第四章 大气的运动

METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动一、气压及其单位第一节气压随高度和时间的变化气压指大气的压强，是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果，即静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。当空气有垂直加速运动时，气压值与单位面积上承受的大气柱重量有一定差值，但因在一般情况下，空气的垂直运动加速度很小，所以可以忽略不计。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动现行气压单位:百帕，HPa1Pa=1N/m²1m²100NHPaMETEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动曾用气压单位:毫巴（mba）；汞高（mmHg）1mb=1HPa1mmHg=1.333HPaMETEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面作为标准时，海平面气压为1013.25hPa，相当于760mm的水银柱高度，称此为1个标准大气压。◇标准大气压METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动二、气压随高度和时间的变化任何地方的气压值总是随着海拔高度的增高而递减。1、气压随高度的变化大气柱厚度随海拔升高而变小大气柱密度随海拔升高而变小METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动据实测，地面层中高度每升100m，气压平均下降12.7HPaMETEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动◇气压随高度变化的定量关系=)PPPdPAPAdPA下上（dPAgdxdydz如把面积A视作单位面积，上式可改写为：dPgdzdPgdz（大气静力学方程）重力加速度（g)随高度变化一般都很小，因而气压随高度递减的快慢主要决定于空气的密度。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动dPgdzdPRT将大气状态方程代入上式dPgdzddPgPdzRT铅直气压梯度或单位气压高度差，表示每升高1个单位高度所降低的气压值。dPdz100m100mMETEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动dP将Rd,g值代入，并将T换成摄氏温标t，可得：dRThPg实际工作中使用气压高度差（h），表示铅直气柱中气压没改变一个单位所对应的高度变化值，等于铅直气压梯度的倒数。1HPa1HPa100m100mdZ8000(1)(/)273thmhPaP铅直气压梯度气压高度差METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动①相同气压条件下，气柱的温度愈高，密度愈小，气压随高度递减得愈缓慢，单位气压高度差愈大；反之，气柱温度愈低，单位气压高度差愈小dRThPgMETEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动②相同气温条件下，气压值愈大的地方，空气密度愈大，气压随高度递减得愈快，单位气压高度差愈小；反之，气压愈低的地方单位气压高度差愈大。dRThPgMETEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动2、气压随时间的变化某地气压的变化，实质上是该地上空空气柱重量增加或减少的反映，而空气柱的重量是其质量和重力加速度的乘积。重力加速度通常可以看作是定值，因而一地的气压变化就决定于其上空气柱中质量的变化。空气柱质量的变化主要是由热力和动力因子引起。①气压随时间变化的原因METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动热力因子是指温度的升高或降低引起的体积膨胀或收缩、密度的增大或减小以及伴随的气流辐合或辐散所造成的质量增多或减少。动力因子是指大气运动所引起的气柱质量的变化，根据空气运动的状况可归纳为三种情况，一是水平气流的辐合和辐散，二是不同密度气团的移动，三是空气垂直运动。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动②气压的周期性变化气压的周期性变化是指在气压随时间变化的曲线上呈现出有规律的周期性波动，明显的是以日为周期和以年为周期的波动。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动地面气压的日变化有单峰、双峰和三峰等型式，其中以双峰型最为普遍，其特点是一天中有一个最高值、一个次高值和一个最低值、一个次低值。一般是清晨气压上升，9~10时出现最高值，以后气压下降，到15~16时出现最低值，此后又逐渐升高，到21~22时出现次高值，以后再度下降，到次日3~4时出现次低值。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动日气压最高、最低值出现的时间和变化幅度随纬度而有区别，热带地区气压日变化最为明显，日较差可达3~5hPa。随着纬度的增高，气压日较差逐渐减小，到纬度50°日较差已减至不到1hPa。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动气压年变化是以一年为周期的波动，受气温的年变化影响很大，因而也同纬度、海陆性质、海拔高度等地理因素有关。大陆上一年中气压最高值出现在冬季，最低值出现在夏季，气压年变化值很大，并由低纬向高纬逐渐增大。海洋上一年中气压最高值出现在夏季，最低值出现在冬季，年较差小于同纬度的陆地。高山区一年中气压最高值出现在夏季，是空气受热，气柱膨胀、上升，质量增加所致，而最低值出现在冬季，是空气受冷，气柱收缩、空气下沉、高山质量减少的结果。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动③气压的非周期性变化气压的非周期性变化是指气压变化不存在固定周期的波动，是气压系统移动和演变的结果。