案例農(nóng)業(yè)氣象學(xué)chapter

1、一二1 氣壓和氣壓場氣壓及其變化氣壓場第五章氣壓和風(fēng) 1.氣壓的概念 單位面積上受到的大氣壓力叫大氣壓強(Atmospheric pressure)，簡稱氣壓。 在重力平衡條件下，任何高度上的氣壓值都等于該高度的單位面積上所承受的大氣柱的重量。 任何平面上的大氣壓強與平面的方向無關(guān)。 氣壓單位：百帕（hectopascal, hPa） ， 毫米汞柱mmHg， 二者的換算關(guān)系：1 hPa=3/4 mmHg 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：在溫度為0，在緯度45N(S)的海平面上的大氣壓。其值為1013.2 hPa 。一.氣壓及其變化動槽式水銀氣壓表構(gòu)造：三部分水銀柱玻璃管：上端較粗，下端較細，抽真空，灌注水銀，插入

2、水銀槽。水銀槽：銅護套1，玻璃圈2，水銀面調(diào)整螺釘4，象牙針5標(biāo)尺套管：水銀柱3，調(diào)節(jié)螺旋6，游標(biāo)尺7，附屬溫度表8(1)氣壓隨時間的變化a. 氣壓的周期性變化日變化 氣壓日變化的原因主要有: 氣溫的變化 大氣潮汐年變化 氣壓年變化的原因主要受氣溫影響。b. 非周期變化 原因是氣壓系統(tǒng)的移動和演變。2.氣壓的變化武漢氣壓：2011年1月17日0時-2011年1月18日0時武漢氣壓：2011年8月1日0時-2011年8月2日0時 a. 氣壓的垂直變化 由右圖可以直觀地看出，在高度為z處和高度為z+ z處相比，z處上空的大氣柱的重量要大一些。因此氣壓是隨高度降低的。 (2)氣壓隨空間的變化zZ+z

3、SWPPP+ pXYZ 右圖為任一高度的一個薄層空氣塊，其受力有：向上：PS向下：重力W和（P+ P）S其中：W=Szg在靜力平衡條件下，應(yīng)有：（P+ P）S+ S z g= PS即： P= -z g或： P/ z = - g大氣靜力學(xué)方程zZ+zSWPP+ pXYZ微分形式大氣靜力學(xué)方程的意義 表示單位高度的氣壓變化量，也稱氣壓梯度。“-”表示氣壓隨高度減少。氣壓隨高度的變化主要取決于空氣密度，因為g可視為常數(shù)。根據(jù)氣體狀態(tài)方程， 與溫度有關(guān)，所以 冷（大）氣層的氣壓隨高度降得快 暖（?。鈱拥臍鈮弘S高度降得慢 靜力學(xué)方程表示了大氣在靜力平衡狀態(tài)下，氣壓隨高度的變化關(guān)系。鉛直氣壓梯度 g z

4、 PdPdz氣壓高度海拔高度（m）氣壓（hPa） 30000 12 16000 100 11000 250 5500 500 3000 700 1500 850 0 1000 氣壓在三維空間的分布叫做氣壓場。某一平面上的氣壓分布狀況，叫做平面氣壓場。其表示方法有：1. 氣壓場表示方法(1)等壓線(isobaric line) 將同一水平面上氣壓相等的點連成的線。繪制方法：在空白地圖上各站點填上氣壓值，然后將氣壓相等的點相連，每隔2.5hPa繪一根等壓線。二.氣壓場(field of pressure)等壓線示意圖(2)等壓面(isobaric surface) ：空中氣壓相等的點所連成的面，它

