4 4 大气的运动大气的运动 上海海事大学上海海事大学 商船学院商船学院航海气象学与海洋学航海气象学与海洋学教研组教研组20092009年年9 9月月1目目 录录n4.1 作用于空气微团上的外力作用于空气微团上的外力n4.2 空气的水平运动空气的水平运动风风n4.3 空气的垂直运动空气的垂直运动n思考题思考题24.1 作用于空气微团上的外力作用于空气微团上的外力 n重力重力n由于气压分布不均而产生的气压梯度力（由于气压分布不均而产生的气压梯度力（水平水平气压梯度力，垂直气压梯度力气压梯度力，垂直气压梯度力）n由于地球自转而产生的地转偏向力（由于地球自转而产生的地转偏向力（水平地转水平地转偏向力偏向力）n由于空气层之间、空气与地面之间存在相对运由于空气层之间、空气与地面之间存在相对运动而产生的动而产生的摩擦力摩擦力n由于空气作曲线运动时产生的由于空气作曲线运动时产生的惯性离心力惯性离心力。3hPa/m；hPa/赤道度；赤道度；hPa/纬距；纬距；在地面天气图上：在地面天气图上： 等压线越等压线越密集密集，水平气压梯度越，水平气压梯度越大大； 等压线越等压线越稀疏稀疏，水平气压梯度越，水平气压梯度越小小。101210081004HL1赤道度赤道度=60nmile一、一、 水平气压梯度力水平气压梯度力水平气压梯度：垂直于等压线，沿气压减小的方向，单位距水平气压梯度：垂直于等压线，沿气压减小的方向，单位距离内的气压差。离内的气压差。4水平气压梯度产生的促使大气由高气压区流向低气压区的力。水平气压梯度产生的促使大气由高气压区流向低气压区的力。大小：与气压梯度成正比，大小：与气压梯度成正比，与空气密度与空气密度成反比。成反比。同一高度上，同一高度上， 变化不变化不明显，水平气压梯度力主明显，水平气压梯度力主要取决于水平气压梯度。要取决于水平气压梯度。 水平气压梯度力是产生风的原动力。水平气压梯度力是产生风的原动力。水平气压梯度力水平气压梯度力5在地面天气图上：在地面天气图上： 等压线越等压线越密集密集，水平气压梯度力，水平气压梯度力大大，风风强强； 等压线越等压线越稀疏稀疏，水平气压梯度力，水平气压梯度力小小，风，风弱弱。6相邻等压线间距大（稀相邻等压线间距大（稀疏），水平气压梯度小，疏），水平气压梯度小，地转风小。地转风小。相邻等压线间距小（密集）相邻等压线间距小（密集），水平气压梯度大，地转，水平气压梯度大，地转风大。风大。7 垂直气压梯度力垂直气压梯度力n在垂直方向上，气压分布总是不均的，单位质量的在垂直方向上，气压分布总是不均的，单位质量的空气微团受到的垂直方向上的净压力，称为垂直气空气微团受到的垂直方向上的净压力，称为垂直气压梯度力。压梯度力。n垂直气压梯度力的大小与空气密度成反比，与垂直垂直气压梯度力的大小与空气密度成反比，与垂直气压梯度成正比。气压梯度成正比。n垂直气压梯度的大小垂直气压梯度的大小就是单位高度气压差。就是单位高度气压差。8由于地球自转而产生作用于运动空气的力。由于地球自转而产生作用于运动空气的力。二、二、 水平地转偏向力（科里奥利力）水平地转偏向力（科里奥利力）9地球自转角速度地球自转角速度纬度纬度风速风速水平地转偏向力水平地转偏向力n纬度一定时：纬度一定时：n 风速越大，水平地转偏向力越大。风速越大，水平地转偏向力越大。风速为风速为0 0时，时，水平地转偏向力也为水平地转偏向力也为0 0。说明静止的空气不受地转。说明静止的空气不受地转偏向力的作用。偏向力的作用。n风速一定时：风速一定时：n纬度越高，水平地转偏向力越大。纬度越高，水平地转偏向力越大。n赤道上，风速再大，也不受地转偏向力的作用。赤道上，风速再大，也不受地转偏向力的作用。10水平地转偏向力水平地转偏向力n水平地转偏向力的方向垂直于风的去向。水平地转偏向力的方向垂直于风的去向。n北半球：向右偏转，南半球：向左偏转。北半球：向右偏转，南半球：向左偏转。