《大气运动》PPT课件

4.1 作用在气块上的力4.2 大气运动方程及其简化4.3 P坐标系中的运动方程4.4 自由大气中的风4.5 地转风随高度的变化热成风4.6 摩擦层中的风4.7 水平运动与垂直运动的关系4.8 大气的垂直运动思考题第4章 大气运动气象学与气候学 气压梯度（ ）：沿垂直于等压面且由高压指向低压方向上，单位距离（N）间的气压差（P），即NpP P P xz o PP+PN x z 气压梯度分量：水平气压梯度：垂直气压梯度：xpN pPPx sin/sin zpN pPP z cos/cos 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.1气压梯度力 气压梯度物理意义若在两等压面间取一底面积（S）、高（N）的空气块，则其所受的净压力为 PS - （P+P)S= - PS若除以空气块体积NS ，则上式等于xzo PP+PN PNp P PS（P+P)S结论：气压梯度等于单位体积空气块所受的大气净压力，其方向即净压力方向。第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.1气压梯度力 气压梯度力（G）定义单位质量空气块所受的大气净压力，其大小正比于气压梯度、反比于空气密度，方向与气压梯度相同，即xzo PP+PN NPPG 11 G PS（P+P)S气压梯度力可分解为：水平分量：垂直分量：xPPG xx 11 zPPG zz 11 xG zG 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.1气压梯度力 气压梯度力的讨论近地面大气中水平气压梯度通常约为1hPa/100km，而垂直气压梯度约为1hPa/8m，试问水平和垂直气压梯度力分别为多大？如不考虑其它因素，静止空气块3小时将达到多大速度？空气密度取1.293kg/m3。 水平气压梯度力： 垂直气压梯度力：gkgNzPG z )/(667.981293.1 11（重力加速度）akgNxPGx )/(000773.01000100 1001293.1 11（水平加速度） 3小时后速度：)/(353.836003000773.0 smV 45级风由此可见，Gx是风的原动力，Gz与重力平衡（准静力平衡）。 气压梯度力（G）的矢量表达式xPzyxxPPzyPzyxGx 11 zyP xG 同理可得：yPGy 1 zPGz 1 G的矢量式kGjGiGG zyx PkzPjyPixPG 11 kzPjyPixPP xz y0 xyz zyxxPP 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.1气压梯度力 定义：空气质点运动时，对地面观察者而言，该质点受一个由地球自转产生的垂直其运动方向的力，称为地转偏向力(Coriolis force)。 AOV BC 公式1：根据Newtons Law，OC方向上受到一作用力A，即Coriolis force Va tatVABOC tVAOBOAAB 2 21 22 2 VA 2 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.2 地转偏向力 E R o zy xz公式2：任意纬度上单位质量运动空气块所受的地转偏向力为VA 2取地球坐标系oxyz，则地转角速度矢量和风速矢量可分别表示为 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.2 地转偏向力 kwjviuV ki kji z zyx sincos 公式3： hVkf juiv kujuivw wvu kjiA sin2 cossin2sin2cos2 sincos02 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.2 地转偏向力xyz ),( vuV h k uv-fufv sin2f性质：若Vh=0，则A=0；若Vh一定，则A随纬度 增大而增大；若纬度一定，则A与风速大小乘正比。A垂直与V h，北半球指向右，南半球相反。 sin2f 定义：大气运动时，大气与地面之间、相邻空气层之间所产生的粘滞力，前者为外摩擦力，取决于地面粗糙度；后者为内摩擦力，取决于风速垂直分布和空气粘滞系数。