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1、4.1 作用在氣塊上的力4.2 大氣運動方程及其簡化4.3 P坐標(biāo)系中的運動方程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 水平運動與垂直運動的關(guān)系4.8 大氣的垂直運動思考題第4章 大氣運動氣象學(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)點運動時,對地面觀察者而言,該質(zhì)點受一個由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的垂直其運動方向的力,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), 空氣運動速度,負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)點作曲線運動時,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 大氣的運動4.2 大氣運動方程及其簡化4.2.1 大氣運動方程 第4章 大氣的運動4.2 大氣運動方程及其簡化4.2.2 大氣運動的尺度及其分類大氣運動 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 大氣的運動4.5 地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化4.5.2 表達式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)矢量終點的連線構(gòu)成“??寺菥€(Ekman spiral)”,地面V0G
14、 ARp1p2p3L H第4章 大氣的運動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)壓強梯度力G地轉(zhuǎn)偏向力A離心力C摩擦力R特點: 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 大氣的運動4.7 水平運動與垂直運動的關(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 向下加速運動靜止或勻速運動向上加速運動0dtdw 0dtdw 0dtdw g dtdwzp1 第4章 大氣的運動4.7 水平運動與垂直運動的關(guān)系4.7.2 垂直運動方程 g zp1 dtdw gzp gzp1dtdw g)1(dtdw pp RTp RTpgTTTdtdw Tp T p 向下加速運動靜止或勻速運動向上加速運動TT
16、TT TT 第四章 大氣運動熱對流: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 水平運動與垂直運動的關(guān)系4.7.3 垂直運動類型 第四章 大氣運動輻合和輻散: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 高空下沉運動地面輻散高空上升運動地面輻合0w,0 0w,0 z0 z0HHDD 4.7 水平運動與垂直運動的關(guān)系4.7.3 垂直運動類型 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、大氣運動系統(tǒng)性垂直運動:由大范圍的暖空氣沿鋒面(冷暖氣團的界面)滑行而產(chǎn)生,垂直速度可表示為:4.7 水平運動與垂直運動的關(guān)系4.7.3 垂直運動類型 地形引起的垂直運動: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 大氣運動4.7 水平運動與垂直運動的關(guān)系4.7.3 垂直運動類型 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。3.簡述梯度風(fēng)形成過程及主要特點。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.