气象与气候学第三章

1、第三章 大气的空气动力特征2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院2第一节第一节 大气压强的时空分布及变化大气压强的时空分布及变化第二节第二节 空气的水平运动和垂直运动空气的水平运动和垂直运动第三节第三节 大气环流大气环流2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院3第一节第一节 大气压强的时空分布及变化大气压强的时空分布及变化1.1.气压的概念与基础知识气压的概念与基础知识 1.1 Def:1.1 Def: 指大气压强（指大气压强（pressure），是空气的分子运动与地球），是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果，即代表了大气压力的大小重力场综合作用的结果，即代表了大气压力

2、的大小. . 单位：单位：hPahPa( (取取0.1)0.1)； 1 1标准大气压标准大气压= =1013.25hPa=760mmHg1013.25hPa=760mmHg 1.2 P 1.2 P的变化规律：的变化规律： P= F/S = P= F/S = ghgh 气压值是随着海拔高度的增高而递减的。气压值是随着海拔高度的增高而递减的。 静力学方程静力学方程& &压高方程压高方程定量描述气压变化定量描述气压变化 2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院4静力学方程静力学方程：说明气压说明气压P P随高度递减的快慢取决于密度和重力加速度。随高度递减的快慢取决于密度和重力

3、加速度。其延伸公式其延伸公式： （气压高度差将其与温度和气压联系）（气压高度差将其与温度和气压联系） 1 1）T T一定时，高压（一定时，高压（G G）地区）地区P P向上递减的更快；反之，向上递减的更快；反之，D D地区向上递减较缓；地区向上递减较缓； 2 2）P P一定时，高温区一定时，高温区P P向上递减较慢；反之，低温区向上递减较慢；反之，低温区P P递递减较迅速。减较迅速。注意：注意：静力学方程使用的前提静力学方程使用的前提： 1 1）大气呈准静止状态；）大气呈准静止状态； 2 2）大气层中的）大气层中的T,PT,P变化不大。变化不大。d Pgd Z2021-12-12徐州师范大学

4、城市与环境学院5压高方程：压高方程： 表示表示P P随高度增加呈指数递减的规律。随高度增加呈指数递减的规律。 使用的前提使用的前提: :略略特例分析：特例分析：1 1）等温大气（）等温大气（isothermal atmosphere） 指温度恒定无变化的大气，一种理想状态。指温度恒定无变化的大气，一种理想状态。 仍是仍是指数递减指数递减规律。规律。0()00lngZZR TPR TPP egP0 即 ： Z-Z00ZZgdZRTPP e2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院62 2）多元大气）多元大气( (polytrophic atmosphere) ) 指温度直减率指温度直减率不

5、随高度变化的大气。不随高度变化的大气。 也呈也呈指数递减指数递减规律。规律。 实际大气与多元大气气压状况实际大气与多元大气气压状况接近，且等温大气比多元大气的气压接近，且等温大气比多元大气的气压递减的缓慢些。递减的缓慢些。00(1)gTZZPPT2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院7例题：例题： 已知海平面气压已知海平面气压P0=1013hPaP0=1013hPa，海平面气温为，海平面气温为1515，当时气温的直减率，当时气温的直减率为为0.6 /100m0.6 /100m，求海拔高度求海拔高度1500m1500m处的气压为多少？处的气压为多少？2021-12-12徐州师范大学 城

6、市与环境学院81.3 P1.3 P变化的起因：变化的起因： 主要是主要是热力因子热力因子和和动力因子动力因子两方面引起的。两方面引起的。热力因子热力因子温度升高或降低引起空气体积膨胀或收缩，温度升高或降低引起空气体积膨胀或收缩，以此会形成空气密度的变化；以此会形成空气密度的变化；动力因子动力因子大气运动引起空气质量变化，其动力过程大气运动引起空气质量变化，其动力过程有：有： a) a)水平气流的辐散或辐合；水平气流的辐散或辐合； b)b)不同密度气团的移动；不同密度气团的移动； c)c)空气的垂直运动。空气的垂直运动。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院92.2.气压气压P P的时

7、间变化特征的时间变化特征2.12.1周期性变化周期性变化 1)1)地面地面P P的的日变化日变化特征：特征： 有单峰、双峰和三峰等形式，其中以双峰为普遍。有单峰、双峰和三峰等形式，其中以双峰为普遍。一日之内，有一个一日之内，有一个max,max,次次max,max,还还有一个有一个minmin和次和次min.min. 一般是清晨一般是清晨P P开始上升，到开始上升，到9-9-1010时达到时达到maxmax，以后，以后P P开始下降，开始下降，到到15-1615-16时出现时出现minmin；此后又开始；此后又开始升，约至晚升，约至晚21-2221-22时出现次时出现次maxmax，再度下降，

8、到次日再度下降，到次日3-43-4时出现次时出现次min.min. 热带地区热带地区P P日变化最为明显；日变化最为明显；随纬度升高，随纬度升高，P P日较差幅度减小。日较差幅度减小。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院102)P2)P年变化年变化： 以年为周期波动，主要是受以年为周期波动，主要是受T T影响，其次由地理因影响，其次由地理因素差异影响。素差异影响。陆地陆地：maxmax出现在冬季，出现在冬季，minmin出现在夏季；气压年较差较出现在夏季；气压年较差较大，由低纬向高纬逐渐增大。大，由低纬向高纬逐渐增大。海洋海洋：maxmax出现在夏季，出现在夏季，minmin出现在

