大氣的水平運動與垂直運動

關于大氣的水平運動與垂直運動第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)大氣的水平運動和垂直運動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、氣候的形成、演變起著重要作用?？諝獾乃竭\動是在力的作用下產生的。第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日一、作用于空氣的力由于氣壓分布不均而產生的氣壓梯度力；由于地球自轉而產生的地轉偏向力；由于空氣層之間、空氣與地面之間存在著相對運動而產生的摩擦力；由于空氣作曲線運動所產生的慣性離心力等。這些力之間的不同組合構成了不同形式的大氣水平運動。第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

(一)氣壓梯度力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)。第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日水平氣壓梯度值一般為1—3hpa／赤道度垂直氣壓梯度在大氣低層可達1hpa／10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）因而氣壓梯度的方向幾乎與垂直氣壓梯度方向一致，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第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日只有當兩個高度相差甚大的水平氣壓梯度力相比較時，ρ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：ρ=1.3×10

-3g/cm3

；–ΔP/Δn=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。氣壓梯度力是空氣產生水平運動的直接原因和動力。第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日(二)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，空氣質點好像還受到由于地球轉動而產生的，使空氣偏離氣壓梯度力方向的力的作用，這種力稱為水平地轉偏向力(或科里奧利力)。在大尺度的空氣運動中，地轉偏向力是一個非常重要的力。第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日假設一小球向外運動，圓盤逆時針運動：弧的長度S=AA1=OA?（∠AOA1）；OA=V?t，∠AOA'=ω?t代入則S=Vωt2根據(jù)加速度公式S=??a?t2

因而at2=Vωt2

小球獲得的加速度：a=2V?ω

對單位質量來說，偏向力:

A=2Vω

A的大小角速度ω、小球運動速度V。A的方向垂直于轉動軸，也垂直于相對速度，指向V的右側（圓盤逆時針轉）。第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

A=2Vω在地球上，假設ψ為觀察點的赤緯角，則有：

A=2Vωsinψ

地球上在南半球，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，其大小與北半球同緯度上的地轉偏向力相等。第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

地球偏向力規(guī)律

1、地轉偏向力只是在物體相對于地面有運動時才產生，物體處于靜止狀態(tài)時，不受地轉偏向力的作用。

2、在北半球地轉偏向力垂直指向物體運動方向的右方，使物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，只改變運動方向，不改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緯度的正弦成正比。在風速相同的情況下，它隨緯度的減小而減小，到赤道上減為零；在兩極最大，等于2Vω

第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日（三）慣性離心力慣性離心力是物體在作曲線運動時所產生的，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ω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：第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日實際上，空氣運動路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。但在低緯度地區(qū),or空氣運動速度很大、曲率半徑很小時，離心力可以達到較大的數(shù)值并能超過地轉偏向力。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。第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

(四)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，一般分為內摩擦力和外摩擦力兩種。

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。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日內摩擦力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生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，也稱湍流摩擦力。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以近地面層（地面至30—50m）最為顯著，高度愈高，作用愈弱，到1—2km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摩擦層（或行星邊界層），此層以上稱為自由大氣層。第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

(五)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。第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日將G、A、R、g值代入上式，則簡化后的運動方程為：研究自由大氣運動時被廣泛應用的---大氣運動方程式。第三式是靜力平衡方程（若加速度=0）。第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

二、自由大氣中的空氣水平運動

在自由大氣中除赤道附近地區(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(簡稱等高線)，不論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)出自由大氣運動的共同特征。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。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）作用下運動著的。第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

(一)地轉風

地轉風---自由大氣中空氣作等速、直線的水平運動（受力=0）?？諝忾_始運動后，地轉偏向力立即產生，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：第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

各方向地轉風風速分量：

地轉風公式----它指出：在緯度一定時，地轉風風速(Vg)與氣壓梯度力大小成正比。等壓線疏-密程度。當氣壓梯度、緯度相同時，地轉風速與空氣密度成反比(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，地轉風速與緯度的正弦成反比。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。地球上不同緯度的地轉風速不一樣第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

利用靜力學方程(dP=-ρgdZ)，將水平氣壓梯度力用高度梯度表示----消除了ρ的影響即：

Gn=Vg=地轉風與位勢梯度成正比，與緯度正弦成反比。

-氣壓梯度第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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。表4·4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。第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日(二)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，還受慣性離心力的作用，當這三個力達到平衡時的風，就稱為梯度風。（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：

第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日（1）低壓時

（2）高壓時取合理符號后:第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日在一定緯度帶，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：低壓中的梯度風必然平行于等壓線，繞低壓中心作逆時針旋轉。高壓中梯度風平行于等壓線繞高壓中心作順時針旋轉。南半球則相反。第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

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)旋衡風: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。第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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，尤其在中高緯度，概括了自由大氣中風場和氣壓場的基本關系。實際自由大氣中，各個作用力的平衡關系也只是相對的、暫時的，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？第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日即使一開始空氣所受的力達到平衡，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)非平衡下的實際風。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。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。第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日(三)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，所形成的風隨高度的改變量，稱熱成風。第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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。第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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。暖區(qū)一側等壓面抬起，冷區(qū)一側等壓面降低，結果使高層水平面上的氣壓值不相等，出現(xiàn)了由暖區(qū)指向冷區(qū)的氣壓梯度力，從而產生了平行于等溫線的風。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生的地轉風在鉛直方向上的速度矢量差，即熱成風第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日熱成風的方向與等溫線的方向平行，在北半球，背風而立，高溫在右，低溫在左。南半球相反。第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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反第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日在自由大氣中，隨著高度的增高，不論風向如何變化，高層風總是愈來愈趨向于熱成風，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西風為主（熱成風是西風），并在緯度30°附近上空出現(xiàn)最大的西風風速區(qū)，稱為西風急流。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。第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日三、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。當三個力達到平衡時，便出現(xiàn)了穩(wěn)定的地面平衡風第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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，低壓中的空氣是一面旋轉、一面向低壓中心輻合。高壓中空氣則是一面旋轉、一面從高壓中心向外輻散第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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（α）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。第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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，由于摩擦力隨高度減小，風速要隨高度增高逐漸增大，風向隨高度不斷向右偏轉(北半球)；到摩擦層頂部，風速接近于地轉風，風向與等壓線平行。

------?？寺菥€第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日實際上，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。第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日（三）風的日變化和風的陣性

1．風的日變化: