大气运动规律

1、 研究大气运动的主要坐标系研究大气运动的主要坐标系为了观测地球上的大气运动，理论研究大气运动的规律及其演变特征，我们需要选取合适的坐标系作为参照系 局地直角坐标系局地直角坐标系 p s n s n 球坐标系 P点的单位矢量I,j,k 第二节 决定大气运动的主要因子和作用力 和所有运动一样，大气运动受质量守恒（连续性方程）、动量守恒（运动方程）和能量守恒（热流量方程）等基本物理定律所支配。 牛顿第二定律适用于惯性坐标系，即静止或匀速运动的坐标系，而地球是一旋转球体，对于站在地球上的人们来说，大气在做非惯性运动，为了在非惯性坐标系中描述大气运动，必须引进视示力，它包括同地球旋转有关的惯性离心力和地

2、转偏向力。 基本力是大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，它们的存在与参考系无关。 气压梯度力,地心引力,摩擦力 气压梯度: 由于大气中气压分布不均匀所造成的作用于单位体积空气上的的力 描述气压场不均匀程度的物理量 气压梯度力: 由于大气中气压分布不均匀所造成的作用于单位质量空气上的的力。 dx dy dz P )(dxxpp 气压梯度力的大小与气压梯度成正比，方向与气压梯度一致，由高压指向低压。在大气中，垂直方向气压梯度力通常与重力相平衡，因此，水平方向的气压梯度力可以说是空气水平运动的原动力。 牛顿万有引力定律说明，宇宙间任何两个物体之间都具有引力，其大小与两物体的质量乘积成正比，

3、与两物体之间的距离平方成反比。 rrGMmgrF2G为引力常数 M m r 地球对单位质量空气的引力（称地心引力）为：*2grFrrGMmug 设地球平均半径为（即中心至海平面的距离） ， 为海拔高度，则上式可写成：2*0222*)1 ()1 (1)(azrazaGMrzaGMgrrgaz海平面地心引力 在气象应用范围内，Z 值一般仅为数十公里，而地球半径竟达六千多公里，故可作为常数处理。 外摩擦 摩擦力 分子摩擦 内摩擦 湍流摩擦 外摩擦力是指空气与地表之间的摩擦力（也称地面摩擦力） ：VFFrok 分子粘性力是由流速不同的流体（液体气体）之间，分子不规则运动引起分子动量交换而作用在流体界面

4、上的粘性力 ：VFrim2 湍流应力是由流速不同的流体之间湍流运动引起的湍流动量交换而作用在流体界面上的应力 ：VF2 Krit 大气中分子粘性力很小，通常可以不考虑。但在行星边界层（以下），大气经常处于湍流状态，湍流摩擦力不能忽略。 视示力包括同地球旋转有关的惯性离心力和地转偏向力。RC2 惯性离心力不是真实存在的，而只是由于我们站在非惯性坐标系(旋转地球上)内观察到的运动，并企图运用牛顿第二定律来解释它的结果。 当空气块相对旋转坐标系运动时，除了需要引入惯性离心力外，还需要引入另一种视示力，即科里奥利力（气象上一般称为地转偏向力），才能应用牛顿第二定运动律描述旋转坐标系中的相对运动。 地转

5、偏向力是影响旋转坐标系中大尺度运动特征的一个很重要的力。 VA 2 地转偏向力对运动气块不作功，它只能改变气块的运动方向，而不能改变其速度大小； 对于水平运动而言，在北半球科氏力使运动向右偏；在南半球使运动向左偏； 地转偏向力的大小与相对速度的大小成比例。 在随地球一起旋转的坐标系中，相对地球静止的物体或空气块，同时受到地心引力和惯性离心力的作用,二力之和为重力 。Rgg2* 重重 力力 重力除在极地和赤道外，并不指向地球中心。如果地球是一个正球体，在平行地面指向赤道方向上会有重力的分量,地球是椭球体重力始终垂直于水平面(XY平面没有重力分量)。 但是，由于地球是近似椭球体，调整得平行地面指向

6、赤道上没有重力分量，因而在任何地方重力都垂直于水平面。重力在赤道上最小，随纬度而增大，至极地达最大。第三节第三节 大气运动的若干规律大气运动的若干规律大气静力学方程大气静力学方程 运动学方程运动学方程 连续性方程连续性方程 热流量方程热流量方程 状态方程状态方程 大气辐射方程大气辐射方程 水汽方程水汽方程 dz gdz -dp=p-(p+dp) dz p+dp p 图3.10 静 止 大 气 中 垂 直 方 向 力 的 平 衡 gdzdpFGVpdtda1FgVV21pdtdgzpypufxpvf110VtdtdpdtdTcQv单位质量空气热量变化等于内能的变化和对外做工 风场和气压场的关系风

