大气科学概论第八大气运动

大气科学概论课件第八大气运动第一页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

4.2.1地转风Vg

地转风是气压梯度力和地转偏向力相平衡时，空气作的等速直线水平运动。其受力平衡式为第二页，共二十八页，编辑于2023年，星期日一、地转风形成:

在平直等压线的气压场中，由水平气压梯度力而引起风。当梯度力与偏向力达大小相等，方向相反时，进入相对平衡状态。二、地转风大小:其绝对值第三页，共二十八页，编辑于2023年，星期日三、地转风特点

1、方向：（白贝罗风压定律）地转风在平直等压线气压场中形成，风沿等压线吹，

北半球，人背风而立，高压在右，低压在左。

南半球，人背风而立，高压在左，低压在右。

第四页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

2、大小：

vg与水平气压梯度成正比。等压线越密集(气压的空间变化越大),vg越大，反之愈小。

vg与大气密度成反比。若气压梯度相同，大气越稀薄,vg越大,反之愈小。（高层风比低层风大）

vg与sinφ成反比。若气压梯度相同，低纬比高纬风大。但实际上除热带风暴外，低纬度的气压梯度通常很小。第五页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

4.2.2梯度风(Vc,Vac)

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。

由于力的平衡组合不同，分为气旋式环流和反气旋式环流。第六页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

一、梯度风方程：

１、气旋性环流Vc（逆时针）受力平衡

因为气旋中心是低压，气旋是低压系统，所以低压梯度风方程：

第七页，共二十八页，编辑于2023年，星期日解上方程得:令则，根号前只能取正号。所以，气旋梯度风的大小为第八页，共二十八页，编辑于2023年，星期日２、反气旋式环流Vac（顺时针）反气旋环流是高压系统，高压梯度风方程解得:

令则，根号前只能取负号。：第九页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

二、梯度风风速的特点：

1、方向：北半球，低压中的风沿等压线逆时针方向吹,高压中的风沿等压顺时针吹。

2、因为气旋中≥0，总是可以满足，

方程有意义。且越大，vc越大。所以，气旋中可以任意大。3、反气旋中，被极限所限，不能任意大。第十页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

若使

≥0，须使

即

反气旋中气压梯度随着r的减小而迅速减小，事实上在反气旋中心附近气压梯度是很小的，风也很小或是静风。当时，最大，也最大。最大风速:

第十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

所以，一定纬度上，反气旋梯度风的气压梯度和大小均受反气旋曲率半径r所限，r愈大，vac也愈大。在反气旋边缘有较大的风速和气压梯度。第十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

实际自由大气中的空气运动并不完全与地转风或梯度风相吻合，各个作用力的平衡关系也只是相对的、暂时的，平衡关系经常会遭到破坏。Why?第十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

这是因为空气运动的路径不会是直线的，也不会是圆形或曲线，结果气压梯度力便随着时间和空间在发生变化。

同时，空气运动也不会总是平行于纬圈，常常有穿越纬圈的运动，其风速也随之发生相应变化。由上可见，即使一开始空气所受的力达到平衡，而随着时间和空间的变化，力的平衡关系会遭到破坏，出现非平衡下的实际风。第十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

实际风与地转风、梯度风之间便出现偏差，形成所谓偏差风。

正是由于偏差风出现，促使风场与气压场相互调整，建立新的平衡关系，新的平衡又在新的风压条件下遭到破坏。空气运动就是从不平衡到平衡，又从平衡到不平衡的过程。

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在研究自由大气中大尺度空气运动时，地转风或梯度风这两种平衡关系是基本上适应的，尤其在中高纬度，它们概括了自由大气中风场和气压场的基本关系，在气象上有很大实用价值：地转风或梯度风反映了实际风的主流。第十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

