城市空气污染气象学第四章大气运动

城市空气污染气象学

第四章大气运动2华东师范大学资环学院乐群2013-11-282

作用于空气的力空气的运动是在力的作用下产生的。作用于空气的力除重力之外，尚有由于气压分布不均而产生的气压梯度力，由于地球自转而产生的地转偏向力，由于空气层之间、空气与地面之间存在相对运动而产生的摩擦力，由于空气作曲线运动时产生的惯性离心力。这些力在水平分量之间的不同组合，构成了不同形式的大气水平运动。2013-11-283（一）气压梯度力在气象上讨论空气水平运动时，通常取单位质量的空气作为讨论对象，并把在气压梯度存在时，单位质量空气所受的力称为气压梯度力，通常表示为：G—

水平气压梯度力；ρ—空气密度；Δp—两条等压线之间的气压差；Δn—两条等压线之间的垂直距离；Δp／Δn—为水平气压梯度；“－”负号表示方向由高压指向低压。2013-11-284在地球北极：地平面绕垂直轴的角速度等于地球自转角速度，方向为逆时针，所以：A=V；在北半球：地平面垂直轴与地球自转轴有交角，图中：为绕地轴转动的角速度；1为在地平面垂直轴方向的分量，应等于sin；为北半球任一点和地心连线与赤道形成的夹角。所以：A=2V1=2Vsin，方向为V的右侧；在赤道：地表面垂直轴与地球自转轴正交，=0，所以：偏向力A=0；（赤道上地平面不随地球自转而旋转）在南半球：地平面绕地轴顺时针转动，所以：A=2Vsin，但方向为V左侧。（二）地转偏向力2013-11-285（三）惯性离心力

是物体在作曲线运动时所产生的，由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用在物体上的力。由于它是为保持沿惯性方向运动而产生的，所以叫惯性离心力。其同运动方向相垂直，自曲率中心指向外缘。单位质量惯性离心力大小为：因为物体转动的线速度，代入上式，得惯性离心力和地转偏向力一样是假想力，只改变物体运动的方向，不改变运动的速度。2013-11-286（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。

1.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之间产生的一种相互牵制的力。它主要通过分子不规则运动，层与层动量交换，使快的气层减慢、慢的气层加快，最终趋于一致，相当于摩擦阻力（也称分子粘性力或湍流摩擦力）。实验可知，流速不同界面上，其大小与流体速度梯度成正比，方向与界面相切。（也有称切应力）

2.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方向相反，大小与空气运动的速度和摩擦系数成正比，其公式为R=-kV2013-11-287上述四个力都是在水平方向上作用于空气的力。1.气压梯度力是使空气产生运动的直接动力，是最基本的力。2.地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动影响较大。3.惯性离心力是在空气作曲线运动时起作用。4.摩擦力在摩擦层中起作用。地转偏向力、惯性离心力和摩擦力是在空气开始运动后产生和起作用的，虽然不能使空气由静止状态转变为运动状态，但却能影响运动的方向和速度。气压梯度力和重力既可改变空气运动状态，又可使空气由静止状态转变为运动状态。2013-11-288（五）大气运动基本方程u、v、w分别为V在X、Y、Z三个方向上的分量气压梯度力地转偏向力重力摩擦力2013-11-289方程也可写成：2013-11-2810

空气作大规模水平运动时，大气近似于静力平衡，垂直运动项可以略去；在自由大气中R也可略去，这是被广泛应用的运动方程式。

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自由大气中的空气水平运动（一）地转风（二）梯度风（三）自由大气中风随高度的变化——热成风2013-11-2812地转风指气压梯度力和地转偏向力相平衡时，空气作等速、直线的水平运动2013-11-2813地转风方向与水平气压梯度力的方向垂直，即平行于等压线。因而，若背风而立，在北半球高压在右，低压在左。南半球则相反。此称白贝罗风压律。GeostrophicBalancePressureGradientForce2013-11-2814上表说明：地转风速随纬度增高而减小。地转风的大小与气压梯度力成正比，与空气密度和纬度的正弦成反比。即等压线越密集，风速越大；纬度越低，风速越大。但实际观测到的地转风速却是高纬度地区大于低纬度地区，这是由于高纬度的气压梯度值远大于低纬度的缘故。2013-11-2815

是等高面上的地转风公式，由于ρ随高度有很大变化，因而在比较某地不同高度上的地转风时，不仅要比较上、下层气压梯度的大小，同时还要知道ρ值随高度的变化，这给实际工作带来极大不便。如果应用等压面图来代替等高面图，问题就容易解决。2013-11-2816

