大氣的運動和天氣系統(tǒng)

大氣的運動和天氣系統(tǒng)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)流將熱量從能量盈余的低緯地區(qū)輸向能量虧損的高緯地區(qū)。氣流的運動還將水分充足地區(qū)，如海面和熱帶潮濕地區(qū)輸送到其他地區(qū)。1盛行氣流是形成天氣和氣候的重要因素。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、動植物群落乃至人類生活。大氣運動對海水運動有極大的影響。風能可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ撕脱罅髂?，從而形成第二個全球性環(huán)流系統(tǒng)。海水運動不只影響了海洋和海岸地貌，而且也將熱量從低緯地區(qū)輸送到高緯地區(qū)。2大氣運動包括垂直運動與水平運動。以垂直運動為主的空氣運動，稱為上升氣流或下沉氣流?？諝庠谒椒较虻牧鲃臃Q為風。3一、大氣的水平運動氣壓的水平分布不均勻產(chǎn)生氣壓梯度力，從而引起空氣運動?？諝庖坏╅_始運動就立即會受到地轉(zhuǎn)偏向力、慣性離心力和摩擦力的影響。4（l）水平氣壓梯度力風的產(chǎn)生首先是由于存在著水平氣壓梯度力。由于氣壓在空間分布不均，便產(chǎn)生一個從高壓指向低壓的力，這就是氣壓梯度力。水平氣壓梯度力盡管很小,但在某一段時間持續(xù)發(fā)生作用,能夠使空氣產(chǎn)生很大的運動速度.例如，全球水平氣壓的平均梯度力G＝1hPa/100km，相當于空氣塊所受的力是7×10-7N/g，它所具有的加速度是0.07cm/s2，在一小時后，可產(chǎn)生2.5m/s的風速，二小時后，可產(chǎn)生5.1m/s的風速。實際上，地球上經(jīng)常存在著強大的高氣壓和低氣壓，其水平氣壓梯度遠超過1hPa/100km，所以，水平氣壓梯度力能使空氣運動產(chǎn)生較大的速度。5（2）地轉(zhuǎn)偏向力地球自轉(zhuǎn)的角速度分為垂直和水平兩個方向的分量，水平方向分量對地球上任何作水平運動的物體產(chǎn)生一個與其運動方向相垂直的作用力。這就是地轉(zhuǎn)偏向力F，它的大小為F＝2mvωsin式中，m為運動物體質(zhì)量；v為物體水平運動速度；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，為0.000073弧度/秒；為地理緯度。6當空氣在氣壓梯度力作用下運動時，地轉(zhuǎn)偏向力使氣流產(chǎn)生偏向。在北半球，氣流偏向運動方向的右方；在南半球，氣流偏向左方。作用于相同質(zhì)量和速度但在不同地點運動的物體的地轉(zhuǎn)偏向力的大小是不同的，如圖所示，在赤道為零，隨緯度的增高偏向力加大，在兩極達最大值。7（3）慣性離心力當空氣作曲線運動時，還要受到慣性離心力C的作用。慣性離心力的方向與空氣運動方向相垂直，并自曲線路徑的曲率中心指向外緣（圖3-23），其大小與空氣運動線速度v的平方成正比，與曲率半徑r成反比。即當空氣運動速度很大、運動路徑的曲率半徑特別小時，慣性離心力也能達到很大數(shù)值，甚至大大超過地轉(zhuǎn)偏向力。8（4）摩擦力水平氣壓梯度力使空氣運動產(chǎn)生加速度，但風速加大總是有限度的。