大气科概课件

4.2 自由大气中空气的水平运动自由大气中空气的水平运动 在自由大气里，在自由大气里，摩擦力摩擦力对大气运动的作用可以忽对大气运动的作用可以忽 略不计，大气运动十分接近于水平运动，且空气运略不计，大气运动十分接近于水平运动，且空气运 动的加速度很小动的加速度很小,接近于等速运动。接近于等速运动。可以用可以用地转风地转风 或或梯度风梯度风来近似来近似 自由大气的自由大气的实际风。实际风。4.2.1 地转风地转风Vg 地转风地转风是气压梯度力和地转偏向力相平衡是气压梯度力和地转偏向力相平衡时，空气作的等速直线水平运动。时，空气作的等速直线水平运动。其受力平衡式为其受力平衡式为ngA=F一、地转风形成一、地转风形成:在平直等压线的气压场中，由水平气压梯度力而在平直等压线的气压场中，由水平气压梯度力而引起风。当梯度力与偏向力达大小相等，方向相反引起风。当梯度力与偏向力达大小相等，方向相反时，进入相对平衡状态。时，进入相对平衡状态。二、地转风大小二、地转风大小:其绝对值其绝对值ngA=Fsin 2v=xp1gnpsin211=Vg 三、地转风特点三、地转风特点 1 1、方向：方向：（白贝罗风压定律）（白贝罗风压定律）地转风在平直等压线气压场中形成，风沿等压线吹，地转风在平直等压线气压场中形成，风沿等压线吹，北半球北半球，人背风而立，高压在右，低压在左。，人背风而立，高压在右，低压在左。南半球南半球，人背风而立，高压在左，低压在右。，人背风而立，高压在左，低压在右。2 2、大小：、大小：v vg g与水平气压梯度成正比。等压线越与水平气压梯度成正比。等压线越密集密集(气压的气压的 空间变化越大空间变化越大),),v vg g越大越大，反之愈小。，反之愈小。v vg g与大气密度成反比。若气压梯度相同，大气越与大气密度成反比。若气压梯度相同，大气越稀薄稀薄,v vg g越大越大,反之愈小。（高层风比低层风大）反之愈小。（高层风比低层风大）v vg g与与sinsin成反比。若气压梯度相同，低纬比高纬成反比。若气压梯度相同，低纬比高纬风大。但实际上除热带风暴外，低纬度的气压梯度通风大。但实际上除热带风暴外，低纬度的气压梯度通常很小。常很小。4.2.2 梯度风梯度风(Vc,Vac)当空气质点作曲线运动时，除受气压梯度力和地当空气质点作曲线运动时，除受气压梯度力和地 转偏向力作用外，还受惯性离心力的作用，当这三转偏向力作用外，还受惯性离心力的作用，当这三 个力达到平衡时的风，称为梯度风。个力达到平衡时的风，称为梯度风。由于力的平衡组合不同，分为由于力的平衡组合不同，分为气旋式环流气旋式环流 和和反气旋式环流反气旋式环流。一、梯度风方程：一、梯度风方程：、气旋性环流、气旋性环流 Vc（逆时针）（逆时针）受力平衡受力平衡 因为气旋中心是低压，气旋是低压系统，所因为气旋中心是低压，气旋是低压系统，所以低压梯度风方程：以低压梯度风方程：C+nA=gFsinv2+rv=np1c2c解上方程得解上方程得:令令 则则 ，根号前只能取正号。根号前只能取正号。所以，气旋梯度风的大小为所以，气旋梯度风的大小为nprrrvc2sinsin0np0cvnprrrvc2sinsin0np、反气旋式环流、反气旋式环流Vac（顺时针）（顺时针）反气旋环流是高压系统，高压梯度风方程反气旋环流是高压系统，高压梯度风方程解得解得:令令 则则 ，根号前只能取负号。根号前只能取负号。：sin212acacvrvnpnprrrvac2sinsinnprrrvac2sinsinngACF=+0np0acv 二、梯度风风速的特点：二、梯度风风速的特点：1、方向方向：北半球，北半球，低压中的风沿等压线逆时针方低压中的风沿等压线逆时针方 向吹向吹,高压中的风沿等压顺时针吹。高压中的风沿等压顺时针吹。2、因为气旋中因为气旋中 00，总是可以满足，总是可以满足，方程有意义。且方程有意义。且 越大，越大，vc越大。越大。所以，所以，气旋中气旋中 可以任意大。可以任意大。3、反气旋中，反气旋中，被极限所限，不能任意大。被极限所限，不能任意大。