第四章第二節(jié)(2011級用)

1、4.2 大氣的水平大氣的水平運動運動 大氣運動在地球環(huán)境的形成中有重要的作用。大氣運動在地球環(huán)境的形成中有重要的作用。大尺度的空氣環(huán)流將大尺度的空氣環(huán)流將熱量熱量從能量盈余的低緯地區(qū)輸從能量盈余的低緯地區(qū)輸向能量虧損的高緯地區(qū)。氣流的運動還將向能量虧損的高緯地區(qū)。氣流的運動還將水分水分充足充足地區(qū)，如海面和熱帶潮濕地區(qū)輸送到其他地區(qū)。盛地區(qū)，如海面和熱帶潮濕地區(qū)輸送到其他地區(qū)。盛行氣流是形成行氣流是形成天氣和氣候天氣和氣候的重要因素。大氣運動決的重要因素。大氣運動決定了生態(tài)環(huán)境的水熱條件，從而影響自然景觀、動定了生態(tài)環(huán)境的水熱條件，從而影響自然景觀、動植物群落乃至人類生活。植物群落乃至人類生活

2、。4.2 4.2 大氣的水平運動大氣的水平運動 大氣為什么會運動大氣為什么會運動 大氣運動的主要方式大氣運動的主要方式 大氣運動的基本規(guī)律大氣運動的基本規(guī)律作用于大氣的力作用于大氣的力大氣的水平運動大氣的水平運動 大氣環(huán)流大氣環(huán)流4.2 4.2 大氣的水平運動大氣的水平運動一、作用于大氣的力一、作用于大氣的力二、自由大氣中空氣的水平運動二、自由大氣中空氣的水平運動三、摩擦層中空氣的水平運動三、摩擦層中空氣的水平運動一、作用于大氣的力一、作用于大氣的力作用于大氣的力可分為兩類：作用于大氣的力可分為兩類：真正作用于大氣的力真正作用于大氣的力牛頓力牛頓力/ /基本力，如基本力，如氣壓氣壓梯度力梯度力

3、、地心引力地心引力、摩擦力摩擦力等；等；慣性力，如慣性力，如地轉偏向力地轉偏向力、慣性離心力慣性離心力等。等。4.2 4.2 大氣的水平運動大氣的水平運動一、作用于大氣的力（定義、大小和方向）一、作用于大氣的力（定義、大小和方向）1 1、氣壓梯度力、氣壓梯度力2 2、摩擦力、摩擦力3 3、地心引力、地心引力4 4、慣性離心力、慣性離心力5 5、地轉偏向力、地轉偏向力1、氣壓梯度力、氣壓梯度力(pressure gradient force )1 1）定義：由于氣壓分布不均勻，而作用在單位質）定義：由于氣壓分布不均勻，而作用在單位質量空氣上的力。量空氣上的力。2 2）表達式）表達式3 3）大小和

4、方向）大小和方向xPxxPPPxyzxyzx軸方向所受大氣凈壓力軸方向所受大氣凈壓力:zyxxPzyxxPPzyP)(同理，同理，y 軸方向軸方向: :zyxyP z 軸方向軸方向: :zyxzP氣塊所受的大氣凈壓力氣塊所受的大氣凈壓力: :zyxPzyxkzPjyPixP)(氣壓梯度力：氣壓梯度力：PG1v氣壓梯度力各分量氣壓梯度力各分量水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力垂直氣壓梯度力垂直氣壓梯度力jyPGy1kzPGz1ixPGx1nPGn1v大小大小與空氣的密度成反比與空氣的密度成反比與氣壓梯度成正比與氣壓梯度成正比v氣壓梯度：由于氣壓分布不均，作用在單位體積氣塊氣壓梯度：由于氣壓分布不均，作

5、用在單位體積氣塊上的大氣凈壓力。上的大氣凈壓力。v 水平氣壓梯度與水平氣壓梯度力；水平氣壓梯度與水平氣壓梯度力；v 垂直氣壓梯度與垂直氣壓梯度力。垂直氣壓梯度與垂直氣壓梯度力。1000hpa1005hpa1010hpa氣壓梯度力氣壓梯度力由于氣壓分布不均，而產由于氣壓分布不均，而產生在單位質量空氣塊上的大氣凈壓力。生在單位質量空氣塊上的大氣凈壓力。 1.水平氣壓水平氣壓梯度力梯度力a. 垂直于垂直于等壓線等壓線b .b .由高壓由高壓指向低壓指向低壓2、摩擦力、摩擦力v兩個相互接觸的物體作相對運動時，接觸面之間所產生的一兩個相互接觸的物體作相對運動時，接觸面之間所產生的一種阻礙物體運動的力。大

