空气的水平运动

大气是处于不停的运动状态之中的，大气的运动可分为水平运动和铅直运动两部份。空气的水平运动就是通常所说的风。风对于地球上热量和水份的输送起着重要作用，直接影响着各地区天气的变化和气候的特征。本章对空气水平运动的形成及基本规律做一介绍。§1大气运动方程任何物体的运动都是在力的作用下产生的，空气的水平运动也是一样。空气受到不同性质的力的作用，就会出现不同的运动状态。“因此我们首先要讨论作用于空气上的力，也就是讨论空气所受到的各种力的形成及其性质。一、作用于空气的力空气微团的运动是相对于某一个坐标系而言的，在观察空气运动时，坐标系选在地球以外的空间固定位置上时，则称此坐标系为静止坐标系（绝对坐标系或惯性坐标系）。而选在转动的地球上的坐标系，则称为运动坐标系（相对坐标系或非惯性坐标系）。在运动坐标系中所看到的静止的空气，在静止坐标系中则看到此空气是随着地球一起转动的。在本章讨论中，我们所选的是运动坐标系，即观测者是站在地球上来看空气所受到的力的。1．气压梯度力单位质量空气在气压场中由于气压分布不均匀而受到的力称为气压梯度力。气压梯度力是引起空气运动的主要的力，它的大小决定于气压梯度和空气密度，它的方向垂直于等压面从高压指向低压。空气的水平运动，主要是在水平气压梯度力的作用下产生的。在气压场中，由于水平方向气压分布不均匀，作用于单位质量空气上的力称为水平气压梯度力用。水平气压梯度力的大小取决于水平气压梯度和空气密度的大小，其方向垂直于等压线由高压指向低压。它的单位为牛顿／千克。由气压梯度的物理意义可知，水平气压梯度表示了在水平方向由于气压分布不均匀作用在单位容积空气上的力。水平气压梯度力的数值为Gn=7×10-4牛顿/千克。由以上计算看出，在上述条件下，水平气压梯度力的数值不是很大，若此力作用于1千克质量的空气上，可获得了7×10－4米／秒2的加速度。两小时后能产生5.1米／秒的风速。可见此力虽然很小，但空气在它的长时间作用下可产生很大的速度。如果空气仅受水平气压梯度力的作用，空气质点将沿着水平气压梯度力的方向作加速运动，但实际观测表明，风并不是沿着水平气压梯度力的方向吹，说明空气质点还要受到其它力的作用。2．地转偏向力由物理学知道，如果质点相对于以匀角速转动的参照系运动，则该质点要受到一种惯性力的作用，该惯性力依赖于相对速度和参照系的转动角速度以及质点的质量，这种惯性力称为科里奥利力。同理，由于地球的自转，当物体相对于地面运动时，对于站在地面上的观察者来说，感到物体运动的方向发生了改变，设想物体受到一力的作用，此力称为地转偏向力，也就是物理学中的科里奥利力。地球除绕太阳作公转外，还不停地绕地轴作逆时针方向的旋转，其地转角速度以Ω表示，它的大小为：Ω＝7．29×l0-5（弧度／秒）Ω的方向是沿着地轴垂直于北极点地平面向上（这里的“日”是指恒星日·，一恒星日等于23时56分）。由于地球的自转，使各处的地平面发生转动。就北半球来说，以极地平面为例，由于地球的旋转使极地地平面产生一个绕它的垂直轴作逆时针方向的转动，它的角速度就是地转角速度。若有物体相对于极地地面运动时，站在地面上的观察者会感到物体受到一个平行于地平面的力的作用，这个力称为水平地转偏向力。再以赤道平面为例，在赤道上，与其上任何一点相切的地平面都随着地球的自转而绕着穿过这一点与地轴相平行的一个轴转动。只有水平方向的角速度。地球自转时，赤道地平面的东边一侧“下降”，而西边一侧“上升”。若有物体相对于地平面运动时，地球上的观察者感到向东运动的物体受到向上的力的作用，而向西运动的物体，受到向下的力的作用。所以认为在赤道平面上运动的物体只受到垂直方向力的作用，此力即为垂直地转偏向力。在赤道和极地之间的各纬度上，由于地球的自转，使其各处的地平面产生转动。此转动可分解看成一个绕垂直轴的转动（相当于极地平面的情况）和一个绕水平轴的转动（相当于赤道平面的情形）。地转角速度在垂直和水平两个方向均有分量。所以，若物体要同时受到垂直和水平两个方向的作用。