xz u(z)z 公式1：摩擦应力 ：单位面积上所受的摩擦力,单位N/m2。其中，K z为空气粘滞系数，u和v为x和y轴上速度分量。zvKzuK zzyzzx ;)(yzx zx 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.3 摩擦力 xz u(z)z y0 xzz ,zx xf 公式2：质量摩擦力 ，即单位质量空气块所受的摩擦力，单位N/kg。其中， 为空气密度，其余符号同前。2222 ; zvKfzuKf zyzx )(yxf 公式3：外摩擦力其中，C为地面摩擦系数， 空气运动速度，负号表示摩擦力方向与速度相反。VCR V 性质：内摩擦力随高度增加而减小，至自由大气可忽略。 第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.3 摩擦力 定义：空气质点作曲线运动时，由于惯性而受到的沿曲率半径向外的力。Vo ar C公式rVC 2第4章 大气的运动4.1 作用在空气块上的力4.1.4 离心力 rFpAgDtVD 1矢量式： 2222 22111 zwKgzpzwwywvxwutwDtDw zvKfuypzvwyvvxvutvDtDv zuKfvxpzuwyuvxuutuDtDu zz z直角坐标系中标量式： 加速度重力地转偏向力气压梯度力摩擦力第4章 大气的运动4.2 大气运动方程及其简化4.2.1 大气运动方程 第4章 大气的运动4.2 大气运动方程及其简化4.2.2 大气运动的尺度及其分类大气运动 类别L(m) H(m) V(m/s) w(m/s) t(s)大尺度105106 104 101 10-2 105中尺度104105 103104 101 100 104105小尺度104 103104 100101 100101 0， ，所以0np （3）梯度风性质第4章 大气的运动4.4 自由大气中的风4.4.2 梯度风梯度风的风速：H ACV rVG2GfV np 1nprrffrVAC 42 22讨论：II）反气旋式，r0， ，所以0np且42 rfnp 故反气旋梯度风具有风速极大值：sin2 max rrfVAC 意义：反气旋中心，气压梯度、风速小等压线弯曲处，气压梯度、风速小纬度越高，气压梯度、风速大冬季密度大，气压梯度、风速大 H梯度风Va压强梯度力地转偏向力离心力H10201016 L10001004 梯度风示意图 第4章 大气的运动4.5 地转风随高度的变化热成风4.5.1 定义定义：由水平温度梯度而产生的地转风在铅直方向上的速度矢量差，称为热成风(VT)。 P1v1 P2v2 P3v3 P4v4 xy0z高温低温T 定义式 公式： 0zznTTfgVT 第4章 大气的运动4.5 地转风随高度的变化4.5.2 表达式0gggT VVVV 0gVgV TVkTTf zgV pT TV T4T3T2T1冷暖Tp xy0z 特征：大小与垂直平均温度梯度及气层厚度成正比，与科氏参数（f）成反比。方向与等温线平行，北半球背风而立，气温左低右高，南半球则反。 根据单站测风记录，判断高空冷暖平流xz地转风随高度增加作顺时针变化，则伴有暖平流；V 0 VZ高压低压V0 高温 低温VZ 第4章 大气的运动4.5 地转风随高度的变化4.5.4 热成风原理的应用 xzV0VZ低压高压V0 高温 低温VZ 第4章 大气的运动4.5 地转风随高度的变化4.5.4 热成风原理的应用根据单站测风记录，判断高空冷暖平流地转风随高度增加作逆时针变化，则伴有冷平流； 判断气压场和温度场的空间结构若低温/低压、高温/高压中心基本重合，则随高度增加，风向不变、风速加，为深厚天气系统，如暖高压、冷低压。xz P4V4 P 2V2 P1V1 P3V3高温/压低温/压Vz V1V2V3V4 第4章 大气的运动4.5 地转风随高度的变化4.5.4 热成风原理的应用 xz P4V4 P3V3高温/低压低温/高压P1V1 P2V2VzV1V2 V3=0V4 第4章 大气的运动4.5 地转风随高度的变化4.5.4 热成风原理的应用判断气压场和温度场的空间结构若低温/高压、高温/低压中心基本重合，则随高度增加，风速减小，至某一高度，风速为零，再往上，风向反向，风速加大，为为浅薄天气系统，如冷高压、热低压。 