第4章 第3节 大气的水平运动与垂直运动.docx

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第4章第3节大气的水平运动与垂直运动

第三节、大气的水平运动和垂直运动

要求：

●1.熟练掌握水平气压梯度力、水平地转偏向力，地转风、梯度风的形成及风压定律；热成风。

●2.掌握惯性离心力、摩擦力的大小、方向；风随高度的变化规律。

一、促使空气运动的力：

●

（一）水平气压梯度力：

●1、气压梯度：

●

（1）定义：

●垂直等压线方向，单位距离内气压的改变量，即作用于单位体积空气上的压强。

既有方向，又有大小。

一、促使空气运动的力：

●

（2）方向：

垂直等压线从高压指向低压

●（3）大小：

-dp/dN

●（4）单位：

hPa/赤道度（1赤道度=111公里）

●（5）特点：

当两个等压线间的压差一定时，气压梯度与两个等压线间的垂直距离成反比。

一、促使空气运动的力：

●（6）气压梯度力

●在气象上讨论空气水平运动时，通常取单位质量的空气作为讨论对象，并把在气压梯度存在时，单位质量空气所受的力称为气压梯度力。

G=-△P/△Nρ

一、促使空气运动的力：

●2、水平气压梯度力：

●当水平气压梯度存在时，在水平方向上作用在单位质量空气上的力。

●G=-dp/ρdn

●方向：

垂直于等压线从高压指向低压

●意义：

水平气压梯度力是空气运动的原始动力，是实力。

一、促使空气运动的力：

●

（二）水平地转偏向力：

●1、定义：

●空气是在转动的地球上运动的，由于地球的转动而产生作用于空气的惯性力。

它是使空气运动偏离水平气压梯度力方向的主要原因。

一、促使空气运动的力：

●2、水平地转偏向力的形成：

●如图：

一、促使空气运动的力：

●3、水平地转偏向力的大小：

●OA=Vt∠A′OA=ωt

●A′A=OA∠A′OA=Vωt2

●S≈A′A

●S=1/2×at2

●Vωt2=1/2×at2

●a=2Vω

●F=ma=2mVω

一、促使空气运动的力：

●单位质量空气受到的地转偏向力是A=2Vω

●北极：

地平面轴与地轴相重合，则A=2Vω

●赤道：

地平面轴与地轴垂直，ω=0，则A=0

●任一纬度：

自转轴与地轴交角大于零小于90º，则ω′=ωsinΦ

●a=2VωsinΦ

一、促使空气运动的力：

●4、特点：

●①A是为解释转动的物体产生偏向而假想的力，只有物体相对于地面有运动时产生的，物体静止时，没有A。

●②A的方向与空气运动方向始终是垂直的，只改变空气运动的方向，不改变运动的速度，在北半球，背风而立，偏向运动的右方，南半球则偏向左方。

一、促使空气运动的力：

●③水平地转偏向力与空气运动的速度成正比。

●④若空气运动的速度一定时，水平地转偏向力与纬度成正比，纬度愈高水平地转偏向力愈大。

一、促使空气运动的力：

●（三）惯性离心力：

●1、定义：

●在曲线轨道上运动的空气质点时刻受到一个离开曲率半径中心向外的作用力，这个力是为空气质点保持惯性方向而产生的。

●2、大小：

C=ω2r＝v2/r

一、促使空气运动的力：

●3、方向：

与空气运动方向相垂直，指向曲率半径的外侧。

●4、特点：

惯性离心力是一个假想的力，只改变空气的方向，不改变空气运动的速度；此力的值较小，只有在气旋中才很大。

一、促使空气运动的力：

●（四）摩擦力：

●1、定义：

空气运动时，因受地面摩擦和气层间的相互摩擦作用，减缓空气运动速度，此阻力称为摩擦力。

●2、大小：

R=-KV

