海洋学 第六章.ppt

第六章大气运动 大气运动在地球环境的形成中有重要的作用 大尺度的空气环流将热量从能量盈余的低纬地区输向能量亏损的高纬地区 气流的运动还将水分充足地区 如海面和热带潮湿地区输送到其他地区 盛行气流是形成天气和气候的重要因素 大气运动决定了生态环境的水热条件 从而影响自然景观 动植物群落乃至人类生活 大气运动对海水运动有极大的影响 风能可以转变为波浪和洋流能 从而形成第二个全球性环流系统 海水运动不只影响了海洋和海岸地貌 而且也将热量从低纬地区输送到高纬地区 非常强烈的大气运动 如台风和龙卷风 会给地球环境带来严重的破坏 Tothinkdeeply 1 自然界的大气为什么会运动 2 大气运动主要有几种方式 3 大气首先以哪种方式做运动 6 1大气的成分及垂直分层 6 2大气的水平与垂直运动 6 3大气环流 6 4风 一 大气成分 不可变气体成分 易变气体成分 主要指氮 氧 氩三种气体 以水汽 二氧化碳和臭氧为主 6 1大气的成分及垂直分层 6 1大气的成分及垂直分层 一 大气成分1 干洁大气干洁空气是指大气中除去水汽 液体和固体微粒以外的整个混合气体 简称干空气 它的主要成分是氮 氧 氩 二氧化碳等 其容积含量占全部干洁空气的99 99 以上 其余还有少量的氢 氖 氪 氙 臭氧等 2 水汽 水汽在大气中含量很少 其变化范围在0 4 之间 水汽绝大部分集中在低层2公里以下一半4公里以下3 410 12公里高度以下99 大气中的水汽来源于下垫面 包括水面 潮湿物体表面 植物叶面的蒸发 水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射 也能放出长波辐射 水汽的蒸发和凝结又能吸收和放出潜热 都直接影响到地面和空气的温度 影响到大气的运动和变化 3 杂质和微粒 杂质是指来源于火山爆发 尘沙飞扬 物质燃烧的颗粒 流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒 还有细菌 微生物 植物的孢子花粉等 它们多集中于大气的底层 液体微粒 是指悬浮于大气中的水滴 过冷水滴和冰晶等水汽凝结物 大气中杂质 微粒 聚集在一起 直接影响大气的能见度 但它能充当水汽凝结的核心 加速大气中成云致雨的过程 它能吸收部分太阳辐射 又能削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射 对地面和大气的温度变化产生了一定的影响 4 大气污染物 随着人类社会生产力的高度发展 各种污染物大量地进入地球大气中 这就是人们所说的 大气污染 其中影响范围广 对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘 二氧化碳 一氧化碳 碳化氢 硫化氢和氨等 从污染物来源看 主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气 而烟囱与汽车废气约点总污染物的百分之七十之多 二 大气的垂直分层按物理性质大气层上界 定为距地面1000km处1 对流层范围只有整个大气厚度的1 左右 集中了整个大气质量的3 4和几乎全部的水汽与杂质 低纬 17 18km 中纬 l0 12km 高纬 8 9km 就季节而言 同一地区夏季对流层的厚度大于冬季 云 雾 雨 雪 雷 电等天气现象都出现在这一层中 特征a 气温随高度的增加而降低 平均 0 65 100m气温随高度增加而升高的气层 称为逆温层 b 具有强烈的对流运动 c 温度 湿度水平分布不均匀 大气运动的不同特征 摩擦层厚度约为1 0 1 5km 风速随高度的增加而增大 气温在很大程度上受下垫面冷热的影响 自由大气层摩擦作用可忽略 大气运动的规律显得比较简单和清楚 