大气基础动力学

大气动力学基础•大气时刻不停地运动着，运动的形式和规模是复杂多样的.•大气运动使不同地区、不同高度间的热量和水分得以交换和传输，直接影响着天气的变化和气候的形成。•大气运动的根本原因是气压分布的不均。提纲第一节气压的时空分布第二节大气的水平运动第三节大气环流第四节季风与海陆风定义单位大气受到地球引力的作用，具有一定重量。地面上每平方米大约要承受十吨重的大气柱的压力，这个压力、就是大气压力。我们常说某地气压多少，就是指该地的单位面积上大气柱的重量。气压气压随时间的变化在通常情况下，早晨气压上升，下午气压下降。冬季气压最高；夏季气压最低。但有时候，如在一次寒潮影响时，气压会很快升高，冷空气一过，气压又慢慢降低。气压的单位用水银柱高度毫米数表示(mmHgh)。气象上常用一种力的单位－毫巴(mb)作为气压单位：1hPa=1毫巴≈0.75毫米水银柱高=3/4毫米水银柱高。测量仪器。定槽式水银气压表、动槽式水银气压表、自记气压计、空盒水银气压表。一、气压随高度的变化气压变化的根本原因：其上空大气柱中空气质量的增多或减少。定性1、随高度增加而递减2、低层气压降低的数值大于高层定量1、静力学方程2、压高方程基本概念：大气静力学：研究静止大气所的受力作用，及在力的作用下质量和压强分布规律的科学。大气静力平衡状态：大气受重力和垂直气压梯度力的作用达到的平衡状态。准静力平衡：除强烈对流外，空气垂直运动速度很小，近似认为大气处于静力平衡状态。（一）静力学方程（静压方程）在垂直方向上，空气要受到重力的作用。如果只是在这一力的作用下，空气应迅速下降。但实际情况并非如此，大气中的下降气流一般是很微弱的，因此一定有其他的力存在而抵消了重力的作用。1cm2分析截面积为1cm2的薄气柱在垂直方向上的受力情况。△PWZ2△ZZ1P2△PP1除重力w外，还在顶部和底部分别受到压力的作用，且顶部的压力小于底部的压力，二者的压力差△P的方向是垂直向上的。若该压力差等于重力，则簿气柱在垂直方向上所受的合力为0，即处于静力平衡状态。1cm2△PWZ2△ZZ1P2△PP1在实际大气中，除了在山区或是当有强烈对流运动的时候外，铅直运动速度都很小，可以近似地把大气当作处于静力平衡状态，即△P=－W由于W=mg=△v·ρg=△z·ρg，所以，△P=－W=－ρg·△z如果取△z为一无限小量，则上式可写成：dP=－ρgdZ，或–dP=ρgdZ此式是气象上广泛应用的大气静力学方程dp=－ρgdz它表示了大气在垂直方向上处于静力平衡状态时，气压随高度变化的关系。由此式可知：1、当dz＞0时，dp＜0，气压随高度增加而减小2、由于g随高度变化很小，所以气压随高度减小的快慢（dp/dz的大小）主要决定于ρ。近地面层ρ大，气压随高度减小得快，上层ρ小，气压随高度减小得慢。3、两个不同高度上的气压差等于这两个高度之间单位截面积空气柱的重量。一、气压随高度的变化单位截面大气上界P1P2Gz2z1△P＝P1－P2＝﹣G＝﹣gV＝﹣g（z2－z1）＝﹣g△z取△z→0大气静力学方程dP＝﹣gdz﹣——＝g﹣——铅直气压梯度（单位高度气压差）dPdzdPdz大气静力学方程铅直气压梯度﹣——＝gzPdPdz气压高度海拔高度（m）气压（hPa）3000012160001001100025055005003000700150085001000一、气压随高度的变化（一）静力学方程：dp=-ρgdz1、条件：大气是静止的，无水平和垂直方向上的运动。并且垂直方向上受力为零。2、公式的意义：负号：气压随高度而减小因g在垂直方向变化小，因此，气压在垂直方向上减小的快慢程度主要决定于密度ρ1000mb900mb500mb400mbH=50h1=100地面低层ρ大，气压变化快高层ρ小，气压变化慢空气密度与气压变化快慢的关系大气静力学方程只适用于较薄的大气层。对于厚气层，不精确。将静力学方程从Z1到Z2高度，进行积分，得到气压和高度的普遍关系。