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1、4.1 作用在氣塊上的力4.2 大氣運(yùn)動方程及其簡化4.3 P坐標(biāo)系中的運(yùn)動方程4.4 自由大氣中的風(fēng)4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化熱成風(fēng)4.6 摩擦層中的風(fēng)4.7 水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動的關(guān)系4.8 大氣的垂直運(yùn)動思考題第4章 大氣運(yùn)動氣象學(xué)與氣候?qū)W 氣壓梯度（ ）：沿垂直于等壓面且由高壓指向低壓方向上，單位距離（N）間的氣壓差（P），即NpP P P xz o PP+PN x z 氣壓梯度分量：水平氣壓梯度：垂直氣壓梯度：xpN pPPx sin/sin zpN pPP z cos/cos 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.1氣壓梯度力 氣壓梯度物理意義若在兩等壓面間取一底面積（

2、S）、高（N）的空氣塊，則其所受的凈壓力為 PS - （P+P)S= - PS若除以空氣塊體積NS ，則上式等于xzo PP+PN PNp P PS（P+P)S結(jié)論：氣壓梯度等于單位體積空氣塊所受的大氣凈壓力，其方向即凈壓力方向。第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.1氣壓梯度力 氣壓梯度力（G）定義單位質(zhì)量空氣塊所受的大氣凈壓力，其大小正比于氣壓梯度、反比于空氣密度，方向與氣壓梯度相同，即xzo PP+PN NPPG 11 G PS（P+P)S氣壓梯度力可分解為：水平分量：垂直分量：xPPG xx 11 zPPG zz 11 xG zG 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上

3、的力4.1.1氣壓梯度力 氣壓梯度力的討論近地面大氣中水平氣壓梯度通常約為1hPa/100km，而垂直氣壓梯度約為1hPa/8m，試問水平和垂直氣壓梯度力分別為多大？如不考慮其它因素，靜止空氣塊3小時將達(dá)到多大速度？空氣密度取1.293kg/m3。 水平氣壓梯度力： 垂直氣壓梯度力：gkgNzPG z )/(667.981293.1 11（重力加速度）akgNxPGx )/(000773.01000100 1001293.1 11（水平加速度） 3小時后速度：)/(353.836003000773.0 smV 45級風(fēng)由此可見，Gx是風(fēng)的原動力，Gz與重力平衡（準(zhǔn)靜力平衡）。 氣壓梯度力（G）

4、的矢量表達(dá)式xPzyxxPPzyPzyxGx 11 zyP xG 同理可得：yPGy 1 zPGz 1 G的矢量式kGjGiGG zyx PkzPjyPixPG 11 kzPjyPixPP xz y0 xyz zyxxPP 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.1氣壓梯度力 定義：空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動時，對地面觀察者而言，該質(zhì)點(diǎn)受一個由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的垂直其運(yùn)動方向的力，稱為地轉(zhuǎn)偏向力(Coriolis force)。 AOV BC 公式1：根據(jù)Newtons Law，OC方向上受到一作用力A，即Coriolis force Va tatVABOC tVAOBOAAB 2 21 22 2

5、VA 2 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.2 地轉(zhuǎn)偏向力 E R o zy xz公式2：任意緯度上單位質(zhì)量運(yùn)動空氣塊所受的地轉(zhuǎn)偏向力為VA 2取地球坐標(biāo)系oxyz，則地轉(zhuǎn)角速度矢量和風(fēng)速矢量可分別表示為 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.2 地轉(zhuǎn)偏向力 kwjviuV ki kji z zyx sincos 公式3： hVkf juiv kujuivw wvu kjiA sin2 cossin2sin2cos2 sincos02 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.2 地轉(zhuǎn)偏向力xyz ),( vuV h k uv-fufv sin2f性質(zhì)