9、冬季；气压年较差比出现在冬季；气压年较差比同纬度的陆地要小。同纬度的陆地要小。2.2 2.2 非周期性变化非周期性变化 主要是气压系统移动和演变的结果，比如气团、主要是气压系统移动和演变的结果，比如气团、锋面活动等等。锋面活动等等。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院113.3.气压气压P P的空间分布特征的空间分布特征3.1 3.1 气压场概述气压场概述 气压的空间分布称为气压场（气压的空间分布称为气压场（field of pressure）。）。可用可用等压线等压线/ /面面或用或用等高线等高线来描绘气压场状况。来描绘气压场状况。1 1）等压线）等压线 指同一水平面上，气压相等

10、的点的连线，一般多指同一水平面上，气压相等的点的连线，一般多用在海平面图上（每用在海平面图上（每间隔间隔2.5hpa2.5hpa绘制一条等压线（如：绘制一条等压线（如：2.5hpa2.5hpa，5hpa5hpa，7.5hpa7.5hpa），并构成气压水平分布），并构成气压水平分布图）。等压线的形状及疏密程度反映着水平方向上的图）。等压线的形状及疏密程度反映着水平方向上的气压分布形势。气压分布形势。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院12海平面气压图海平面气压图: 将各气象站将各气象站同一时刻测得的同一时刻测得的本站气压，订正本站气压，订正到海平面气压值，到海平面气压值，然后填在图上

11、，然后填在图上，再把气压值相等再把气压值相等的点用平滑的曲的点用平滑的曲线连接起来，便线连接起来，便得海平面等压线得海平面等压线图。图。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院132021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院142 2）等压面）等压面 空气气压相等的点组成的一个面，称之为等压面。空气气压相等的点组成的一个面，称之为等压面。则则在该面上的点位的在该面上的点位的P P值均相等；此面以上的点位的值均相等；此面以上的点位的P P值均小于该面上点位的值均小于该面上点位的P P值；此面以下的点位的值；此面以下的点位的P P值均值均大于该等压面的大于该等压面的P P值。值。 注意

12、：注意： 等压面上各点的气压值虽等压面上各点的气压值虽都相等（如上都相等（如上700hpa700hpa等压面），等压面），但各点却不一定处在同一海拔但各点却不一定处在同一海拔高度上（不为同一高度）。高度上（不为同一高度）。所以等压面不一定就是水平面，所以等压面不一定就是水平面，很可能会有起伏：很可能会有起伏：上凸部位对应水平面上气压高上凸部位对应水平面上气压高的部位；下凸部位对应水平面的部位；下凸部位对应水平面气压低的部位。气压低的部位。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院153 3）等高线）等高线 位势高度位势高度指单位质量的物体从海平面（位势为指单位质量的物体从海平面（位势为0

13、 0）抬升到抬升到Z Z高度时，克服重力所作的功，又称为重力位势。高度时，克服重力所作的功，又称为重力位势。 单位为：位势米。单位为：位势米。 1 1位势米位势米=9.8J/Kg=9.8J/Kg 则则位势高度位势高度H H与与几何高度几何高度Z Z的的关系关系为：为： A) A) 位势高度位势高度H H是单位质量物体从海平面上升到几何高是单位质量物体从海平面上升到几何高度度Z Z时克服重力所作的功，是一种以能量来表示的时克服重力所作的功，是一种以能量来表示的“高高度度”； B)HB)H是一种能量的单位；而几何高度仅指几何位置的是一种能量的单位；而几何高度仅指几何位置的差异，长度单位。差异，长度

14、单位。 C) C)两者的定量关系为：两者的定量关系为：H=Z * g/9.82021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院16 日常天气分析中用的等压面绝对形势图（用日常天气分析中用的等压面绝对形势图（用ATAT表示）有：表示）有：850hPa850hPa等压面图（等压面图（ATAT850850图图）平均位势高度约为）平均位势高度约为15001500位势米左右位势米左右700hPa700hPa等压面图（等压面图（ATAT700700图图）平均位势高度约为）平均位势高度约为30003000位势米左右位势米左右500hPa500hPa等压面图（等压面图（ATAT500500图图）平均位势高度约为

15、）平均位势高度约为55005500位势米左右位势米左右300hPa300hPa等压面图（等压面图（ATAT300300图）平均位势高度约为图）平均位势高度约为90009000位势米左右位势米左右200hPa200hPa等压面图（等压面图（ATAT200200图）平均位势高度约为图）平均位势高度约为1200012000位势米左右位势米左右100hPa100hPa等压面图（等压面图（ATAT100100图）平均位势高度约为图）平均位势高度约为1600016000位势米左右位势米左右注：一般高空图用等压面图（等高线图）表示；注：一般高空图用等压面图（等高线图）表示； 除此之外，还要分析地面图（海平面

16、气压图，等压线图）。除此之外，还要分析地面图（海平面气压图，等压线图）。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院17 等压面图上必需分析的项目有等压面图上必需分析的项目有等高线、等温线、槽等高线、等温线、槽线、切变线线、切变线；并标注；并标注高、低位势中心高、低位势中心及及冷、暖中心冷、暖中心。另。另外根据需要还可分析湿度平流和温度平流等。外根据需要还可分析湿度平流和温度平流等。 ： 黑色铅笔，实线（黑色铅笔，实线（）；）； 每隔每隔4040位势米分析一条位势米分析一条; ; （AT850AT850上分析上分析144144，148148，152152 AT700AT700上分析上分析2