单位截面大气上界p1P2Gz2z1△z＝z2－z1＝18400（1＋tm）log——△z两点之间的高度差z1较低点的海拔高度z2较高点的海拔高度P1较低点的气压P2较高点的气压＝1／273tm两点的平均温度，取tm＝（t1＋t2）／2t1较低点的气温t2较高点的气温P1P2压高公式压高公式的意义根据不同高度的气压和期间的平均温度，可求算两点的高差；根据某高度的气压值和气柱的均温，可求算另一高度的气压值；根据某站气压值、海拔高度和气柱均温，可求算海平面气压值；根据两不同高度的气压值，可求算两高度的均温。二、气压场1、气压场的表示方法概念：气压的空间分布——气压场。气压的水平分布——水平气压场。表示方式：等压线：等压面：等压线平直还是弯曲，表示气压分布简单还是复杂；等压线的排列方向，表示气压分布的方向。等压线呈东西向，表示气压沿纬向分布；呈南北向，表示气压沿经向分布；等压线疏密，表示水平方向上气压差异的程度。地面天气形势图（地面天气图、海平面气压场图）本站气压海平面气压等高面（海拔高度为0）上的等压线（每隔2.5hPa）图气压订正2、海平面气压场海平面气压场的基本型式（气压系统）低压（低气压、气旋）高压（高气压、反气旋）D逆时针旋转向中心辐合绝热上升多阴雨天气G顺时针旋转向四周辐散绝热下沉多晴好天气槽（低压槽）脊（高压脊）DG气压场的一个很小的局部高压高空天气形势图（高空天气图、高空图）等压面上的等高线（每隔4位势什米）图等高线的单位：位势高度位势米、位势什米1位势什米＝10位势米H＝z·g／9.8H位势高度（位势米）z海拔高度（米）g重力加速度3、高空气压场等压面与等高面的关系等压面PA＝PB＝PC＝PHA＜HB＜HC等高面Ha＝Hb＝Hc＝HZAa＜ZBb＜ZCcPa＜Pb＜PcABCabcZAaZBbZCc等压面HP等高面高空气压场的基本型式（气压系统）D低压逆时针旋转高压顺时针旋转G脊G脊线脊前脊后槽线槽D槽前槽后4、气压场的基本型式低气压低压槽高气压高压脊鞍形气压区6、气压系统的垂直结构•温压场对称系统：气压场中心和温度场中心重合的系统；水平面上等温线与等压线基本平行。暖高压：冷低压：冷高压：暖低压：深厚系统：可伸展到高层，强度随高度增高而逐渐增强浅薄系统：存在于低层，强度随高度增高而逐渐减弱，到高层变成相反性质的气压系统–暖性高压–冷性低压–暖性低压–冷性高压•温压场不对称系统：低层气压场中心和温度场中心不重合的系统；水平面上等温线与等压线相交。–高压–低压地面低压中心轴线随高度升高不断向冷区倾斜；地面高压中心轴线随高度升高不断向暖区倾斜；气压系统的结构随高度升高而增强。7.气压随时间的变化大气具有流动性和连续性，因此气压变化的实质就是空气柱内大气质量的增多或减少。（在同一时刻，有的地方气压增加，另一地区的气压必然降低。）（一）影响气压变化的因素1、热力因素：地面升温地面降温空气受热膨胀，ρ减小，p下降空气冷却收缩。ρ增大，p升高2、冷暖平流因素：2、动力因素水平气流的辐合与辐散不同密度气团的移动地面冬季夏季地面冷空气南下,气压升高暖空气北上,气压降低abc辐合下降辐散辐散上升辐合空气的垂直运动（二）气压随时间的变化日变化：一天中有两个高值和两个低值。年变化：陆地上pmax在冬季，pmin在夏季海洋、高原上气压分布与陆地相反4812162024h-2-101莫斯科(55°50′N)七月平均气压变化hpahpa月-12-606北京（39°54′N)气压的年变化124812气压年变化的类型类型特征原因与代表大陆型最高值在冬季；最低值在夏季，年较差较大；随纬度增高而增大，随地势增高而减小，愈深入内陆愈大。海洋型最低值在冬季；最高值在夏季，年较差较小。高山型最高值出现在温暖季节，最低值出现在寒冷季节，年较差较小。第二节大气的水平运动一、风的定义二、作用于空气的力三、自由大气中的空气水平运动四、摩擦层中的风定义一、风的基本概念风的基本特性大气中的风速空气相对于地面的运动称为风。