因為處于運動狀態(tài)不同的氣層之間，空氣和地面之間都會相互發(fā)生作用，對氣流運動產(chǎn)生阻力。氣層之間產(chǎn)生的阻力，稱為內(nèi)摩擦力；地面對氣流運動產(chǎn)生的阻力，叫外摩擦力。9摩擦力總是和運動方向相反，使空氣運動速度減小，地轉(zhuǎn)偏向力也相應減小。結(jié)果氣流運動的方向并不與等壓線平行而是與之形成一定的交角。陸地上風向與等壓線平均交角為25°-35°，海洋上約為10°-20°。10摩擦層中，風隨高度的變化，受磨擦力和氣壓梯度力隨高度變化的影響。通常，離地面愈高，風速愈大，風向與等壓線的交角愈小。把北半球磨擦層中不同高度上風的向量投影到同一水平面上，可得到一條風向風速隨高度變化的螺旋線，稱為?？寺菥€。它表示北半球磨擦層中風隨高度呈螺旋式旋轉(zhuǎn)分布；隨著高度的升高，風速逐漸增大，風向向右偏轉(zhuǎn)，最終風向與等壓線完全一致。11在大于1.5km的高空自由大氣中，摩擦力可以忽略不計，起作用的主要是氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力，當這兩種力平衡時，就形成地轉(zhuǎn)風。地轉(zhuǎn)風是指自由大氣中空氣作等速、直線水平運動。高空風近似于地轉(zhuǎn)風，它的方向與等壓線平行，背風而立，在北半球是高壓在右，低壓在左；在南半球是高壓在左，低壓在右。12在離地面10m以下的氣層中，磨擦力隨高度增加迅速減小，風速隨高度增加特別快，所以一般要求測風儀器離地面10～15m。根據(jù)風速的大小，可將風力劃分為12級。從風力征象，可估算出相應的風級。從天氣預報中的風力等級，也可以知道風力征象。13二、大氣環(huán)流大氣環(huán)流是指大范圍內(nèi)具有一定穩(wěn)定性的各種氣流運行的綜合現(xiàn)象。是形成各種天氣和氣候的主要因素。由于緯度高低、海陸分布及地表狀態(tài)所接受的太陽輻射分布不均和地球轉(zhuǎn)動的影響，形成各種類型的環(huán)流。大型的有行星風系、季風等；小型的有海陸風、山谷風等。全球性氣溫和氣壓差異形成行星風系；巨大的海陸差異是季風環(huán)流的重要成因；局地的水陸、地形等的差異則形成各種地方性風系。14（一）全球氣壓帶假定地球表面結(jié)構(gòu)均一，且沒有自轉(zhuǎn)運動，赤道地帶就會由于氣溫高，空氣受熱膨脹上升，到高空后流向極地。極地上空積聚的來自赤道的空氣向下沉降，使地面空氣密度增大，氣壓升高；而赤道地面因空氣上升密度減小，氣壓降低。結(jié)果，在地面上就形成了由極地流向赤道的氣流。赤道地區(qū)空氣以上升運動為主，兩極地區(qū)以下沉為主，從而形成赤道和極地之間的閉合環(huán)流。15

但地球是在不停地自轉(zhuǎn)運動著，空氣一旦開始運動，地轉(zhuǎn)偏向力便隨之發(fā)生作用。圖3-25所示的閉合環(huán)流圖式，實際上不可能存在。16當空氣由赤道上空流向極地時，開始受地轉(zhuǎn)偏向力影響很小，基本上按氣壓梯度力方向沿經(jīng)圈運動。往后，隨緯度增高偏轉(zhuǎn)力加大，氣流逐漸具有西風的成分，至緯度20°—30°，地轉(zhuǎn)偏向力與氣壓梯度力大致平衡，氣流運動方向大致與緯圈平行，不可能向極地運動。