第四章第二节(2011级用)

1、4.2 大气的水平大气的水平 运动运动 大气运动在地球环境的形成中有重要的作用。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大尺度的空气环流将热量热量从能量盈余的低纬地区输从能量盈余的低纬地区输 向能量亏损的高纬地区。气流的运动还将向能量亏损的高纬地区。气流的运动还将水分水分充足充足 地区，如海面和热带潮湿地区输送到其他地区。盛地区，如海面和热带潮湿地区输送到其他地区。盛 行气流是形成行气流是形成天气和气候天气和气候的重要因素。大气运动决的重要因素。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。植物群

2、落乃至人类生活。 4.2 4.2 大气的水平运动大气的水平运动 大气为什么会运动大气为什么会运动 大气运动的主要方式大气运动的主要方式 大气运动的基本规律大气运动的基本规律 作用于大气的力作用于大气的力 大气的水平运动大气的水平运动 大气环流大气环流 4.2 4.2 大气的水平运动大气的水平运动 一、一、作用于大气的力作用于大气的力 二、二、自由大气中空气的水平运动自由大气中空气的水平运动 三、摩擦层中空气的水平运动三、摩擦层中空气的水平运动 一、作用于大气的力一、作用于大气的力 作用于大气的力可分为两类：作用于大气的力可分为两类： 真正作用于大气的力真正作用于大气的力牛顿力牛顿力/ /基本力

3、，如基本力，如气压气压 梯度力梯度力、地心引力地心引力、摩擦力摩擦力等；等； 惯性力，如惯性力，如地转偏向力地转偏向力、惯性离心力惯性离心力等。等。 4.2 4.2 大气的水平运动大气的水平运动 一、作用于大气的力（定义、大小和方向）一、作用于大气的力（定义、大小和方向） 1 1、气压梯度力、气压梯度力 2 2、摩擦力、摩擦力 3 3、地心引力、地心引力 4 4、惯性离心力、惯性离心力 5 5、地转偏向力、地转偏向力 1、气压梯度力、气压梯度力(pressure gradient force ) 1 1）定义：由于气压分布不均匀，而作用在单位质）定义：由于气压分布不均匀，而作用在单位质 量空气

4、上的力。量空气上的力。 2 2）表达式表达式 3 3）大小和方向大小和方向 x P x x P P P xy z x y z x轴方向所受大气净压力轴方向所受大气净压力: zyx x P zyx x P PzyP )( 同理，同理，y 轴方向轴方向: : zyx y P z 轴方向轴方向: : zyx z P 气块所受的大气净压力气块所受的大气净压力: : zyxPzyxk z P j y P i x P )( 气压梯度力：气压梯度力： PG 1 v气压梯度力各分量气压梯度力各分量 水平气压梯度力水平气压梯度力 垂直气压梯度力垂直气压梯度力 j y P Gy 1 k z P Gz 1 i x

5、P Gx 1 n P Gn 1 v大小大小 与空气的密度成反比与空气的密度成反比 与气压梯度成正比与气压梯度成正比 v气压梯度：由于气压分布不均，作用在单位体积气块气压梯度：由于气压分布不均，作用在单位体积气块 上的大气净压力。上的大气净压力。 v 水平气压梯度与水平气压梯度力；水平气压梯度与水平气压梯度力； v 垂直气压梯度与垂直气压梯度力。垂直气压梯度与垂直气压梯度力。 1000hpa 1005hpa 1010hpa 气压梯度力气压梯度力由于气压分布不均，而产由于气压分布不均，而产 生在单位质量空气块上的大气净压力。生在单位质量空气块上的大气净压力。 1.水平气压水平气压 梯度力梯度力 a

6、. 垂直于垂直于 等压线等压线 b .b .由高压由高压 指向低压指向低压 2、摩擦力、摩擦力 v两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一 种阻碍物体运动的力。大气运动中所受到的摩擦力一般分为种阻碍物体运动的力。大气运动中所受到的摩擦力一般分为 内摩擦力内摩擦力和和外摩擦力外摩擦力。 v内摩擦力内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层 之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使 气流速度发生改变，也称湍流摩擦力。其

