大連海事大學(xué)氣象學(xué)教案：大氣運(yùn)動(dòng)

§1.空氣的水平運(yùn)動(dòng)（Horizontalmotionofair）§2.大氣的垂直運(yùn)動(dòng)（Verticalmotionofair）§3.大氣穩(wěn)定度（Atmosphericstability）§4.大氣環(huán)流（GeneralCirculation）§5.季風(fēng)（Monsoons）§6.局地環(huán)流（Localcirculation）§7.地方性風(fēng)（Localwind）第三章大氣的運(yùn)動(dòng)作用在空氣微團(tuán)上的力1.重力(gravity)；大小為g≈9.8m/s2，方向向下，指向地心。2.水平氣壓梯度力(pressuregradientforce):由于作用在單位質(zhì)量空氣上的壓力在水平方向上分布不均勻，引起氣壓梯度力。大小為：；方向：垂直等壓線從高壓指向低壓。(1)Gn與ρ成反比，Gn與氣壓梯度成正比。(2)ρ一定時(shí)，大，等壓線密集，Gn大。(3)一定時(shí)，ρ大，空氣濃密，Gn小。(4)若=0,兩地沒(méi)有氣壓差

Gn=0無(wú)風(fēng)。Gn是使空氣產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力。作用在空氣微團(tuán)上的力3.水平地轉(zhuǎn)偏向力(deflectionforceofearthrotation)

由于地球自轉(zhuǎn),作用在運(yùn)動(dòng)物體上產(chǎn)生使運(yùn)動(dòng)物體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力，稱地轉(zhuǎn)偏向力，又稱可科利奧里力(Coriolisforce)或科氏力。大小為：A=2ωVsinφω=7.292×10-5/sω:地轉(zhuǎn)角速度V:風(fēng)速φ:緯度方向：北半球，恒垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)90度，南半球相反.討論：(1)A是物體相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)才產(chǎn)生的，靜止物體不受其作用。(2)地轉(zhuǎn)偏向力是虛擬力，只改變物體的運(yùn)動(dòng)方向，不改變速度。(3)在北半球A恒垂直于物體運(yùn)動(dòng)的右方，南半球相反。(4)A

與sinφ成正比，兩極最大，赤道上為零。作用在空氣微團(tuán)上的力4.慣性離心力

指物體在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一種虛擬力。大小：與向心力相等方向：與向心力相反。表示：

r為曲率半徑5.摩擦力運(yùn)動(dòng)物體受下墊面摩擦作用所產(chǎn)生的力。表示式：R=-kV方向與運(yùn)動(dòng)物體相反。

綜上所述，根據(jù)牛頓第二定律，

（地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速公式）（1）Vg與水平氣壓梯度成正比，即等壓線密集，Vg大。（2）Vg與空氣密度成反比，氣壓梯度一定時(shí)，高空的Vg大于低空的Vg。（3）Vg與緯度的正弦成反比，低緯Vg大于高緯Vg。（4）赤道及其附近不遵守地轉(zhuǎn)風(fēng)原則。地轉(zhuǎn)風(fēng)

當(dāng)水平氣壓梯度力和水平地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)到平衡時(shí)，空氣沿等壓線（等壓面）作無(wú)磨擦的直線運(yùn)動(dòng)，稱地轉(zhuǎn)風(fēng)。即：

風(fēng)壓定律(Buysballot’slaw)在北半球自由大氣中，風(fēng)沿等壓線吹，背風(fēng)而立，高壓在右，低壓在左。在南半球自由大氣中，風(fēng)沿等壓線吹，背風(fēng)而立，高壓在左，低壓在右。它明確地揭示了氣壓場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)之間的關(guān)系。地轉(zhuǎn)風(fēng)速計(jì)算方法

在地面圖上，取一個(gè)緯距Δn≈111Km=60nmile，ρ=1293g/m3，ω=7.29×10-5s-1；若取ΔP=1hPa

則：（m/s）當(dāng)ΔP≠1hPa時(shí)，（m/s）等壓面上的地轉(zhuǎn)風(fēng)