2 平流层平流层位于对流层顶之上 约伸展到55km左右 下层 温度随高度不变或微有上升 20km以上 温度随高度的增加显著升高 这是由于臭氧强烈吸收太阳辐射的结果这种温度随高度增加的逆温现象使平流层大气很稳定 空气以水平运动为主 呈现出明显的成层结构 故此层称为平流层 3 中间层自平流层顶向上到大约85km的气层称为中间层 特点 气温随高度的增加而迅速下降 到中间层顶温度下降到180K 是大气中最冷的部分 有相当强烈的垂直运动在80km高度上有一个只在白天出现的电离层 称为D层 D层能够反射无线电波 4 热层从85 800km左右的气层称为热层 亦称热成层 1 气温随高度的增加而迅速升高 空气处于高度电离状态 故该层又称为电离层 2 温度日变化和季节变化很显著 白天和夜间温差可达几百度5 散逸层又叫外层 它是大气的最高层 高度最高可达到3000公里 这一层大气的温度也很高 空气十分稀薄 受地球引力场的约束很弱 一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间中去 根据宇宙火箭探测资料表明 地球大气圈之外 还有一层极其稀薄的电离气体 其高度可伸延到22000公里的高空 称之为地冕 地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域 人们形象地把它比作是地球的 帽子 按特征分第一 按着大气的化学成分来划分 这种划分是以距海平面90公里的高度为界限的 均质层非均质层 第二 是按着大气被电离的状态来划分 可分为非电离层和电离层 在海平面以上60公里以内的大气 叫非电离层 在60公里以上至1000公里的高度 这一层大气在太阳紫外线的作用下 大气成分开始电离 形成大量的正 负离子和自由电子 所以这一层叫做电离层 这一层对于无线电波的传播有着重要的作用 一 气压和风 大气运动包括垂直运动与水平运动 以垂直运动为主的空气运动 称为上曳气流或下曳气流 空气在水平方向的流动称为风 气压的水平分布不均匀是风的起因 6 2大气的水平与垂直运动 风在单位时间里移动的距离称为风速 单位是米 秒或者公里 小时 移来的方向称为风向 1805年英国人蒲福 FrincisBeanfort 根据我国唐代天文学家李淳风撰写的 乙巳占 把风力定为13个等级 最小0级 最大为12级 0级风风速为0 0 0 2米 秒 称为无风 唐朝诗人王维 使至塞上 诗句 大漠孤烟直 长河落日圆 描写的就是0级风景象 1级风风速是0 3 1 5米 秒 称为软风 每级风风速包含的数字范围自下而上逐渐增大 如3级风风速为3 4 5 4米 秒 称为微风 上下相差2 0米 秒 4级风风速为5 5 7 9米 秒 称为和风 上下相差2 4米 秒 蒲福创立的风级 具有科学 精确 通俗 适用等特点 已为各国气象界及整个科学界认可并采用 蒲福之后 蒲福风力等级 几经修订补充 现已扩展为18个等级 如12级风 即现在所说的达到台风标准的风 风速是32 7 36 9米 秒 海面浪高一般为14 0米 征象是 海浪滔天 陆上极少 其摧毁力极大 13级以上的风 浪高及海陆征象就很难表达了 最高一级 17级风的风速是56 1 61 2米 秒 17级以上的风速 极为罕见 但也绝非未出现过 只是现在还没有制订出衡量它们级别的标准 风向指的是风的来向 风力指的是风的强弱 风向风力符号解 电视天气预报图中一般用带尾羽的箭头来表示风向风力 尾羽的数目和形状表示风力 如 根尾羽表示 级风 跟尾羽表示 级风 尾羽呈三角旗状 则表示风力为 级或 级以上 风力最多12级 风杆 风尾 每一道尾羽代表风力2级 风杆与风尾一起指示风向 表示风力8级或8级以上 西北风6级 东南风7级 请判断出符号所代表的风向风力 北风 4级 东风 6级 南风 2级 