104第三章-大气动力学基础

纲要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。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大气静力学方程一、气压的垂直分布铅直气压梯度﹣——＝gzPdPdz气压高度海拔高度（m）气压（hPa）3000012160001001100025055005003000700150085001000△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压高公式二、气压场1、气压场的表示方法概念：气压场——气压的空间分布。气压的水平分布——水平气压场。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；等压线闭合，表示气压分布出出高、低压中心；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、地面图）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、气压系统随高度的变化6.1温压场对称系统暖高压冷低压冷高压暖低压6.2温气压不对称系统7、气压随时间的变化7.1变化的原因热力因子：气柱温度升降、冷暖平流动力因子：空气水平、垂直运动7.2气压的周期性变化日变化：年变化：气温的日变化特征双峰型：两个最高、最低值气压变化滞后于气温变化的原因：气压日较差：随纬度的增高而减小。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（三）惯性离心力（C）曲率中心曲率半径rCV惯性离心力的方向：与运动方向垂直由曲率中心指向外缘作用于单位质量物体上的惯性离心力CC＝——静止V＝0C＝0直线运动r＝∞C＝0V2r（四）摩擦力（R）摩擦力的方向：与运动方向相反摩擦力RR＝－KVK摩擦系数摩擦层R≠0自由大气层R＝0地转偏向力（百帕）100010051010（北半球）风向地面摩擦力请依据图中风向，画出空气运动时的受力情况水平气压梯度力摩擦力方向：与风向相反在气压梯度力与地转偏向力共同作用下形成的风（北半球）100810101006100410021000水平气压梯度力+地转偏向力风向平行于等压线（高空风）垂直于风向只改变风向，不改变大小地转偏向力高空中风的形成：近地面大气中的风向（北半球）100810101006100410021000风向水平地转偏向力摩擦力水平气压梯度力气压梯度力+地转偏向力+摩擦力风向与等压线成一夹角既影响风向，又影响风速。与风向相反摩擦力近地面大气中的风向水平气压梯度力地转偏向力(使风向垂直于等压线)(使北半球风向右偏,南半球风向左偏)地面摩擦力大气作水平运动所受作用力（高空）如果没有摩擦力,风向平行于等压线（近地面）三种力共同作用下,风向与等压线斜交（与空气的运动方向相反）空气产生水平运动的原动力影响风的三种力比较作用力概念对风速风向的影响水平气压梯度力地转偏向力摩擦力促使大气有高压区流向低压区的力促使物体水平运动方向产生偏转的力地面与空气之间相互作用产生的阻力既影响风向,又影响风速只影响风向,不影响风速既影响风速(降低风速),又影响风向泾渭分明三、自由大气(高层大气)的风(一)地转风地转风的概念和形成在自由大气中空气作水平运动时会受到水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用，当这两力达到平衡时，空气会作水平等速直线运动，此时的风叫做地转风，以Vg表示。平直等压线的气压场中的风C＝0自由大气层中的风（R＝0）空气所受的力：G、A地转风:A=G568572576580584低压高压GVAGVAGAV北半球地转风形成示意图地转风的方向地转风的方向与水平气压场之间的关系是，在北半球，背风而立，高压在右，低压在左；南半球相反，这个规律称为白贝罗风压定律。地转风的大小∵A=G即-npDD1=2ω·Vg·sinφ∴Vg=-Fsin21wnPDD地转风的风速与水平气压梯度成正比，与空气密度及地理纬度的正弦成反比。并可得出以下几点结论：①当空气密度和地理纬度一定时，地转风的风速与气压梯度成正比。即地转风的风速随等压线的疏密程度而变，当等压线愈密时，地转风的风速愈大，等压线愈稀疏，地转风的风速愈小。②当空气的密度与气压梯度一定时，地转风的风速与地理纬度的正弦成反比，即低纬度地转风大于高纬度。但由于低纬度气压梯度力很小，地转风也很小。③当气压梯度和地理纬度不变时，地转风的风速与空气密度成反比。(二)梯度风概念在自由大气中，当空气作水平曲线运动时，作用于空气上的力，除了气压梯度和地转偏向力外，还有惯性离心力，三力达到平衡的风，称为梯度风。见图4-9图4-9高压和低压中的梯度风与地转风的比较弯曲等压线的气压场中的风C≠0空气所受的力：G、A、C梯度风：A+C+G=0GAVDC逆时针旋转AGVGC顺时针旋转在自由大气层中，风沿着等压线吹。自由大气层中的白贝罗风压定律：(判断风压关系的定律）北半球，背风而立，低压在左，高压在右，南半球相反。四、摩擦层的风摩擦风：有摩擦力参与，水平气压梯度力与水平地转偏向力，摩擦力保持平衡条件下所产生的风称为摩擦风。见图4-10摩擦风形成示意图摩擦层中的风（R≠0）平直等压线的气压场中的风C＝0空气所受的力：G、A、R低压GRV高压997.51000.01002.51005.0A在摩擦层中，风穿越等压线，向低压偏转。摩擦层中的白贝罗风压定律：北半球：背风而立，低压在左前方，高压在右后方。南半球相反。风逆时针旋转，向中心辐合。绝热上升，多阴雨天气GAVDRCAGVGCR顺时针旋转，向四周辐散绝热下沉，多晴好天气弯曲等压线的气压场中的风C≠0空气所受的力：G、A、C、R在摩擦层里，运动着的空气质点除受水平气压梯度力，地转偏