令

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換靜力方程：于是：定義為位勢(shì)高度和位勢(shì)高度差則：

梯度風(fēng)

在自由大氣中，空氣的水平圓周運(yùn)動(dòng)稱為梯度風(fēng)（GradientWind）。梯度風(fēng)可以看成是水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力三者平衡時(shí)的水平運(yùn)動(dòng)。定義:在自由大氣中，當(dāng)水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力達(dá)到平衡時(shí)，空氣沿等壓線作水平、無(wú)摩擦、等速作曲線運(yùn)動(dòng)。即:

低壓（氣旋）中的梯度風(fēng)在北半球在低壓區(qū)（氣旋）中風(fēng)繞中心逆時(shí)針?lè)较虼?，氣壓梯度力沿半徑指向中心，地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力都沿半徑指向外緣。三力平衡時(shí)

即

或低壓（氣旋）中的梯度風(fēng)

則式中表示低壓中的梯度風(fēng)速，解這個(gè)以為未知數(shù)的一元二次方程，得：根號(hào)前應(yīng)取正號(hào)才有意義。高壓（反氣旋）中的梯度風(fēng)根號(hào)前應(yīng)取負(fù)號(hào)才有意義。氣壓梯度和梯度風(fēng)的大小受反氣旋曲率限制。曲率愈大（r愈?。?，氣壓梯度愈小，梯度風(fēng)也小。反之相反。氣旋和反氣旋的梯度風(fēng)公式：

即高壓中此為高壓梯度風(fēng)速的極限值梯度風(fēng)的討論1.在氣旋中:G=A+C，只要?dú)鈮禾荻群吞荻蕊L(fēng)按一定比例增大，三力的平衡總可建立。因此，氣旋中氣壓梯度和風(fēng)速可以任意大。2.在反氣旋中:A=G+C，當(dāng)氣壓梯度和梯度風(fēng)按一定比例增大時(shí)，C比A增大的快，三力不能保持平衡。只有使氣壓梯度和梯度風(fēng)減小，才能三力保持平衡。3.最大水平氣壓梯度的分布，高壓邊緣較大，越近中心越小。曲率小處等壓線密集，曲率大處等壓線稀疏。4.在中高緯度高壓風(fēng)速大，低緯風(fēng)速小。梯度風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)比較地轉(zhuǎn)風(fēng)：低壓中的梯度風(fēng)：高壓中的梯度風(fēng)：因此，在水平氣壓梯度和曲率半徑相同時(shí)，Va＞Vg＞Vc。實(shí)際上低壓中的風(fēng)比高壓大，原因是低壓中大，不受限制。摩擦層中的風(fēng)在地面天氣圖上，由于地面作用，實(shí)際風(fēng)不沿等壓線吹，而與等壓線存在一個(gè)交角，并偏向低壓。此時(shí)的平衡為:地面實(shí)際風(fēng)比地轉(zhuǎn)風(fēng)小，方向偏低壓一側(cè)。摩擦層中的風(fēng)壓定律在北半球摩擦層中，風(fēng)斜穿等壓線吹，背風(fēng)而立，高壓在右后方，低壓在左前方。在南半球高壓在左后方，低壓在右前方。北半球，高壓中風(fēng)穿等壓線沿順時(shí)針?lè)较蛳蛲廨椛?，低壓中風(fēng)穿等壓線沿逆時(shí)針?lè)较蛳蛑行妮椇稀?右圖）地面高壓氣流地面低壓氣流實(shí)際風(fēng)向的確定和風(fēng)隨高的變化地面實(shí)際風(fēng)與等壓線的夾角取決于下墊面的粗糙度、大氣穩(wěn)定和緯度。通常在中緯度陸地上夾角為35-45，海面上為10-20。在陸地實(shí)際風(fēng)速約為相應(yīng)地轉(zhuǎn)風(fēng)速的1/3-1/2，在海上約為地轉(zhuǎn)風(fēng)速的3/5-2/3。在氣壓梯度不隨高度變化的前提下，風(fēng)隨高度的變化主要取決于摩擦力隨高度的變化。在北半球，風(fēng)速隨高度增大，風(fēng)向逐漸右偏；在南半球，風(fēng)速隨高度增大，風(fēng)向逐漸左偏。地形動(dòng)力作用繞流岬角效應(yīng)