一般情况下，风是指空气运动的水平分量。风向是指风吹来的方向，常用十六方位表示。风速是空气在单位时间内移动的水平距离，常用米·秒-1为单位。空气运动时，总是带有乱流性的，在固定的空间位置上，表现出风向和风速的明显变动，此现象称为风的阵性。因此，在风向、风速的仪器测定和资料使用上，就有瞬时值和平均值两种。大气中水平风速一般为10°—102米·秒-1，最大可达百米以上。垂直运动速度比水平风速小两个量级，为10-2—10°米·秒-1，仅在局部范围短时间内才出现每秒几米、十几米的数值。NWNSWESESWNE地面风向表示方法风向方位图在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长划风速为4米/秒，即风力为2级，短划风速为2米/秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。西南风5级东南风12级天气图上风的表示方法二、作用于空气的力影响大气运动的作用力作用于空气的力基本力（牛顿力）视示力（外观力）气压梯度力地心引力摩擦力惯性离心力地转偏向力水平方向作用于空气的力水平气压梯度力G水平地转偏向力A惯性离心力C摩擦力R风的作用传送水分作用于运动空气的力水平气压梯度力水平地转偏向力惯性离心力摩擦力当空气质点作曲线运动时，受到惯性离心力的作用。其大小为：式中C为惯性离心力；V为空气质点的线速度；r为运动轨迹的曲率半径。水平气压梯度是由高压指向低压的方向上(垂直于等压线方向)，单位距离内气压的改变量。其数值为其中Δp为Δn距离内气压的改变量。气压梯度力的数值为：摩擦力(R)的方向和运动方向相反，其大小和运动速度成正比：R＝-KV式中K是摩擦系数，V为运动速度。-（一）水平气压梯度力（G）x方向上：气压梯度﹣—气压差﹣dxA：气压p；压力pdydzB：气压（p＋—dx）；压力（p＋—dx）dydzx方向上的净压力：pdydz﹣（p＋—dx）dydz＝﹣—dxdydzpxpxpxpxpxpxxyzdxdydzABp﹣（p＋—dx）px0x方向上的净压力＝﹣—dxdydzpxy方向上的净压力＝﹣—dxdydzpyz方向上的净压力＝﹣—dxdydzpz总的净压力＝﹣（—i＋—j＋—k）dxdydz＝﹣▽pdxdydz由于dxdydz＝V＝m／因此作用于单位质量空气块上的净压力（气压梯度力）GG＝﹣—▽ppxpypz1气压梯度力G＝﹣—▽p气压梯度﹣▽p气压梯度的方向：由高压指向低压。气压梯度力的方向：由高压指向低压。铅直气压梯度力GZ＝﹣——水平气压梯度力Gn＝﹣——n＝xi＋yj水平气压梯度力是形成风的原始动力。11pz1pn103010201010（hPa）水平气压梯度力若仅受水平气压梯度力,风向和风速具有什么特点?（二）水平地转偏向力（科里奥利力、科氏力）AOABOBxyOAx’y’B以圆盘外为参照系以圆盘为参照系地转偏向力的方向：与运动方向垂直北半球指向运动方向的右侧南半球指向运动方向的左侧F＝2V水平地转偏向力AA＝2Vsin＝2／24小时＝7.29×10-5秒-1静止V＝0A＝0赤道＝0A＝0北极＝90°A＝2V作用于单位质量物体上的科里奥利力Fcossin地转偏向力（百帕）100010051010水平气压梯度力地转偏向力（北半球）a.北半球向右偏，南半球向左偏；b.垂直于空气的运动方向(即风向)；c.由低纬向高纬增大；d.改变大气运动方向但是不改变速度10101008100610041002（hPa）气压梯度力风向地转偏向力地转偏向力方向：垂直风向在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风（北半球高空）1012/hpa101010081006水平气压梯度力风向地转偏向力600/hpa598596594风向水平气压梯度力地转偏向力摩擦力作用于运动空气的力水平气压梯度力水平地转偏向力惯性离心力摩擦力当空气质点作曲