5、一般為一不規(guī)則的曲面。類似起伏不平的地表面。等壓面的高度與氣壓分布的關(guān)系：等壓面上高度高的地方，其附近水平面上的氣壓也高，反之亦然。所以只需表示出等壓面的形狀，就等于知道了氣壓的分布。氣壓場都可以劃分為以下類型。高壓(high pressure)：是中心氣壓高、向四周氣壓逐漸降低的閉合等壓線區(qū)。低壓(low pressure) ：是中心氣壓低、向四周氣壓逐漸升高的閉合等壓線區(qū)。高壓脊(pressure ridge) ：是從高壓區(qū)延伸出來的狹長區(qū)域。低壓槽(pressure trough) ：是從低壓區(qū)延伸出來的狹長區(qū)域。鞍形氣壓區(qū)(pressure saddle) ：相對的兩個高壓和兩個低壓之

6、間氣壓場。2. 氣壓場的基本型式鞍形氣壓場示意圖等壓線與氣壓場的分布型式2006-11-22 0時地面天氣圖 2006-11-22 12時海洋實況 氣壓系統(tǒng)隨高度的變化同溫度分布密切相關(guān)。 氣壓隨高度的升高而降低。但根據(jù)大氣靜力學(xué)方程，氣壓降低的快慢與溫度的高低有關(guān)，溫度愈高，氣壓隨高度的升高而減小愈慢。也就是說，在暖空氣中氣壓隨高度的升高而減小得比在冷空氣中慢。因此氣壓系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)往往由于與溫度場的不同配置狀況而有差異。3. 氣壓系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)(1) 溫壓場對稱系統(tǒng)暖性高壓冷性低壓冷暖暖GD溫壓場對稱系統(tǒng)暖性低壓冷性高壓(2) 溫壓場不對稱系統(tǒng)高壓低壓一二2 空氣的水平運動 作用于空氣的力

7、自由大氣中空氣的水平運動三摩擦層中空氣的水平運動 空氣的運動是在力的作用下形成的，空氣受到的力主要有：1.氣壓梯度力 (pressure-gradient force) 由于空間氣壓分布的不均勻而使空氣塊受到的力，叫做氣壓梯度力。一、作用于空氣的力NSPP+PNN+N設(shè)有如右所示的空氣塊，由于氣壓分布的不均勻，沿N方向所受到的力為：P S-（P+P）S= -P S氣塊所受到的力：P S（P+P）S= P S單位質(zhì)量的氣塊所受到的力:單位質(zhì)量的氣塊所受到的力NSPP+PNN+N式中-dP/dN叫做氣壓梯度，這個力與氣壓梯度成正比，所以叫氣壓梯度力。 雖然大氣中垂直氣壓梯度力比水平氣壓梯度力大得多

8、，但是在大氣處于靜力平衡時，重力與Gz相抵消；而水平氣壓梯度力雖小，但沒有其它力與它相平衡，只要這個力在一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)生作用，就能造成較大的空氣水平運動。所以，空氣運動以水平運動為主，水平氣壓梯度力是產(chǎn)生風(fēng)的原動力。在水平方向的氣壓梯度力為：在垂直方向的氣壓梯度力為：2. 地轉(zhuǎn)偏向力(Coriolis force) 由于地球自轉(zhuǎn)而使地面上的運動物體偏離原運動方向的力，叫做地轉(zhuǎn)偏向力。 首先考察物體在一不動圓盤上的運動。地轉(zhuǎn)偏向力(Coriolis force) 再考察物體在一逆時針轉(zhuǎn)動的圓盤上的運動。地轉(zhuǎn)偏向力(Coriolis force) 再考察物體在一逆時針轉(zhuǎn)動的圓盤上的運動。地轉(zhuǎn)偏向