一、促使空气运动的力：

●（五）四种力的区别：

●1、水平气压梯度力是促使空气运动的原始动力。

●2、水平地转偏向力和惯性离心力都是假想的力，只改变空气运动的方向，而不改变空气运动的速度。

●3、水平气压梯度力和摩擦力是实力，既改变空气运动的方向，又改变空气运动的速度。

●4、在赤道上：

A=0，忽视水平地转偏向力的作用；空气作直线运动：

r=0，忽视惯性离心力的作用；在自由大气中的空气：

K=0，忽视摩擦力的作用。

一、作用于空气的力

●（六）大气运动方程

●大气运动方程是描述作用于空气微团上的力与其所产生的加速度之间关系的方程。

●根据牛顿第二定律，物体所受的力等于质量和加速度的乘积，即F=ma，F为物体所受的力，是各个作用力的总和。

单位质量空气运动方程的一般形式为：

一、作用于空气的力

●以FX、FY、FZ分别表示单位质量空气团受的合力在标准坐标系X、Y、Z三个方向上的分量，则

一、作用于空气的力

●将G、A、R、g值代入上式，简化后的运动方程为：

一、作用于空气的力

●在空气作大规模水平运动中，大气近似于静力平衡，因而上式中的垂直运动项可以略去。

在自由大气中，R也可略去。

上式可写成

二、自由大气中的空气运动：

●

（一）地转风：

●1、定义：

●在自由大气中，因气压场是平直的，空气仅受水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用，当二力大小相等方向相反时，空气的水平运动称为地转风。

二、自由大气中的空气运动：

二、自由大气中的空气运动：

●3、风速：

●条件：

水平气压梯度力=水平地转偏向力。

●即：

G=A

●-dp/ρdn=2VgωsinΦ

●则：

Vg=-dp/dnρ×1/（2ωsinΦ）

二、自由大气中的空气运动：

●4、白贝罗风压定律：

●在北半球，背风而立，低压在左手边，高压在右手边，南半球则相反。

二、自由大气中的空气运动：

●

（二）梯度风

●1、定义：

●在自由大气中，空气质点作曲线运动时，受到水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力的共同作用，当三个力达到平衡时的空气运动，称梯度风。

二、自由大气中的空气运动：

●2、低压区中的风速

●在北半球风是逆时针吹A+C=G。

二、自由大气中的空气运动：

●3、高压区中的风速：

●在北半球风是顺时针吹A=G+C。

二、自由大气中的空气运动：

●4、梯度风的特性：

●①空气运动的速度受水平气压梯度、大气密度、纬度和曲率半径的影响。

●②当气压梯度和纬度相同时，Vc

二、自由大气中的空气运动：

●③旋衡风

●赤道附近低压区中出现，G=C，运动方向可以是顺时针也可以是逆时针。

如：

龙卷风。

●④梯度风风速的变化

●高压中空气运动的速度受到限制，不能无限制增大；低压中空气运动的速度可以不受任何限制，无限制增大。

在高压中：

如果空气运动的曲率半径减小，则惯性离心力增大（C=V2/r），空气运动速度增大，水平地转偏向力增大（A=2VωsinΦ），则水平气压梯度力减小（G=A-C），因A与V是线性关系，而C与V（C=V2/r）平方关系，则C比A增大程度强，所以G变小。

因此高压中空气运动的速度受到限制，不能无限制增大。

在低压中：

如果空气运动的曲率半径减小，则惯性离心力增大（C=V2/r），空气运动速度增大，水平地转偏向力增大（A=2VωsinΦ），，则水平气压梯度力增大（G=A+C）因此空气运动的速度可以不受任何限制，无限制增大。

