气象学-14第四章大气运动

2009-11-2体积V

XYZ对B面压力PYZ对A面压力(P

P

X

)YZX（负号表示压力方向与X方向相反）在X方向上，周围空气作用于立方体的净压力为两力之和：在Y和Z方向类似的，则作用于立方体的总静压力为三者向量和：X轴指向气压增高方向。答疑：所以气象上

空气水平运动时，通常取单位质量空气所受的力称为气压梯度力。2012-11-133此式除以体积，即得气压梯度 ，其大小为：所以：气压梯度指作用于单位体积空气上的力。即气压梯度：可以看成是单位体积空气上的力：实际大气中，分布并不均匀，单位体积空气质量也不相等，根据牛顿第二定律，在相同气压梯度力下，密度小的空气所产生的运动加速度比较大，密度大的空气所产生的运动加速度比较小，所以用气压梯度难以比较各地空气运动的速度。答疑：4气压梯度力可以分解为水平气压梯度和垂直气压梯度力，即：在大气中气压梯度力垂直分量比水平分量大得多，垂直气压梯度力约为水平气压梯度力的10000

倍，但它几乎被重力所平衡，因而在垂直方向上一般不会造成强大的垂直加速度。而水平气压梯度力虽小，由于没有其它实质力与它相平衡，在一定条件下却能造成较大的空气水平运动。2012-11-06答疑：地转风5复习：G

Ag

n

1

P

2V

sin

P12

sin

nVg

1、气压梯度不变的情况下，Vg随纬度增高而减小

2、纬度不变的情况下，

Vg随气压梯度增大而增大

3、密度ρ是随高度而变化的，所以利用等压面代替等高面4、与在等压面上位势梯度成正比，与纬度正弦成反比5、方向满足风压律9.8

H2

sin

nV

g梯度风复习：G

A

Cc

r

P

nV

r

sin

r

sin

2ac

r

P

nG

C

AV

r

sin

r

sin

2所以上式正负号只能取正号。在北半球：低压系统中的梯

度风总是沿着等压线逆时针

方向吹，南半球相反。所以上式正负号只能取负号。在北半球：高压系统中的梯

度风总是沿着等压线顺时针

方向吹，南半球相反。2012-11-136旋衡风复习：G

C

0

1

PV

2r

n由于这种风不再考虑A

的影响，因而其风向既可顺时针，又可逆时针。——2012-11-137大气中风随高度的变化探空资料表明，不同高度上的风向、风速是不一致的，风速随高度有着明显的变化。大气中：风随高度的变化气压随高度变化气压场随高度的变化；大气柱中的平均温度。2012-11-138热成风

暖气柱中单位气压高度差大；冷气柱中单位气压高度差小。因此，假若等压面在低层是水平的，而由于气柱中平均温度在水平方向上有差别，到以后，等压面就会出现倾斜，暖区一侧等压面抬起，冷区一侧等压面降压面倾斜的结果使水平面上的气压值不相等，出现了由暖区指向冷区的气压梯度力，从而产生了平行于等温线的风。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速度矢量差，称为热成风。V2012-11-139水平温度差异引起高空水平气压差异等压面出现倾斜，暖区一侧等压面抬起，冷区一侧等压面降低随着高度的增加，气压梯度力也在增加地转风也随高度增加2012-11-1310气层中平均温度梯度愈大，出现的风也愈大，这种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速度矢量差，称为热成风。热成风：VT

V2

V1V2和

V1

分别是

与低层的地转风。如果低层等压面是水平的，则

V1

0,V2

VT

。2012-11-131112热成风风速的表达式为gZ2

Z1

Tmf

Tm

nVT

Tm为气层平均温度，f为地转参数，g为重力加速度，Z1、Z2为下、上层的高度。热成风的大小与气层内平均温度

梯度以及气层的厚度成正比，与科氏参数（f）成反比。热成风的方向与平均等温线相平行，在北半球背热成风而立，高温在右，低温在左，南半球则反。2201又因为：所以，上层地转风为下层地转风和气层之间热成风之和。下层地转风由下层水平气压梯度决定；气层间热成风由气层平均水平温度梯度决定；即：可以由温压配置来 垂直变化。V2

V1

VT2012-11-13131.低层水平气压梯度与水平平均温度梯度方向一致，低层等压线与等温线平行。此温压场配置下，低层地转风向与热成风风向一致，因而其风速随高度逐渐增大，风向不改变。无冷、暖平流。2012-11-132.低层水平气压梯度与水平平均温度梯度方向相反，低层等压线与等温线亦平行。此温压场配置下，低层地转风与热成风风向相反，起初地转风随高度而减小，风向不变，到某一高度，风速为0，再往上则风速随高度增加，但风向与低层相反。2012-11-133.低层水平气压梯度与气层水平平均温度梯度相垂直并在右面，此时低层等压线与等温线相垂直。此温压配置下，低层风从冷区吹向暖区。北半球，风向随高度逐渐向左转，风速随高度增强，而且越到 ，风向与热成风风向越接近。2012-11-13164.低层水平气压梯度

