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1、4.1 作用在氣塊上的力4.2 大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡化4.3 P坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)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(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系4.8 大氣的垂直運(yùn)動(dòng)思考題第4章 大氣運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)后速度：)/(353.836003000773.0 smV 45級(jí)風(fēng)由此可見，Gx是風(fēng)的原動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，對(duì)地面觀察者而言，該質(zhì)點(diǎn)受一個(gè)由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的垂直其運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，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(dòng)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(hào)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(dòng)速度，負(fù)號(hào)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(dòng)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(dòng)時(shí)，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(dòng)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(dòng)4.2 大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡化4.2.1 大氣運(yùn)動(dòng)方程 第4章 大氣的運(yùn)動(dòng)4.2 大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡化4.2.2 大氣運(yùn)動(dòng)的尺度及其分類大氣運(yùn)動(dòng) 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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(tái)風(fēng)； H：順時(shí)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(dòng)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(dòng)4.7 水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)靜止或勻速運(yùn)動(dòng)向上加速運(yùn)動(dòng)0dtdw 0dtdw 0dtdw g dtdwzp1 第4章 大氣的運(yùn)動(dòng)4.7 水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系4.7.2 垂直運(yùn)動(dòng)方程 g zp1 dtdw gzp gzp1dtdw g)1(dtdw pp RTp RTpgTTTdtdw Tp T p 向下加速運(yùn)動(dòng)靜止或勻速運(yùn)動(dòng)向上加速運(yùn)動(dòng)TT

16、TT TT 第四章 大氣運(yùn)動(dòng)熱對(duì)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(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動(dòng)類型 第四章 大氣運(yùn)動(dòng)輻合和輻散：由空氣連續(xù)方程可知，輻合或輻散會(huì)導(dǎo)致上升或下沉運(yùn)動(dòng)，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(dòng)地面輻散高空上升運(yùn)動(dòng)地面輻合0w,0 0w,0 z0 z0HHDD 4.7 水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)性垂直運(yùn)動(dòng)：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(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動(dòng)類型 地形引起的垂直運(yùn)動(dòng)：當(dāng)氣流遇到島嶼或山脈時(shí)，由于地形動(dòng)力抬升作用而產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，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(dòng)4.7 水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系4.7.3 垂直運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)中心有哪幾種。5.簡述季風(fēng)的成因和分布.