西风 5级 东北风 8级 东南风 10级 西南风 12级 你喜欢什么样的空气 A B 风玫瑰 图也叫风向频率玫瑰图 它是根据某一地区多年平均统计的各个方风向和风速的百分数值 并按一定比例绘制 一般多用八个或十六个罗盘方位表示 如图 由于该图的形状形似玫瑰花朵 故名 风玫瑰 玫瑰图上所表示风的吹向 即风的来向 是指从外面吹向地区中心的方向 一 气压大气是有重量的 它施加于地面的压力称为气压 气压的单位以毫米水银柱高 mm 或毫巴 mb 表示 单位面积上承受大气柱的重量是产生气压的原因 随着海拔高度的上升 大气柱的重量减少 所以气压随高度升高而降低 气压随高度变化的实际情况与气温和气压条件有关 1 在气压相同的条件下 气柱温度愈高 单位气压高度差愈大 气压垂直梯度愈小 因此 当空气受热状况有差异时 暖区的气压垂直梯度比冷区小 2 在相同气温下 气压愈高 单位气压高度差愈小 气压垂直梯度愈大 因此 在地面的高气压区 气压随海拔高度上升很快降低 上空往往出现高空低压 基于这两点 在地面受热较强的暖区 地面气压常比周围低 而高空气压往往比同一海拔高度的邻区高 在地面热量损失较多的冷区 地面气压常比周围高 而高空气压往往比周围低 由于热力和动力的原因 在同一水平面上气压的分布是不均匀的 高气压 低气压 地面 热 地面冷热不均形成的空气环流 叫热力环流热力环流 是大气运动的最基本形式 二 空气的水平运动 风 气压的水平分布不均匀产生气压梯度力 从而引起空气运动 空气一旦开始运动就立即会受到地转偏向力 惯性离心力和摩擦力的影响 1 水平气压梯度力 风的产生首先是由于存在着水平气压梯度力 由于气压在空间分布不均 便产生一个从高压指向低压的力 这就是气压梯度力 水平气压梯度力虽然很小 但没有受到任何力的抵消 在长时间里会使空气运动产生加速度 这种加速度可以用全球水平气压的平均梯度 G 1mb 100km 求出 水平面上存在着气压梯度 就产生了促使大气由高压区流向低压区的力 叫水平气压梯度力 1 水平气压梯度力 a 垂直于等压线 b 由高压指向低压 2 地转偏向力地球自转的角速度分为垂直和水平两个方向的分量 水平方向分量对地球上任何作水平运动的物体产生一个与其运动方向相垂直的作用力 这就是地转偏向力F 它的大小为F 2mvwsinj式中 m为运动物体质量 v为物体水平运动速度 w为地球自转角速度 为0 000073弧度 秒 j为地理纬度 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 当空气在气压梯度力作用下运动时 地转偏向力使气流产生偏向 在北半球 气流偏向运动方向的右方 在南半球 气流偏向左方 作用于相同质量和速度但在不同地点运动的物体的地转偏向力的大小是不同的 在赤道为零 随纬度的增高偏向力加大 在两极达最大值 38 在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风 北半球高空 百帕 10001005101010151020 气压梯度力 地转偏向力 风向 气压梯度力 地转偏向力 风向 3 摩擦力水平气压梯度力使空气运动产生加速度 但风速加大总是有限度的 因为处于运动状态不同的气层之间 空气和地面之间都会相互发生作用 对气流运动产生阻力 气层之间产生的阻力 称为内摩擦力 地面对气流运动产生的阻力 叫外摩擦力 摩擦力总是和运动的方向相反 摩擦力的存在限制了风速的加大 地转偏向力 地面摩擦力 与空气运动方向相反 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 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 二力平衡 风向平行于等压线 