大氣科學(xué)概論第八大氣運動

大氣科學(xué)概論課件第八大氣運動第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

4.2.1地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg

地轉(zhuǎn)風(fēng)是氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時，空氣作的等速直線水平運動。其受力平衡式為第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一一、地轉(zhuǎn)風(fēng)形成:

在平直等壓線的氣壓場中，由水平氣壓梯度力而引起風(fēng)。當(dāng)梯度力與偏向力達(dá)大小相等，方向相反時，進(jìn)入相對平衡狀態(tài)。二、地轉(zhuǎn)風(fēng)大小:其絕對值第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一三、地轉(zhuǎn)風(fēng)特點

1、方向：（白貝羅風(fēng)壓定律）地轉(zhuǎn)風(fēng)在平直等壓線氣壓場中形成，風(fēng)沿等壓線吹，

北半球，人背風(fēng)而立，高壓在右，低壓在左。

南半球，人背風(fēng)而立，高壓在左，低壓在右。

第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

2、大小：

vg與水平氣壓梯度成正比。等壓線越密集(氣壓的空間變化越大),vg越大，反之愈小。

vg與大氣密度成反比。若氣壓梯度相同，大氣越稀薄,vg越大,反之愈小。（高層風(fēng)比低層風(fēng)大）

vg與sinφ成反比。若氣壓梯度相同，低緯比高緯風(fēng)大。但實際上除熱帶風(fēng)暴外，低緯度的氣壓梯度通常很小。第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

4.2.2梯度風(fēng)(Vc,Vac)

當(dāng)空氣質(zhì)點作曲線運動時，除受氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力作用外，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)，稱為梯度風(fēng)。

由于力的平衡組合不同，分為氣旋式環(huán)流和反氣旋式環(huán)流。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

一、梯度風(fēng)方程：

１、氣旋性環(huán)流Vc（逆時針）受力平衡

因為氣旋中心是低壓，氣旋是低壓系統(tǒng)，所以低壓梯度風(fēng)方程：

第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一解上方程得:令則，根號前只能取正號。所以，氣旋梯度風(fēng)的大小為第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一２、反氣旋式環(huán)流Vac（順時針）反氣旋環(huán)流是高壓系統(tǒng)，高壓梯度風(fēng)方程解得:

令則，根號前只能取負(fù)號。：第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

二、梯度風(fēng)風(fēng)速的特點：

1、方向：北半球，低壓中的風(fēng)沿等壓線逆時針方向吹,高壓中的風(fēng)沿等壓順時針吹。

2、因為氣旋中≥0，總是可以滿足，

方程有意義。且越大，vc越大。所以，氣旋中可以任意大。3、反氣旋中，被極限所限，不能任意大。第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

若使

≥0，須使

即

反氣旋中氣壓梯度隨著r的減小而迅速減小，事實上在反氣旋中心附近氣壓梯度是很小的，風(fēng)也很小或是靜風(fēng)。當(dāng)時，最大，也最大。最大風(fēng)速:

第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

所以，一定緯度上，反氣旋梯度風(fēng)的氣壓梯度和大小均受反氣旋曲率半徑r所限，r愈大，vac也愈大。在反氣旋邊緣有較大的風(fēng)速和氣壓梯度。第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

實際自由大氣中的空氣運動并不完全與地轉(zhuǎn)風(fēng)或梯度風(fēng)相吻合，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。Why?第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

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，結(jié)果氣壓梯度力便隨著時間和空間在發(fā)生變化。

同時，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(fēng)速也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。由上可見，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)。第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

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)。

正是由于偏差風(fēng)出現(xiàn)，促使風(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。

第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

在研究自由大氣中大尺度空氣運動時，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，它們概括了自由大氣中風(fēng)場和氣壓場的基本關(guān)系，在氣象上有很大實用價值：地轉(zhuǎn)風(fēng)或梯度風(fēng)反映了實際風(fēng)的主流。第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

練習(xí)：700hpa等壓面圖的局部如下，試分析氣壓系統(tǒng)，并分析Ａ、Ｂ、Ｃ三點處的受力及平衡風(fēng)的方向。第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一課外練習(xí)：１、已知ρ=1kg/m3，試計算30oN氣壓梯度為5hpa/100km時的vg；如果空氣水平運動的曲率半徑為100km，求該處的vc和vac。２、為什么氣旋中風(fēng)速可以發(fā)展得很大，而反氣旋中風(fēng)速卻受限制？第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

pP-1VAR

α4.3

摩擦層中空氣的平衡運動4.3.1

摩擦層中空氣的平衡運動一、平直等壓線時

作用與空氣的力有三個：氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、地面摩擦力。

當(dāng)三力達(dá)平衡時，空氣作水平、等速、直線運動。因此，在北半球的摩擦層內(nèi)，平直等壓線時，風(fēng)斜穿等壓線，右前方是高壓，左前方是低壓。