9、力(Coriolis force) 再考察物體在一逆時針轉(zhuǎn)動的圓盤上的運動。 設(shè)在時間t內(nèi)，一物體從O點開始，以速度v沿直線向B運動，由于圓盤在以角速度沿逆時鐘方向轉(zhuǎn)動，圓盤上的A點經(jīng)時間t后到了A，而物體運動到了A點。因此在圓盤上的觀察者認為物體偏離了一個角度 AOA，覺得是受了某種力的作用。OBAt A 現(xiàn)在對物體在運動圓盤上運動的情況作一分析。 如果認為這種偏轉(zhuǎn)是因某種力的作用，則在這種力的作用一產(chǎn)生的位移為：OBAt 設(shè)a為這種力所產(chǎn)生的加速度，則A 將以上兩式聯(lián)系起來，得 a=2v 根據(jù)牛頓第二定律，a應(yīng)為單位質(zhì)量的物體所受到的力。因此，上述假想的力的大小為 f =2v f又稱為科里

10、奧利（Coriolis）力 。 在地球表面運動的物體與在圓盤上稍有不同，地面近似為球面。 設(shè)在A點，一物體在水平面上以速度v運動，將這個速度分解為與赤道面平行和與赤道面垂直的兩個分量，則物體相當(dāng)于以速度v在圓盤上運動。物體受到的科里奧利力（對地面來說稱為地轉(zhuǎn)偏向力）的大小就應(yīng)為： f =2v=2v sin AVV f =2v=2v sin3.慣性離心力(inertial centrifugal force) 當(dāng)空氣作曲線運動時，還要受到慣性離心力的作用。其大小為： C= 2r=v2/r4.摩擦力(friction force) 空氣運動時，要受到空氣與地面之間和不同空氣塊之間的摩擦力的作用。前

11、者稱外摩擦力，后者稱內(nèi)摩擦力。前者在數(shù)值上要遠大于后者。摩擦力的大小與速度成正比，一般與風(fēng)速的方向相反，其大小為： R=-kvP1P2P3GGVAAGVAGVAP4P5 設(shè)高空的等壓線為平行直線，這時慣性離心力和摩擦力都可忽略不計，只需考慮氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的作用。 下圖中直線為等壓線，設(shè)氣壓南高北低，P1P2.1. 地轉(zhuǎn)風(fēng)二.自由大氣中空氣的水平運動 當(dāng)氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力達到平衡時的風(fēng)叫做地轉(zhuǎn)風(fēng)(geostrophic wind) 。這時就滿足： 風(fēng)壓定律：在北半球，背風(fēng)而立，高壓在右，低壓在左；南半球相反。風(fēng)速與氣壓梯度成正比。 GGVAAGVAGVAP1P2P3P4P5 當(dāng)氣壓梯

12、度力、地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力三力達到平衡時的風(fēng)叫做梯度風(fēng)。 這時風(fēng)向規(guī)律為：（北半球） 在高壓中，風(fēng)沿等壓線作順時針方向旋轉(zhuǎn)。 在低壓中，風(fēng)沿等壓線作反時針方向旋轉(zhuǎn)。2.梯度風(fēng)自由大氣層高低壓中的風(fēng)G高壓D低壓風(fēng)與等壓線成一個角度，摩擦力越大，角度也越大。風(fēng)壓定律：在北半球，背風(fēng)而立，高壓在右后方，低壓在左前方。三、摩擦層中空氣的水平運動 GVA自由大氣GVRA摩擦層 在摩擦層的高壓中，風(fēng)沿等壓線順時針方向由里向外吹。 在摩擦層的低壓中，風(fēng)沿等壓線逆時針方向由外向里吹。摩擦層高低壓中的風(fēng)低壓高壓摩擦層高低壓中的風(fēng)一二三3 大氣環(huán)流(atmospheric circulation)三圈環(huán)流季風(fēng)環(huán)