因此认为在中间纬度地区运动的物体，既受水平地转偏向力的作用，又受垂直地转偏向力的作用。上面从地平面日转动分析了地转偏向力的物理意义。此力是站在转动地球上的观察者感动到的由于地球自转而作用于相对于地球运动的空气质点上的力。3．摩擦力如果两个互相接触的物体作相对运动，在接触面上，会产生阻碍相对运动的力，这种力称为摩擦力。在大气与地面之间，大气内的各气层之间，存在着相对运动，因而在它们相接触的界面上，也会产生摩擦力，摩擦力阻碍着它们的相对运动。我们把气层与气层之间的摩擦力称为内摩擦力，大气与地面之间的摩擦力称为外摩擦力。（1）内摩擦力内摩擦力是由空气内部各气层之间气流速度的大小和方向不同而产生的一种相互制约的力。在流速不同的气层之间，通过分子不规则运动，层与层之间进行动量交换，使流动慢的气层加速，流动快的气层减速，从而使流速有趋向一致的倾向，这相当于一种摩擦作用而产生的阻力，这种阻力是由于气层之间分子不规则运动而引起的，故称为分子摩擦力，又称为分子粘滞力。由实验得到，在流速不同的界面上，分子粘滞力的大小与流体的速度梯度成正比，它的方向与界面相切，故又称为切应力。§2自由大气中的风空气水平运动的形式是多种多样的，有直线运动，有曲线运动。有等速运动也有变速运动。这些不同运动形式的产生是由受力情况不同所造成的。根据大气中不同高度各种力的作用情况，我们把大气分为摩擦层和自由大气。摩擦层又称为行星边界层，它的范围从地面到1-2千米高度。在摩擦层中又分为近地面层和上部摩擦层。近地面层从地面到50米左右，此层中以湍流粘性力的作用为主。上部摩擦层又称埃克曼层，它的范围由50米向上到摩擦层顶，在该层中气压梯度力、地转偏向力和湍流粘性力相平衡。摩擦层顶以上称为自由大气，在自由大气中，主要是气压梯度力和地转偏向力相平衡，如果空气质点作曲线运动还要考虑惯性离心力。在流动的空气中，空间各点的运动率不随时间变化的运动称为空气的稳定运动。在空气稳定运动中作用于运动质点上的诸力之合力等于零。这种稳定运动又称平衡运动。下面介绍几种平衡运动。一、地转风在自由大气中，平直等压线情况下，水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡时空气的等速、直线水平运动称为地转风。地转风平行于等压线吹，在北半球观察者背风而立，高压在右，低压在左。而在南半球，观察者背风而立，高压在左，低压在右。这就是地转风方向与水平气压场之间的关系，即白贝罗风压定律。地转风的风速大小取决于水平气压梯度、空气密度及地转参数。若在同一地理纬度上，并空气密度一样时，水平面上的等压线越密集，地转风速就越大；若在同一地理纬度，并各高度上水平气压梯度相同时，由于密度的影响、地转风将会随高度的增高而加大。当水平气压梯度和密度不变时，纬度越高，地转风速越小。在赤道附近，由于地转偏向力很小，所以不存在产生地转风的条件。二、梯度凤地转风反映的是自由大气中平直等压线情况下空气的稳定运动，而在实际应用的天气图上等压线往往是弯曲的，在不计摩擦力作用的情况下，作曲线运动的空气质点不仅受水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用，而且还要受惯性离心力的作用，如果三力达到平衡，则变为稳定运动、梯度风就是在自由大气中，不计摩擦力的影响，水平气压梯度力、水平地转偏向力及惯性离心力三个力达到平衡时空气的等速、水平、圆周运动。梯度凤的大小与水平气压梯度、地理纬度、空气密度及空气运动的曲率半径有关。并具有以下“特点：1．在北半球，地转偏向力总是指向空气运动方向的右方。所以低压中的风是沿等压线逆时针方向吹的。在高压中的风是沿等压线顺时针方向吹的。南半球相反。2．当气压梯度力和地理纬度一定，并高低压具有同样的曲率半径时，高压中的梯度风比低压中的梯度风速大，同样纬度和气压梯度力的条件下的地转风速介于两者之间。3．在高压中水平气压梯度有一极限值。这说明高压附近附近不可能出现大的气压梯度，也就是说高压中心附近风速必是很小。