17、96,300,304296,300,304 AT500AT500上分析上分析552,556,560552,556,560） 不闭合线要画到图边，并在两头标注位势米数；不闭合线要画到图边，并在两头标注位势米数； 闭合线要在正北方与纬圈平行方向标注位势米数；闭合线要在正北方与纬圈平行方向标注位势米数； 高位势中心标高位势中心标“H”H”（蓝色）（蓝色）; ; 低位势中心标低位势中心标“L”L”（红色）（红色）. . 2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院18 地面天气图（海平面气压场）必需要分析的项目地面天气图（海平面气压场）必需要分析的项目有：各气象要素的符号填写、等压线分析、气压系统

18、有：各气象要素的符号填写、等压线分析、气压系统的标注、等变压线分析、天气现象的标注以及锋线和的标注、等变压线分析、天气现象的标注以及锋线和台风活动分析。台风活动分析。： 黑色铅笔，实现（黑色铅笔，实现（）；）； 每隔每隔2.5hPa2.5hPa分析一条；分析一条； 不闭合线要画到图边，标注气压值不闭合线要画到图边，标注气压值; ; 闭合线要在正北方与纬圈平行方向标注气压值；闭合线要在正北方与纬圈平行方向标注气压值； （如（如995.0,997.5,1000.0,1002.5,1005.0995.0,997.5,1000.0,1002.5,1005.0） 高压中心标高压中心标“G”G”（蓝色）（

19、蓝色）; ;低压中心标低压中心标“D”D”（红色）。（红色）。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院192021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院202021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院212021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院222021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院233.2 3.2 气压场的基本形式（即气压系统）：气压场的基本形式（即气压系统）：1 1）低气压（）低气压（D D） 由闭合等压线构成的低压区，中心气压值低，向由闭合等压线构成的低压区，中心气压值低，向外逐渐增高。外逐渐增高。 对应等压面的下凹部位，即对应高空图上的等位对应等压面

20、的下凹部位，即对应高空图上的等位势高度的低值中心。势高度的低值中心。 天气情况天气情况空气向中心辐合，气流上升，天气多阴雨。空气向中心辐合，气流上升，天气多阴雨。2 2）高气压（）高气压（G G） 由闭合等压线构成的高压区，中心气压值高，向由闭合等压线构成的高压区，中心气压值高，向外逐渐降低。外逐渐降低。 对应等压面的上凸部位，即对应高空图中的等位对应等压面的上凸部位，即对应高空图中的等位势高度的高值中心。势高度的高值中心。 天气情况天气情况空气向四周辐散，中心气流下沉，多晴朗。空气向四周辐散，中心气流下沉，多晴朗。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院243 3）低压槽）低压槽：

21、低压延伸出来的狭长区域，对应等压面的类似于低压延伸出来的狭长区域，对应等压面的类似于谷地状部位。谷地状部位。 在图中常用槽线标识位置。在图中常用槽线标识位置。槽线槽线指槽中各等压线指槽中各等压线弯曲度最大处的连线。弯曲度最大处的连线。槽线主要有槽线主要有2 2大类：竖槽（南北槽）和横槽（东西槽）。大类：竖槽（南北槽）和横槽（东西槽）。 天气天气槽线上气压值低，空气向槽内辐合上升。槽线上气压值低，空气向槽内辐合上升。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院254 4）高压脊）高压脊 高压延伸出来的狭长区域，对应等压面的类似于高压延伸出来的狭长区域，对应等压面的类似于山脊状部位。山脊状部位

22、。 其位置常用脊线标识。其位置常用脊线标识。脊线脊线也指高压脊中各等压也指高压脊中各等压线弯曲度最大处的连线。线弯曲度最大处的连线。 天气天气脊线处空气向外辐散，对应晴好。脊线处空气向外辐散，对应晴好。5 5）鞍形气压场（鞍形场）鞍形气压场（鞍形场） 由两高压和两低压交错相对分布的中间区域，形由两高压和两低压交错相对分布的中间区域，形状类似于马鞍。鞍形场对应等压面上如同马鞍的立体状类似于马鞍。鞍形场对应等压面上如同马鞍的立体状。状。 一种特殊状态的系统一种特殊状态的系统，多见于冬季，当低纬切断，多见于冬季，当低纬切断D D和高纬阻和高纬阻塞塞G G势均力敌同时长期盘踞控制时，多呈现此气压场分布

23、状况。势均力敌同时长期盘踞控制时，多呈现此气压场分布状况。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院262021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院273.3 3.3 气压系统的空间结构气压系统的空间结构 气压系统在静力平衡条件下，与温度场分布状况气压系统在静力平衡条件下，与温度场分布状况密切相关。因此气压系统的空间结构由于与温度场的密切相关。因此气压系统的空间结构由于与温度场的配置不同而出现差异。配置不同而出现差异。 其空间结构特征主要分为：其空间结构特征主要分为： 温压场对称系统温压场对称系统和和温温压场不对称系统压场不对称系统两大类。两大类。1 1）温压场对称系统）温压场对称系