13、流地方性環(huán)流蒲福風(fēng)力等級表風(fēng)級名稱風(fēng)速(m/s)陸地地面物象海面波浪浪高(m)0無風(fēng)0.0-0.2靜,煙直上平靜0.01軟風(fēng)0.3-1.5煙示風(fēng)向微波峰無飛沫0.12輕風(fēng)1.6-3.3感覺有風(fēng)小波峰未破碎0.23微風(fēng)3.4-5.4旌旗展開小波峰頂破裂0.64和風(fēng)5.5-7.9吹起塵土小浪白沫波峰1.05勁風(fēng)8.0-10.7小樹搖擺中浪折沫峰群2.06強風(fēng)10.8-13.8電線有聲大浪白沫離峰3.0風(fēng)級名稱風(fēng)速(m/s)陸地地面物象海面波浪浪高(m)7疾風(fēng)13.9-17.1步行困難破峰白沫成條4.08大風(fēng)17.2-20.7折毀樹枝浪長高有浪花5.59烈風(fēng)20.8-24.4小損房屋浪峰倒卷7.01

14、0狂風(fēng)24.5-28.4拔起樹木海浪翻滾咆哮9.011暴風(fēng)28.5-32.6損毀重大波峰全呈飛沫11.512颶風(fēng)32.6摧毀極大海浪滔天14.0 地球上各種規(guī)模的大氣運動的綜合表現(xiàn)，稱為大氣環(huán)流。分析大氣環(huán)流時要始終記住以下幾點：太陽輻射分布的不均勻引起的溫度分布的不均勻，低緯熱，高緯冷；在熱的地方空氣上升，地面上形成低壓，高空中形成高壓；而在冷的地方空氣下沉，在地面上形成高壓，在高空形成低壓；因而空氣從高壓向低壓流動；空氣一旦運動，就會產(chǎn)生地轉(zhuǎn)偏向力，北半球向右偏，南半球向左偏。一.三圈環(huán)流赤道南極北極赤道單圈環(huán)流1.地球無自轉(zhuǎn)時的環(huán)流單圈環(huán)流單圈環(huán)流北極南極赤道赤道2.地球自轉(zhuǎn)時的環(huán)流三圈

15、環(huán)流圖1地球自轉(zhuǎn)時的環(huán)流三圈環(huán)流圖2地球自轉(zhuǎn)時的環(huán)流三圈環(huán)流圖3地球自轉(zhuǎn)時的環(huán)流三圈環(huán)流 三圈環(huán)流模式赤道30N60N北極哈德萊環(huán)流極地環(huán)流費雷爾環(huán)流極鋒 （高緯環(huán)流）直接環(huán)流（強）（中緯度環(huán)流）間接環(huán)流（弱）（低緯度環(huán)流、熱帶環(huán)流、信風(fēng)環(huán)流）直接環(huán)流（強）(1)氣壓帶 :3.氣壓帶與風(fēng)帶赤道30N60N北極赤道低壓帶副熱帶高壓帶副極地低壓帶極地高壓帶北半球自南向北的行星風(fēng)帶依次是：赤道無風(fēng)帶東北信風(fēng)帶盛行西風(fēng)帶極地東風(fēng)帶 (2) 行星風(fēng)帶赤道無風(fēng)帶信風(fēng)帶西風(fēng)帶極地東風(fēng)帶赤道南極北極赤道3030606060603030西南東北偏西風(fēng)西南西南偏東風(fēng)西北東南偏西風(fēng)西北西北偏東風(fēng)赤道低氣壓帶副熱帶高

16、壓帶東北信風(fēng)帶低緯環(huán)流圈極地高壓帶副極地低壓帶中緯環(huán)流圈西風(fēng)帶東風(fēng)帶高緯環(huán)流圈副熱帶高壓帶東南信風(fēng)帶西風(fēng)帶副極地低壓帶東風(fēng)帶極地高壓帶低緯環(huán)流圈中緯環(huán)流圈高緯度環(huán)流氣壓帶半永久性活動中心季節(jié)性活動中心7月1月北半球副極地低壓帶冰島低壓，阿留申低壓北美高壓，蒙古高壓副熱帶高壓帶夏威夷高壓，亞索爾高壓印度低壓，北美低壓赤道低壓帶平均1215N平均5S南半球副熱帶高壓帶南太平洋高壓南印度洋高壓南大西洋高壓澳洲高壓南非高壓澳洲低壓南美低壓南非低壓氣壓帶和大氣活動中心全球一月氣壓分布全球一月氣壓分布北美高壓蒙古高壓冰島低壓阿留申低壓夏威夷高壓亞索爾高壓全球七月氣壓分布全球七月氣壓分布印度低壓北美低壓季風(fēng)

