气象学与气候学：第四章 大气的运动

1、第四章大气的运动 第一节 气压随高度和时间的变化第二节气压场第三节大气的水平运动和垂直运动第四节大气环流第一节 气压随高度和时间的变化一、气压随高度的变化 任何地方的气压值总是随着海拔高度的增高而递减。（一）静力学方程第一节 气压随高度和时间的变化一、气压随高度的变化 在同一气压下，气柱的温度愈高，密度愈小，气压随高度递减得愈缓慢，单位气压高度差愈大。在同一气温下，气压值愈大的地方，空气密度愈大，气压随高度递减得愈快，单位气压高度差愈小。P(hPa)T()-40-200204010006.77.48.08.69.350013.414.716.017.318.610067.273.680.086

2、.492.8第一节 气压随高度和时间的变化一、气压随高度的变化（二）压高方程第一节 气压随高度和时间的变化二、气压随时间的变化（一）气压变化的原因 1、水平气流的辐合与辐散 2、不同密度气团的移动 3、空气垂直运动第一节 气压随高度和时间的变化 （二）气压的周期性变化 日变化：随纬度的增高，气压日较差逐渐减小 年变化：由低纬向高纬逐渐增大。第一节 气压随高度和时间的变化（二）气压的周期性变化第一节 气压随高度和时间的变化（三）气压的非周期性变化 中高纬度地区气压的非周期性变化比周期性变化明显，而在低纬度地区气压变化的周期性比较显著。第二节 气压场 一、气压场的表示方法(一) 等高面、等压面和等

3、压线表示水平面气压场的情况通常是用等压线。气压相等的各点的连线，称为等压线。（二）等压面和等高面 在空间的每一点都有一个气压值，如果把所有气压相同的点连接起来，就形成一个等压面。二、气压场的基本型式 （一）低气压(简称低压)：其等压线闭合，中心气压值低，向外逐渐增高，空间等压面向下凹陷，形如盆地。 （二）低压槽(简称槽)：它是低压向外伸出的狭长区域或一组未闭合的等压线向气压较高一方突出的部分。低压槽中各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。气压值沿槽线最低处向两边递增。槽附近的空间等压面呈下凹形，类似山谷。（三）高气压(简称高压)： 由闭合等压线构成，中心气压高，向外逐渐降低，空间等压面呈上凸状，

4、类似山丘。（四）高压脊(简称脊)： 它是由高压向外伸出的狭长区域或一组未闭合的等压线向气压较低的一方突出的部分。脊的各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线，其气压值沿脊线最高处向两边递减，脊附近的空间等压面类似山脊。 （五）鞍形气压场（区）(简称鞍部)： 是两个低压与两个高压交错组成的中间区域，其附近空间等压面形如马鞍。 归纳 上述几种气压场的基本型式，统称为气压系统。气压系统存在于三度空间中。由于愈向高空受地面影响愈小，以致高空气压系统比低空系统要相对简单，大多呈现出沿纬向的平直或波状等压线，有时也有闭合系统如切断低压、阻塞高压。 三、气压系统的空间结构 由静力学方程可知，气压系统随高度的变化同

5、温度分布密切相关，因而气压系统的垂直结构往往由于与温度场的配置状况不同而有差异。 当温度场与气压场配置重合时(即温度场的高温、低温中心同气压场的高、低中心相重合)，称气压系统是温压场对称； 当温度场与气压场配置不相重合时，称气压系统是温压场不对称。（一）温压场对称系统1.暖性高压 当温度场的暖中心与高压中心重合时，称为暖性高压。暖高压因中心部位温度高于四周，其高层等压面较低层向上凸得多，而且愈向高空伸展，向上凸出得愈多。这表明暖高压不仅可以伸展得高度很高，而且还随高度增高而加强。（一）温压场对称系统2.冷性高压 当温度场的冷中心与高压中心重合时，称为冷性高压冷高压因中心部位温度比四周，等压面间