24、统 指温度场与气压场配置重合（即指温度场与气压场配置重合（即N N、L L中心分别与中心分别与G G、D D中心重合）的系统。中心重合）的系统。 具体形式有：暖高（具体形式有：暖高（NGNG）、冷低（）、冷低（LDLD）、暖低（）、暖低（N ND D）、冷高（）、冷高（LGLG） 其其特征特征为：该系统中水平面上等温线与等压线基本平行为：该系统中水平面上等温线与等压线基本平行2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院28NGNG: G: G的等压面凸起程度随的等压面凸起程度随h h而而 ，即，即暖高压的强度越向暖高压的强度越向高空越强高空越强；LDLD: D: D的等压面凹陷程度随的等压

25、面凹陷程度随h h而而，即，即冷低压的强度越向冷低压的强度越向高空越强高空越强。以此，将以此，将NGNG和和LDLD称为称为深厚系统深厚系统NDND: D: D的等压面凹陷程度随的等压面凹陷程度随h h而而，甚至趋于消失；，甚至趋于消失；LGLG：G G的等压面凸起程度随的等压面凸起程度随h h而而，也甚至趋于消失。，也甚至趋于消失。以此，将以此，将NDND和和LGLG称为称为浅薄系统浅薄系统2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院292 2）温压场不对称系统）温压场不对称系统 指地面的指地面的G G、D D系统中心同温度场的系统中心同温度场的L L、N N中心配置中心配置不重合的系统

26、，通常这种气压中心轴线是会发生偏斜不重合的系统，通常这种气压中心轴线是会发生偏斜的。的。 地面地面D D中心轴线中心轴线随随h h不断向不断向L L区倾斜；区倾斜；G G中心轴线中心轴线随随h h向向N N区倾斜。区倾斜。 实际中，绝大多数气压系统的温压场配置是不对称的。实际中，绝大多数气压系统的温压场配置是不对称的。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院30小结小结P P变化变化2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院31第一节第一节 大气压强的时空分布及变化大气压强的时空分布及变化第二节第二节 空气的水平运动和垂直运动空气的水平运动和垂直运动第三节第三节 大气环流大气环流

27、2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院32第二节第二节 空气的水平运动和垂直运动空气的水平运动和垂直运动 大气的运动包括水平运动和垂直运动。将垂直运大气的运动包括水平运动和垂直运动。将垂直运动为主的空气称为上升动为主的空气称为上升/ /下降气流，与水平运动相比，下降气流，与水平运动相比，垂直运动的范围、持续时间均相对狭窄短暂，因此考垂直运动的范围、持续时间均相对狭窄短暂，因此考虑大气运动，主要针对水平运动而言。虑大气运动，主要针对水平运动而言。 地气系统物质与能量的输送和交换，也主要是通地气系统物质与能量的输送和交换，也主要是通过空气的水平运动来完成的。过空气的水平运动来完成的。 空

28、气水平方向产生运动，就形成了风空气水平方向产生运动，就形成了风（wind）. .而产生运动的而产生运动的根本原因根本原因是就是是就是空气受到了力的作用空气受到了力的作用。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院331.1.作用于空气的力作用于空气的力 除重力外，作用在空气块上的力（对水平运动有利的）除重力外，作用在空气块上的力（对水平运动有利的）有：有：气压梯度力、地转偏向力、摩擦力和惯性离心力气压梯度力、地转偏向力、摩擦力和惯性离心力四种。四种。1.1 1.1 气压梯度力气压梯度力 指由于气压分布不均而产生的力指由于气压分布不均而产生的力( (在气压梯度存在时，在气压梯度存在时，单位

29、质量的空气所受到的力单位质量的空气所受到的力) )。 气压梯度气压梯度 的的DefDef，特征特征。GNG 1PGN 2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院34 气压气压梯度的大小1005hpa1002.5hpa1000hpaA等压线稀疏，单位距离等压线稀疏，单位距离内气压差异小内气压差异小(气压梯度气压梯度小小)等压线密集，单位距离等压线密集，单位距离内气压差异大内气压差异大(气压梯度气压梯度大大)气压梯度的方向气压梯度的方向由高压指向低压由高压指向低压B B2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院35总结：总结： 大小大小与与 有关，和空气密度有关，和空气密度有关。有关。

30、 且等压线越密，且等压线越密， 越大。越大。 方向方向垂直于等压线（面），由垂直于等压线（面），由GDGD。 作用作用是大气水平运动的基本动力源。是大气水平运动的基本动力源。GNG G2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院362021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院371.2 1.2 地转偏向力（科氏力）地转偏向力（科氏力） 由于地球自转运动而产生的空气偏离气压梯度方向的力，称由于地球自转运动而产生的空气偏离气压梯度方向的力，称为地转偏向力（为地转偏向力（18351835年）。年）。 这是种假想力，主要是物体相对于匀速转动的参考系运动时这是种假想力，主要是物体相对于匀速转动的