与气层水平平均温度

梯度相垂直并在左面，此时低层等压线与等

温线也相垂直。此温压配置下，低层风从暖区流向冷区。风向随高度逐渐向右转，风速随高度增强，愈到 风向与热成风愈接近。2012-11-1317热成风与温度平流的关系在大气中，由于有冷暖分布，这就产生温度平流。一般把V·▽T称为温度平流。这种温度平流将会改变地转风矢随高度的改变。–当下层有暖平流时，V·▽T＞0，即气流从暖区吹向冷区，则地转风矢量从下向上成顺时针转变；–相反，当下层有冷平流时，V·▽T＜0，即气流从冷区吹向暖区，则地转风矢量从下向上成逆时针转变。2012-11-1318另外，在

大气中，风随高度的增加总是趋向于热成风。例如北半球温度南暖北冷，等温线基本呈东西向。由热成风原理可知，这种温度场使中纬度西风随高度增加而增大，直到对流层顶附近出现西风急流。所以对流层中上层是显著的西风带。2012-11-13192012-11-1320热成风原理小结热成风的方向与气层间的平均等温线平行；背热成风而立，高温区在右侧，低温区在左侧；热成风的大小与气层间的水平温度梯度成正比。即等温线越密集（疏），热成风就越大（小）。应用：–根据某站风随高度变化的情况作温度平流的分析当风随高度作逆时针方向旋转时，可判断这个气层间有冷平流；当风随高度作顺时针旋转时，则有暖平流。摩擦层中空气的水平运动在摩擦层中，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间的平衡关系， 气流斜穿等压线，从高压吹向低压的特征。2012-11-1321（一）地面摩擦力对风的影响如果地面层等压线为平行直线时，空气质点受到气压梯度力（G）、地转偏向力（A）和地面摩擦力（R）的共同作用。当三个力达到平衡时，便出现了稳定的地面平衡风。由于摩擦 要是外摩擦力）对风的阻滞作用，使平衡风的风速比原气压场中相应的地转风的风速要减小，进而使地转偏向力也相应减小。结果减小后的地转偏向力和摩擦力的合力与气压梯度力相平衡时的风，斜穿等压线，由高压吹向低压。其风速大小与气压梯度力成正比，而与地面摩擦系数成反比。2012-11-13232012-11-1324摩擦层中风场与气压场的关系为：在北半球背风而立，高压在右后方，低压在左前方，此即白贝罗风压定律。至于风向偏离等压线的角度（α）和风速减小的程度，则取决于摩擦力的大小。摩擦力愈大，交角愈大，风速减小得愈多。在等压线弯曲的气压场中，例如闭合的高压和低压中，由于地面摩擦力的作用，风速比气压场中所应有的梯

度风风速要小，风斜穿等压线吹向低压区。所以，低

压中的空气是一面旋转、一面向低压中心辐合。高压

中空气则是一面旋转、一面从高压中心向外辐散。2012-11-132526根据理论计算和实测资料，得到北半球摩擦层中在不考虑气压梯度力随高度改变时，风向随高度增高不断向右偏转，到摩擦层顶部风速接近于地转风，风向与等压线相平行。图中V1、V2、V3…代表自地面起各高度的风向、风速矢量，连接各风矢量终点的平滑曲线，称为埃克201曼2-11螺-13

线，是风速矢端迹图。（二）摩擦层中风随高度的变化埃克曼螺线表示北半球摩擦层中风随高度呈螺旋式旋转分布。由埃克曼螺线可以知道，当高度很小时，风速随高度增加很快，但风向改变不大；而在较大的高度上，风速增加缓慢，风向却显著向右偏转，最终趋于地转风。在离地面10

米以下的地层中，摩擦力随高度增加迅速减小，风速随高度增加特别快，所以一般要求测风仪器离地面10~12

米以上。2012-11-13风的日变化••

近地面层中，风存在着有规律的日变化。白

天风速增大，午后增至最大，夜间风速减小，清晨减至最小。而摩擦层上层则相反，白天风速小，夜间风速大。上层与下层的分界线随季节而有变化，夏季湍流最强，可达300m，冬季湍流最弱，低至20m，平均约50—100m。风的日变化，晴天比阴天大，夏季比冬季大，陆地比海洋大。当有强烈天气系统过境时，日变规律可能 扰或被掩盖。2012-11-1328风的阵性——是指风向变动不定、风速忽大忽小的现象。它是因大气中湍流运动引起的。当大气中出现强烈扰动时，空气上下层间交换频繁，这时与空气一起移动的大小涡旋可使局部气流加强、减弱或改变方向。风的阵性在摩擦层中经常出现，特别是山区更甚。随着高度的增高，风的阵性在逐渐减弱。以夏季和午后最为明显。2012-11-1329图中，实箭头表示大范围气流的方向，虚箭头表示水平涡旋中气流的方向。在A处两者同向，使风速增大，在B处两者反向，使风速减小，在C处和D处两者垂直，风向发生向左或向右偏转。对于一定地点来说，随着涡旋的过往，该地的风速就会忽大忽小，风向有忽左忽右的变化。2012-11-13302012-11