對于大氣中水分、熱量的傳輸，對天氣、氣候的形成、演變起著重要作用。氣候的形成、演變起著重要作用。空氣的水平運動是在力的作用下產(chǎn)生的?？諝獾乃竭\動是在力的作用下產(chǎn)生的。一、作用于空氣的力一、作用于空氣的力由于氣壓分布不均而產(chǎn)生的由于氣壓分布不均而產(chǎn)生的； 由于地球自轉而產(chǎn)生的地轉偏向力；由

2、于地球自轉而產(chǎn)生的地轉偏向力； 由于空氣層之間、空氣與地面之間存在著相對運動而產(chǎn)由于空氣層之間、空氣與地面之間存在著相對運動而產(chǎn)生的生的；1.由于空氣作曲線運動所產(chǎn)生的由于空氣作曲線運動所產(chǎn)生的等。等。這些力之間的不同組合構成了不同形式的大氣水平運動。 (一一)氣壓梯度力氣壓梯度力氣壓梯度氣壓梯度是一個向量，它的方向是沿垂直于等壓面的方向由高壓指向低壓，其大小為這個方向上單位距離內氣壓的改變量: -P/N N為兩等壓面間的垂直距離， P為相應的氣壓差， 因為N是從高壓指向低壓，即沿N方向上氣壓值總是降低的，所以前加一負號. 可以分解為水平氣壓梯度-和垂直氣壓梯度-兩個分量。水平氣壓梯度水平氣壓

3、梯度的單位通常用hpa赤道度表示(1赤道度是赤道上經(jīng)度相差一度的緯圈長度，其值約為111公里)。水平氣壓梯度值一般為水平氣壓梯度值一般為13 hpa 赤道度赤道度垂直氣壓梯度在大氣低層可達垂直氣壓梯度在大氣低層可達1 hpa 10米左右，即相當米左右，即相當于水平氣壓梯度的一百萬倍。（等壓面近似水平）于水平氣壓梯度的一百萬倍。（等壓面近似水平）因而氣壓梯度的方向幾乎與垂直氣壓梯度方向一致，因而氣壓梯度的方向幾乎與垂直氣壓梯度方向一致，垂直垂直氣壓梯度力分量大得多，但是卻與重力Gz 始終處于平衡狀態(tài)。水平水平氣壓梯度力雖小，在一定條件下能造成較大的空氣水平運動只有當兩個高度相差甚大的水平氣壓梯度

4、力相比較時，的差異才需要考慮。實際大氣中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是：= 1.310 -3 g / cm3 ；P/ n=1h Pa/赤道度，則Gn=10-4N/kg，持續(xù)三個小時，可使風速由零增大到7.6m/s-4-5級風。(二二)地轉偏向力地轉偏向力 空氣是在轉動著的地球上運動著, 當運動的空氣質點依其慣性順著水平氣壓梯度力的方向運動時，對于站在地球表面的觀察者看來，空氣質點好像好像還受到由于地球轉動而由于地球轉動而產(chǎn)生的，使空氣偏離氣壓梯度力方向的力的作用產(chǎn)生的，使空氣偏離氣壓梯度力方向的力的作用，這種力稱為。在大尺度的空氣運動中，地轉偏向力是一個非常重要的力。 假設一小球向外運動，圓盤逆時針運動：假

5、設一小球向外運動，圓盤逆時針運動：弧的長度弧的長度S=AA1=OA （AOA1）；）； OA=V t，AOA= t代入代入 則則 S=V t2根據(jù)加速度公式根據(jù)加速度公式 S= a t2 因而因而at2=V t2 小球獲得的加速度：小球獲得的加速度： a=2V 對單位質量來說，偏向力對單位質量來說，偏向力: 角速度角速度 、小球運動速度V。垂直于轉動軸，也垂直于相對速度，指向V的右側（圓盤逆時針轉）。 A=2V 在地球上，在地球上，假設為觀察點的赤緯角，則有：為觀察點的赤緯角，則有： A=2Vsin 地球上在南半球南半球，由于地平面繞垂直軸按順時針方向轉動，因此，地轉偏向力指向運動物體的左方，

6、其大小與北半球同緯度上的地轉偏向力相等。 1、地轉偏向力只是在物體相對于地面有運動時才產(chǎn)生，地轉偏向力只是在物體相對于地面有運動時才產(chǎn)生，物體物體處于靜止狀態(tài)時，不受地轉偏向力的作用處于靜止狀態(tài)時，不受地轉偏向力的作用。 2、在、在北半球北半球地轉偏向力垂直指向物體運動方向的地轉偏向力垂直指向物體運動方向的右方右方，使物，使物體向原來運動方向的右方偏轉，在南半球，則相反。體向原來運動方向的右方偏轉，在南半球，則相反。 3、地轉偏向力是一個視力和假想力，它垂直于空氣運動方向，、地轉偏向力是一個視力和假想力，它垂直于空氣運動方向，只改變運動方向只改變運動方向，不改變空氣相對于地球的運動速度。，不改