31、参考系运动时而引入的。而引入的。特征：特征：1 1） 若若恒定存在，恒定存在，当当V V0 0时存在；时存在；V=0V=0时，为零时，为零; ; 2 2）在）在V V相同条件下，其大小随相同条件下，其大小随 而而 ， 即：即：A A在赤道处在赤道处min=0,min=0,在两极处在两极处max=2Vmax=2V； 3) 3)其方向与物体运动方向始终垂直，则只能改变其方向与物体运动方向始终垂直，则只能改变 物体运动方向，不能改变其速率；物体运动方向，不能改变其速率； 4 4）方向用）方向用“右手定则右手定则”判定：判定： 北半球使物体向原方向的右方偏转；南半球相反，向左方偏北半球使物体向原方向的

32、右方偏转；南半球相反，向左方偏转；转； A 22sinAVV 38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（北半球高空）（北半球高空）（百帕）（百帕）10001005101010151020气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力风向风向气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力风向风向VgVg2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院391.3 1.3 惯性离心力惯性离心力 当物体在作曲线运动时，为保持沿惯性方向运动当物体在作曲线运动时，为保持沿惯性方向运动而产生的力，它由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径而产生的力，它由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用

33、在物体上。向外作用在物体上。总结：总结： 大小大小在质点作曲线运动时才产生；在质点作曲线运动时才产生； 与与V2V2成正比，与曲率半径成反比。成正比，与曲率半径成反比。 方向方向始终垂直于运动方向，从中心沿曲率始终垂直于运动方向，从中心沿曲率 半径指向外部；半径指向外部； 作用作用改变物体运动方向，不改变其运动速度。改变物体运动方向，不改变其运动速度。C22VCrrC2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院401.4 1.4 摩擦力摩擦力 两个相互接触的物体作相对运动时，在接触面之两个相互接触的物体作相对运动时，在接触面之间产生的一种阻碍物体运动的力，称为摩擦力。方向与间产生的一种阻碍

34、物体运动的力，称为摩擦力。方向与运动方向相反。运动方向相反。 大气运动中所受到的摩擦力分为大气运动中所受到的摩擦力分为内摩擦内摩擦和和外摩擦外摩擦两类。两类。1 1）内摩擦力：）内摩擦力： 指空气运动速度不同或运动方向不同两个相互接触指空气运动速度不同或运动方向不同两个相互接触的气层（团）之间的摩擦力，它可以相互牵制两气层的气层（团）之间的摩擦力，它可以相互牵制两气层（团）的运动。（团）的运动。 主要发生在湍流交换运动中，也称为湍流摩擦力。主要发生在湍流交换运动中，也称为湍流摩擦力。2 2）外摩擦力：）外摩擦力： 指空气与下垫面相接触时，下垫面对空气运动的阻指空气与下垫面相接触时，下垫面对空气

35、运动的阻力，它的方向与空气运动方向相反，大小与运动速度和力，它的方向与空气运动方向相反，大小与运动速度和摩擦系数均成正比。摩擦系数均成正比。R 2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院413 3） 一般将内外摩擦力的合力向量称为摩擦力。以外摩一般将内外摩擦力的合力向量称为摩擦力。以外摩擦为主，在贴地面层附近最为明显。擦为主，在贴地面层附近最为明显。 因此，将因此，将1 12km2km以下至地面，以下至地面，R R作用明显的层称为作用明显的层称为摩擦层或边界层。摩擦层或边界层。总结：总结： 大小大小只在摩擦层出现，有相对运动和接触的只在摩擦层出现，有相对运动和接触的 条件下产生，且与运动

36、速度成正比；条件下产生，且与运动速度成正比； 方向方向始终与运动方向相反；始终与运动方向相反； 作用作用改变物体的运动速度（减速作用）。改变物体的运动速度（减速作用）。R2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院42地转偏向力地转偏向力（百帕）（百帕）100010001005100510101010（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2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院431.5 1.5 总结（总结（重要重要） 上述四个力都是在水平方向上作用于空气的力，对空

37、气运动上述四个力都是在水平方向上作用于空气的力，对空气运动影响不同。影响不同。 气压梯度力气压梯度力是空气产生运动的直接动力，为最基本的力；是空气产生运动的直接动力，为最基本的力；它和重力一起影响空气的运动基本状况；它和重力一起影响空气的运动基本状况； 地转偏向力地转偏向力对高纬度或大尺度空气运动影响大；且南北半球对高纬度或大尺度空气运动影响大；且南北半球方向不同；方向不同； 惯性离心力惯性离心力对空气作曲线运动时起作用；对空气作曲线运动时起作用； 摩擦力摩擦力在摩擦层中作用，自由大气不予考虑；影响运动速度在摩擦层中作用，自由大气不予考虑；影响运动速度大小。大小。注意：气压梯度力和摩擦力会直接

38、影响运动速度；注意：气压梯度力和摩擦力会直接影响运动速度； 地转偏向力和惯性离心力影响运动方向，但不影响其速度；地转偏向力和惯性离心力影响运动方向，但不影响其速度； 气压梯度力和重力共同作用空气的初始运动；气压梯度力和重力共同作用空气的初始运动； 地转偏向力、惯性离心力及摩擦力均是空气运动后产生并起地转偏向力、惯性离心力及摩擦力均是空气运动后产生并起作用的。作用的。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院442.2.自由大气层的空气水平运动自由大气层的空气水平运动 问：问：自由大气层中空气块主要受哪些力？自由大气层中空气块主要受哪些力？ 答：气压梯度力、地转偏向力、（惯性离心力）答：气