但是，上空不斷有空氣來補充，在此堆積的空氣必然作下沉運動，以致近地面層空氣密度增大，形成動力高壓帶，這就是副熱帶高壓帶。副熱帶高壓帶與極地高壓區(qū)之間是一相對的低壓帶，稱為副極地低壓帶。這樣，全球近地面氣層就形成了赤道低壓帶、副熱帶高壓帶、副極地低壓帶、極地高壓區(qū)。17全球大氣環(huán)流圖式18地球表面性質(zhì)很不均勻，既有廣闊的海洋，又有巨大的陸地，實際的氣壓分布受到海陸分布的影響。海陸對于氣壓分布的影響因季節(jié)而異。冬季寒冷大陸產(chǎn)生高壓中心，如亞洲的西伯利亞高壓和北美洲的加拿大高壓。而副極地低壓帶這時只存在于海洋上，其中心是阿留低壓和冰島低壓。夏季陸地上形成低壓。同時海洋上卻形成強大的高壓中心（如北太平洋副熱帶高壓）。19（一）行星風系氣流由副熱帶高壓帶向赤道和副極地低壓運動時，向赤道吹的氣流在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，在北半球為東北風，在南半球為東南風，由于風向穩(wěn)定，通常分別稱為東北信風和東南信風（或貿(mào)易風）。東北信風與東南信風在赤道附近輻合上升，補償了赤道上空流出的空氣，并在熱帶的上下氣層間構(gòu)成一個環(huán)流圖式，稱為熱帶環(huán)流（即信風環(huán)流）。不考慮海陸和地形的影響，地面盛行風的全球性型式稱為行星風系。20由副熱帶高壓帶指向極地的氣流，在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，在中緯度地帶形成偏西風，稱為盛行西風。當它到達副極地低壓帶時，便和由極地高壓吹來的偏東氣流（極地東風）輻合上升。由副熱帶高壓吹來的暖氣流，滑行在由極地吹來的冷氣流之上，在極地冷卻下降，補償了由極地流出的空氣質(zhì)量。于是，在高緯地帶上下氣層間構(gòu)成一個環(huán)流圈，稱為極地環(huán)流。21綜上所述，在地表結(jié)構(gòu)均一情況下，根據(jù)緯度熱力差異而產(chǎn)生的水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力，可將全球劃分為三圈環(huán)流圖式。在這個圖式中，全球有七個氣壓帶和六個風帶（南北半球信風帶，南北半球盛行西風帶、兩極東風帶）。22在南半球40°～60°間，是一片近乎連綿不斷的大洋，西風持續(xù)不斷，海員稱之為“咆哮的四十度”，“狂暴的五十度”和“呼嘯的六十度”。23中緯度地帶地面與高空都是盛行西風，高空的氣流總趨勢雖是自西向東，然而并非嚴格循緯圈運動，而是有波動和次一級渦旋的。西風帶中的波動形成高空波。當波動加深，最后被分割，交錯出現(xiàn)孤立的低壓中心（切斷低壓）與高壓中心（阻塞高壓）。24這種高低中心渦旋，最終將減弱消失，恢復平穩(wěn)的自西向東的氣流。這種切斷過程的重要性在于把冷空氣帶到低緯，把暖空氣帶到高緯，完成高低緯之間的熱量和動量輸送。25高空西風帶中，往往出現(xiàn)風速極強的狹帶，稱為急流。它好比河道深槽中的湍急水流，有一個高速的中心，而周圍的風速降低。急流帶中風速最大區(qū)域的連線，叫做急流軸，它斷續(xù)地環(huán)繞地球一周。26（二）季風大陸和海洋間的廣大地區(qū)，以一年為周期、隨著季節(jié)變化而方向相反的風系，稱為季風。