大氣水平運動和垂直運動

1、關(guān)于大氣的水平運動與垂直運動第1頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三第三節(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(fēng)。風(fēng)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(chǎn)生的。第2頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三一、作用于空氣的力由于氣壓分布不均而產(chǎn)生的氣壓梯度力； 由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)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)生的摩擦力；由于空氣作曲線運動所產(chǎn)生的慣性離心力等。這些力之間的不同組合構(gòu)成了不同形式的大氣水平運動。 第3頁，共44頁，2022年，5月20日，2

2、0點1分，星期三(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(nèi)氣壓的改變量: -P/N N為兩等壓面間的垂直距離， P為相應(yīng)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(fù)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4頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三水平氣壓梯度值一般為13 hpa 赤道度垂直氣壓梯度在大氣低層可達(dá)1 hpa 10米左右，即相當(dāng)于水平氣壓梯度的一

3、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5頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三只有當(dāng)兩個高度相差甚大的水平氣壓梯度力相比較時，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(fēng)速由零增大到7.6m/s-4-5級風(fēng)。氣壓梯度力是空氣產(chǎn)生水平運動的直接原因和動力。第6頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星

4、期三(二)地轉(zhuǎn)偏向力 空氣是在轉(zhuǎn)動著的地球上運動著, 當(dāng)運動的空氣質(zhì)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(zhì)點好像還受到由于地球轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的，使空氣偏離氣壓梯度力方向的力的作用，這種力稱為水平地轉(zhuǎn)偏向力(或科里奧利力)。在大尺度的空氣運動中，地轉(zhuǎn)偏向力是一個非常重要的力。 第7頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三假設(shè)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= t代入 則 S=V t2根據(jù)加速度公式 S= a t2 因而at2=V t2 小球獲得的加速度： a=2V 對單位質(zhì)量來說，偏

5、向力: A=2V A的大小角速度 、小球運動速度V。A的方向垂直于轉(zhuǎn)動軸，也垂直于相對速度，指向V的右側(cè)（圓盤逆時針轉(zhuǎn)）。第8頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 A=2V 在地球上，假設(shè)為觀察點的赤緯角，則有： A=2Vsin 地球上在南半球，由于地平面繞垂直軸按順時針方向轉(zhuǎn)動，因此，地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)偏向力相等。 第9頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 地球偏向力規(guī)律 1、地轉(zhuǎn)偏向力只是在物體相對于地面有運動時才產(chǎn)生，物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，不受地轉(zhuǎn)偏向力的作用。 2、在北半球地轉(zhuǎn)偏向力垂直指向物體運動方向的右方

6、，使物體向原來運動方向的右方偏轉(zhuǎn)，在南半球，則相反。 3、地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)偏向力的大小同風(fēng)速和所在緯度的正弦成正比。在風(fēng)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2V 第10頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三（三）慣性離心力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(zhuǎn)

7、動的角速度的平方和曲率半徑r的乘積成正比。對單位質(zhì)量物體，有公式：第11頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三實際上，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(zhuǎn)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(dá)到較大的數(shù)值并能超過地轉(zhuǎn)偏向力。慣性離心力和地轉(zhuǎn)偏向力一樣只改變物體運動的方向，不改變運動的速度。第12頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 (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(chǎn)生的一種阻礙物體運動的力，稱為摩擦力。大氣運動中所

8、受到的摩擦力，一般分為內(nèi)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(guān))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(fēng)速。 內(nèi)摩擦力與外摩擦力的向量和稱為總摩擦力。 第13頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三內(nèi)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(chǎn)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3050m）最為顯著，高

9、度愈高，作用愈弱，到12km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14頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 (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(chǎn)生的加速度之間關(guān)系的方程。根據(jù)牛頓第二定律，物體所受的力等于質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)偏向力，為R摩擦力，g為重力。第15頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三將G、A、R、g值代入上式，則簡化后的運動方程為： 研究自

10、由大氣運動時被廣泛應(yīng)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16頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三二、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(fēng)，大體風(fēng)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(fēng)而立時，高壓區(qū)總位于其右方，低壓區(qū)總位于其左方（風(fēng)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(zhuǎn)偏向力（曲線運動時，還有慣性離心力）作用下運動著的。第17頁，共44頁，2022年，5月20日