6、的间距比四周小，结果愈向高空发展，高压削弱得愈多，到一定高度以后，高压就不复存在了，若再向高空发展，反而会变成一个低压中心 。3.暖性低压 当温度场的暖中心与低压中心重合时，称为暖性低压。因其中心部位温度比四周高，单位气压高度差较四周为大，因而气压随高度减低比四周为慢，低压中凹下去的等压面愈往上愈变浅，到某一高度上低压将消失，若再向上发展，反而变成暖高压。4. 冷性低压 当温度场的冷中心与低压中心重合时，称为冷性低压。冷低压因中心部位温度比四周低，单位气压高度差较四周为小，气压随高度减低的强度较四周为快，结果低压中凹下去的等压面愈往上愈变深。归纳 地面上的暖高压和冷低压都随高度增高而加强，这些

7、系统一般称为深厚系统。 相反，地面的暖低压和冷高压都随高度增高而减弱，到某一高度后就消失了。它们只存在于低空，称为浅薄系统。 高空大气中的高压系统几乎都是暖性的，低压系统都是冷性的；而暖性低压和冷性高压系统主要存在于对流层低空。 (二）温压场不对称系统 地面的高、低压系统中心如果同温度场的冷、暖中心配置不相重合时，则气压系统的垂直结构就出现不对称性。 (二）温压场不对称系统第二节 大气的水平运动和垂直运动 大气的水平运动通常称为风。它对于大气中水分、热量的传输和天气、气候的形成、演变起着重要作用。第二节 大气的水平运动和垂直运动 一、作用于空气的力 气压梯度力 地转偏向力 摩擦力 惯性离心力(

8、一)气压梯度力 气压梯度是一个向量，它的方向是沿垂直于等压面的方向由高压指向低压，其大小为这个方向上单位距离内气压的改变量，用-P/N表示，N为两等压面间的垂直距离，P为相应的气压差，因为N是从高压指向低压，即沿N方向上气压值总是降低，可以分解为水平气压梯度-和垂直气压梯度-两个分量。 (一)气压梯度力 水平气压梯度的单位通常用hpa赤道度表示(1赤道度是赤道上经度相差一度的纬圈长度，其值约为111公里)。 观测事实表明，水平气压梯度值是很小的，一般为1-3 hpa 赤道度，而垂直气压梯度在大气低层可达1 hpa 10米左右，即相当于水平气压梯度的一万倍。因而气压梯度的方向几乎与垂直气压梯度方

9、向一致，等压面近似水平。(二)地转偏向力 空气是在转动着的地球上运动着, 当运动的空气质点依其惯性顺着水平气压梯度力的方向运动时，空气质点还受到由于地球转动而产生的，使空气偏离气压梯度力方向的力的作用，这种力称为水平地转偏向力(或科里奥利力)。在大尺度的空气运动中，地转偏向力是一个非常重要的力。 A=2Vsin 1、地转偏向力只是在物体相对于地面有运动时才产生，物体处于静止状态时，不受地转偏向力的作用。 2、在北半球地转偏向力垂直指向物体运动方向的右方，使物体向原来运动方向的右方偏转，在南半球，则相反。 3、地转偏向力垂直于空气运动方向，只改变空气运动的方向，不改变空气相对于地球的运动速度。

10、(三)惯性离心力 对单位质量物体而言，惯性离心力C为 C=2r 因r是物体转动的线速度V，代入上式得 C= 惯性离心力和地转偏向力一样只改变物体运动的方向，不改变运动的速度。 (四)摩擦力 大气运动中所受到的摩擦力，一般分为内摩擦力和外摩擦力两种。 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力，它的方向与空气运动的方向相反，大小与空气运动的速度和摩擦系数(与下垫面的粗糙程度有关)成正比，其公式为： R=-kV 式中R为摩擦力，k为摩擦系数，V为风速。 内摩擦力与外摩擦力的向量和称为摩擦力。 (五)大气运动方程 根据牛顿第二定律，物体所受的力等于质量和加速度的乘积，即F=ma。F为所受

11、的力，是各个作用力的总和。单位质量空气运动方程的一般形式为： 式中G为气压梯度力，A为地转偏向力，R为摩擦力，g为重力。将G、A、R、g值代入上式，则简化后的运动方程为： 在空气作大规模水平运动中，大气近似于静力平衡，因而上式中的垂直运动项可以略去。在自由大气中，R也可略去。上式可写成 二、自由大气中的空气水平运动 自由大气中大尺度空气水平运动近似于稳定、水平运动。表明空气运动是在气压梯度力和地转偏向力（曲线运动时还有惯性离心力）作用下运动的。二、自由大气中的空气水平运动 (一)地转风 地转风的方向平行于等压线。根据运动方程可推出，地转风的运动方程式为：三、摩擦层中空气的水平运动 在摩擦层中，