季風環(huán)流三度空間結(jié)構(gòu)的理想模式（見圖:夏季風示意圖）。強調(diào)海陸間溫度差異在季風環(huán)流中的作用。實際上，其他因素如海陸分布的相對位置、形狀和大小，行星風帶的季節(jié)移動、南北半球相互作用和大地形，尤其是青藏高原的作用對亞洲季風的形成均起著關鍵性作用。27亞歐大陸是全球最大的大陸，太平洋是最大的水域。在北半球的冬季，亞洲高壓特別強大；在夏季，北太平洋高壓勢力大大加強。氣壓場的季節(jié)變化特別明顯，所以亞洲東部的季風環(huán)流最為典型，形成頗具特色的東亞季風氣候。28在印度半島以及我國云南等地區(qū)，每年4—10月盛行西南氣流，稱為西南季風。東亞季風與西南季風不僅成因不同，特點也有差別。西南季風比東亞季風穩(wěn)定得多。氣候的主要特征是：1）一年分為明顯的旱季和雨季，雨季降水量占全年降水總量的80％以上；2）最高氣溫出現(xiàn)在雨季來臨之前，即4月中旬前后。29（三）局地環(huán)流行星風系、季風風系都是在大范圍氣壓場控制下的大氣環(huán)流。由于局部環(huán)境影響，如地形起伏、地表受熱不均等等引起的小范圍氣流，稱局地環(huán)流。301.海陸風海陸風也是由于海陸熱力差異引起的，但影響范圍局限于沿海，風向轉(zhuǎn)換以一天為周期。白天，陸地增溫比海面快，陸面氣溫高于海面，因而形成熱力環(huán)流。下層風由海面吹向陸地，叫海風，上層則有反向氣流。夜間，陸地降溫快，地面冷卻，而海面降溫緩慢，海面氣溫高于陸面，海岸和附近海面間形成與白天相反的熱力環(huán)流，氣流由陸地吹向海面，為陸風。當大范圍氣壓場氣壓梯度較大時，相應于氣壓場的風可以掩蓋海陸風。312.山谷風在山地區(qū)域，日出以后山坡受熱，其上空氣增溫很快，而山谷中同一高度上的空氣，由于距地面較遠，增溫較慢，因而產(chǎn)生由山谷指向山坡的氣壓梯度力，風由山谷吹向山坡，這就是谷風。夜間，山坡輻射冷卻，氣溫降低很快，而谷中同一高度的空氣冷卻較慢，因而形成與白天相反的熱力環(huán)流，下層風由山坡吹向山谷，這就是山風。323.焚風氣流受山地阻擋被迫抬升，空氣冷卻，水汽凝結(jié)；氣流越山之后順坡下沉，此時空氣中水汽含量大為減少，下沉氣流按干絕熱遞減率增溫（1℃/100米），以致背風坡氣溫比迎風坡同一高度氣溫為高，從而形成相對干而熱的風，這就是焚風。33焚風效應對山地自然環(huán)境局部差異有重要的意義對植被類型形成與生態(tài)特征、土壤形成過程與土壤類型都有一定的影響。焚風現(xiàn)象在我國西南峽谷區(qū)表現(xiàn)特別顯著。例如，云南怒江谷地自然環(huán)境具有熱帶和亞熱帶稀樹草原特征，顯然與焚風效應有關。34龍卷空氣中產(chǎn)生垂直軸，并伴有極大風速的渦旋，稱為龍卷。龍卷與強烈的雷暴活動有關，它是從雷雨云中伸向地面呈倒漏斗狀的激烈旋轉(zhuǎn)的空氣渦旋。龍卷的水平面積很小，其直徑在海上為25—100米，在陸上為100—1000米，有時達到2000米。龍卷接近地面時，能拔樹掀屋，破壞力極大，對局部地區(qū)來說，也是一種災害性天氣。35水龍卷363738三、主要天氣系統(tǒng)大氣中引起天氣變化的各種尺度的運動系統(tǒng)，稱天氣系統(tǒng)。根據(jù)水平尺度和生命史，可對天氣系統(tǒng)進行分類。