11、，20點1分，星期三(一)地轉(zhuǎn)風(fēng) 地轉(zhuǎn)風(fēng)-自由大氣中空氣作等速、直線的水平運動（受力=0）。 空氣開始運動后，地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)風(fēng)的方向平行于等壓線，高壓在其右側(cè)(北半球)。根據(jù)運動方程可推出，地轉(zhuǎn)風(fēng)的運動方程式為： 第18頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三第19頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 各方向地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速分量： 地轉(zhuǎn)風(fēng)公式-它指出：在緯度一定時，地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速(Vg)與氣壓梯度力大小成正比。等壓線疏-密程度。當(dāng)氣壓梯度、緯度相同時，地轉(zhuǎn)風(fēng)速與空氣密度成反比(空氣密度大的區(qū)域風(fēng)速?。辉诳諝?/p>

12、密度小的區(qū)域風(fēng)速大)在氣壓梯度、密度相同時，地轉(zhuǎn)風(fēng)速與緯度的正弦成反比。低緯度地轉(zhuǎn)風(fēng)速度大于高緯度。低緯度的氣壓梯度通常很小，地轉(zhuǎn)風(fēng)速實際上也很小。在赤道附近，由于地轉(zhuǎn)偏向力過小，無法與氣壓梯度力相平衡，地轉(zhuǎn)風(fēng)也就不存在了。地球上不同緯度的地轉(zhuǎn)風(fēng)速不一樣第20頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 利用靜力學(xué)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(zhuǎn)風(fēng)與位勢梯度成正比，與緯度正弦成反比。 -氣壓梯度第21頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三地轉(zhuǎn)風(fēng)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(fēng)

13、而立，在北半球高壓在其右方，在南半球，高壓在其左方，稱風(fēng)壓律。表44 說明，地轉(zhuǎn)風(fēng)速隨緯度增高而減小。但實際觀測到的地轉(zhuǎn)風(fēng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于低緯度的緣故。第22頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三(二)梯度風(fēng) 當(dāng)空氣質(zhì)點作曲線運動時，除了受氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的作用外，還受慣性離心力的作用，當(dāng)這三個力達(dá)到平衡時的風(fēng)，就稱為梯度風(fēng)。（1）低壓時：氣壓梯度指向內(nèi)，慣性離心力和地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)偏向力之向內(nèi)，有： 第23頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三（1

14、）低壓時 （2）高壓時取合理符號后:第24頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三在一定緯度帶，當(dāng)氣壓梯度力相等時，低壓梯度風(fēng)風(fēng)速小于地轉(zhuǎn)風(fēng)速，高壓梯度風(fēng)風(fēng)速大于地轉(zhuǎn)風(fēng)速。-高緯度在北半球：低壓中的梯度風(fēng)必然平行于等壓線，繞低壓中心作逆時針旋轉(zhuǎn)。高壓中梯度風(fēng)平行于等壓線繞高壓中心作順時針旋轉(zhuǎn)。南半球則相反。第25頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 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(zhuǎn)偏向力小到可以忽略)，出現(xiàn)旋衡風(fēng): 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(fēng)已不再考慮地轉(zhuǎn)偏向力 的影響，因而其風(fēng)向既可按順時針方

15、向吹，又可按逆時針方向吹。龍卷風(fēng)就具有旋衡風(fēng)的性質(zhì)。梯度風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng), 都是作用于空氣質(zhì)點的力達(dá)到平衡時的風(fēng)。梯度風(fēng)考慮了空氣運動路徑的曲率影響，它比地轉(zhuǎn)風(fēng)更接近于實際風(fēng)。第26頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三自由大氣中大尺度空氣運動中，地轉(zhuǎn)風(fēng)或梯度風(fēng)這兩種平衡關(guān)系是基本上適應(yīng)的，尤其在中高緯度，概括了自由大氣中風(fēng)場和氣壓場的基本關(guān)系。實際自由大氣中，各個作用力的平衡關(guān)系也只是相對的、暫時的，平衡關(guān)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?？諝膺\動也不會總是平行于緯圈，常常有穿越緯圈的運動，其風(fēng)速也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。-