風(fēng)與等壓線的交角α的大小與地面摩擦有關(guān)，陸地摩擦力大交角就大，海面上交角小些。G第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一DG二、若等壓線有彎曲作用與空氣的力有四個：氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、離心力、地面摩擦力。

當(dāng)四力達(dá)平衡時，空氣作等速曲線運動。以閉合等壓線的高壓和低壓為例，風(fēng)速較梯度風(fēng)速要小，風(fēng)向偏向低壓一方。因此：在北半球的摩擦層內(nèi)，低壓中的空氣逆時針轉(zhuǎn)且向內(nèi)輻合，高壓中的空氣順時針轉(zhuǎn)并向外輻散。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一4.3.2摩擦層中風(fēng)隨高度的變化（?？寺菥€）

在摩擦層中，摩擦力隨著高度增加而減小，風(fēng)速隨高度增大，風(fēng)向右偏（北半球），到摩擦層頂部風(fēng)接近與地轉(zhuǎn)風(fēng)，風(fēng)向與等壓線平行。

把不同高度的風(fēng)矢量投影到同一平面上，把各矢量終點連接成一光滑曲線，這條曲線稱為“?？寺菥€”。埃克曼螺線

第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

設(shè)上層地轉(zhuǎn)風(fēng)Ｖg2，下層地轉(zhuǎn)風(fēng)Ｖg1，熱成風(fēng)矢量方程：上層地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速為：

4.4

自由大氣中風(fēng)隨高度的變化（熱成風(fēng)）

4.4.1熱成風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化叫熱成風(fēng)。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一一、熱成風(fēng)形成：

假設(shè)地面上無氣壓梯度，無地轉(zhuǎn)風(fēng)，空氣右邊暖，左邊冷，右邊的氣壓隨高度緩慢下降，而左邊迅速下降。結(jié)果高空的等壓面越來越陡，從暖區(qū)高壓到冷區(qū)低壓的氣壓梯度越來越強，這樣在高空出現(xiàn)地轉(zhuǎn)風(fēng)，風(fēng)由水平溫度梯度引起，故稱熱成風(fēng)。氣壓梯度由溫度梯度引起，等壓線分布與等溫線一致，熱成風(fēng)與等溫線平行。P0

P0-1P0-3P0-4P0-5P0-6P0-7P0-8P0-9P0-10P0-2暖冷等壓面垂直剖面剖暖冷高氣壓低氣壓第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一二、熱成風(fēng)方向熱成風(fēng)與等溫線平行,北半球，背熱成風(fēng)而立，高溫在右，低溫在左。三、熱成風(fēng)的大小熱成風(fēng)與水平溫度梯度成正比f為地轉(zhuǎn)參數(shù)(科氏參數(shù)):f=2ωsinφ第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一4.4.2自由大氣中風(fēng)隨高度

變化的基本類型

一、等溫線與等壓線平行

1、氣層的水平溫度梯度與下層氣壓梯度方向一致（高壓+高溫）

地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度變化是：風(fēng)向不變，風(fēng)速增大。

pP-1P-2TT-1T-2Vg1vTVg2vTVg3Vg4vT

z1z2

z3

z4

2、氣層的水平溫度梯度與下層氣壓梯度方向相反（高壓+低溫）

熱成風(fēng)與下層地轉(zhuǎn)風(fēng)方向相反，使風(fēng)隨高度逐漸減小，到某一高度為零；再向上風(fēng)向相反，風(fēng)速開始增大。pP-1P-3TT-1T-2Vg1Vg2Vg3Vg4第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一101010051000T-1TT+1

vTVg1Vg2Vg3暖冷101010051000暖冷T+1TT-1Vg1Vg2Vg3

2、氣層水平溫度梯度與下層氣壓梯度相垂直，空氣由暖區(qū)流向冷區(qū)（暖平流）

地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度變化是：風(fēng)速隨高度增加，方向右偏（順轉(zhuǎn)）。二、等溫線與等壓線相交

1、氣層水平溫度梯度與下層氣壓梯度相垂直，空氣由冷區(qū)流向暖區(qū)（冷平流）。地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度變化是：風(fēng)速隨高度增加，風(fēng)向左偏（逆轉(zhuǎn)）。

第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一

不管低層風(fēng)如何，隨高度增加，地轉(zhuǎn)風(fēng)方向漸與熱成風(fēng)方向趨于一致