通常在中高纬度地区气压系统活动频繁，气团属性差异大，气压非周期性变化远较低纬度明显。如以24h气压的变化量来比较，高纬度地区可达10hPa，低纬度地区因气团属性比较接近，气压的非周期变化量很小，一般只有1hPa。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动一地地面气压的变化总是既包含着周期变化，又包括着非周期变化。只是中高纬度地区气压的非周期性变化比周期性变化明显得多，因而气压变化多带有非周期性特征。低纬度地区气压的非周期性变化比周期性变化弱小得多，因而气压变化的周期性比较显著。当然，遇有特殊情况下也会出现相反的情况。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动第二节气压场气压的空间分布称为气压场。由于各地气柱质量不相同，气压的空间分布也不均匀，有的地方气压高，有的地方气压低，气压场呈现出各种不同的气压形势，统称气压系统。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动一、气压场的表示方法等压线是同一水平面上各气压相等点的连线。等压线按一定气压间隔（如2.5hPa或5hPa）绘出，构成一张气压水平分布图。若绘制的是海平面的等压线，就是一张海平面气压分布图。等压线的形状和疏密程度反映着水平方向上气压的分布形势。1、等压线METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动等压面是空间气压相等点组成的面。如700hPa等压面上各点的气压值都等于700hPa。由于气压随高度递减，因而在某一等压面以上各处的气压值都小于该等压面上气压值，等压面以下各处则反之。用一系列等压面的排列和分布可以表示空间气压的分布状况。2、等压面METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动实际大气中由于下垫面性质的差异、水平方向上温度分布和动力条件的不均匀，以致同一高度上各地的气压不可能都一样，因而等压面并不是一个水平面，而像地表形态一样，是一个高低起伏的曲面。◇等压面形状METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动等压面下凹部位对应着水平面上的低压区域，等压面愈下凹，水平面上气压低得愈多。等压面向上凸起的部位对应着水平面上的高压区域，等压面愈上凸，水平面上高压愈强大。◇等压面起伏与气压高低分布METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动用类似绘制地形等高线的方法，将某一等压面上相对于海平面的各位势高度点投影到海平面上，得到一张等位势高度线图，此图能表示该等压面的形势，故称为等压面图。◇等压面的二维表示METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动所谓位势高度是指单位质量的物体从海平面（位势取为零）抬升到Z高度时，克服重力所作的功，又称重力位势，单位是位势米。在SI制中，1位势米定义为1kg空气上升1m时，克服重力作了9.8J的功，也就是获得9.8J/kg的位势能。◇位势高度METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动如g取9.8m/s2时，位势高度H和几何高度Z在数值上相同，但两者物理意义完全不同，位势米是表示能量的单位，几何米是表示几何高度的单位。由于大气是在地球重力场中运动，时刻受到重力的作用，因此用位势米表示不同高度气块所具有的位能，比用几何高度要好。◇位势高度与几何高度的换算关系：H=gz/9.8METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动500mbMETEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动二、气压场的基本形式低气压，简称低压，是由闭合等压线构成的低气压区。气压值由中心向外逐渐增高。空间等压面向下凹陷，形如盆地。1、低气压METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动低压槽，简称槽，是低气压延伸出来的狭长区域。在低压槽中，各等压线弯曲最大处的连线称槽线。气压值沿槽线向两边递增。槽附近的空间等压面类似地形中狭长的山谷，呈下凹形。2、低压槽METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动高气压，简称高压，由闭合等压线构成，中心气压高，向四周逐渐降低，空间等压面类似山丘，呈上凸状。3、高气压METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动高压脊，简称脊，是由高压延伸出来的狭长区域，在脊中各等压线弯曲最大处的连线叫脊线，其气压值沿脊线向两边递减，脊附近空间等压面类似地形中狭长山脊。4、高压脊METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动鞍形气压场，简称鞍，是两个高压和两个低压交错分布的中间区域。鞍形区空间的等压面形似马鞍。5、鞍形气压场METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动低空气压水平分布的类型，一般从海平面图上等压线的分布特征来确定。但气压系统存在于三度空间中。由于愈向高空受地面影响愈小，以致高空气压系统比低空系统要相对简单，大多呈现出沿纬向的平直或波状等高线，有时也有闭合系统如切断低压、阻塞高压。METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动METEOROLOGY＆CLIMATOLOGY气象学与气候学第四章大气的运动气压系统存在于三度空间中，在静力平衡下，气压系统随高度的变化同温度分布密切相关，因此气压系统的空间结构往往由于与温度场的不同配置状况而有差异。当温度场与气压场配置重合（温度场的高温、低温中心与气压场的高压、低压中心相重合）时，称气压系统是温压场对称系统。当温度场与气压场的配置不重合时，称气压系统是温压场不对称系统。三、气压场的空间结构METEOROLOGY＆CLIMATO