7、變空氣相對于地球的運動速度。 4、水平地轉偏向力的大小同風速和所在、水平地轉偏向力的大小同風速和所在緯度的正弦成正比緯度的正弦成正比。在風速相同的情況下，它在風速相同的情況下，它隨緯度的減小而減小，到赤道上減隨緯度的減小而減小，到赤道上減為零；在兩極最大，等于為零；在兩極最大，等于2V 慣性離心力是物體在作曲線運動時所產(chǎn)生的，由運動軌跡的曲率中心沿曲率半徑向外作用在物體上的力。這個力是物體為保持沿慣性方向運動而產(chǎn)生的，因而稱慣性離心力。慣性離心力方向同運動方向相垂直，自曲率中心指向外緣。慣性離心力的大小同物體轉動的角速度的平方和曲率半徑r的乘積成正比。對單位質量物體，有公式：實際上，空氣運動路

8、徑的曲率半徑一般都很大，從幾十千米到上千千米，因而空氣運動時所受到的慣性離心力一般比較小，往往小于地轉偏向力。但。慣性離心力和地轉偏向力一樣只改變物體運動的方向，不改變運動的速度。 (四四) 摩擦力摩擦力 兩個相互接觸的物體作相對運動時，接觸面之間所產(chǎn)生的一種阻礙物體運動的力，稱為摩擦力。大氣運動中所受到的摩擦力，一般分為和兩種。 外摩擦力外摩擦力是空氣貼近下墊面運動時，下墊面對空氣運動的阻力. 方向與空氣運動的方向相反，大小與空氣運動的速度和摩擦系數(shù)(與下墊面的粗糙程度有關)成正比，其公式為： R=-kV 式中R為摩擦力，k為摩擦系數(shù)，V為風速。 內摩擦力與外摩擦力的向量和稱為總摩擦力總摩擦

9、力。 內摩擦力內摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接觸的是在速度不同或方向不同的相互接觸的兩個空氣層之間產(chǎn)生兩個空氣層之間產(chǎn)生的一種相互牽制的力的一種相互牽制的力，它主要通過湍流交換作用使氣流速度發(fā)生改變，它主要通過湍流交換作用使氣流速度發(fā)生改變，也稱也稱湍流摩擦力湍流摩擦力。其數(shù)值很小，往往不予考慮其數(shù)值很小，往往不予考慮。摩擦力的大小不同高度是不同的摩擦力的大小不同高度是不同的以近地面層（地面至以近地面層（地面至3050m）最為顯著，）最為顯著，高度愈高，作用愈弱，高度愈高，作用愈弱，到到12km以上，摩擦力的影響可以忽略不計。以上，摩擦力的影響可以忽略不計。把此高度以下的氣層稱為把此高度

10、以下的氣層稱為此層以上稱為此層以上稱為自自由大氣層由大氣層。 ( (五五) )大氣運動方程大氣運動方程 大氣運動方程是表示作用于空氣微團上的力與其所產(chǎn)生的加速度之間關系的方程。根據(jù)牛頓第二定律，物體所受的力等于質量和加速度的乘積，即F=ma。F為所受的力，是各個作用力的總和。單位質量空氣運動方程的一般形式為： 式中G為氣壓梯度力，為A地轉偏向力，為R摩擦力，g為重力。gRAGdtVd將將G、A、R、g值代入上式，則簡化后的運動方程值代入上式，則簡化后的運動方程為：為： zxyRgZPdtdWRvXPdtdVRuYPdtdU1sin21sin21研究自由大氣運動時被廣泛應用的-大氣運動方程式大氣

11、運動方程式。 第三式是靜力平衡方程（若加速度靜力平衡方程（若加速度=0）。二、二、中的空氣水平運動中的空氣水平運動 在在自由大氣自由大氣中除赤道附近地區(qū)外，大尺度運動系統(tǒng)里中除赤道附近地區(qū)外，大尺度運動系統(tǒng)里的風，大體風向都是沿著等位勢高線的風，大體風向都是沿著等位勢高線(簡稱等高線簡稱等高線) ，不論，不論等高線是直線還是曲線。等高線是直線還是曲線。在北半球，觀測者背風而立時，高壓區(qū)總位于其右方，低壓在北半球，觀測者背風而立時，高壓區(qū)總位于其右方，低壓區(qū)總位于其左方（風壓定律區(qū)總位于其左方（風壓定律），這些現(xiàn)象表現(xiàn)出自由大氣），這些現(xiàn)象表現(xiàn)出自由大氣運動的共同特征。運動的共同特征。觀測表明，