大氣的垂直運(yùn)動(dòng)1.對(duì)流:指熱力作用下的暖空氣上升冷空氣下沉。由垂直方向的運(yùn)動(dòng)方程，狀態(tài)方程和靜力關(guān)系可以證明，當(dāng)氣塊溫度T’與周?chē)h(huán)境溫度T不同時(shí)，就發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng)，即:

T‘<T下沉運(yùn)動(dòng)

T’=T無(wú)對(duì)流

T'>T上升運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：水平范圍小（幾公里到幾十公里），持續(xù)時(shí)間短（幾十分鐘到幾小時(shí)），垂直速度大（1-30m/s）。通常造成雷雨大風(fēng)，冰雹和陣性降水等不穩(wěn)定天氣。大氣的垂直運(yùn)動(dòng)2.水平輻合輻散引起的垂直運(yùn)動(dòng)：低層輻散引起下沉運(yùn)動(dòng)，低層輻合引起上升運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：水平范圍大，垂直運(yùn)動(dòng)小。3．鋒面上的垂直運(yùn)動(dòng)：指暖空氣沿鋒面坡度爬升產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)。4．地形引起的垂直運(yùn)動(dòng)：當(dāng)氣流遇到高大地形或山脈時(shí)，在迎風(fēng)坡產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，在背風(fēng)坡產(chǎn)生下沉運(yùn)動(dòng)。垂直運(yùn)動(dòng)中氣溫的絕熱變化1.熱力學(xué)第一定律：氣體作功或傳遞熱量都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能。空氣塊在垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以看作是絕熱過(guò)程，即dQ≈02.干絕熱過(guò)程:干空氣或未飽和濕空氣作垂直升降運(yùn)動(dòng)時(shí)與周?chē)h(huán)境不發(fā)生熱量交換的變化過(guò)程，稱干絕熱過(guò)程。3.干絕熱直減率:在干絕熱直過(guò)程中,氣塊溫度隨高度的變化率稱干絕熱直減率。即：

因此,在干絕熱上升過(guò)程中,氣塊每升高100米溫度下降1度,每下降100米溫度升高1度。即垂直運(yùn)動(dòng)中氣溫的絕熱變化4.濕絕熱直減率:

在濕絕熱直過(guò)程中,氣塊溫度隨高度的變化率稱濕絕熱直減率。即：可以證明，γm＜γd，因?yàn)樵跐窠^熱過(guò)程中，水汽凝結(jié)釋放潛熱使冷卻作用變的緩慢。γm不是常數(shù)，而是隨氣壓和溫度變化,其中主要隨氣溫的降低而增大。通常取γm≈0.6℃/100m5.干絕熱線：在干絕熱過(guò)程中氣體狀態(tài)的變化曲線。濕絕熱線：在濕絕熱過(guò)程中氣體狀態(tài)的變化曲線。6.焚風(fēng)：是一種干熱風(fēng)，是干濕絕熱過(guò)程中，在迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡作用的結(jié)果。0m1000m3000m大氣穩(wěn)定度的概念

如圖小球處于三個(gè)不同位置，分別是穩(wěn)定平衡，不穩(wěn)定平衡和隨遇平衡。大氣穩(wěn)定度:

處于靜力平衡狀態(tài)的大氣層中，一些空氣塊受到動(dòng)力因子和熱力因子的擾動(dòng)，產(chǎn)生向上或向下的垂直運(yùn)動(dòng)。這種偏離其平衡位置的運(yùn)動(dòng)能否繼續(xù)發(fā)展成為對(duì)流運(yùn)動(dòng)，是由大氣層結(jié)，即溫度和濕度的垂直分布所決定的。大氣層結(jié)具有的這種影響對(duì)流運(yùn)動(dòng)的特性稱為大氣穩(wěn)定度，又稱大氣靜力穩(wěn)定度或大氣層結(jié)穩(wěn)定度。穩(wěn)定度判別的氣塊法通常采用“氣塊法”判斷靜力穩(wěn)定度。當(dāng)一氣塊受外力作用在垂直方向上產(chǎn)生擾動(dòng)后，周?chē)髿庥惺顾祷仄鹗嘉恢玫内厔?shì)時(shí)，這種大氣層結(jié)是穩(wěn)定的；反之，大氣有使它繼續(xù)遠(yuǎn)離起始位置的趨勢(shì)時(shí)，這種大氣層結(jié)是不穩(wěn)定的；若氣塊隨時(shí)與周?chē)髿馊〉闷胶鈺r(shí)，這種大氣層結(jié)是中性的。影響穩(wěn)定度變化的因子：輻射和溫度平流大氣穩(wěn)定度判據(jù)干絕熱過(guò)程：

γ＜γd

層結(jié)穩(wěn)定

γ=γd

中性

γ＞γd

層結(jié)不穩(wěn)定濕絕熱過(guò)程：

γ＜γm

層結(jié)穩(wěn)定

γ=γm中性

γ＞

γm

層結(jié)不穩(wěn)定干濕混合絕熱過(guò)程

γ＞γd

絕對(duì)不穩(wěn)定

γm＜γ＜γd條件不穩(wěn)定

γ＜γm

絕對(duì)穩(wěn)定大氣中的逆溫1．逆溫定義：在對(duì)流層中，某一時(shí)刻某氣層溫度隨高度上升或不變的狀態(tài)稱逆溫。逆溫所在的氣層稱逆溫層。2．逆溫對(duì)天氣的影響：逆溫存在好象一個(gè)蓋子，能有效地抑制對(duì)流的發(fā)展，阻擋水汽和塵埃等向上輸送。低層逆溫，易發(fā)生霧或低云天氣。3．逆溫的種類：（1）輻射逆溫：夜間輻射冷卻形成的逆溫。條件是陸地，晴朗和微風(fēng)等；（2）平流逆溫：暖空氣流到冷的下墊面（陸面或水面）上形成的逆溫。無(wú)日變化；（3）下沉逆溫：高空空氣絕熱下沉增溫而形成的逆溫。多出現(xiàn)在高壓區(qū)，范圍廣，厚度大；（4）亂流逆溫：低層空氣的亂流混合作用形成的逆溫。多發(fā)生在摩擦層中部。（5）鋒面逆溫：冷暖氣團(tuán)交界的過(guò)渡層內(nèi)形成的逆溫。大氣環(huán)流（GeneralCirculation）大氣環(huán)流：一般是指具有全球性、大范圍空的氣運(yùn)行現(xiàn)象，它的水平尺度在數(shù)千公里，垂直尺度在十公里以上，時(shí)間尺度大于24小時(shí)。大氣環(huán)流反映了大氣運(yùn)動(dòng)的基本狀態(tài)和基本特征，是各種不同尺度天氣系統(tǒng)活動(dòng)的基礎(chǔ)和背景。同時(shí)也是氣候形成和演變的重要背景條件。通常認(rèn)為影響大氣環(huán)流的主要因子有：太陽(yáng)輻射、地球自轉(zhuǎn)、海陸分布不均勻等因素等影響。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，了解大氣環(huán)流的基本狀態(tài)和氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)分布的基本特征。太陽(yáng)輻射——單圈環(huán)流假設(shè)：地球是靜止的，下墊面性質(zhì)均一。只考慮太陽(yáng)輻射隨緯度的不均勻性，赤道低緯由于受熱垂直上升，極地高緯冷卻下沉，高層空氣由赤道流向極地，低層空氣由極地流向赤道，從而產(chǎn)生了一個(gè)簡(jiǎn)單的一圈環(huán)流，稱單圈環(huán)流。地球自轉(zhuǎn)——三圈環(huán)流假設(shè)：下墊面性質(zhì)均一。在太陽(yáng)輻射隨緯度不均勻和地球自轉(zhuǎn)（地轉(zhuǎn)偏向力）二個(gè)因子的作用下，從赤道到極地形成三圈環(huán)流，即赤道環(huán)流（哈德萊環(huán)流）、極地環(huán)流和中間環(huán)流（費(fèi)雷爾環(huán)流）。三圈環(huán)流和行星風(fēng)帶氣壓帶和風(fēng)帶的分布?xì)鈮簬В撼嗟赖蛪簬?，副熱帶高壓帶，副極地低壓帶和極地高壓。南北半球?qū)ΨQ。風(fēng)帶：赤道無(wú)風(fēng)帶，信風(fēng)帶，副熱帶無(wú)風(fēng)帶，西風(fēng)帶和極地東風(fēng)帶。南北半球?qū)ΨQ。風(fēng)帶一.