6、：若Vh=0，則A=0；若Vh一定，則A隨緯度 增大而增大；若緯度一定，則A與風(fēng)速大小乘正比。A垂直與V h，北半球指向右，南半球相反。 sin2f 定義：大氣運(yùn)動時，大氣與地面之間、相鄰空氣層之間所產(chǎn)生的粘滯力，前者為外摩擦力，取決于地面粗糙度；后者為內(nèi)摩擦力，取決于風(fēng)速垂直分布和空氣粘滯系數(shù)。xz u(z)z 公式1：摩擦應(yīng)力 ：單位面積上所受的摩擦力,單位N/m2。其中，K z為空氣粘滯系數(shù)，u和v為x和y軸上速度分量。zvKzuK zzyzzx ;)(yzx zx 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.3 摩擦力 xz u(z)z y0 xzz ,zx xf 公式2：質(zhì)量

7、摩擦力 ，即單位質(zhì)量空氣塊所受的摩擦力，單位N/kg。其中， 為空氣密度，其余符號同前。2222 ; zvKfzuKf zyzx )(yxf 公式3：外摩擦力其中，C為地面摩擦系數(shù)， 空氣運(yùn)動速度，負(fù)號表示摩擦力方向與速度相反。VCR V 性質(zhì)：內(nèi)摩擦力隨高度增加而減小，至自由大氣可忽略。 第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.3 摩擦力 定義：空氣質(zhì)點(diǎn)作曲線運(yùn)動時，由于慣性而受到的沿曲率半徑向外的力。Vo ar C公式rVC 2第4章 大氣的運(yùn)動4.1 作用在空氣塊上的力4.1.4 離心力 rFpAgDtVD 1矢量式： 2222 22111 zwKgzpzwwywvxwutw

8、DtDw zvKfuypzvwyvvxvutvDtDv zuKfvxpzuwyuvxuutuDtDu zz z直角坐標(biāo)系中標(biāo)量式： 加速度重力地轉(zhuǎn)偏向力氣壓梯度力摩擦力第4章 大氣的運(yùn)動4.2 大氣運(yùn)動方程及其簡化4.2.1 大氣運(yùn)動方程 第4章 大氣的運(yùn)動4.2 大氣運(yùn)動方程及其簡化4.2.2 大氣運(yùn)動的尺度及其分類大氣運(yùn)動 類別L(m) H(m) V(m/s) w(m/s) t(s)大尺度105106 104 101 10-2 105中尺度104105 103104 101 100 104105小尺度104 103104 100101 100101 0， ，所以0np （3）梯度風(fēng)性質(zhì)第4

9、章 大氣的運(yùn)動4.4 自由大氣中的風(fēng)4.4.2 梯度風(fēng)梯度風(fēng)的風(fēng)速：H ACV rVG2GfV np 1nprrffrVAC 42 22討論：II）反氣旋式，r0， ，所以0np且42 rfnp 故反氣旋梯度風(fēng)具有風(fēng)速極大值：sin2 max rrfVAC 意義：反氣旋中心，氣壓梯度、風(fēng)速小等壓線彎曲處，氣壓梯度、風(fēng)速小緯度越高，氣壓梯度、風(fēng)速大冬季密度大，氣壓梯度、風(fēng)速大 H梯度風(fēng)Va壓強(qiáng)梯度力地轉(zhuǎn)偏向力離心力H10201016 L10001004 梯度風(fēng)示意圖 第4章 大氣的運(yùn)動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化熱成風(fēng)4.5.1 定義定義：由水平溫度梯度而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)風(fēng)在鉛直方向上的速度矢量差，稱為

10、熱成風(fēng)(VT)。 P1v1 P2v2 P3v3 P4v4 xy0z高溫低溫T 定義式 公式： 0zznTTfgVT 第4章 大氣的運(yùn)動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化4.5.2 表達(dá)式0gggT VVVV 0gVgV TVkTTf zgV pT TV T4T3T2T1冷暖Tp xy0z 特征：大小與垂直平均溫度梯度及氣層厚度成正比，與科氏參數(shù)（f）成反比。方向與等溫線平行，北半球背風(fēng)而立，氣溫左低右高，南半球則反。 根據(jù)單站測風(fēng)記錄，判斷高空冷暖平流xz地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度增加作順時針變化，則伴有暖平流；V 0 VZ高壓低壓V0 高溫 低溫VZ 第4章 大氣的運(yùn)動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化4.5.4 熱成風(fēng)