由此可见，在自由大气中，不论风向如何，随着高度的增高，高层风总是愈来愈趋向于热成风。南、北半球的对流层中，温度分布总是赤道高、由此向南北极逐渐降低，且在纬度30附近温度梯度最大，因此，对流层上层总是以西风为主（热成风是西风），并在纬度30附近上空出现最大的西风风速区，称为西风急流。第4章 大气的运动4.5 地转风随高度的变化4.5.4 热成风原理的应用 第4章 大气的运动4.6 摩擦层中的风4.6.1摩擦造成的地转偏差V 0Fr A0 D 定义：摩擦层中地面风速与相同气压梯度下高空地转风矢量之差，用D表示：gVVD 0 公式：kFfD r 1 结论：北半球，地转偏差D垂直于摩擦力且指向其右侧，大小正比于摩擦力，反比于纬度。G VgAp1p0 LH 高空G A Vgp1p2p3L H地面风速小于高空地转风;地面风速与等压线成一夹角，取决于地面粗糙度、高度及纬度;近地面，北半球背风而立，低压在左前方、高压在右后方，南半球反之；随高度增加，风向右偏、风速加大，直至趋于高空地转风。各风矢量终点的连线构成“埃克曼螺线(Ekman spiral)”，地面V0G ARp1p2p3L H第4章 大气的运动4.6 摩擦层中的风4.6.2 摩擦层中风速及其随高度变化 L992996 H11161112 力平衡： L：G = A + R+C H：G+C= A + R 梯度风压强梯度力G地转偏向力A离心力C摩擦力R特点： L：逆时针旋转并向中心辐合，产生上升气流，成云致雨、伴风暴，如台风； H：顺时针旋转并向四周辐散，产生下沉气流，中心天气晴好、风力微弱，如冷高压； 第4章 大气的运动4.6 摩擦层中的风4.6.3 摩擦层中的梯度风 （1）z坐标系中的连续方程 第4章 大气的运动4.7 水平运动与垂直运动的关系4.7.1连续方程xyzuvw u xxuu zyxxu x方向上净流入的空气质量为 同理，y和z方向上净流入的空气质量分别为： zyxzwzyxyv ; zyxt 单位时间控制体内的空气质量增量为： 根据质量守衡定律，有： zwyvxut即 0Vt )( 假定空气不可压缩，则 0 zwyvxuV gzp1dtdw 向下加速运动静止或匀速运动向上加速运动0dtdw 0dtdw 0dtdw g dtdwzp1 第4章 大气的运动4.7 水平运动与垂直运动的关系4.7.2 垂直运动方程 g zp1 dtdw gzp gzp1dtdw g)1(dtdw pp RTp RTpgTTTdtdw Tp T p 向下加速运动静止或匀速运动向上加速运动TT TT TT 第四章 大气运动热对流：太阳辐射不均匀加热下垫面，热空气受浮力作用而形成。4.7 水平运动与垂直运动的关系4.7.3 垂直运动类型 第四章 大气运动辐合和辐散：由空气连续方程可知，辐合或辐散会导致上升或下沉运动，其垂直速度可表示为： 00 21)( Hzz zDdzyvxuw 风速水平散度，yvxuDH 高空下沉运动地面辐散高空上升运动地面辐合0w,0 0w,0 z0 z0HHDD 4.7 水平运动与垂直运动的关系4.7.3 垂直运动类型 wzw 0zHD0HD 00 w tg)uu(w 21 u1-u2 w锋面其中，暖空气垂直锋面的速度冷空气垂直锋面的速度锋面坡度1u2u第四章 大气运动系统性垂直运动：由大范围的暖空气沿锋面(冷暖气团的界面)滑行而产生，垂直速度可表示为：4.7 水平运动与垂直运动的关系4.7.3 垂直运动类型 地形引起的垂直运动：当气流遇到岛屿或山脉时，由于地形动力抬升作用而产生上升运动，垂直速度可表示为： tgvw cos wcosv坡面其中，风速风速与坡面法线的夹角坡面坡度v 第四章 大气运动4.7 水平运动与垂直运动的关系4.7.3 垂直运动类型 第四章 思考题11.基本概念：气压梯度力、地转偏向力、低气压、高气压、低压槽、高压脊、地转风、梯度风。2.简述地转风的形成过程及主要特点。3.简述梯度风形成过程及主要特点。4.简述地面摩擦对风的影响。 第四章 思考题1.基本概念：单圈环流、三圈环流、大气活动中心、急流、高空槽脊、季风、海陆风、山谷风。2.简述三圈环流模型及其形成机制。3.简述地面气压带及行星风带分布。4.举例说明地面大气活动中心有哪几种。5.简述季风的成因和分布.