下面主要介紹氣團和鋒，以及氣旋、反氣旋。39氣團1.概念氣團是在水平方向上性質(zhì)比較均勻的大塊空氣，即氣層的溫度和濕度等主要物理屬性變化較小。氣團的規(guī)模大，范圍可達數(shù)百公里直到2000—3000公里，垂直厚度可達對流層的中上部。不同的氣團有不同的物理屬性。在同一個氣團所占據(jù)的范圍內(nèi)，天氣狀況基本類似。兩個物理屬性不同氣團的交鋒，是形成復雜天氣狀況的主要原因。40大團空氣長時期停留在大塊土地上，受到該地區(qū)影響，使溫度，濕度有其大地區(qū)性質(zhì)。氣團形成地區(qū)稱氣團源地41氣團變性環(huán)流條件發(fā)生變化，氣團就要離開源地移動到另一個地區(qū)。隨著大范圍空氣運動，以及新到達地區(qū)的地表性質(zhì)的改變，從而氣團物理屬性也將發(fā)生變化，稱為氣團的變性。42當氣團移出源地之后，依行進方向所經(jīng)過地表冷或熱的比較，可分為冷氣團和熱氣團。冷氣團向較溫暖地區(qū)移動，會使經(jīng)過地區(qū)的氣溫降低，而暖氣團則會提高經(jīng)過地區(qū)的氣溫。極地大陸氣團熱帶海洋氣團43氣團分布熱帶大陸氣團（Tc）熱帶海洋氣團（Tm）極地大陸氣團（Pc）極地海洋氣團（Pm）北極大陸氣團（Ac）北極海洋氣團（Am）赤道氣團（E）44氣團分類氣團的分類主要有兩種，即熱力分類和地理分類，二者是有聯(lián)系的。氣團的熱力分類根據(jù)氣團離開源地后與其經(jīng)過的地面之間溫度對比將氣團分為冷氣團與暖氣團兩類。一般地講，由較低緯度流向較高緯度地區(qū)的是暖氣團；反之是冷氣團。前者使到達地區(qū)增暖，后者使到達地區(qū)變冷。45依源地的冷熱，氣團可分為極圈氣團，極地氣團，熱帶氣團和赤道氣團四種。依源地的干濕可分為干燥的大陸性氣團和潮濕的海洋性氣團兩種。46氣團是在一定的自然環(huán)境中形成的，它的物理屬性具有地域特征。依據(jù)氣團源地特點，劃分為冰洋（北極、南極）大陸氣團等類型。氣團的地理分類47影響亞洲地區(qū)的氣團分布西伯利亞氣團長江氣團鄂霍次克海氣團熱帶氣團西太平洋氣團48影響我國的氣團多屬變性氣團冬季主要為極地大陸氣團，熱帶海洋氣團僅影響華南、華東、云南等地。夏季，極地大陸氣團退居長城以北，熱帶海洋氣團影響我國大部。這兩種不同性質(zhì)氣團交匯，是形成夏季降水的主要原因。49鋒鋒及其類型當兩個性質(zhì)不同的氣團相接觸時，形成的狹窄過渡區(qū)域，稱為鋒。鋒的兩側(cè)氣象要素存在明顯的差異，這種差異主要表現(xiàn)在溫度方面，因此通常把鋒看成是冷、暖氣團之間的過渡區(qū)。50鋒面的形成冷、暖氣團相遇，在交界面形成一條溫度、濕度、風向及天氣顯著變化的狹長地帶，稱為鋒面。在鋒面經(jīng)過或停留的地區(qū)，云量較多，容易刮風下雨。鋒面的種類有四種錮囚鋒滯留鋒暖鋒冷鋒51認識天氣圖上鋒面的符號冷鋒暖鋒靜止鋒錮囚鋒52冷鋒鋒面有密度大（冷）的氣團移向密度小（暖）的氣團時，則這個鋒面稱為冷鋒。5354暖鋒鋒面有密度?。ㄅ┑臍鈭F移向密度大（冷）的氣團時，則這個鋒面稱為暖鋒。55冷氣團暖氣團56靜止鋒當冷氣團和暖氣團威力相當時，兩起團彼此停滯不前，形成一道鋒面，此鋒面即為靜止鋒。當冷鋒前進的速度比暖鋒快，最后冷鋒與暖鋒相當，地面的暖空氣全部被冷暖鋒抬升至空中，就形成錮囚鋒。