7、数值很小，往往不气流速度发生改变，也称湍流摩擦力。其数值很小，往往不 予考虑。予考虑。 v外摩擦力外摩擦力是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空气运动的阻是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空气运动的阻 力。它的力。它的方向方向与空气运动方向相反，与空气运动方向相反，大小大小与空气运动的速度与空气运动的速度 和摩擦系数成正比。和摩擦系数成正比。 3 3、地心引力、地心引力 v地球对单位质量空气的引力（地心引力）地球对单位质量空气的引力（地心引力） v地心引力和重力地心引力和重力 4 4、惯性离心力、惯性离心力 1 1）性质）性质惯性力惯性力 惯性坐标系和非惯性坐标系、惯性力；惯性坐标系和非惯性坐标系、

8、惯性力； 对于一个匀角速转动的非惯性坐标系而言，惯性力有两个：惯性离心力和地转对于一个匀角速转动的非惯性坐标系而言，惯性力有两个：惯性离心力和地转 偏向力。偏向力。 2 2）大小）大小2 2R R 或或V V2 2/R/R 3 3）方向）方向沿曲率半径方向指向外沿曲率半径方向指向外 4 4）地球上的惯性离心力）地球上的惯性离心力 当以地球为参照系时，地球上每一个静止的物体都受到一惯性离心力的作用。当以地球为参照系时，地球上每一个静止的物体都受到一惯性离心力的作用。 重力：地心引力与惯性离心力之和。重力：地心引力与惯性离心力之和。 v vv v tt v )( R R v dt d dt vd

9、)( R R v Rv )( 2 R R R dt vd R 2 Ra 2 向 R RC 2 惯性离心力的大小与旋转角速度的平方成正比，与曲率半径成正比惯性离心力的大小与旋转角速度的平方成正比，与曲率半径成正比 惯性离心力的的方向沿曲率半径方向（指向外）惯性离心力的的方向沿曲率半径方向（指向外） 对大气运动影响的表现：对大气运动影响的表现： 地球自转角速度的存在重力地心引力惯性离心力：地球自转角速度的存在重力地心引力惯性离心力： 大气在水平方向上做匀速曲线运动时。大气在水平方向上做匀速曲线运动时。 5、地转偏向力、地转偏向力 v因地球绕自身轴转动而产生的因地球绕自身轴转动而产生的惯性力惯性力称

10、为地称为地 转偏向力或科里奥利力。转偏向力或科里奥利力。 v在在大尺度的空气运动大尺度的空气运动中，地转偏向力是一个中，地转偏向力是一个 非常重要的力。非常重要的力。 VtOA tAAO 2 2 2 1 at tV AAOOA AA Va2 VA2 1 1）地转偏向力的大小）地转偏向力的大小 sin2VA sin2f 2 2）地转偏向力的方向）地转偏向力的方向 v北半球右偏北半球右偏 v南半球左偏南半球左偏 v赤道不偏（地转偏向力为零）赤道不偏（地转偏向力为零） 空气运动方向空气运动方向 地转偏向力（北半球）地转偏向力（北半球） a.a.垂直于空气的运动垂直于空气的运动 方向方向( (即风向即

11、风向) ) ； b.b.北半球向右偏，北半球向右偏， 南半球向左偏；南半球向左偏； c.c.由低纬向由低纬向 高纬增大；高纬增大； 地转偏向力地转偏向力 地转偏向力地转偏向力 1000hpa 1005hpa 1010hpa （北半球）（北半球） 风向风向 地面摩擦力地面摩擦力 请依据图中风向，画出空气运动时的受力情况请依据图中风向，画出空气运动时的受力情况 水平气压水平气压 梯度力梯度力 小结小结 气压梯度力气压梯度力 地转偏向力地转偏向力 惯性离心力惯性离心力 惯性力惯性力 摩擦力摩擦力 真实力真实力 与空气运动与空气运动 速度有关速度有关 原始动力原始动力 二、自由大气中空气的水平运动二、