17、(monsoon) ：大范圍地區(qū)的盛行風(fēng)隨著季節(jié)有顯著改變的現(xiàn)象。其中1月和7月風(fēng)向變化在120以上。1.季風(fēng)環(huán)流的形成(1)行星風(fēng)帶位移而產(chǎn)生的季風(fēng) 南亞季風(fēng) 由于太陽直射點的季節(jié)變化，上述行星風(fēng)帶的位置也會發(fā)生變化，使部分風(fēng)帶過渡帶的盛行風(fēng)隨季節(jié)變化，這樣的季風(fēng)以南亞最為典型，故稱為南亞季風(fēng)。 二、季風(fēng)環(huán)流 海陸熱特性不同夏季：大陸增暖快，氣溫高，空氣易上升，形成低壓；海洋涼爽，空氣易下沉，形成高壓。所以，氣壓梯度力從海洋指向大陸，風(fēng)也從海洋吹向大陸(2)因海陸分布而產(chǎn)生的季風(fēng) 東亞季風(fēng)夏季風(fēng)冬季：大陸降溫快，氣溫低，空氣易下沉，形成高壓；海洋較溫暖，空氣易上升，形成低壓。所以，氣壓梯度力

18、從大陸指向海洋，風(fēng)也從大陸吹向海洋。冬季風(fēng)季 風(fēng)我國位于最大大陸歐亞大陸的東海岸，瀕臨最大大洋太平洋，深入大陸腹地；地形復(fù)雜；海陸熱力差異和高原熱力、動力作用極為顯著，使我國成為典型的季風(fēng)氣候區(qū)。我國的季風(fēng)主要是由于海陸熱力差異而形成的。冬季，大陸上為強大的蒙古高壓控制，海洋上有阿留申低壓和赤道低壓，因此盛行干燥寒冷的西北風(fēng)、北風(fēng)和東北風(fēng)，即冬季風(fēng)。夏季，大陸上是印度低壓，海洋上為副熱帶高壓控制，因此盛行溫暖潮濕的偏南夏季風(fēng)，造成潮濕多云雨的天氣。 2. 我國的季風(fēng)環(huán)流我國位于最大大陸歐亞大陸的東海岸，瀕臨最大大洋太平洋，深入大陸腹地；地形復(fù)雜；海陸熱力差異和高原熱力、動力作用極為顯著，使我國

19、成為典型的季風(fēng)氣候區(qū)。我國的季風(fēng)主要是由于海陸熱力差異而形成的。冬季，大陸上為強大的蒙古高壓控制，海洋上有阿留申低壓和赤道低壓，因此盛行干燥寒冷的西北風(fēng)、北風(fēng)和東北風(fēng)，即冬季風(fēng)。夏季，大陸上是印度低壓，海洋上為副熱帶高壓控制，因此盛行溫暖潮濕的偏南夏季風(fēng)，造成潮濕多云雨的天氣。 2. 我國的季風(fēng)環(huán)流 海陸風(fēng)是在沿海地區(qū)由于海陸在白天和黑夜熱力特性的不同而形成的以日為周期的風(fēng)。三、地方性風(fēng)1.海陸風(fēng)(land and sea breezes) 白天大陸增暖快，空氣上升，而海洋上相對涼爽，空氣易下沉，風(fēng)也從海洋吹向大陸；白天海風(fēng)海風(fēng)冷水溫暖地面 夜間大陸降溫快，空氣下沉，而海洋上降溫慢，空氣易上升，風(fēng)從陸地