赤道無(wú)風(fēng)帶（Doldrums）平均位于南北緯10o范圍內(nèi)，特征：對(duì)流旺盛、平流微弱、云量多、溫高、濕大、多雷雨、風(fēng)微弱不定向，位置隨季節(jié)南北移動(dòng)。風(fēng)帶二．信風(fēng)帶（TradesWindZone）位于副熱帶高壓帶與赤道低壓帶之間，平均位置在南北緯10--28o附近。北半球吹東北信風(fēng)，南半球吹東南信風(fēng)。特征：風(fēng)向常年穩(wěn)定少變，風(fēng)力一般3—4級(jí)，天氣晴朗，大洋西部降水較多，位置隨季節(jié)南北移動(dòng)。三.副熱帶無(wú)風(fēng)帶（HorseLatitudes）位于信風(fēng)帶和西風(fēng)帶之間，平均位于南北緯30o附近。特征：內(nèi)部多下沉氣流，天氣晴朗、少云、微風(fēng)、陸上干燥、海上潮濕，位置隨季節(jié)南北移動(dòng)。風(fēng)帶四．盛行西風(fēng)帶（Westerlies）位于副熱帶高壓帶與副極地低壓帶之間，在南北緯30--60o之間。大氣主要自西向東運(yùn)動(dòng)，北半球主要為SW風(fēng)，南半球?yàn)镹W風(fēng)。特征：此區(qū)域氣旋活動(dòng)頻繁，天氣十分復(fù)雜，常有大風(fēng)和雷雨，風(fēng)速較大，南半球在此范圍內(nèi)，除南美尖端外幾乎沒(méi)有陸地，常年盛行強(qiáng)勁的西風(fēng)，7級(jí)以上的大風(fēng)頻率每月可達(dá)10天以上，故有“咆哮西風(fēng)帶”之稱。位置隨季節(jié)南北移動(dòng)。五．極地東風(fēng)帶（PolarEasterlies）