6、氣運動中所受到的摩擦力一般分為種阻礙物體運動的力。大氣運動中所受到的摩擦力一般分為內摩擦力內摩擦力和和外摩擦力外摩擦力。 v內摩擦力內摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接觸的兩個空氣層是在速度不同或方向不同的相互接觸的兩個空氣層之間產生的一種相互牽制的力，它主要通過湍流交換作用使之間產生的一種相互牽制的力，它主要通過湍流交換作用使氣流速度發(fā)生改變，也稱湍流摩擦力。其數(shù)值很小，往往不氣流速度發(fā)生改變，也稱湍流摩擦力。其數(shù)值很小，往往不予考慮。予考慮。 v外摩擦力外摩擦力是空氣貼近下墊面運動時，下墊面對空氣運動的阻是空氣貼近下墊面運動時，下墊面對空氣運動的阻力。它的力。它的方向方向與空氣運動方向相

7、反，與空氣運動方向相反，大小大小與空氣運動的速度與空氣運動的速度和摩擦系數(shù)成正比。和摩擦系數(shù)成正比。3 3、地心引力、地心引力v地球對單位質量空氣的引力（地心引力）地球對單位質量空氣的引力（地心引力）v地心引力和重力地心引力和重力4 4、慣性離心力、慣性離心力1 1）性質）性質慣性力慣性力慣性坐標系和非慣性坐標系、慣性力；慣性坐標系和非慣性坐標系、慣性力；對于一個勻角速轉動的非慣性坐標系而言，慣性力有兩個：慣性離心力和地轉對于一個勻角速轉動的非慣性坐標系而言，慣性力有兩個：慣性離心力和地轉偏向力。偏向力。2 2）大?。┐笮? 2R R 或或V V2 2/R/R3 3）方向）方向沿曲率半徑方向指

8、向外沿曲率半徑方向指向外4 4）地球上的慣性離心力）地球上的慣性離心力當以地球為參照系時，地球上每一個靜止的物體都受到一慣性離心力的作用。當以地球為參照系時，地球上每一個靜止的物體都受到一慣性離心力的作用。重力：地心引力與慣性離心力之和。重力：地心引力與慣性離心力之和。 vvvvttv)(RRvdtddtvd)(RRvRv)(2RRRdtvdR2 Ra2 向RRC2慣性離心力的大小與旋轉角速度的平方成正比，與曲率半徑成正比慣性離心力的大小與旋轉角速度的平方成正比，與曲率半徑成正比慣性離心力的的方向沿曲率半徑方向（指向外）慣性離心力的的方向沿曲率半徑方向（指向外）對大氣運動影響的表現(xiàn)：對大氣運動

9、影響的表現(xiàn)：地球自轉角速度的存在重力地心引力慣性離心力：地球自轉角速度的存在重力地心引力慣性離心力：大氣在水平方向上做勻速曲線運動時。大氣在水平方向上做勻速曲線運動時。5、地轉偏向力、地轉偏向力v因地球繞自身軸轉動而產生的因地球繞自身軸轉動而產生的慣性力慣性力稱為地稱為地轉偏向力或科里奧利力。轉偏向力或科里奧利力。 v在在大尺度的空氣運動大尺度的空氣運動中，地轉偏向力是一個中，地轉偏向力是一個非常重要的力。非常重要的力。 VtOAtAAO2221attVAAOOAAAVa2 VA21 1）地轉偏向力的大小）地轉偏向力的大小sin2VA sin2f2 2）地轉偏向力的方向）地轉偏向力的方向v北半

10、球右偏北半球右偏v南半球左偏南半球左偏v赤道不偏（地轉偏向力為零）赤道不偏（地轉偏向力為零）空氣運動方向空氣運動方向地轉偏向力（北半球）地轉偏向力（北半球）a.a.垂直于空氣的運動垂直于空氣的運動 方向方向( (即風向即風向) ) ；b.b.北半球向右偏，北半球向右偏， 南半球向左偏；南半球向左偏；c.c.由低緯向由低緯向 高緯增大；高緯增大；地轉偏向力地轉偏向力地轉偏向力地轉偏向力1000hpa1005hpa1010hpa（北半球）（北半球）風向風向地面摩擦力地面摩擦力請依據(jù)圖中風向，畫出空氣運動時的受力情況請依據(jù)圖中風向，畫出空氣運動時的受力情況水平氣壓水平氣壓梯度力梯度力小結小結氣壓梯度