12、空气的水平运动因受摩擦力作用，不仅风速减弱，风向受到干扰，而且破坏了气压梯度力与地转偏向力的平衡关系，表现出气流斜穿等压线，从高压吹向低压的特征。 利用静力学方程(dP=-gdZ)，将水平气压梯度力用高度梯度表示。即： (二)梯度风 当空气质点作曲线运动时，除了受气压梯度力和地转偏向力的作用外，还受惯性离心力的作用，当这三个力达到平衡时的风，就称为梯度风。 在低纬度地区或小尺度低压中，如果气压梯度力及惯性离心力都很大，而地转偏向力很小时，可能出现旋衡风，被视为水平气压梯度力与惯性离心力相平衡时的运动，其方程为： (三)自由大气中风随高度的变化 大量的高空探测资料说明，不同高度上的风向、风速是不

13、一致的。风随高度有明显的变化。 自由大气中风随高度的变化同气温的水平分布密切相关。气温水平梯度的存在，引起了气压梯度力随高度的变化，进而影响风随高度发生相应的变化。这种由于水平温度分布不均，所形成的风随高度的改变量，称热成风。1.等温线与等压线平行2.等温线与等压线相交 在自由大气中，随着高度的增高，不论风向如何变化，高层风总是愈来愈趋向于热成风。比如北半球的对流层中，温度分布大致是南暖北冷，并且在纬度300附近温度梯度最大，因而在纬度300附近上空出现最大的西风风速区，称为西风急流。摩擦层中风随高度的变化 在摩擦层中风随高度的变化，既受摩擦力随高度变化的影响，又受气压梯度力随高度变化的影响。

14、假若各高度上的气压梯度力都相同，那末由于摩擦力随高度减小，风速要随高度增高逐渐增大，风向随高度不断向右偏转(北半球)；到摩擦层顶部，风速接近于地转风，风向与等压线平行。 风的日变化和风的阵性 风的日变化 近地面层，白天风速增大，夜间减小，而摩擦层上层则相反 晴天比阴天大，夏季比冬季大，陆地比海洋大。 风的日变化和风的阵性 风的阵性 空气的垂直运动 对流运动 系统性垂直运动第四节 大气环流 大气环流是指大范围的大气运动状态。大气环流反映了大气运动的基本状态，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。也是气候形成和变化的影响因素之一。一、大气环流形成的

15、主要因素(一)太阳辐射的作用 (二)地球自转作用 (三)地面的摩擦作用 (四)地表性质的作用理想环流.swf大气环流是全球性有规律的大气运动。如果只考虑赤道和极地之间的冷热不均，不考虑地转偏向力作用，则全球的大气运动就是一个赤道和极地之间的热力环流。完成高低纬度之间的热量交换。?一、单圈环流成因：太阳辐射对高低纬度的加热不均一、大气环流形成的主要因素(一)太阳辐射的作用 (二)地球自转作用 (三)地面的摩擦作用 (四)地表性质的作用二、三圈环流成因：太阳辐射对高低纬度的加热不均地转偏向力赤 道 低 气压 带副热带高气压带副热带高气压带副极地低气压带副极地低气压带极地高气压带极地高气压带东北信风

16、中纬西风极 地 东 风 带东南信风中纬西风极 地 东 风 带带带带带三、气压带、风带成因：太阳辐射对高低纬度的加热不均地转偏向力太阳直射点移动四、全球气压带和风带的季节性移动二、大气环流平均状况 大气运行状态千变万化，为了从这些随时间和空间不断变化的复杂环流状态中找出大气环流的主要规律，采用求平均的方法，即对时间求平均，滤去所取时间内环流随时间的变化，显现出大气环流中比较稳定存在的特征；对空间求平均，滤去各经度间的环流差异，显现出各纬圈上环流的基本特征。二、大气环流平均状况 平均纬圈环流 平均经圈环流 平均水平环流 急流二、三圈环流成因：太阳辐射对高低纬度的加热不均地转偏向力(一)平均纬圈环流