39、压梯度力、地转偏向力、（惯性离心力）2.1 2.1 地转风地转风直线运动（直线运动（图图） 指气压梯度力和地转偏向力两力平衡时，自由大指气压梯度力和地转偏向力两力平衡时，自由大气中空气作匀速直线运动时产生的风。气中空气作匀速直线运动时产生的风。Vg=1/Vg=1/（-2sin-2sin） （p/p/n n）特征：特征：1 1）地转风方向与水平气压梯度力方向垂直，即平）地转风方向与水平气压梯度力方向垂直，即平行于等压线；行于等压线； 背风而立，在北半球背风而立，在北半球G G在其右方；南半球相反，在其右方；南半球相反，G G在左方在左方称之为称之为风压律风压律； 2 2）地转风随纬度）地转风随纬

40、度有关系。有关系。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院45北半球自由大气中地转风形成示意图北半球自由大气中地转风形成示意图2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院46总结：总结： 1 1）地转风多适用于中高纬度的自由大气，与实际）地转风多适用于中高纬度的自由大气，与实际风十分接近；风十分接近； 2 2）地转风方向平行于等压线，风向满足于）地转风方向平行于等压线，风向满足于风压律风压律，即：背风而立，北半球即：背风而立，北半球G G在其右侧，南半球在其右侧，南半球G G在其在其左侧。左侧。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院472.2 2.2 梯度风梯度风曲线运动

41、曲线运动 指气压梯度力与地转偏向力和惯性离心力相平衡时，指气压梯度力与地转偏向力和惯性离心力相平衡时，自由大气空气做曲线运动时产生的风。自由大气空气做曲线运动时产生的风。 不同气压系统（不同气压系统（G G、D D）中的梯度风状况也不相同：）中的梯度风状况也不相同： 特征：特征： 1 1）北半球）北半球 D D中心的梯度风平行于等压线，绕中心的梯度风平行于等压线，绕D D中心中心逆时逆时针旋针旋转；转； G G中心的梯度风平行于等压线，绕中心的梯度风平行于等压线，绕G G中心中心顺时顺时针旋针旋转；转； 2)2)南半球（相反）南半球（相反）2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院48

42、实际大气中，空气块的运动并非直线或圆形曲线实际大气中，空气块的运动并非直线或圆形曲线运动，且气压梯度力时时变化，力的平衡关系不一定运动，且气压梯度力时时变化，力的平衡关系不一定能维持，这样会出现非平衡下的实际风。能维持，这样会出现非平衡下的实际风。 实际风与地转风或梯度风的偏差，称为实际风与地转风或梯度风的偏差，称为偏差风偏差风。偏差风促使风场和气压场相互调整，趋于建立新平衡。偏差风促使风场和气压场相互调整，趋于建立新平衡。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院492.3 2.3 热成风热成风VT 在大气三维空间中，风随高度有明显变化在大气三维空间中，风随高度有明显变化观测事实。观测

43、事实。 自由大气中风随自由大气中风随h h的变化与气压场的高度变化密切相关，的变化与气压场的高度变化密切相关，同时又是与温度场的高度分布相关联的。同时又是与温度场的高度分布相关联的。 具体地说，具体地说，暖气柱中，暖气柱中，P P随随h h 而而 缓慢；冷气柱中，缓慢；冷气柱中， P P随随h h 而而 迅速。迅速。 Def Def：由于水平温度梯度的存在，：由于水平温度梯度的存在， 而产生的地转风在铅直方向上的而产生的地转风在铅直方向上的 速度矢量差，称为速度矢量差，称为热成风热成风VT。 即：即：21TVVV 2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院50 VT的风向的风向： 1 1

44、）与平均等温线相平行；）与平均等温线相平行； 2 2）在北半球背热成风而立，高温）在北半球背热成风而立，高温在右，低温在左；南半球相反。在右，低温在左；南半球相反。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院513 3 摩擦层中的空气水平运动摩擦层中的空气水平运动 3.13.1基本特点：基本特点： （问）空气块水平受力状况？（问）空气块水平受力状况？ - -三力三力(G(G、A A、f)f)或四力（或四力（G G、A A、C C、f f）摩擦层中，空气运动摩擦层中，空气运动基本特征基本特征为：为： 1 1）气流斜穿等压线（风与等压线有一定的交角）；）气流斜穿等压线（风与等压线有一定的交角）

45、； 2 2）保持从）保持从GDGD。A)A)近地层等压线平直近地层等压线平直 结论：结论： 1 1）受三力（气压梯度力、地转偏向力和摩擦力）平衡；）受三力（气压梯度力、地转偏向力和摩擦力）平衡； 2 2）风速比原气压地的地转风）风速比原气压地的地转风VgVg要小；要小； 3 3）受力平衡时，风斜穿等压线，由）受力平衡时，风斜穿等压线，由GDGD。即北半球背风而立，。即北半球背风而立，G G在右后在右后方，方，D D在左前方；南半球相反。在左前方；南半球相反。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院52地转偏向力地转偏向力（百帕）（百帕）100010001005100510101010（