11、力氣壓梯度力地轉偏向力地轉偏向力慣性離心力慣性離心力慣性力慣性力 摩擦力摩擦力真實力真實力與空氣運動與空氣運動速度有關速度有關原始動力原始動力二、自由大氣中空氣的水平運動二、自由大氣中空氣的水平運動1 1、地轉風、地轉風1 1）定義）定義 自由大氣自由大氣中，空氣的中，空氣的水平水平、勻速勻速、直線直線運動。運動。 即，空氣在即，空氣在水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力和和地轉偏向力地轉偏向力達到達到平衡時的一種定常運動。平衡時的一種定常運動。2 2）形成和方向、風壓定律）形成和方向、風壓定律 24在氣壓梯度力和地轉偏向力共同作用下的風在氣壓梯度力和地轉偏向力共同作用下的風（北半球）（北半球）（百帕

12、）（百帕）10001005101010151020氣壓梯度力氣壓梯度力地轉偏向力地轉偏向力風向風向風場和氣壓風場和氣壓場的關系？場的關系？風壓定律風壓定律風平行于等壓線而吹，在北半球，背風平行于等壓線而吹，在北半球，背風而立，高壓在右，低壓在左，南半球則風而立，高壓在右，低壓在左，南半球則高壓在左，低壓在右。高壓在左，低壓在右。二、自由大氣中空氣的水平運動二、自由大氣中空氣的水平運動 1 1、地轉風、地轉風3 3）大?。┐笮地轉風計算公式的推導地轉風計算公式的推導v討論討論 與氣壓梯度成正比與氣壓梯度成正比 與緯度的正弦成反比與緯度的正弦成反比二、自由大氣中空氣的水平運動二、自由大氣中空氣的

13、水平運動1、地轉風、地轉風1）定義）定義2）形成與方向）形成與方向風壓定律風壓定律3）大小）大小4）意義和局限性）意義和局限性2 2、梯度風、梯度風1 1）定義）定義 氣壓梯度力氣壓梯度力、地轉偏向力地轉偏向力和和慣性離心力慣性離心力三力平三力平衡時的一種空氣運動。衡時的一種空氣運動。v自由大氣中自由大氣中v勻速運動勻速運動v曲線運動曲線運動2）形成與方向）形成與方向v低壓中低壓中v高壓中高壓中v梯度風和等壓線平行，北半球，低壓中空氣作梯度風和等壓線平行，北半球，低壓中空氣作逆時針旋轉，高壓中作順時針旋轉。南半球相逆時針旋轉，高壓中作順時針旋轉。南半球相反。反。低低3）大小）大小v公式推導公式

14、推導 低壓中：低壓中：G=A+C 高壓中：高壓中：G+C=Av討論討論 高壓中風速的限制；高壓中風速的限制； 梯度風和地轉風的比較：梯度風和地轉風的比較： 在一定緯度、一定在一定緯度、一定G時，時，VacVgVc。 Ac=G-CAac=G-CAg=G低壓中：低壓中：CAGrVVnP2)sin2(101)sin2(12nPVVrccrnPrVc12114)sin2(sin22nPrrrVc2)sin(sin討論討論nPrrrVc2)sin(sin高壓中：高壓中：ACGVrVnP)sin2(1201)sin2(12nPVVracacnPrrrVac2)sin(sin討論：討論：速度不能為負；速度不

15、能為負； 與氣壓梯度為零時，速度為零；與氣壓梯度為零時，速度為零； 根號內不能為負值。根號內不能為負值。nPrrrVac2)sin(sinnPrrrVac2)sin(sin0)sin(2nPrr22sin1rnP高壓周圍的水平氣壓梯度力不可能無限大，這種限高壓周圍的水平氣壓梯度力不可能無限大，這種限制與制與r有關。有關。梯度風和地轉風的比較梯度風和地轉風的比較v氣壓梯度的影響氣壓梯度的影響 氣壓梯度愈大，風速愈大氣壓梯度愈大，風速愈大v曲率半徑的影響曲率半徑的影響 高壓中、低壓中高壓中、低壓中v高壓、低壓的比較高壓、低壓的比較 高壓大于低壓中的風速高壓大于低壓中的風速4 4）地轉風、梯度風的意