17、 大气环流最基本的状态是盛行着以极地为中心的旋转着的纬向气流，也就是东、西风带。图4-32是平均纬向风速的经向剖面图。从图上可以看出，对流层的中、上层，除赤道地区有东风外，各纬度几乎全是一致的西风。(一)平均纬圈环流 近地面层的纬向环流分布特征如下： 1.高纬地区：冬夏都是一个很浅薄的东风带，称极地东风带。其厚度和强度都是冬季大于夏季。 2.中纬度地区：从地面向上都是西风，称盛行西风带。西风带在纬距上的宽度随高度而增大。西风风速自地面向上直到200百帕，差不多都是增加的，到对流层顶附近形成一个强西风中心。北半球冬季西风风速大于夏季。南半球西风风速比北半球强，风向也更为稳定。 3.低纬度地区：自

18、地面到高空是深厚的东风层，称信风带。(二)平均经圈环流 平均经圈环流是指在南北向的垂直剖面上，由风速的平均北、南分量和平均垂直分量共同组成的平均环流圈。在大气运动满足准静力平衡和准地转平衡的条件下，除低纬度以外，这两个分量都是很小的，因而经圈环流同纬圈环流相比，要弱得多。从图4-34可见，北半球有三个经向环流圈，即低纬环流圈又称哈得莱(Hadley)环流圈；中纬度环流圈又称费雷尔(Ferrel)环流圈；高纬环流圈又称极地环流圈，是三个环流圈中环流强度最弱的一个。 (三)平均水平环流 平均水平环流是指纬向气流受到扰动(山脉阻挡和海陆分布不均等)而发展起来的槽、脊和高、低压环流。 在北半球，对流层

19、中、高层的平均水平环流形式是：西风带上存在着大尺度的平均槽、脊，1月份500百帕图上(图4-37a)西风带有三个平均槽，在三槽之间并列着三个脊，脊的强度比槽弱得多。 对流层上层300百帕平均图上(图4-38)的环流形势与中层500百帕大体相似，只是西风范围更扩大，风速更增强。冬季时，三槽形势非常清楚；夏季时槽、脊明显减弱。 在中高纬的对流层低层，由于地表海陆性质差异和地表起伏不平所引起的热力、动力变化，使环流沿纬圈的不均匀性更加显著，水平环流在月平均海平面气压分布图上主要表现为一个个巨大的高、低压系统。(三)平均水平环流 平均水平环流是指纬向气流受到扰动(山脉阻挡和海陆分布不均等)而发展起来的

20、槽、脊和高、低压环流。 在北半球，对流层中、高层的平均水平环流形式是：西风带上存在着大尺度的平均槽、脊，1月份500百帕图上(图4-37a)西风带有三个平均槽，在三槽之间并列着三个脊，脊的强度比槽弱得多。 对流层上层300百帕平均图上(图4-38)的环流形势与中层500百帕大体相似，只是西风范围更扩大，风速更增强。冬季时，三槽形势非常清楚；夏季时槽、脊明显减弱。 在中高纬的对流层低层，由于地表海陆性质差异和地表起伏不平所引起的热力、动力变化，使环流沿纬圈的不均匀性更加显著，水平环流在月平均海平面气压分布图上主要表现为一个个巨大的高、低压系统。(三)平均水平环流 平均水平环流是指纬向气流受到扰动

21、(山脉阻挡和海陆分布不均等)而发展起来的槽、脊和高、低压环流。 在北半球，对流层中、高层的平均水平环流形式是：西风带上存在着大尺度的平均槽、脊，1月份500百帕图上(图4-37a)西风带有三个平均槽，在三槽之间并列着三个脊，脊的强度比槽弱得多。 对流层上层300百帕平均图上(图4-38)的环流形势与中层500百帕大体相似，只是西风范围更扩大，风速更增强。冬季时，三槽形势非常清楚；夏季时槽、脊明显减弱。 在中高纬的对流层低层，由于地表海陆性质差异和地表起伏不平所引起的热力、动力变化，使环流沿纬圈的不均匀性更加显著，水平环流在月平均海平面气压分布图上主要表现为一个个巨大的高、低压系统。(三)平均水平环流 以上冬、夏季在平均气压图上出现的大型高、低压系统，称为大气活动中心。 常年活动中心：太平洋高压、大西洋高压、阿留申低压、冰岛低压 季节性活动