nprr2sinnpnpnp 若使若使 00，须使，须使 即即 反气旋中气压梯度随着反气旋中气压梯度随着r r的减小而迅速减小，事的减小而迅速减小，事实上在反气旋中心附近气压梯度是很小的，风也很实上在反气旋中心附近气压梯度是很小的，风也很小或是静风。小或是静风。当当 时，时，最大，最大，也最大。也最大。最大风速最大风速:nprr2sinnprr222sin22sinrnp22sinrnpacvnp()rsin=vmaxac 所以，一定纬度上，反气旋梯度风的所以，一定纬度上，反气旋梯度风的气压气压梯度梯度和和大小大小均受反气旋曲率半径均受反气旋曲率半径r r所限，所限，r r愈愈大，大，v vacac也愈大。在反气旋边缘有较大的风速也愈大。在反气旋边缘有较大的风速和气压梯度。和气压梯度。实际自由大气中的空气运动并不完全与实际自由大气中的空气运动并不完全与 地转风或梯度风相吻合，各个作用力的平衡地转风或梯度风相吻合，各个作用力的平衡 关系也只是相对的、暂时的，平衡关系经常关系也只是相对的、暂时的，平衡关系经常 会遭到破坏。会遭到破坏。Why?Why?这是因为空气运动的路径不会是直线的，也不这是因为空气运动的路径不会是直线的，也不会是圆形或曲线，结果气压梯度力便随着时间和空会是圆形或曲线，结果气压梯度力便随着时间和空间在发生变化。间在发生变化。同时，空气运动也不会总是平行于纬圈，常常同时，空气运动也不会总是平行于纬圈，常常有穿越纬圈的运动，其风速也随之发生相应变化。有穿越纬圈的运动，其风速也随之发生相应变化。由上可见，即使一开始空气所受的力达到平衡，由上可见，即使一开始空气所受的力达到平衡，而随着时间和空间的变化，力的平衡关系会遭到破而随着时间和空间的变化，力的平衡关系会遭到破坏，出现非平衡下的实际风。坏，出现非平衡下的实际风。实际风与地转风、梯度风之间便出现偏差，实际风与地转风、梯度风之间便出现偏差，形成所谓形成所谓偏差风偏差风。正是由于偏差风出现，促使风场与气压场正是由于偏差风出现，促使风场与气压场 相互调整，建立新的平衡关系，新的平衡又相互调整，建立新的平衡关系，新的平衡又 在新的风压条件下遭到破坏。空气运动就是在新的风压条件下遭到破坏。空气运动就是 从不平衡到平衡，又从平衡到不平衡的过程。从不平衡到平衡，又从平衡到不平衡的过程。在在研究自由大气中大尺度空气运动时，研究自由大气中大尺度空气运动时，地转地转 风或梯度风风或梯度风这两种平衡关系是基本上适应这两种平衡关系是基本上适应 的，尤其在中高纬度，它们概括了自由大的，尤其在中高纬度，它们概括了自由大 气中风场和气压场的基本关系，在气象上气中风场和气压场的基本关系，在气象上 有很大实用价值：有很大实用价值：地转风或梯度风反映了地转风或梯度风反映了 实际风的主流实际风的主流。练习：练习：700700hpahpa等压面图的局部如下，试分析等压面图的局部如下，试分析气压系统，并分析、三点处的受气压系统，并分析、三点处的受力及平衡风的方向。力及平衡风的方向。课外练习：课外练习：、已知、已知=1kg/m=1kg/m3 3，试计算，试计算3030o oN N气压梯度为气压梯度为5 5hpahpa/100km/100km时的时的v vg g；如果空气水平运动的；如果空气水平运动的曲率半径为曲率半径为100km100km，求该处的，求该处的v vc c和和v vacac。、为什么、为什么气旋中风速可以发展得很大，而气旋中风速可以发展得很大，而反气旋中风速却受限制？反气旋中风速却受限制？pP-1VAR 摩擦层中空气的平衡运动摩擦层中空气的平衡运动4.3.1 一、平直等压线时一、平直等压线时作用与空气的力有三个：作用与空气的力有三个：气压梯度力、地转偏向力、气压梯度力、地转偏向力、地面摩擦力。地面摩擦力。当三力达平衡时，空气作当三力达平衡时，空气作水平、等速、直线运动。水平、等速、直线运动。风与等压线的交角风与等压线的交角的大小与地面摩擦有关，陆地摩擦力大交角的大小与地面摩擦有关，陆地摩擦力大交角就大，海面上交角小些。就大，海面上交角小些。GG二、若等压线有弯曲二、若等压线有弯曲作用与空气的力有四个：作用与空气的力有四个：气压梯度力、地转偏向力、气压梯度力、地转偏向力、离心力、地面摩擦力。