12、自由大氣中大尺度空氣水平運動近似于觀測表明，自由大氣中大尺度空氣水平運動近似于穩(wěn)定、水平運動穩(wěn)定、水平運動。表明空氣運。表明空氣運動是在氣壓梯度力和地轉偏向力（曲線運動時，還有慣性離心力）作用下運動是在氣壓梯度力和地轉偏向力（曲線運動時，還有慣性離心力）作用下運動著的。動著的。(一一)地轉風地轉風 地轉風地轉風-自由大氣中空氣作等速、直線的水平自由大氣中空氣作等速、直線的水平運動（受力運動（受力=0）。）。 空氣開始運動后，地轉偏向力立即產(chǎn)生，并迫使運動的氣流向右偏離(北半球)，南反之。 所以，地轉風的方向平行于等壓線，高壓在其右側(北半球)。根據(jù)運動方程可推出，地轉風的運動方程式為： sin

13、V2XP10sinU2YP10 各方向地轉風風速分量：地轉風風速分量： 地轉風公式地轉風公式-它指出：在緯度一定時，地轉風風速(Vg)與氣大小成正比。等壓線疏-密程度。當氣壓梯度、緯度相同時，地轉風速與成反比(空氣密度大的區(qū)域風速??；在空氣密度小的區(qū)域風速大)在氣壓梯度、密度相同時，地轉風速與成反比。低緯度地轉風速度大于高緯度。低緯度的氣壓梯度通常很小，地轉風速實際上也很小。在赤道附近，由在赤道附近，由于地轉偏向力過小，無法與氣壓梯度力相平衡，地轉風也就不存在了于地轉偏向力過小，無法與氣壓梯度力相平衡，地轉風也就不存在了。1.地球上不同緯度的地轉風速不一樣XPsin211VgYPsin211U

14、gnP1 利用靜力學方程(dP=-gdZ)，將水平氣壓梯度力用高度梯度表示-消除了的影響即： Gn= Vg= 地轉風與成正比，與緯度正弦成反比。 -氣壓梯度nZgnP1nHsin8.9地轉風方向與水平氣壓梯度力的方向垂直，即平行于等壓線。因而，若背風而立，在北半球高壓在其右方，在南半球，高壓在其左方，稱風壓律稱風壓律。表44 說明，地轉風速隨緯度增高而減小。但實際觀測到的地轉風速卻是高緯度地區(qū)大于低緯度地區(qū)。這是由于高緯度的氣壓梯度值遠遠大于低緯度的緣故。(二二)梯度風梯度風 當空氣質點作曲線運動時，除了受氣壓梯度力和地轉偏向力的作用外，還受慣性離心力慣性離心力的作用，當這三個力達到平衡時的風

15、，就稱為。（1）低壓時：氣壓梯度指向內，慣性離心力和地轉偏向力之向外，有： （2）高壓時：氣壓梯度和慣性離心力指向外，地轉偏向力之向內，有： nPrrrVc2)sin(sin nPrrrVc2)sin(sin （1）低壓時 nPrrrVc2)sin(sinnPrrrVc2)sin(sin（2）高壓時在一定緯度帶，當氣壓梯度力相等時，低壓梯度風風速小于地轉風速，高壓梯度風風速大于地轉風速。-高緯度在北半球：在北半球：南半球則相反。南半球則相反。 在低緯度地區(qū)或小尺度低壓中，如果氣壓梯度力及慣性離心力都很大，(地轉偏向力小到可以忽略)，出現(xiàn): 水平氣壓梯度力與慣性離心力相平衡時的運動： 由于這種風

16、已不再考慮地轉偏向力 的影響，因而其風向既可按順時針方向吹，又可按逆時針方向吹。龍卷風就具有旋衡風的性質。梯度風與地轉風, 都是作用于空氣質點的力達到平衡時的風。梯度風考慮了空氣運動路徑的曲率影響，它比地轉風更接近于實際風。0nP1rV2自由大氣中大尺度空氣運動中，地轉風或梯度風這兩種平衡關系是基本上適應的，尤其在，概括了自由大氣中風場和氣壓場的基本關系。實際自由大氣自由大氣中，各個作用，平衡關系經(jīng)常會遭到破壞。這是因為空氣運動的路徑不會是直線的，也不會是圓形或曲線，氣壓梯度力會發(fā)生變化。空氣運動也不會總是平行于緯圈，常常有穿越緯圈的運動，其風速也隨之發(fā)生相應變化。-力不平衡時？即使一開始空氣