46、北半球）（北半球）风向风向地面摩擦力地面摩擦力摩擦层中空气直线运动时的受力情况摩擦层中空气直线运动时的受力情况水平气压水平气压梯度力梯度力2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院53B)B)近地层等压线弯曲近地层等压线弯曲结论：遵循的规律相同结论：遵循的规律相同 1 1）风速比梯度风）风速比梯度风VcVc要小要小, ,风斜穿等压线，由风斜穿等压线，由GDGD； 2 2）北半球（如图）：）北半球（如图）： D D区内空气旋转向其中心逆时针辐合状区内空气旋转向其中心逆时针辐合状气旋；气旋； G G区内空气旋转向其中心顺时针辐散状区内空气旋转向其中心顺时针辐散状反气旋。反气旋。 3 3）南半

47、球相反，）南半球相反，D D区顺时辐合区顺时辐合气旋；气旋； G G区逆时辐散区逆时辐散反气旋。反气旋。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院543.2 3.2 摩擦层中风随高度的变化摩擦层中风随高度的变化1 1）下垫面）下垫面R R对风的影响：对风的影响： 阻碍作用，减缓风速；阻碍作用，减缓风速； 改变风向，斜穿等压线运动。改变风向，斜穿等压线运动。2 2）理想状态下（各高度的气压梯度力均相同）的风：）理想状态下（各高度的气压梯度力均相同）的风： 风速随风速随h h升高而逐渐增大，到摩擦层顶部，接近于地转风；升高而逐渐增大，到摩擦层顶部，接近于地转风； 北半球，风向随北半球，风向随

48、h h升高而不断向右偏，到摩擦层顶部，平行于升高而不断向右偏，到摩擦层顶部，平行于等压线。等压线。 再往摩擦层顶以上，进入自由大气的空气水平运动。再往摩擦层顶以上，进入自由大气的空气水平运动。 此时，此时，将各高度层中的风矢量连接起来，投影到同一水平面将各高度层中的风矢量连接起来，投影到同一水平面而形成的平滑曲线，得到风速矢量端迹图而形成的平滑曲线，得到风速矢量端迹图，称为，称为埃克曼螺线图。埃克曼螺线图。 V.W.Ekman(1905)V.W.Ekman(1905)2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院55 埃克曼螺线模式，描写了大气边界层中风矢量随高度的变化：风随埃克曼螺线模式，

49、描写了大气边界层中风矢量随高度的变化：风随h h升高向右旋（北半球），风速随升高向右旋（北半球），风速随h h升高而增大。（南半球相反）升高而增大。（南半球相反）3) 3) 实际风并不符合实际风并不符合EkmanEkman规律，这需要用热成风的原理，用适量合规律，这需要用热成风的原理，用适量合成的方法将风矢量进行修订。成的方法将风矢量进行修订。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院563.3 3.3 风的日变化和风阵性特点风的日变化和风阵性特点1 1）日变化规律：）日变化规律： 一般一般, , 近地面层（摩擦层低层）中，白天风速增大，近地面层（摩擦层低层）中，白天风速增大，午后增至午

50、后增至maxmax，夜间风速减小，清晨减至，夜间风速减小，清晨减至minmin。 原因是？原因是？ 白天地面受热，加速空气湍流运动，空气层不稳定。白天地面受热，加速空气湍流运动，空气层不稳定。 故此，风的日变化表现为晴天比阴天明显，夏季比冬季明显。故此，风的日变化表现为晴天比阴天明显，夏季比冬季明显。2 2）风阵性特点）风阵性特点 DefDef：指风向变动不定、风速忽大忽小的现象。主要是：指风向变动不定、风速忽大忽小的现象。主要是因为大气中湍流运动引起的。因为大气中湍流运动引起的。 主要出现在摩擦层中，特别是山区或夏季的午后明显。主要出现在摩擦层中，特别是山区或夏季的午后明显。2021-12-

51、12徐州师范大学 城市与环境学院574 4 空气的垂直运动空气的垂直运动 空气垂直运动的产生及特征与大气中的云雨形成及天气变化空气垂直运动的产生及特征与大气中的云雨形成及天气变化有密切的关系。有密切的关系。 垂直运动主要形式有：垂直运动主要形式有：对流运动对流运动和和系统性垂直运动。系统性垂直运动。1 1）对流（）对流（atmospheric convection） 是对流层中主要的垂直运动方式，主要是空气块与周围空气是对流层中主要的垂直运动方式，主要是空气块与周围空气之间具有温度差而引起的，在热力或动力作用下产生的垂直运动。之间具有温度差而引起的，在热力或动力作用下产生的垂直运动。 这种运动

52、垂直速度较快，但范围较小。且它的高度、范围和这种运动垂直速度较快，但范围较小。且它的高度、范围和强度和气层的稳定度有关。强度和气层的稳定度有关。 一般，上升气流会引起水汽凝结，形成云或降水；然后云随一般，上升气流会引起水汽凝结，形成云或降水；然后云随空气水平运动而顺风移动，助于水循环形成。空气水平运动而顺风移动，助于水循环形成。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院582 2）系统性垂直运动）系统性垂直运动 是指由于水平气流的辐合是指由于水平气流的辐合/ /辐散、暖气流沿锋面滑辐散、暖气流沿锋面滑升以及气流受山脉的阻滞、机械抬升等动力作用所引升以及气流受山脉的阻滞、机械抬升等动力作用

