大气科学概论课件(第八：大气运动2).ppt

4.2 自由大气中空气的水平运动在自由大气里，摩擦力对大气运动的作用可以忽略不计，大气运动十分接近于水平运动，且空气运动的加速度很小,接近于等速运动可以用地转风或梯度风来近似自由大气的实际风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：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 ：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: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?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 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？pP-1VARα4.34.3 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GDDG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：在北半球的摩擦层在北半球的摩擦层 内，低压中的空气逆时针内，低压中的空气逆时针 转且向内辐合，高压中的转且向内辐合，高压中的 空气顺时针转并向外辐散空气顺时针转并向外辐散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。

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地转风随高度的变化叫热成风一、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 P0-1P0-3P0-4P0-5 P0-6 P0-7 P0-8P0-9P0-10P0-2暖冷等压面垂直剖面剖暖冷 高气压低气压二、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=2ωsinφ4.4.2 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，地转风随高度变化是：风向不变， 风速增大。

风速增大 pP-1P-2TT-1T-2Vg1vTVg2vTVg3Vg4 vTz1z2z3z42、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，热成风与下层地转风方向相反，使风随高度逐渐减小，到某一使风随高度逐渐减小，到某一高度为零；再向上风向相反，高度为零；再向上风向相反，风速开始增大风速开始增大pP-1P-3T T-1 T-2Vg1Vg2Vg3Vg4101010051000T-1TT+1vT Vg1 Vg2Vg3暖冷101010051000 暖冷T+1TT-1Vg1Vg2Vg32、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：地转风随高度变化是：风速随高度增加，方向右偏（顺转）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：地转风随高度变化是： 风速随高度增加，风向左偏（逆转）风速随高度增加，风向左偏（逆转） 不管低层风如何，随高不管低层风如何，随高度增加，地转风方向渐与度增加，地转风方向渐与热成风方向趋于一致，逐热成风方向趋于一致，逐渐与等温线平行。

这一点渐与等温线平行这一点与实际大气很接近与实际大气很接近 课外练习：1、摩擦层风随高度如何变化？气层的水平温度 梯度与下层气压梯度方向相反的自由大气层中， 风随高度如何变化呢？ 2、设南京（32°Ｎ）地面气压场为平直等压线 ，地面摩擦力与风向相反，地面为西北风，风速 为6m/s，风与等压线的夹角为30° ，试求气压梯 度力和地面摩擦力的大小和方向，并做图示之。