离心力、地面摩擦力。当四力达平衡时，当四力达平衡时，空气作等速曲线运动。空气作等速曲线运动。以闭合等压线的高压和低压为例，以闭合等压线的高压和低压为例，风速较梯度风速要小，风向偏向低压一方。风速较梯度风速要小，风向偏向低压一方。因此：因此：4.3.2 摩擦层中风随高度的变化摩擦层中风随高度的变化（埃克曼螺线）（埃克曼螺线）把不同高度的风矢量投影到把不同高度的风矢量投影到同一平面上，把各矢量终点连接成一光滑曲线，这条曲线同一平面上，把各矢量终点连接成一光滑曲线，这条曲线称为称为“埃克曼螺线埃克曼螺线”。埃克曼螺线埃克曼螺线 设上层地转风设上层地转风g g2 2，下层地转风，下层地转风g g1 1 ，热成风矢量方程：热成风矢量方程：上层地转风风速为：上层地转风风速为：4.4 自由大气中风随高度的变化自由大气中风随高度的变化（热成风）（热成风）4.4.1 热成风热成风12ggTvvvTggvvv12一、热成风形成：一、热成风形成：假设地面上无气压梯假设地面上无气压梯度，无地转风，空气右度，无地转风，空气右边暖，左边冷，右边的边暖，左边冷，右边的气压随高度缓慢下降，气压随高度缓慢下降，而左边迅速下降。结果而左边迅速下降。结果高空的等压面越来越陡，高空的等压面越来越陡，从暖区高压到冷区低压从暖区高压到冷区低压的气压梯度越来越强，的气压梯度越来越强，这样在高空出现地转风，这样在高空出现地转风，风由水平温度梯度引起，风由水平温度梯度引起，故称热成风。故称热成风。气压梯度气压梯度由温度梯度引起，等压由温度梯度引起，等压线分布与等温线一致，线分布与等温线一致，热成风与等温线平行。热成风与等温线平行。P0 P0-1P0-3P0-4P0-5 P0-6 P0-7 P0-8P0-9P0-10P0-2暖冷等压面垂直剖面剖 暖冷高气高气压压低气压低气压二、热成风方向二、热成风方向热成风与等温线平行热成风与等温线平行,北半球，背热成风而立，北半球，背热成风而立，高温在右，低温在左。高温在右，低温在左。三、热成风的大小三、热成风的大小热成风与水平温度梯度成正比热成风与水平温度梯度成正比f f为地转参数为地转参数(科氏参数科氏参数):f=2sin):f=2sinnTfTzzgVmmT124.4.2 自由大气中风随高度自由大气中风随高度 变化的基本类型变化的基本类型一、一、等温线与等压线平行等温线与等压线平行 1 1、气层的水平温度梯度与下层气压、气层的水平温度梯度与下层气压梯度方向一致（高压梯度方向一致（高压+高温）高温）pP-1P-2TT-1T-2 Vg1vTVg2vTVg3Vg4vT z1z2 z3 z4 2 2、气层的水平温度梯度与下层、气层的水平温度梯度与下层 气压梯度方向相反（高压气压梯度方向相反（高压+低温）低温）pP-1P-3TT-1T-2Vg1Vg2Vg3Vg4101010051000T-1TT+1 vT Vg1 Vg2Vg3暖暖冷冷101010051000暖暖冷冷T+1TT-1Vg1Vg2Vg3 2 2、气层水平温度梯度与下、气层水平温度梯度与下层气压梯度相垂直，空气层气压梯度相垂直，空气由暖区流向冷区由暖区流向冷区（暖平流暖平流）二、等温线与等压线相交二、等温线与等压线相交 1 1、气层水平温度梯度与下层气压、气层水平温度梯度与下层气压梯度相垂直，空气由冷区流向暖梯度相垂直，空气由冷区流向暖区（冷平流）。区（冷平流）。课外练习：课外练习：1 1、摩擦层风随高度如何变化？气层的水平温度梯、摩擦层风随高度如何变化？气层的水平温度梯度与下层气压梯度方向相反的自由大气层中，度与下层气压梯度方向相反的自由大气层中，风随高度如何变化呢？风随高度如何变化呢？2 2、设南京（、设南京（3232）地面气压场为平直等压线，）地面气压场为平直等压线，地面摩擦力与风向相反，地面为西北风，风速地面摩擦力与风向相反，地面为西北风，风速为为6m/s6m/s，风与等压线的夹角为，风与等压线的夹角为3030 ，试求气压，试求气压梯度力和地面摩擦力的大小和方向，并做图示梯度力和地面摩擦力的大小和方向，并做图示之。之。