11、原理的應(yīng)用 xzV0VZ低壓高壓V0 高溫 低溫VZ 第4章 大氣的運(yùn)動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化4.5.4 熱成風(fēng)原理的應(yīng)用根據(jù)單站測風(fēng)記錄，判斷高空冷暖平流地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度增加作逆時針變化，則伴有冷平流； 判斷氣壓場和溫度場的空間結(jié)構(gòu)若低溫/低壓、高溫/高壓中心基本重合，則隨高度增加，風(fēng)向不變、風(fēng)速加，為深厚天氣系統(tǒng)，如暖高壓、冷低壓。xz P4V4 P 2V2 P1V1 P3V3高溫/壓低溫/壓Vz V1V2V3V4 第4章 大氣的運(yùn)動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化4.5.4 熱成風(fēng)原理的應(yīng)用 xz P4V4 P3V3高溫/低壓低溫/高壓P1V1 P2V2VzV1V2 V3=0V4 第4章 大氣

12、的運(yùn)動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化4.5.4 熱成風(fēng)原理的應(yīng)用判斷氣壓場和溫度場的空間結(jié)構(gòu)若低溫/高壓、高溫/低壓中心基本重合，則隨高度增加，風(fēng)速減小，至某一高度，風(fēng)速為零，再往上，風(fēng)向反向，風(fēng)速加大，為為淺薄天氣系統(tǒng)，如冷高壓、熱低壓。 由此可見，在自由大氣中，不論風(fēng)向如何，隨著高度的增高，高層風(fēng)總是愈來愈趨向于熱成風(fēng)。南、北半球的對流層中，溫度分布總是赤道高、由此向南北極逐漸降低，且在緯度30附近溫度梯度最大，因此，對流層上層總是以西風(fēng)為主（熱成風(fēng)是西風(fēng)），并在緯度30附近上空出現(xiàn)最大的西風(fēng)風(fēng)速區(qū)，稱為西風(fēng)急流。第4章 大氣的運(yùn)動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化4.5.4 熱成風(fēng)原理的應(yīng)用 第4章

13、 大氣的運(yùn)動4.6 摩擦層中的風(fēng)4.6.1摩擦造成的地轉(zhuǎn)偏差V 0Fr A0 D 定義：摩擦層中地面風(fēng)速與相同氣壓梯度下高空地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量之差，用D表示：gVVD 0 公式：kFfD r 1 結(jié)論：北半球，地轉(zhuǎn)偏差D垂直于摩擦力且指向其右側(cè)，大小正比于摩擦力，反比于緯度。G VgAp1p0 LH 高空G A Vgp1p2p3L H地面風(fēng)速小于高空地轉(zhuǎn)風(fēng);地面風(fēng)速與等壓線成一夾角，取決于地面粗糙度、高度及緯度;近地面，北半球背風(fēng)而立，低壓在左前方、高壓在右后方，南半球反之；隨高度增加，風(fēng)向右偏、風(fēng)速加大，直至趨于高空地轉(zhuǎn)風(fēng)。各風(fēng)矢量終點(diǎn)的連線構(gòu)成“?？寺菥€(Ekman spiral)”，地面V0G