n只改变运动方向，不改变速度大小只改变运动方向，不改变速度大小A0V0北半球北半球V1V4V3V2A4A3A2A1南半球南半球A0V0A1V1A2V2A3V3A4V411三、三、 惯性离心力惯性离心力n物体作曲线运动时物体作曲线运动时,由运动轨迹的曲率中心沿曲由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用在物体上的力。率半径向外作用在物体上的力。p方向沿曲率半径指向外，与空气运动的切线方向垂直，方向沿曲率半径指向外，与空气运动的切线方向垂直，只改变运动方向，不改变切向速度大小。只改变运动方向，不改变切向速度大小。pC C与与V V的平方成正比，与曲率半径成反比。切向速度的平方成正比，与曲率半径成反比。切向速度V V越越大，大，C C越大；越大；r r越小，越小，C C越大。越大。12两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一种阻碍物体运动的力。间所产生的一种阻碍物体运动的力。 为摩擦系数，取决于地面粗糙程度。为摩擦系数，取决于地面粗糙程度。 有浪海面有浪海面 比平静海面大。比平静海面大。 摩擦力的大小在大气中的各个不同高度上是不摩擦力的大小在大气中的各个不同高度上是不同的。高度愈高，作用愈弱。这里主要讨论的同的。高度愈高，作用愈弱。这里主要讨论的是地面给空气的摩擦力。是地面给空气的摩擦力。力的方向与空气的运动方向相反。力的方向与空气的运动方向相反。四、四、 摩擦力摩擦力13水平气压梯度力是使空气产生运动的原动力，是最基本的水平气压梯度力是使空气产生运动的原动力，是最基本的力。力。水平气压梯度力既可改变空气运动状态，又可使空气水平气压梯度力既可改变空气运动状态，又可使空气由静止状态转变为运动状态。由静止状态转变为运动状态。地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动影响较大，而地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动影响较大，而对低纬地区特别是赤道附近的空气运动，影响甚小。对低纬地区特别是赤道附近的空气运动，影响甚小。惯性离心力是在空气作曲线运动时起作用，而在空气运动惯性离心力是在空气作曲线运动时起作用，而在空气运动近于直线时，可以忽略不计。近于直线时，可以忽略不计。摩擦力在摩擦层中起作用，而对自由大气中的空气运动不摩擦力在摩擦层中起作用，而对自由大气中的空气运动不予考虑。予考虑。地转偏向力、惯性离心力和摩擦力虽然不能使空气由静止地转偏向力、惯性离心力和摩擦力虽然不能使空气由静止状态转变为运动状态，但却能影响运动的方向和速度。状态转变为运动状态，但却能影响运动的方向和速度。小小 结结144.2 4.2 空气的水平运动空气的水平运动风风 n风风-空气相对海底所作的水平运动。空气相对海底所作的水平运动。n风的大小：风的大小：n风速：风速：m/sm/s，km/hkm/h，knkn（节，（节，nm/hnm/h），），1m/s2knn蒲福风级：蒲福风级：0 01717级。级。n风速与风级的关系：风速与风级的关系：V0.836B3/2。n风向：风向：风的来向风的来向n方位度数（方位度数（0 0360360）n1616方位方位一、概述一、概述15风向的表示方法风向的表示方法16Force 0: 0-1 knotsSea like a mirror171819Force 5: 17-21 knotsmany white caps 202122Force 8: Gale 34-40 knots23Force 12: Cyclone 64 + knots24概述概述 n风压：风作用于物体时，在垂直于风的方向上物体单风压：风作用于物体时，在垂直于风的方向上物体单位面积所受到的压力。位面积所受到的压力。