二、自由大气中的空气运动：

●⑤梯度风和地转风的关系

●地转风是梯度风的特例。

梯度风遵守地转风风压定律。

●在实际大气中，严格的地转风和梯度风是不存在的，因为：

a、气压场随时空不断变化；b、空气的水平运动经常跨纬圈。

就会出现非平衡条件下的实际风，促使气压场和风场相互调整，达到新的平衡。

二、自由大气中的空气运动：

●（三）自由大气中风随高度的变化：

●1、热成风：

●由于水平温度梯度的存在而产生的地转风在铅直方向上的速度矢量差，称为热成风，

即：

二、自由大气中的空气运动：

二、自由大气中的空气运动：

●特点：

●①热成风与温度和气压有关，温度差愈大，等压面越倾斜，水平气压梯度力愈大，空气运动的速度也就愈快。

●②热成风的风压定律：

在北半球，背热成风而立，高温在右，低温在左，热成风与等温线是平行的。

●③只要温度场不变，热成风的大小、方向就不变。

二、自由大气中的空气运动：

●2、风随高度的变化规律：

●原则：

地转风的风压定律、热成风的风压定律。

二、自由大气中的空气运动：

二、自由大气中的空气运动：

二、自由大气中的空气运动：

二、自由大气中的空气运动：

二、自由大气中的空气运动：

●因此，在自由大气中，随高度的增加，不论风向如何变化，总是趋向于热成风。

例，北半球北冷南暖，热成风的方向则从西向东，高空风都为西风。

三、摩擦层中的空气运动：

●

（一）摩擦对风的作用：

三、摩擦层中的空气运动：

●

（二）运动特征：

●1、风压定律：

●在北半球，背风而立，高压在右后方，低压在左前方，风斜穿等压线。

●南半球相反。

●至于风向偏离等压线的角度（α）和风速减小的程度，则取决于摩擦力的大小。

摩擦力愈大，交角愈大，风速减小得愈多。

三、摩擦层中的空气运动：

●2、气压系统中的风（北半球）

三、摩擦层中的空气运动：

●（三）摩擦层中风随高度的变化

●在摩擦层中风随高度的变化，既受摩擦力随高度变化的影响，又受气压梯度力随高度变化的影响。

假若各高度上的气压梯度力都相同，由于摩擦力随高度不断减小，其风速将随高度增高逐渐增大，风向随高度增高不断向右偏转（北半球），到摩擦层顶部风速接近于地转风，风向与等压线相平行。

三、摩擦层中的空气运动：

●埃克曼螺线，是风速矢端迹图。

不考虑垂直方向上水平气压梯度力的影响。

三、摩擦层中的空气运动：

●（四）风的日变化和风的阵性

●1.风的日变化

●

（1）特点

●近地面层中，风存在着有规律的日变化。

白天风速增大，午后增至最大，夜间风速减小，清晨减至最小。

而摩擦层上层则相反，白天风速小，夜间风速大。

三、摩擦层中的空气运动：

●

（2）日变化特征的改变

●上层与下层的分界线随季节而有变化，夏季湍流最强，可达300m，冬季湍流最弱，低至20m，平均约50—100m。

●风的日变化，晴天比阴天大，夏季比冬季大，陆地比海洋大。

当有强烈天气系统过境时，日变规律可能被扰和或被掩盖。

三、摩擦层中的空气运动：

●2.风的阵性

●

（1）定义

●是指风向变动不定、风速忽大忽小的现象。

它是因大气中湍流运动引起的。

当大气中出现强烈扰动时，空气上下层间交换频繁，这时与空气一起移动的大小涡旋可使局部气流加强、减弱或改变方向。

三、摩擦层中的空气运动：

●

（2）表现

●实箭头表示大范围气流的方向，虚箭头表示水平涡旋中气流的方向。

四、空气的垂直运动

●

（一）对流运动

●对流运动是由于某团空气温度与周围空气温度不等而引起的。

●对流运动的高度、范围和强度同上升气团的气层稳定度有关。

大气中这种热力对流的水平尺度多在0.1—50km，是温暖的低、中纬度地区和温暖季节经常发生的空气运动现象。

它的规模较小、维持时间短暂，但对大气中热量、水分、固体杂质的垂直输送和云雨形成、天气发展演变具有重要作用。

四、空气的垂直运动

●

（二）系统性垂直运动

●是指由于水平气流的辐合、辐散、暖气流沿锋面滑升以及气流受山脉的机械、阻滞等动力作用所引起的大范围、较规则的上升或下降运动。

这种运动垂直速度很小，但范围很广，并能维持较长时间，对天气的形成和演变产生着重大影响。

●1、什么是白贝罗风压定律？

●2、在同一个气压场中，Vc、Vg、Vac是什么关系，请解释？

●3、北半球暖高冷低区风随高度变化的规律是什么？

●4、水平气压梯度力的表达式是什么，有什么意义？

●5、随着纬度的增高水平地转偏向力有什么变化？

●6、赤道上空的空气会发生偏向吗？

为什么？

●7、为什么在北半球0-30°N间吹东北风吗？

●8、请解释为什么风筝会越放越高越稳？