7、场和气压场的关系等压面与等高线低压三维示意图一一 什么是地转风？什么是地转风？ 在自由大气中，水平气压梯度力与水平科氏力平衡下形成的水平匀速直线运动称为地转风。G 水平气压梯度力 A 水平地转偏向力 C惯性离心力 R摩擦力 Vg Vg P P 科氏力 科氏力 气压梯度力 气压梯度力 图 3.12 地转平衡的风压关系 (a) 北半球 (b) 南半球 (a) (b) PP PP 空气所受的力：空气所受的力：v地转风的方向与等压线平行，在北半球，背风而立，高压在右低压在左；在南半球，背风而立，高压在左低压在右。v地转风的大小与水平气压梯度成正比 。v地转风大小还与地转参数和空气密度成反比，因此，赤道

8、地区由于科氏力为零，地转关系不成立。 v地转风抓住了自由大气中风压场之间的基本关系。除了极地和赤道附近地区以外，自由大气中的实际风与地转风相当近似，因此常用地转风代替实际风。二二 什么是梯度风？什么是梯度风？ 梯度风是水平气压梯度力、水平科氏力和惯性离心力相平衡下的空气水平运动 。梯度风也是一种简化的大气运动 。气旋式环流A指向-N向 2 空气所受的力：空气所受的力： 空气所受的力：空气所受的力： 空气所受的力：空气所受的力： l引出天气图分析的基本原则风基本沿等压线、等高线运动，背风而立，气压高的在右，低的在左。逆时针旋转分析低压；顺时针旋转分析高压低压中心附近等压线密，有大风；高压边缘等压

9、线密，有大风。2在中高纬地区，采用地转近似而不采用梯度风近似。三三 什么是热成风？什么是热成风？ 地转风取决于水平气压梯度力，因此，水平气压梯度力随高度的变化就是地转风随高度变化的原因。 而水平温度梯度是造成水平气压场随高度的变化原因。这种由于水平温度梯度所引起的上、下气层之间的地转风矢量差，称为热成风。VT =Vg1-Vg0 T-P-Vg暖气柱密度小,同样气压差二等压面间厚度大,使上层等压面坡度大,气压梯度大,地转风就大. P0 A（冷） B（暖） zB PB(z2) P2 P1 PB(z1) zA PA(z2) PA(z1) z x 图 3.16 热成风的形成 3 T 2 T 1 T 0

10、T V T n T 图 3.17 热成风与平均温度场之间的关系 热成风平行于气层的平均温度等值线，在北半球，背热成风而立，右手为高温区，左手为低温区；南半球则相反。热成风的大小与气层平均温度的水平梯度和气层厚度成正比，与纬度的正玄及平均温度成反比。 热成风的应用v1, 条件：大尺度、中高纬度、北半球v2 如果地转风随高度逆转，则气层间有冷平流；如果地转风随高度顺转，则气层间有暖平流.实际风随高度逆转，则气层温度降低；实际风随高度顺转，则气层温度升高 v v v v v(a)逆转v3可判断气层的稳定度 v v v v (b) 顺转 v v4判断 对称的冷低压、暖高压是深厚系统对称的暖低压、冷高压

11、是浅薄系统 正压大气v正压大气定义：大气中密度的变化仅仅随气压而变化时，即 :这种状态的大气称为正压大气正压大气的特点v当大气是正压时，等压面也就是等温面,等密度面。于是在等压面上没有温度梯度，也就是在等压面上分析不出等温面。因而也就没有热成风 什么是斜压大气？v当大气中密度分布不仅随气压而且还随温度而变时，这种状态的大气称为斜压大气。 v在斜压大气中地转风是随高度而发生变化的。大气的斜压性对于天气系统的发生、发展有很重要的意义。 四四 地转偏差是什么？地转偏差是什么？ 在一般情况下，大气中的实际风都不是纯粹的地转风。所以地转风平衡只是相对而暂时的。既然实际风和地转风不同，二者之间，必有一定的差别。我们把实际风与地转风之差称为地转偏差，或偏差风。D=V-Vg Vg D V 图 3.18 地转偏差 gVVD 在大气中，地转偏差相对于地转风来