17、所受的力達到平衡，而隨著時間和空間的變化，力的平衡關系會遭到破壞，出現(xiàn)。實際風與地轉風、梯度風之間便出現(xiàn)偏差，形成所謂。偏差風使風場與氣壓場相互調整，建立新的平衡關系，新的平衡又在新的風壓條件下遭到破壞?？諝膺\動就是從不平衡到平衡，又從平衡到不平衡的過程地轉風和梯度風只不過是與實際風相近似的一種暫時平衡狀態(tài)的表達。 (三三)自由大氣中風隨高度的變化自由大氣中風隨高度的變化 高空探測資料表明，風向、風速隨高度有明顯變化 自由大氣中風隨高度的變化同氣溫的水平分布密切相關。 氣溫水平梯度氣溫水平梯度的存在，引起了氣壓梯度力隨高度的變化，進而影響風隨高度發(fā)生相應的變化。 由于水平溫度分布不均，所形成的

18、風隨高度的改由于水平溫度分布不均，所形成的風隨高度的改變量，變量，。氣壓隨高度遞降的快慢與大氣柱中的溫度有關。在暖氣柱中，氣壓隨高度增加而降低得慢，即單位氣壓高度差大在冷氣柱中，氣壓隨高度增加而降低得快，即單位氣壓高度差小。 假設等壓面在低層是水平的（氣壓梯度為零），因溫度差別，到高層以后，等壓面就會出現(xiàn)傾斜。 氣層中平均溫度梯度愈大，高層出現(xiàn)的風也愈大由于水平溫度梯度的存在而產(chǎn)生的地轉風在鉛直由于水平溫度梯度的存在而產(chǎn)生的地轉風在鉛直方向上的速度矢量差方向上的速度矢量差，即等溫線與等高線不同配置情況（P101）熱成風與原風速方向相同熱成風與原風速方向相同 熱成風與原風速方向相反熱成風與原風速

19、方向相反在自由大氣中，隨著高度的增高，不論風向如何變化，實際情況也是如此。比如北半球的對流層中，溫度分布大致是南暖北冷，并且在緯度30附近溫度梯度最大，因而在對流層上層總是以），并在緯度30附近上空出現(xiàn)最大的西風風速區(qū)，稱為。地轉風是作用力平衡情況下的風，所以熱成風也是平衡狀態(tài)下的風差。三、摩擦層中空氣的運動三、摩擦層中空氣的運動 在摩擦層中，空氣的水平運動因受摩擦力作用，不僅風速減弱，風向受到干擾，而且破壞了氣壓梯度力與地轉偏向力的平衡關系，表現(xiàn)出氣流斜穿等壓線，從高壓吹向低壓的特征。如果地面層等壓線為平行直線時，空氣質點受到氣壓梯度力（G）、地轉偏向力（A）和地面摩擦力（R）的共同作用。當

20、三個力達到平衡時，便出現(xiàn)了穩(wěn)定的在等壓線彎曲的氣壓場中，例如閉合的高壓和低壓中，由于地面摩擦力的作用，風速比氣壓場中所應有的梯度風風速要小，風斜穿等壓線吹向低壓區(qū)。所以，摩擦層中風場與氣壓場的關系為：在北半球背風而立，高壓在右后方，低壓在左前方，此即白貝羅風壓定律。風向偏離等壓線的角度（）及風速減小的程度，取決于摩擦力的大小。摩擦力愈大，交角愈大，風速減小得愈多。摩擦層中風隨高度的變化摩擦層中風隨高度的變化受摩擦力、氣壓梯度力隨高度變化的影響。假若各高度上的氣壓梯度力都相同，假若各高度上的氣壓梯度力都相同， 由于摩擦力隨高度減小，風速要隨高度增高逐漸增大，由于摩擦力隨高度減小，風速要隨高度增高

21、逐漸增大， 風向隨高度不斷向右偏轉風向隨高度不斷向右偏轉(北半球北半球)； 到摩擦層頂部，風速接近于地轉風，到摩擦層頂部，風速接近于地轉風， 風向與等壓線平行。風向與等壓線平行。 -?？寺菥€埃克曼螺線實際上，氣壓梯度力隨高度也在改變，因而摩擦層中風的變化并不完全符合上述規(guī)律，需要根據(jù)熱成風原理，用矢量合成方法進行修正。V1、V2、V3 代表自地面起各高度的風向、風速矢量，接連各風矢量終點的平滑曲線，稱為?？寺菥€，是風速矢端跡圖。（三）風的日變化和風的陣性（三）風的日變化和風的陣性 1風的日變化風的日變化: 近地面層中，風存在著有規(guī)律的日變化。近地面白天風速增大，午后增至最大近地面白天風速增大，午后增至最大，夜間風速減小，清晨減至最小。而摩擦層上層則相反。摩擦層中，通常是上層風速大于下層摩擦層中，通常是上層風速大于下層。白天地面受熱，空氣不穩(wěn)定，湍流發(fā)展，上下空氣動量交換增強，使上層風速大的空氣進入下層，致下層風速增大，風向向右偏轉。同理，下