在等压面图上水平气压梯度力上式中：地转风直接与等压面上的位势梯度成正比，与纬度的正弦成反比。对于一地来说，纬度相同，只要比较各层等压面图上的等高线疏密程度，就可确定各层风速的大小。2013-11-2817梯度风当空气质点作曲线运动时，除受气压梯度力和地转偏向力作用外，还受惯性离心力的作用，当这三个力达到平衡时的风，称为梯度风。2013-11-2818在低压内气压梯度力G指向中心，地转偏向力A和惯性离心力C指向外，达于平衡状态时出现的梯度风由于当气压梯度等于0时，梯度风亦为0，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。2013-11-2819高压内气压梯度力G和惯性离心力C指向外，而地转偏向力A指向内，三个力达于平衡时出现的梯度风由于当气压梯度等于0时，梯度风亦为0，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。2013-11-2820

在一定纬度带，当相等时，低压梯度风风速小于地转风速，高压梯度风风速大于地转风速。即VGAA=G+CA=G-CA=G2013-11-2821另外，在低纬度地区或小尺度低压中，如果气压梯度力和惯性离心力都很大，而地转偏向力很小时，则可能出现旋衡风，即被视为时的空气运动。其运动方程为由于这种风不再考虑的影响，因而其风向既可按顺时针方向吹，又可按逆时针方向吹。龙卷风具有旋衡风的性质。旋衡风2013-11-2822

自由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。自由大气中：风随高度的变化气压场随高度的变化；气压随高度变化大气柱中的平均温度。2013-11-2823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，到高层以后，等压面就会出现倾斜，暖区一侧等压面抬起，冷区一侧等压面降低。等压面倾斜的结果使高层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。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2013-11-28242013-11-2825气层中平均温度梯度愈大，高层出现的风也愈大，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：和分别是高层与低层的地转风。如果低层等压面是水平的，则。

2013-11-2826热成风风速的表达式为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。2013-11-2827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，可以由温压配置来讨论垂直变化。2013-11-2828

1.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。2013-11-2829

2.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。2013-11-28303.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，而且越到高层，风向与热成风风向越接近。2013-11-28314.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，愈到高层风向与热成风愈接近。32热成风与温度平流的关系2013-11-28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。另外，在自由大气中，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，等温线走向基本呈东西向。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。2013-11-2833热成风原理小结1）热成风的方向与气层间的平均等温线平行；2）背热成风而立，高温区在右侧，低温区在左侧；3）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。2013-11-28342013-11-283535

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，表现出气流斜穿等压线，从高压吹向低压的特征。

2013-11-283636（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。2013-11-283737

由于摩擦力（主要是外摩擦力）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。2013-11-283838

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。2013-11-283939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。2013-11-2840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，称为埃克曼螺线，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。2013-11-28412013-11-2842Ekman（爱克曼）螺旋线（北半球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球则相反）高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。2013-11-2843近地层风速廓线模式1、对数律风速廓线模式平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度ū—高度Z处的平均风速，m/s；u*--摩擦速度，m/s；k—卡门（karman）常数，常取0.4；Z0—地面粗糙度，m在近地层（从地面到（50-100m）左右的一层）中性层结（气温直减率r=rd=1K/100m，大气是中性的）条件下应用对数律模式的精度较高，但在非中性层结（r>rd，递减层结，即大气不稳定层结；r<rd<0，逆温层，即大气稳定层；r=0的等温层结）条件下应用，将会产生较大误差。2013-11-28442013-11-28452、指数律风速廓线模式平均风速随高度变化非中性层结：

指数律，稳定度参数当气象条件为中性稳定（或绝热状况）且地面平坦，m约为1/7，此类似流体在湍流（turbulence）状况下所呈现的速度分布，称之为“七分之一定律（1/7law）”。ū1—已知高度Z1处的平均风速，m/s；m—稳定度参数。M的变化取决于温度层结和地面粗糙度，为0<m<1的分数，层结越不稳定，m值越小，一般实测，在高度500m以下可按<<制定地方大气污染物排放标准的技术方法>>GB/T13201—91选取。一般认为在中性条件下，指数律模式不如对数律模式准确，特别是在近地层时。但指数律在中性条件下，能较满意地应用于300-500m的气层，而且在非中性条件下应用也较为准确和方便，所以在大气污染浓度估算中应用指数律较多。2013-11-28462013-11-2847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，日变规律可能被干扰或被掩盖。