53、所引起的大范围、较规则的上升或下降运动。起的大范围、较规则的上升或下降运动。 这种运动垂直速度很小，但范围较广，维持时间这种运动垂直速度很小，但范围较广，维持时间较长，对天气形成和演变也影响重大。较长，对天气形成和演变也影响重大。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院59作业：作业：1 1、在水平方向上作用于空气的力有那几个？它们的方向在水平方向上作用于空气的力有那几个？它们的方向和大小如何确定？这些力各在什么情况下起作用？又在和大小如何确定？这些力各在什么情况下起作用？又在什么情况下可不考虑其影响？什么情况下可不考虑其影响？2 2、自由大气中的水平风是在哪些力的作用下建立的平衡、自

54、由大气中的水平风是在哪些力的作用下建立的平衡风？此平衡时，风向如何？风？此平衡时，风向如何？ 3 3、摩擦层中的水平风是在哪些力的作用下建立的平衡风？、摩擦层中的水平风是在哪些力的作用下建立的平衡风？此平衡时，风向如何？此平衡时，风向如何？2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院60第一节第一节 大气压强的时空分布及变化大气压强的时空分布及变化第二节第二节 空气的水平运动和垂直运动空气的水平运动和垂直运动第三节第三节 大气环流（难点）大气环流（难点）2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院61 CFCs 南极臭氧 O O3 3空洞 Why？ 第三节第三节 大气环流大气环流 ge

55、neral circulation2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院62 定义定义： 大气环流是指大范围的大气运动状态。大气环流是指大范围的大气运动状态。 特征特征： 水平尺度：水平尺度： KmKm以上；以上； 垂直尺度：垂直尺度：10Km10Km以上；以上； 时间尺度：时间尺度：1-2 day (s).1-2 day (s). 作用作用： 促使地气系统的角动量、热量、水分和物质的输送和平衡，促使地气系统的角动量、热量、水分和物质的输送和平衡，以及各种能量间的相互转换，同时又是这些物理量输送、平衡和以及各种能量间的相互转换，同时又是这些物理量输送、平衡和转换的重要结果。转换的重要

56、结果。1.1.大气环流形成的主要因素大气环流形成的主要因素 . . 太阳辐射太阳辐射 . . 地球自转（地转偏向力）地球自转（地转偏向力） . . 地表性质（海陆、地形）地表性质（海陆、地形） . . 地表摩擦地表摩擦310第三节第三节 大气环流大气环流 general circulationgeneral circulation2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院631.1 1.1 太阳辐射太阳辐射 solar radiationsolar radiation2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院64假设条件：假设条件：1 1）地表结构均一；）地表结构均一；2 2）无地

57、转运动；）无地转运动；3 3）与下垫面之间无摩擦）与下垫面之间无摩擦重要性：原动力重要性：原动力模型：模型：单圈环流单圈环流2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院65赤道赤道南极南极北极北极赤道赤道单一环流圈单一环流圈2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院662021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院671.2 1.2 地球自转作用地球自转作用 模型：模型：三圈环流三圈环流（哈得莱环流圈、费雷尔环流圈、极地环流圈哈得莱环流圈、费雷尔环流圈、极地环流圈）！）！ 同时形成了风带、气压带分布同时形成了风带、气压带分布核心核心 地转偏向力作用地转偏向力作用2021-12-12

58、徐州师范大学 城市与环境学院68赤道赤道南极南极北极北极赤道赤道3030606060603030西南西南东北东北西南西南西南西南偏东风偏东风西北西北东南东南偏西风偏西风西北西北西北西北偏东风偏东风赤道低气压带赤道低气压带副热带高压带副热带高压带东北信风带东北信风带低纬环流圈低纬环流圈极地高压带极地高压带副极地低压带副极地低压带中纬环流圈中纬环流圈西风带西风带东风带东风带高纬环流圈高纬环流圈副热带高压带副热带高压带东南信风带东南信风带西风带西风带副极地低压带副极地低压带东风带东风带极地高压带极地高压带低纬环流圈低纬环流圈中纬环流圈中纬环流圈高纬度环流高纬度环流2021-12-12徐州师范大学 城

59、市与环境学院692021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院70原因：太阳直射点的南北移动原因：太阳直射点的南北移动 气压带、风带的移动气压带、风带的移动2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院71主要体现在主要体现在海陆间热力差异海陆间热力差异和和高达地形高达地形的作用两方面。的作用两方面。1.3 1.3 地表性质的作用地表性质的作用2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院721. 1. 海陆分布影响海陆分布影响 冬季，陆地是冷源，海洋是相对热源；夏季相反，冬季，陆地是冷源，海洋是相对热源；夏季相反，陆地是热源，海洋是热源。陆地是热源，海洋是热源。 这种冷热源的不连续分布

60、直接影这种冷热源的不连续分布直接影响气压的分布，使得完整的纬向气压带响气压的分布，使得完整的纬向气压带断裂成一个个闭合的断裂成一个个闭合的G G和和D D。 冬季，陆冷洋热，使得陆上多形成冬季，陆冷洋热，使得陆上多形成G G中心，洋面上多形成中心，洋面上多形成D D中心；夏季相反。中心；夏季相反。 这些这些G G和和D D中心，统称为大气活动中中心，统称为大气活动中心。其中，终年维持存在的，称为永久心。其中，终年维持存在的，称为永久性活动中心；仅在某个季节经常出现的性活动中心；仅在某个季节经常出现的称为半永久性活动中心。称为半永久性活动中心。2021-12-12徐州师范大学 城市与环境学院73 同时，冬夏季海