16、義及局限性）地轉風、梯度風的意義及局限性v揭示了揭示了大尺度大尺度空氣運動中風場和氣壓場之間一種最空氣運動中風場和氣壓場之間一種最簡單最基本的關系，為研究大氣運動，特別是大尺簡單最基本的關系，為研究大氣運動，特別是大尺度大氣的水平運動提供了度大氣的水平運動提供了理論基礎理論基礎。在中緯度地區(qū)，。在中緯度地區(qū)，地轉風、梯度風與實際風非常相似。地轉風、梯度風與實際風非常相似。v實際自由大氣中的空氣運動和地轉風、梯度風之間實際自由大氣中的空氣運動和地轉風、梯度風之間存在偏差。存在偏差。3 3、自由大氣中風隨高度的變化、自由大氣中風隨高度的變化 風場風場氣壓場氣壓場 風隨高度變化風隨高度變化 水平氣壓

17、場在垂直方向上的變化水平氣壓場在垂直方向上的變化 水平氣壓場在垂直方向上的變化水平氣壓場在垂直方向上的變化 水平溫度梯度的存在水平溫度梯度的存在 自由大氣中風隨高度變化的原因自由大氣中風隨高度變化的原因 由于水平溫度梯度的存在，而產生的由于水平溫度梯度的存在，而產生的地轉風在垂直方向上的速度矢量差地轉風在垂直方向上的速度矢量差熱熱成風。成風。 v熱成風的方向與等溫線平行，北半球，背熱成風而熱成風的方向與等溫線平行，北半球，背熱成風而立，高溫區(qū)在右，低溫區(qū)在左，南半球相反。立，高溫區(qū)在右，低溫區(qū)在左，南半球相反。v熱成風的大小與水平溫度梯度成正比，熱成風的大小與水平溫度梯度成正比， 與氣層的厚度

18、成正比。與氣層的厚度成正比。 熱成風的方向、大?。繜岢娠L的方向、大??？3 3、自由大氣中風隨高度的變化、自由大氣中風隨高度的變化1 1）熱成風的定義）熱成風的定義2 2）熱成風的方向和大小）熱成風的方向和大小3 3）舉例分析）舉例分析v等溫線與等壓線平行等溫線與等壓線平行溫壓場對稱系統(tǒng)溫壓場對稱系統(tǒng)v等溫線與等壓線相交等溫線與等壓線相交溫壓場不對稱系統(tǒng)溫壓場不對稱系統(tǒng) 低空有暖平流時；低空有暖平流時； 低空有冷平流時。低空有冷平流時。1000hpa1005hpa1010hpa04 8 低空風向低空風向熱成風熱成風 風向不變，風速增強風向不變，風速增強深厚系統(tǒng)深厚系統(tǒng) 1000hpa1005hp

19、a1010hpa84 0 低空風向低空風向熱成風熱成風 風向不變，風速減小到零，轉風向不變，風速減小到零，轉變?yōu)橄喾达L向，風速增大變?yōu)橄喾达L向，風速增大淺淺薄系統(tǒng)。薄系統(tǒng)。 1000hpa1005hpa1010hpa低空風向低空風向04 8 熱成風熱成風 低空有低空有暖平流暖平流時，風速增時，風速增強，風向強，風向順時針順時針變化變化溫壓溫壓場不對稱系統(tǒng)場不對稱系統(tǒng) 低空有低空有冷平流冷平流時，風速增時，風速增強，風向強，風向逆時針逆時針變化變化溫壓溫壓場不對稱系統(tǒng)場不對稱系統(tǒng)1000hpa1005hpa1010hpa低空風向低空風向84 0 熱成風熱成風熱成風熱成風v由于水平溫度梯度的存在，而產生的地轉風在垂直方向上的速由于水平溫度梯度的存在，而產生的地轉風在垂直方向上的速度矢量差度矢量差熱成風。熱成風。v大小和方向大小和方向 熱成風的大小與水平溫度梯度成正比；與氣層的厚度成正比。熱成風的大小與水平溫度梯度成正比；與氣層的厚度成正比。 熱成風的方向與等溫線平行，北半球，背熱成風而立，高溫熱成風的方向與等溫線平行，北半球，背熱成風而立，高溫區(qū)在右，低溫區(qū)在左，南半球相反。區(qū)在右，低溫區(qū)在左，南半球相反。v在自由大氣中，隨著高度的增高，不論風向如何變化，高層風在自由大氣中，隨著高度的增高，不論風