n风的日变化：近地面层风速，白天大，夜间小；上层风的日变化：近地面层风速，白天大，夜间小；上层风速白天小，夜间大。风速白天小，夜间大。n风的年变化与地理条件和气候条件有关。风的年变化与地理条件和气候条件有关。n风的阵性：是指风向变动不定、风速忽大忽小的现象。风的阵性：是指风向变动不定、风速忽大忽小的现象。它是因大气中湍流运动引起的。风的阵性在摩擦层中它是因大气中湍流运动引起的。风的阵性在摩擦层中表现显著，特别是山区更甚。随着高度的增高，风的表现显著，特别是山区更甚。随着高度的增高，风的阵性在逐渐减弱。阵性在逐渐减弱。25二、自由大气中的风二、自由大气中的风n自由大气中，自由大气中，等压线平直的气压场内，等压线平直的气压场内，当水平气压梯度力当水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡时，空气的等速直线水平运动。与水平地转偏向力达到平衡时，空气的等速直线水平运动。1. 1. 地转风地转风地转风的形成过程地转风的形成过程南半球南半球地转风地转风1028hPa1024hPa1020hPa1016hPa高高 压压低低 压压北北东东AnGnVg 北半球北半球261 1）与水平气压梯度成正比。）与水平气压梯度成正比。 等压线越密，地转风越大；等压线越疏，地转风越小。等压线越密，地转风越大；等压线越疏，地转风越小。2 2）与空气密度）与空气密度成反比。成反比。 高空高空小，地转风增大；低空小，地转风增大；低空大，地转风小。大，地转风小。3 3）与）与sinsin成反比，纬度越高，成反比，纬度越高，VgVg越小；越小； 0 0（赤道上），（赤道上），VgVg趋近无穷，说明地转风不存在。趋近无穷，说明地转风不存在。地转风风速地转风风速27Vg：m/s; P: hPa ; n: 纬距地转风的计算地转风的计算=1.293kg/m3和和=7.27*10-5rds/s：方向方向: :（白贝罗风压定律白贝罗风压定律）与水平气压梯度力的方向垂直，即）与水平气压梯度力的方向垂直，即平行于等压线，说明风沿等压线吹。平行于等压线，说明风沿等压线吹。风场与气压场的关系：风场与气压场的关系：测者背风而立，在北半球高压在其右方，测者背风而立，在北半球高压在其右方，低压在其左方低压在其左方; ;在南半球则相反。在南半球则相反。282. 梯度风梯度风n自由大气中，空气质点作曲线运动时，当水平气压自由大气中，空气质点作曲线运动时，当水平气压梯度力，水平地转偏向力，惯性离心力这三个力达梯度力，水平地转偏向力，惯性离心力这三个力达到平衡时的风。到平衡时的风。HL北北南南29HL北北南南HL北北南南北半球北半球南半球南半球反气旋反气旋气旋气旋30小结小结n1）北半球，高压中的风顺时针吹，低压中的风逆时针吹北半球，高压中的风顺时针吹，低压中的风逆时针吹；南半球，高压中的风逆时针吹，低压中的风顺时针吹。南半球，高压中的风逆时针吹，低压中的风顺时针吹。n 风向与气压场之间满足白贝罗风压定律。风向与气压场之间满足白贝罗风压定律。n2）梯度风风速与水平气压梯度、纬度的正弦、空气密度和）梯度风风速与水平气压梯度、纬度的正弦、空气密度和曲率半径有关。曲率半径有关。n3）低压（气旋）区中的水平气压梯度不受限制低压（气旋）区中的水平气压梯度不受限制；高压（反；高压（反气旋）中的水平气压梯度不能超过某一临界值。气旋）中的水平气压梯度不能超过某一临界值。n4）反气旋区内，边缘风速较大，中心附近微风或者静风反气旋区内，边缘风速较大，中心附近微风或者静风；曲率较小处，即等压线平直处，等压线密，风速大；曲率曲率较小处，即等压线平直处，等压线密，风速大；曲率较大处，即等压线弯曲较大处，等压线疏，风速较小。较大处，即等压线弯曲较大处，等压线疏，风速较小。n5）中高纬度反气旋的风速较大，低纬度反气旋内风速较小。）中高纬度反气旋的风速较大，低纬度反气旋内风速较小。