12、自由大气中空气的水平运动 1 1、地转风、地转风 1 1）定义）定义 自由大气自由大气中，空气的中，空气的水平水平、匀速匀速、直线直线运动。运动。 即，空气在即，空气在水平气压梯度力水平气压梯度力和和地转偏向力地转偏向力达到达到 平衡时的一种定常运动。平衡时的一种定常运动。 2 2）形成和方向、风压定律）形成和方向、风压定律 24 在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风 （北半球）（北半球） （百帕）（百帕） 1000 1005 1010 1015 1020 气压梯度力气压梯度力 地转偏向力地转偏向力 风向风向 风场和气压风场和气压 场的关系？场的关系？

13、风压定律风压定律 风平行于等压线而吹，在北半球，背风平行于等压线而吹，在北半球，背 风而立，高压在右，低压在左，南半球则风而立，高压在右，低压在左，南半球则 高压在左，低压在右。高压在左，低压在右。 二、自由大气中空气的水平运动二、自由大气中空气的水平运动 1 1、地转风、地转风 3 3）大小）大小 v地转风计算公式的推导地转风计算公式的推导 v讨论讨论 与气压梯度成正比与气压梯度成正比 与纬度的正弦成反比与纬度的正弦成反比 二、自由大气中空气的水平运动二、自由大气中空气的水平运动 1、地转风、地转风 1）定义）定义 2）形成与方向）形成与方向风压定律风压定律 3）大小）大小 4）意义和局限性

14、）意义和局限性 2 2、梯度风、梯度风 1 1）定义）定义 气压梯度力气压梯度力、地转偏向力地转偏向力和和惯性离心力惯性离心力三力平三力平 衡时的一种空气运动。衡时的一种空气运动。 v自由大气中自由大气中 v匀速运动匀速运动 v曲线运动曲线运动 2）形成与方向）形成与方向 v低压中低压中 v高压中高压中 v梯度风和等压线平行，北半球，低压中空气作梯度风和等压线平行，北半球，低压中空气作 逆时针旋转，高压中作顺时针旋转。南半球相逆时针旋转，高压中作顺时针旋转。南半球相 反。反。 低低 3）大小）大小 v公式推导公式推导 低压低压中：中：G=A+C 高压高压中：中：G+C=A v讨论讨论 高压中风

15、速的限制；高压中风速的限制； 梯度风和地转风的比较：梯度风和地转风的比较： 在一定纬度、一定在一定纬度、一定G时，时，VacVgVc。 Ac=G-C Aac=G-C Ag=G 低压中：低压中： CAG r V V n P 2 )sin2( 1 0 1 )sin2( 1 2 n P VV r cc r n P r Vc 1 2 11 4)sin2(sin2 2 n Pr rrVc 2 )sin(sin 讨论讨论 n Pr rrVc 2 )sin(sin 高压中：高压中： ACG V r V n P )sin2( 1 2 0 1 )sin2( 1 2 n P VV r acac n Pr rrVa

16、c 2 )sin(sin 讨论：讨论：速度不能为负；速度不能为负； 与气压梯度为零时，速度为零；与气压梯度为零时，速度为零； 根号内不能为负值。根号内不能为负值。 n Pr rrVac 2 )sin(sin n Pr rrVac 2 )sin(sin 0)sin( 2 n Pr r 22 sin 1 r n P 高压周围的水平气压梯度力不可能无限大，这种限高压周围的水平气压梯度力不可能无限大，这种限 制与制与r有关。有关。 梯度风和地转风的比较梯度风和地转风的比较 v气压梯度的影响气压梯度的影响 气压梯度愈大，风速愈大气压梯度愈大，风速愈大 v曲率半径的影响曲率半径的影响 高压中、低压中高压中