三种力共同作用下 风向斜穿等压线 与空气的运动方向相反 空气产生水平运动的原动力 总结 1 以上三种力对气流运动的意义并不是等同的 在一定条件下 可以忽略某些力的作用 例如 在高空自由大气中 摩擦力可以忽略不计 起作用的主要是气压梯度力和地转偏向力 当这两种力平衡时 就形成地转风 高空风近似于地转风 它的方向与等压线平行 背风而立 在北半球是高压在右 低压在左 在南半球是高压在左 低压在右 即风压定律 在近地面气层中 必须考虑摩擦力对空气运动的作用 摩擦力降低了风速 削弱了地转偏向力的作用 使风向与等压线出现一定交角 2 以上三种力的作用使气流运动具有一定的方向和速度 风可以用风向和风速来描述 风向指气流的来向 它表明风的性质 对天气有直接影响 例如 在北半球 北风表示气流从北方来 会引起气温降低 南风表示气流从南方来 会导致天气转暖 根据风速的大小 可将风力划分为12级 有些国家增为17级 从风力征象 可估算出相应的风级 从天气预报中的风力等级 也可以知道风力征象 二 空气的垂直运动1 垂直运动的成因和类型大气气团受力 重力 浮力重力 浮力 静力平衡重力 浮力 产生垂直运动 1 对流运动热力对流 下垫面局部受热不均匀引起的对流动力对流 因地形强迫抬升 或锋面抬升以及系统性辐合上升运动引起的对流 2 系统性垂直运动 风速相等 但风向不同 风向某一地区汇合 将造成该地区空气质量堆积 水平辐合风向从某一地区向外疏散 使该地区空气质量疏散 水平辐散 风向相同 但风速不等在同一方向上 若前面的风速小于后面的风速 则会在该区域出现空气质量堆积 水平辐合 反之 为水平辐散 低层水平辐合必然伴随有上升运动 低层水平辐散必然伴随有下沉运动 2 垂直运动过程中空气性质与状态的变化 1 干空气的绝热变化干绝热直减率 干空气在绝热升降过程中 每上升 或下沉 100m温度降低 或升高 的度数 2 湿空气的绝热变化未饱和湿空气绝热上升到饱和状态的高度 称为凝结高度 凝结高度以下 按干绝热直减率变化凝结高度以上 水汽凝结 释放凝结潜热 温度随高度降低的速率要比干绝热直减率小 按湿绝热直减率变化 100m或0 6 100m 四 大气的稳定度稳定 气块移动后 大气层结使它减速 并有返回原来位置的趋势不稳定 气块移动后 大气层结使它加速 并有远离原来位置的趋势中性 气块移动后 大气层结后既不使它加速也不使它减速鉴别方法 气块法气块A 稳定 气块B 中性 气块C 不稳定 五 大气中的逆温逆温层好像一个盖子 阻挡水汽和尘埃等向上传送 近地面有逆温时 易产生雾 毛毛雨或低云等天气 当逆温出现在空中某高度时 抬升运动引起的上升气流很难突破它 而在其下形成层状云 问1 日本的 汽球炸弹 怎么飞到了美国 问2 为什么在20 25 处沙漠的面积广大 鲁卜哈利沙漠内夫得沙漠 塔尔沙漠 纳米布沙漠 澳大利亚西部大沙漠 阿塔卡马沙漠 撒哈拉沙漠 问题3 南极上空怎么会有人类释放的破坏臭氧的物质 1 大气环流的概念 全球性的有规律的大气运动 2 作用 促进高低纬度间 海陆间的热量和水汽交换 促进了地球上的水量平衡和热量平衡 探究问题 地球的大气到底是怎样有规律的运动的 二 大气环流 BAC 等压线 假设1 地球不自转2 地表性质均一3 太阳直射赤道 不移动 思考 地球表面什么地方受热较多 地球表面什么地方受热较少 动手 请大家做出这种情况下形成的环流圈 高低纬间热量差异 单圈环流 总结 冷热不均产生了赤道低压带和极地高压带 故成因为热力因素所致 理想状态下的地球表面的 单圈环流 2 地表性质均一3 太阳直射赤道 不移动 1 地球不自转 假设 地球自转 有地转偏向力的影响 副热带高压带 副热带高压带 副热带高压带 副极地低压带 三圈环流 思考 副热带高气压带和副极地低气压带是否为热力因素所致 副热带高压带 副极地低压带 