练习：700hpa等压面图的局部如下，试分析气压系统，并分析Ａ、Ｂ、Ｃ三点处的受力及平衡风的方向。第十七页，共二十八页，编辑于2023年，星期日课外练习：１、已知ρ=1kg/m3，试计算30oN气压梯度为5hpa/100km时的vg；如果空气水平运动的曲率半径为100km，求该处的vc和vac。２、为什么气旋中风速可以发展得很大，而反气旋中风速却受限制？第十八页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

pP-1VAR

α4.3

摩擦层中空气的平衡运动4.3.1

摩擦层中空气的平衡运动一、平直等压线时

作用与空气的力有三个：气压梯度力、地转偏向力、地面摩擦力。

当三力达平衡时，空气作水平、等速、直线运动。因此，在北半球的摩擦层内，平直等压线时，风斜穿等压线，右前方是高压，左前方是低压。

风与等压线的交角α的大小与地面摩擦有关，陆地摩擦力大交角就大，海面上交角小些。G第十九页，共二十八页，编辑于2023年，星期日DG二、若等压线有弯曲作用与空气的力有四个：气压梯度力、地转偏向力、离心力、地面摩擦力。

当四力达平衡时，空气作等速曲线运动。以闭合等压线的高压和低压为例，风速较梯度风速要小，风向偏向低压一方。因此：在北半球的摩擦层内，低压中的空气逆时针转且向内辐合，高压中的空气顺时针转并向外辐散。第二十页，共二十八页，编辑于2023年，星期日4.3.2摩擦层中风随高度的变化（埃克曼螺线）

在摩擦层中，摩擦力随着高度增加而减小，风速随高度增大，风向右偏（北半球），到摩擦层顶部风接近与地转风，风向与等压线平行。

把不同高度的风矢量投影到同一平面上，把各矢量终点连接成一光滑曲线，这条曲线称为“埃克曼螺线”。埃克曼螺线

第二十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

设上层地转风Ｖg2，下层地转风Ｖg1，热成风矢量方程：上层地转风风速为：

4.4

自由大气中风随高度的变化（热成风）

4.4.1热成风地转风随高度的变化叫热成风。第二十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期日一、热成风形成：

假设地面上无气压梯度，无地转风，空气右边暖，左边冷，右边的气压随高度缓慢下降，而左边迅速下降。结果高空的等压面越来越陡，从暖区高压到冷区低压的气压梯度越来越强，这样在高空出现地转风，风由水平温度梯度引起，故称热成风。气压梯度由温度梯度引起，等压线分布与等温线一致，热成风与等温线平行。P0

P0-1P0-3P0-4P0-5P0-6P0-7P0-8P0-9P0-10P0-2暖冷等压面垂直剖面剖暖冷高气压低气压第二十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期日二、热成风方向热成风与等温线平行,北半球，背热成风而立，高温在右，低温在左。三、热成风的大小热成风与水平温度梯度成正比f为地转参数(科氏参数):f=2ωsinφ第二十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期日4.4.2自由大气中风随高度

变化的基本类型

一、等温线与等压线平行

1、气层的水平温度梯度与下层气压梯度方向一致（高压+高温）

地转风随高度变化是：风向不变，风速增大。

pP-1P-2TT-1T-2Vg1vTVg2vTVg3Vg4vT

z1z2

z3

z4

2、气层的水平温度梯度与下层气压梯度方向相反（高压+低温）

热成风与下层地转风方向相反，使风随高度逐渐减小，到某一高度为零；再向上风向相反，风速开始增大。pP-1P-3TT-1T-2Vg1Vg2Vg3Vg4第二十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期日101010051000T-1TT+1

vTVg1Vg2Vg3暖冷101010051000暖冷T+1TT-1Vg1Vg2Vg3

2、气层水平温度梯度与下层气压梯度相垂直，空气由暖区流向冷区（暖平流）

地转风随高度变化是：风速随高度增加，方向右偏（顺转）。二、等温线与等压线相交

1、气层水平温度梯度与下层气压梯度相垂直，空气由冷区流向暖区（冷平流）。地转风随高度变化是：风速随高度增加，风向左偏（逆转）。

第二十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

不管低层风如何，随高度增加，地转风方向渐与热成风方向趋于一致