17、、低压中 v高压、低压的比较高压、低压的比较 高压大于低压中的风速高压大于低压中的风速 4 4）地转风、梯度风的意义及局限性）地转风、梯度风的意义及局限性 v揭示了揭示了大尺度大尺度空气运动中风场和气压场之间一种最空气运动中风场和气压场之间一种最 简单最基本的关系，为研究大气运动，特别是大尺简单最基本的关系，为研究大气运动，特别是大尺 度大气的水平运动提供了度大气的水平运动提供了理论基础理论基础。在中纬度地区，。在中纬度地区， 地转风、梯度风与实际风非常相似。地转风、梯度风与实际风非常相似。 v实际自由大气中的空气运动和地转风、梯度风之间实际自由大气中的空气运动和地转风、梯度风之间 存在偏差。

18、存在偏差。 3 3、自由大气中风随高度的变化、自由大气中风随高度的变化 风场风场气压场气压场 风随高度变化风随高度变化 水平气压场在垂直方向上的变化水平气压场在垂直方向上的变化 水平气压场在垂直方向上的变化水平气压场在垂直方向上的变化 水平温度梯度的存在水平温度梯度的存在 自由大气中风随高度变化的原因自由大气中风随高度变化的原因 由于水平温度梯度的存在，而产生的由于水平温度梯度的存在，而产生的 地转风在垂直方向上的速度矢量差地转风在垂直方向上的速度矢量差热热 成风。成风。 v热成风的方向与等温线平行，北半球，背热成风而热成风的方向与等温线平行，北半球，背热成风而 立，高温区在右，低温区在左，南

19、半球相反。立，高温区在右，低温区在左，南半球相反。 v热成风的大小与水平温度梯度成正比，热成风的大小与水平温度梯度成正比， 与气层的厚度成正比。与气层的厚度成正比。 热成风的方向、大小？热成风的方向、大小？ 3 3、自由大气中风随高度的变化、自由大气中风随高度的变化 1 1）热成风的定义）热成风的定义 2 2）热成风的方向和大小）热成风的方向和大小 3 3）举例分析）举例分析 v等温线与等压线平行等温线与等压线平行温压场对称系统温压场对称系统 v等温线与等压线相交等温线与等压线相交温压场不对称系统温压场不对称系统 低空有暖平流时低空有暖平流时； 低空有冷平流时低空有冷平流时。 1000hpa

20、1005hpa 1010hpa 0 4 8 低空风向低空风向 热成风热成风 风向不变，风速增强风向不变，风速增强深厚系统深厚系统 1000hpa 1005hpa 1010hpa 8 4 0 低空风向低空风向 热成风热成风 风向不变，风速减小到零，转风向不变，风速减小到零，转 变为相反风向，风速增大变为相反风向，风速增大浅浅 薄系统。薄系统。 1000hpa 1005hpa 1010hpa 低空风向低空风向 0 4 8 热成风热成风 低空有 低空有暖平流暖平流时，风速增时，风速增 强，风向强，风向顺时针顺时针变化变化温压温压 场不对称系统场不对称系统 低空有 低空有冷平流冷平流时，风速增时，风速

21、增 强，风向强，风向逆时针逆时针变化变化温压温压 场不对称系统场不对称系统 1000hpa 1005hpa 1010hpa 低空风向低空风向 8 4 0 热成风热成风 热成风热成风 v由于水平温度梯度的存在，而产生的地转风在垂直方向上的速由于水平温度梯度的存在，而产生的地转风在垂直方向上的速 度矢量差度矢量差热成风。热成风。 v大小和方向大小和方向 热成风的大小与水平温度梯度成正比；与气层的厚度成正比。热成风的大小与水平温度梯度成正比；与气层的厚度成正比。 热成风的方向与等温线平行，北半球，背热成风而立，高温热成风的方向与等温线平行，北半球，背热成风而立，高温 区在右，低温区在左，南半球相反。区在右，低温区在左，南半球相反。 v在自由大气中，随着高度的增高，不论风向如何变化，高层风在自由大气