副热带高压带 副极地低压带 赤道低压带 副热带高压带 副热带高压带 副极地低压带 副极地低压带 极地高压带 极地高压带 东 南 信 风 盛 行 西 风 极地东风 地球上的气压带 7个 和风带 6个 假设1 地球表面性质均一2 太阳直射赤道 不移动 赤道 南极圈 南回归线 北回归线 北极圈 太阳位置 低压带 高压带 春分日秋分日 夏至日 冬至日 假设1 地球表面性质均一 2 太阳直射赤道 不移动 A B C 气压带和风带 课后思考 如果把 地球表面性质均一 这个假设否定掉 我们地球表面的大气应该是一种什么状况 1 在地球上气压带和风带的分布图中 有两股冷暖性质不同的气流相遇的地带 它出现在 A 赤道附近B 南北纬30 附近C 南北纬60 附近D 极地附近 2 在南北纬30 附近形成副热带高气压带的原因是 A 空气在这一带大量收缩下沉B 近地面气压较低 使高空空气下沉补充C 由赤道上空流来的空气在南北纬30 附近上空聚积产生下沉气流D 空气受热膨胀 产生上升气流 c c 巩固练习 4 形成三圈环流的因素有 A 太阳辐射对各纬度加热的不均匀B 地球自转偏向力C 海陆热力性质差异D 气压带 风带的季节移动 5 我国南极中山站的五星红旗常年是 A 向东飘扬B 向西北飘扬C 向南飘扬D 向东南飘扬 AB B 3 关于大气环流的叙述正确的是 A 三圈环流的近地面除中纬度是西风外 高纬和低纬都是东风 B 副热带下沉气流和副极地上升气流都是热力作用形成的 C 三圈环流包括低纬环流 高纬环流和季风环流 A 季风 一 季风的概念 大范围地区盛行风向和气压系统明显的季节变化 并且天气 气候也随之发生明显的变化 存在冬 夏风向的季节性反转和干 湿期的季节性交替 大范围地区盛行风向明显的季节变化 定义 特点 盛行风向随着季节变化而有很大差异 甚至接近相反 两种季风各有不同的源地 其气团的性质有根本的不同 能给天气现象造成明显不同的季节性差异 类型 赤道季风 热带季风 东亚季风 副热带季风 温带季风 赤道季风 地理位置 赤道非洲 印度南部 斯里兰卡 印度尼西亚 马来西亚一带 纬度很低 接近赤道 气候特点 有明显的雨季和旱季 全年炎热 热带季风 地理位置 南亚和东南亚 北回归线以南 气候特点 有明显的雨季和旱季 冬夏已有明显的温度差别 但不大 夏季受来自南半球的西南季风的直接影响 东亚季风 副热带季风区和温带季风区 地理位置 亚洲南部 气候特点 冬夏温度差异明显 最冷月和最热月平均温差至少20度以上 有明显的雨季 雨季主要是由于东南季风和冬季风相互作用造成的 副热带季风区 雨季主要在初夏和秋季 即夏季风在进退过程中前沿经过该区域 最冷月平均气温在2 10 气温年较差为20 28 年降水量约大于800mm 温带季风区 雨季主要在盛夏 即夏季风的鼎盛时期 温度比副热带季风区更低 年较差更大 年降水量少于800mm 中国的季风分布状况 热带季风区 东区 两广 江西南部 福建 西区 西藏南部 云南 副热带季风区 东区 湖南 北 安徽 江苏 上海 浙江 西区 青海南部 四川大部 陕南 甘肃南部 温带季风区 甘肃中西部地区 陕西中部和北部 东北三省 内蒙东部 华北 印度季风与中国东部季风的差异 印度冬季风弱于夏季风 中国东部季风区则相反 印度降水集中在夏季风最强的季节 中国东部季风区降水集中在夏季风最盛之前 二 东亚季风 成因 海陆冬夏热力差异 主要成因 青藏高原的影响 陆地 相对于海洋 冬季温度低冷高压夏季温度高热低压 二 南亚季风 成因 行星风带的季节性移动 三 局地环流1 定义 行星风系 季风风系都是在大范围气压场控制下的大气环流 由于局部环境影响 如地形起伏 地表受热不均等等引起的小范围气流 称局地环流 局地环流虽然不能改变大范围气流的总趋势 但对小范围的气候却有很大的影响 2 主要类型 1