16、力不平衡時？第27頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三即使一開始空氣所受的力達(dá)到平衡，而隨著時間和空間的變化，力的平衡關(guān)系會遭到破壞，出現(xiàn)非平衡下的實際風(fēng)。實際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)、梯度風(fēng)之間便出現(xiàn)偏差，形成所謂偏差風(fēng)。偏差風(fēng)使風(fēng)場與氣壓場相互調(diào)整，建立新的平衡關(guān)系，新的平衡又在新的風(fēng)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(zhuǎn)風(fēng)和梯度風(fēng)只不過是與實際風(fēng)相近似的一種暫時平衡狀態(tài)的表達(dá)。第28頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三 (三)自由大氣中風(fēng)隨高度的變化 高空探測資料表明，風(fēng)向、風(fēng)速隨高度有明顯變化 自由大氣中風(fēng)隨高度的變化同氣溫的

17、水平分布密切相關(guān)。 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(fēng)隨高度發(fā)生相應(yīng)的變化。 由于水平溫度分布不均，所形成的風(fēng)隨高度的改變量，稱熱成風(fēng)。第29頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三氣壓隨高度遞降的快慢與大氣柱中的溫度有關(guān)。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30頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三假設(shè)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(cè)等壓面抬起，冷區(qū)一側(cè)等壓面降低，結(jié)果使高層水平面上的氣壓值不相等

18、，出現(xiàn)了由暖區(qū)指向冷區(qū)的氣壓梯度力，從而產(chǎn)生了平行于等溫線的風(fēng)。氣層中平均溫度梯度愈大，高層出現(xiàn)的風(fēng)也愈大由于水平溫度梯度的存在而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)風(fēng)在鉛直方向上的速度矢量差，即熱成風(fēng)第31頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三熱成風(fēng)的方向與等溫線的方向平行，在北半球，背風(fēng)而立，高溫在右，低溫在左。南半球相反。第32頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三等溫線與等高線不同配置情況（P101）熱成風(fēng)與原風(fēng)速方向相同 熱成風(fēng)與原風(fēng)速方向相反第33頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三第34頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三在自由大

19、氣中，隨著高度的增高，不論風(fēng)向如何變化，高層風(fēng)總是愈來愈趨向于熱成風(fēng)，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(fēng)為主（熱成風(fēng)是西風(fēng)），并在緯度30附近上空出現(xiàn)最大的西風(fēng)風(fēng)速區(qū)，稱為西風(fēng)急流。地轉(zhuǎn)風(fēng)是作用力平衡情況下的風(fēng)，所以熱成風(fēng)也是平衡狀態(tài)下的風(fēng)差。第35頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三三、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(fēng)速減弱，風(fēng)向受到干擾，而且破壞了氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力的平衡關(guān)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

20、線時，空氣質(zhì)點受到氣壓梯度力（G）、地轉(zhuǎn)偏向力（A）和地面摩擦力（R）的共同作用。當(dāng)三個力達(dá)到平衡時，便出現(xiàn)了穩(wěn)定的地面平衡風(fēng)第36頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三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(fēng)速比氣壓場中所應(yīng)有的梯度風(fēng)風(fēng)速要小，風(fēng)斜穿等壓線吹向低壓區(qū)。所以，低壓中的空氣是一面旋轉(zhuǎn)、一面向低壓中心輻合。高壓中空氣則是一面旋轉(zhuǎn)、一面從高壓中心向外輻散第37頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三摩擦層中風(fēng)場與氣壓場的關(guān)系為：在北半球背風(fēng)而立，高壓在右后方，低壓在左前方，此即白貝羅風(fēng)壓定律。風(fēng)向偏離等壓線的角度（）及

21、風(fēng)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(fēng)速減小得愈多。第38頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三摩擦層中風(fēng)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(fēng)速要隨高度增高逐漸增大， 風(fēng)向隨高度不斷向右偏轉(zhuǎn)(北半球)； 到摩擦層頂部，風(fēng)速接近于地轉(zhuǎn)風(fēng)， 風(fēng)向與等壓線平行。 -?？寺菥€第39頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三實際上，氣壓梯度力隨高度也在改變，因而摩擦層中風(fēng)的變化并不完全符合上述規(guī)律，需要根據(jù)熱成風(fēng)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(fēng)向、風(fēng)速矢量，接連各風(fēng)矢量終點的平滑曲線，稱為?？寺菥€，是風(fēng)速矢端跡圖。第40頁，共44頁，2022年，5月20日，20點1分，星期三（三）風(fēng)的日變化和風(fēng)的陣性 1風(fēng)的日變化: 近地面層中，風(fēng)存在著有規(guī)律的日變化。近地面白天風(fēng)速增大，午后增至最大，夜間風(fēng)速減小，清晨減至最小