而在低压中并不存在水平气压梯度的极限值，所以在低压中心附近风速可以达到很大。另外，在赤道地区，水平地转偏向力很小，可出现小范围的旋涡，因曲率半径很小，故惯性离心力可以很大，若不计水平地转偏向力的作用，水平气压梯度力和惯性离心力可达平衡，这时的风称为旋衡风，可以顺转也可以逆转，但中心必须是低压，例如龙卷风就具有这种性质。三、自由大气中风随高度的变化及热成风在自由大气中，各个高度上的风向风速经常是不一致的，我们把地转风在铅直方向上的速度矢量差称为热成风。地转风是指某一高度上空气的水平运动，它的大小决定于该高度上的水平气压梯度和空气密度，所以地转风随高度的变化也取决于水平气压梯度和空气密度的变化。然而温度在水平方向上的不均匀会引起气压梯度的改变。由于水平温度梯度的存在，使地转风随高度发生了改变。地转风不随高度变化。也就是说，地转风随高度发生变化，只能发生在密度的分布依赖于气压和温度的斜压大气中。从中高纬度地区来看，其水平温度梯度的量级为1℃／100km，而垂直温度梯度的量级为6℃／1km，水平气压梯度的量级为1hPa／100km，而垂直气压梯度的量级为100hPa／1km。1．热成风与平均温度水平梯度的关系是类似于地转风与水平气压梯度的关系。所以热成风规则和地转风规则类似，在北半球背热成风而立，高温在右，低温在左。2．自由大气中任意高度上的地转风都是起始高度上的地转风与该高度至起始高度间热成风的矢量和。3．热成风是由水平温度梯度造成的，它的大小正比于空气层的厚度和该层平均温度水平梯度，而反比于地理纬度的正弦和气层的平均绝对温度。四.地转风随高度变化的基本类型由前面讨论已知，上层地转风为下层地转风与气层之间热成风之和，下层地转风是由下层水平气压梯度决定的，热成风的大小是由气层的平均水平温度梯度决定。在大气中水平气压梯度与水平温度梯度的配置情况是多种多样的，这就使得受热成风影响的地转风随高度的变化也是多种多样的，下面仅就四种基本类型，来讨论地转风随高度的变化。1．低层水平气压梯度（或水平位势梯度）与气层的水平平均温度梯度方向一致，即低层等压线（或等高线）与气层的等水平平均温度线平行。在此温压场的配置下低层坡转风与热成风方向一致，地转风速随高度增加，方向不变，没有冷、暖平流。2．低层水平气压梯度与气层的水平平均温度梯度方向相反，这时低层的等压线与气层的等水平平均温度线也平行。在这种温压场配置下，低层地转风与热成风方向相反，造成起初地转风风速随高度减小，风向不变，到某一高度，风速为零，再向上则风速随高度增加，但风向与低层相反。3．低层水平气压梯度与气层水平平均温度梯度相垂直并在它的左面，此时低层等压线与气层的等水平平均温度线相垂直。在这种温压场配置下，风速随高度增加，风向顺转，有暖平流。4．低层水平气压梯度与气层水平平均温度梯度相垂直并在它的右面，此时低层等压线与气层平均等温线也相垂直，在此种温压场的配置下，风速随高度增加，风向逆转，并有冷平流。在北半球，由于太阳辐射的影响，总是北部冷，南部暖，所以热成风总是偏西风，对于具有自西向东运动的低压和高压来说，根据热成风原理，在高压的东部和低压的西部风矢随高度逆转，且有冷平流;在高压的西部和低压的东部风矢随高度顺转，且有暖平流；在低压的南部和高压的北部，风速随高度增大，风向不变，没有冷、暖平流，在低压的北部和高压的南部起初风速随高度减小，风向不变，到某一高度风速为零，然后风速又随高度增加风向与低层相反。结果就造成了在低压和高压的上空等压线（或等高线）就不再闭合，而变成了槽脊形式。同时也造成了上空气压最低的区域向冷中心方向倾斜，气压最高的区域向暖中心倾斜。由于北半球中纬度地区热成风的方向总是偏西的，所以不管低层吹什么方向的风，随着高度的增高，偏西风分量总是不断加大，因此在对流层的上层盛行西风，出现西风急流.另外在天气分析中，利用单站测风资料，根据本站上、下层风向的顺转或逆转，可以判断当地上空出现冷、暖平流的情况，若风随高度顺转，则有暖平流，逆转则有冷平流。五、地转偏差以上所讲的地转风与梯度风，是在作用于空气的各力达到平衡时得到的，