57靜止鋒58錮囚鋒59鋒面過境的情形當鋒面通過臺灣時，臺北和高雄的天氣情況晴時多云25℃~31℃27℃~32℃晴過境前60陰有雨20°C~25°C26°C~31°C多云時晴61陰有雨20°C~25°C26°C~31°C多云時晴62陰有雨24°C~27°C陰有雨24°C~29°C63歸納：鋒的空間狀態(tài)是傾斜的，它的上面是暖氣團，下面是冷氣團。鋒的寬度，在近地面層中約為幾十公里，在高層可達200—400公里。這與一個氣團所占據(jù)的水平范圍相比是較小的。因此，常把鋒視作一個面，稱為鋒面。鋒面與地面相交的線稱為鋒線。長的鋒線達數(shù)千公里，短的也有數(shù)百公里。64在一個氣團內(nèi)氣溫的水平分布是比較均一的，在100公里的距離內(nèi)，氣溫差只有1—2℃，但在鋒附近，相同距離的氣溫差可達10℃左右。天氣圖上，鋒附近等溫線特別密集，這是確定鋒線的重要標志。鋒通常出現(xiàn)在低壓槽中，所以在典型的情況下，鋒前吹西南風，鋒后吹西北風，地面鋒線正是氣流輻合線。65根據(jù)鋒的移動情況，可將鋒分為暖鋒、準靜止鋒、冷鋒三種基本類型。暖鋒是指暖氣團主動向冷氣團方向移動的鋒；準靜止鋒是指很少移動或速度非常緩慢移動的鋒；冷鋒則是指冷氣團主動向暖氣團方向移動的鋒。6667準靜止鋒天氣準靜止鋒是很少移動或移動速度緩慢的鋒。它的兩側(cè)冷暖氣團往往形成勢均力敵的形勢。準靜止鋒的云區(qū)，降水區(qū)比暖鋒更廣。我國的準靜止鋒主要有華南準靜止鋒，江淮準靜止鋒，昆明準靜止鋒，天山準靜止鋒等。我國江南清明節(jié)前后細雨綿綿和江淮流域初夏時的梅雨天氣都與準靜止鋒有關。貴州高原冬半年多陰雨，“天無三日晴”便同昆明準靜止鋒活動有關68697071冷鋒是影響我國最重要的天氣系統(tǒng)之一。冷鋒活動遍及我國絕大部分地區(qū)。北方地區(qū)的夏季暴雨就和冷鋒活動有一定關系。長江流域及其以南地區(qū)，也往往受其影響，春末夏初的冰雹等不穩(wěn)定天氣，常與冷鋒活動有關。72氣旋和反氣旋氣旋氣旋是和低壓區(qū)緊密聯(lián)系、相伴而生的大型空氣旋渦。北半球氣旋，空氣按反時針方向自外圍向中心運動，強大的氣旋地面風速可達30米/秒以上。氣旋直徑自幾百公里至2000公里以上。它常帶來大風、降水等天氣。73氣旋的形成氣旋是由于鋒面上或密度不同的空氣分界面上發(fā)生波動，進一步發(fā)展形成的。根據(jù)地理位置可將氣旋分為溫帶氣旋（產(chǎn)生于極鋒上）和熱帶氣旋（產(chǎn)生于赤道鋒上）兩類。鋒面氣旋中，以極鋒上產(chǎn)生的氣旋最為重要。它一般活動于中緯度地區(qū)。臺風是發(fā)生于赤道鋒上的強大低氣壓系統(tǒng)——熱帶氣旋。74氣旋天氣特征鋒面氣旋天氣是由其中的流場、氣團屬性和鋒的結(jié)構(gòu)特征決定的。(1)從流場來說，在鋒面氣旋中有強烈的上升氣流，有利于云和降水的形成。(2)從氣團屬性來說，若氣團濕度大就更易于發(fā)生降水。若氣團層結(jié)穩(wěn)定，會有系統(tǒng)性上升，從而產(chǎn)生層狀云系和連續(xù)性降水。如氣團層結(jié)不穩(wěn)定，則有利于對流發(fā)展，產(chǎn)生積狀云和陣性降水。(3)從鋒的結(jié)構(gòu)看，氣旋區(qū)域如果有冷暖鋒，則氣旋前方