位于南北緯60--90o之間，北半球吹NE風(fēng)，南半球吹SE風(fēng)。

實(shí)際海平面平均氣壓場(chǎng)的基本特征冬季：北半球受四個(gè)大范圍的氣壓系統(tǒng)（又稱大氣活動(dòng)中心）控制，它們是阿留申低壓，冰島低壓，蒙古高壓和北美高壓。蒙古高壓前部的偏北氣流就是亞洲穩(wěn)定的冬季季風(fēng)。南半球在南太平洋，南大西洋和南印度洋分別是三個(gè)高壓中心，在南非，澳大利亞和南美大陸上是熱低壓組成的低壓帶。夏季：北半球的大氣活動(dòng)中心有印度低壓，北美低壓，太平洋副高和大西洋副高，同時(shí)冰島低壓和阿留申低壓明顯減弱，范圍大大縮小。南半球大陸上的高壓加強(qiáng)伸展，在副熱帶緯度上，高壓帶環(huán)繞全球。春秋兩季屬于過(guò)渡季節(jié)，北半球春季，原有的四個(gè)大氣活動(dòng)中心減弱，副熱帶高壓開(kāi)始增強(qiáng)。冬季（1月）平均水平氣壓場(chǎng)夏季（7月）平均水平氣壓場(chǎng)大氣活動(dòng)中心永久性大氣活動(dòng)中心：指常年存在的大范圍氣壓區(qū)。如赤道低壓帶、海上副熱帶高壓、南極高壓、冰島低壓、阿留申低壓和南半球副極地低壓帶。半永久性大氣活動(dòng)中心：指大范圍的氣壓區(qū)隨季節(jié)改變。如蒙古高壓、北美高壓、印度低壓、北美低壓、澳大利亞高壓、南美高壓、非洲高壓、澳大利亞低壓、南美低壓和非洲低壓。影響我國(guó)天氣和氣候的大氣活動(dòng)中心主要有：西伯利亞高壓、阿留申低壓、西太平洋副高、印度低壓。大氣活動(dòng)中心的季節(jié)變化必然引起大氣環(huán)流的季節(jié)變化，而大氣活動(dòng)中心的短期變化對(duì)大范圍的天氣造成重大影響，它們是制作天氣預(yù)報(bào)的背景條件。季風(fēng)（Monsoons）季風(fēng)定義：大范圍風(fēng)向隨季節(jié)而有規(guī)律改變的盛行風(fēng)。要求盛行風(fēng)的方向改變120°，盛行風(fēng)頻率占40％。季風(fēng)的成因（FormationofMonsoons）：（1）海陸季風(fēng)：由海陸之間熱力異差引起的風(fēng)系，隨季節(jié)有極明顯的變化，稱海陸季風(fēng)。（2）行星季風(fēng)：由于行星風(fēng)帶隨季節(jié)移動(dòng)而引起的風(fēng)系變化，典型代表是南亞季風(fēng)。（3）青藏高原的地形作用：青藏高原在夏季的熱源作用和冬季的冷源作用對(duì)維持和加強(qiáng)南亞季風(fēng)起了重要的作用。季風(fēng)的分布季風(fēng)主要分布在南亞、東亞、東南亞和赤道非洲四個(gè)區(qū)域。東亞季風(fēng)成因:

主要是由于海陸間的熱力差異引起的。范圍：我國(guó)大部分地區(qū)，朝鮮半島和日本附近洋面。冬季風(fēng)特征：蒙古高壓盤(pán)踞亞洲大陸，寒潮和冷空氣不斷爆發(fā)南下，高壓前緣的偏北風(fēng)成為東亞的冬季風(fēng)。我國(guó)大部、朝鮮半島和日本附近洋面吹西北風(fēng)，東海南部、南海、臺(tái)灣海峽吹東北風(fēng)，風(fēng)力均在5-6級(jí)，最大8-9級(jí)。夏季風(fēng)特征：陸地是印度低壓（亞洲低壓），海上是西太平洋副熱帶高壓。我國(guó)東部沿海、朝鮮、日本吹東南風(fēng)；南海、臺(tái)灣海峽、菲律賓附近洋面吹西南風(fēng)。風(fēng)力一般3-4級(jí)。季風(fēng)的天氣氣候特征：夏季風(fēng)：高溫、潮濕、多陰雨，來(lái)臨慢；冬季風(fēng)：來(lái)臨快、強(qiáng)度大、大風(fēng)、干冷等。冬季風(fēng)大于夏季風(fēng)。南亞季風(fēng)成因：主要是南半球東南信風(fēng)帶北移引起的，也有海陸間的熱力差異和大地形（青藏高原）的作用。