14、 ARp1p2p3L H第4章 大氣的運(yùn)動4.6 摩擦層中的風(fēng)4.6.2 摩擦層中風(fēng)速及其隨高度變化 L992996 H11161112 力平衡： L：G = A + R+C H：G+C= A + R 梯度風(fēng)壓強(qiáng)梯度力G地轉(zhuǎn)偏向力A離心力C摩擦力R特點(diǎn)： L：逆時針旋轉(zhuǎn)并向中心輻合，產(chǎn)生上升氣流，成云致雨、伴風(fēng)暴，如臺風(fēng)； H：順時針旋轉(zhuǎn)并向四周輻散，產(chǎn)生下沉氣流，中心天氣晴好、風(fēng)力微弱，如冷高壓； 第4章 大氣的運(yùn)動4.6 摩擦層中的風(fēng)4.6.3 摩擦層中的梯度風(fēng) （1）z坐標(biāo)系中的連續(xù)方程 第4章 大氣的運(yùn)動4.7 水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動的關(guān)系4.7.1連續(xù)方程xyzuvw u xxuu zy

15、xxu x方向上凈流入的空氣質(zhì)量為 同理，y和z方向上凈流入的空氣質(zhì)量分別為： zyxzwzyxyv ; zyxt 單位時間控制體內(nèi)的空氣質(zhì)量增量為： 根據(jù)質(zhì)量守衡定律，有： zwyvxut即 0Vt )( 假定空氣不可壓縮，則 0 zwyvxuV gzp1dtdw 向下加速運(yùn)動靜止或勻速運(yùn)動向上加速運(yùn)動0dtdw 0dtdw 0dtdw g dtdwzp1 第4章 大氣的運(yùn)動4.7 水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動的關(guān)系4.7.2 垂直運(yùn)動方程 g zp1 dtdw gzp gzp1dtdw g)1(dtdw pp RTp RTpgTTTdtdw Tp T p 向下加速運(yùn)動靜止或勻速運(yùn)動向上加速運(yùn)動TT

16、TT TT 第四章 大氣運(yùn)動熱對流：太陽輻射不均勻加熱下墊面，熱空氣受浮力作用而形成。4.7 水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動類型 第四章 大氣運(yùn)動輻合和輻散：由空氣連續(xù)方程可知，輻合或輻散會導(dǎo)致上升或下沉運(yùn)動，其垂直速度可表示為： 00 21)( Hzz zDdzyvxuw 風(fēng)速水平散度，yvxuDH 高空下沉運(yùn)動地面輻散高空上升運(yùn)動地面輻合0w,0 0w,0 z0 z0HHDD 4.7 水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動類型 wzw 0zHD0HD 00 w tg)uu(w 21 u1-u2 w鋒面其中，暖空氣垂直鋒面的速度冷空氣垂直鋒面的速度鋒面坡度1u2u第四章

17、大氣運(yùn)動系統(tǒng)性垂直運(yùn)動：由大范圍的暖空氣沿鋒面(冷暖氣團(tuán)的界面)滑行而產(chǎn)生，垂直速度可表示為：4.7 水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動類型 地形引起的垂直運(yùn)動：當(dāng)氣流遇到島嶼或山脈時，由于地形動力抬升作用而產(chǎn)生上升運(yùn)動，垂直速度可表示為： tgvw cos wcosv坡面其中，風(fēng)速風(fēng)速與坡面法線的夾角坡面坡度v 第四章 大氣運(yùn)動4.7 水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動類型 第四章 思考題11.基本概念：氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、低氣壓、高氣壓、低壓槽、高壓脊、地轉(zhuǎn)風(fēng)、梯度風(fēng)。2.簡述地轉(zhuǎn)風(fēng)的形成過程及主要特點(diǎn)。3.簡述梯度風(fēng)形成過程及主要特點(diǎn)。4.簡述地面摩擦對風(fēng)的影響。 第四章 思考題1.基本概念：單圈環(huán)流、三圈環(huán)流、大氣活動中心、急流、高空槽脊、季風(fēng)、海陸風(fēng)、山谷風(fēng)。2.簡述三圈環(huán)流模型及其形成機(jī)制。3.簡述地面氣壓帶及行星風(fēng)帶分布。4.舉例說明地面大氣活動中心有哪幾種。5.簡述季風(fēng)的成因和分布.