n6）Va（反气旋中的风）（反气旋中的风）Vg（地转风）（地转风）Vc（气旋的风）。（气旋的风）。311028hPa1028hPa1024hPa1024hPa1020hPa1020hPa1016hPa1016hPa高高 压压低低 压压北半球北半球Vg GnRRAnAnV三、摩擦层中的风三、摩擦层中的风32摩擦力对风的影响摩擦力对风的影响n对风速的影响对风速的影响n陆面上，实际风速陆面上，实际风速/地转风速地转风速1/31/2；n海面上，实际风速海面上，实际风速/地转风速地转风速3/52/3。n海上经验公式：海上经验公式：Vo65Vg。n对风向的影响对风向的影响n风去向斜穿等压线偏向低压一侧，与等压线的交角风去向斜穿等压线偏向低压一侧，与等压线的交角， 在中高纬陆上，为在中高纬陆上，为3545；海上，海上，1020。n风压定律的修正：背风而立，北半球，高压在右后方，风压定律的修正：背风而立，北半球，高压在右后方，低压在左前方；南半球，高压在左后方，低压在右前低压在左前方；南半球，高压在左后方，低压在右前方。方。 33北半球北半球 高气压高气压北半球北半球 低气压低气压自由大气自由大气摩擦层摩擦层高气压（反气旋）：高气压（反气旋）：北半球，顺时针由中心向外北半球，顺时针由中心向外辐散辐散；同理可知，同理可知，南半球，逆时针由中心向外南半球，逆时针由中心向外辐散辐散。低气压（气旋）：低气压（气旋）：北半球，逆时针由外向中心北半球，逆时针由外向中心辐合辐合；同理可知，同理可知，南半球，顺时针由外向中心南半球，顺时针由外向中心辐合辐合。34风随高度的变化风随高度的变化n近地面层（近地面层（30m30m50m50m以下），风随高度的变化不明以下），风随高度的变化不明显。显。n在近地层以上到摩擦层顶之间的气层中，在气压场在近地层以上到摩擦层顶之间的气层中，在气压场不随高度改变的前提下，由于摩擦力和空气密度随不随高度改变的前提下，由于摩擦力和空气密度随着高度升高而减小，因此随高度的升高，着高度升高而减小，因此随高度的升高，风速增大风速增大，北半球风向逐渐右偏，南半球北半球风向逐渐右偏，南半球 逐渐左偏，摩擦层逐渐左偏，摩擦层顶处，风速接近地转风，风向接近地转风向顶处，风速接近地转风，风向接近地转风向。35850hPa，平均平均1500米高度米高度北北南南低低高高东东西西北半球北半球地面天气图，海平面地面天气图，海平面北北南南低低高高V0V1V2V3364.3 空气的垂直运动空气的垂直运动n大气的垂直运动又称为大气的垂直运动又称为对流运动对流运动，指空气在垂直方，指空气在垂直方向上有规则的上升和下沉运动。向上有规则的上升和下沉运动。n垂向受力：重力、垂直气压梯度力；垂向受力：重力、垂直气压梯度力；n导致垂直方向上力的不平衡的原因导致垂直方向上力的不平衡的原因n热力原因：热力对流热力原因：热力对流n动力原因：动力原因：n水平辐散、辐合水平辐散、辐合n锋面抬升锋面抬升n地形抬升地形抬升37一、热力对流一、热力对流n下垫面受热不均匀引起的垂直运动。下垫面受热不均匀引起的垂直运动。n特点：影响范围小（几公里到几十公里）；持续时间短特点：影响范围小（几公里到几十公里）；持续时间短（几十分钟到几小时）；上升速度大（几十分钟到几小时）；上升速度大（130m/s）；引起）；引起激烈天气（雷暴云、阵性降水、雷雨大风、冰雹等）。激烈天气（雷暴云、阵性降水、雷雨大风、冰雹等）。 38二、水平辐合、辐散引起的垂直运动二、水平辐合、辐散引起的垂直运动n地面水平辐合（低地面水平辐合（低压、槽、切变线、压、槽、切变线、辐合式渐近线）引辐合式渐近线）引起上升运动；起上升运动； n地面水平辐散（高地面水平辐散（高压、脊、辐散式渐压、脊、辐散式渐近线）引起下沉运近线）引起下沉运动动 。39500hPa，平均平均5500米高度米高度槽槽脊脊脊脊北北南南暖平流暖平流冷平流冷平流地面天气图，海平面地面天气图，海平面低压低压北北南南高压高压东东西西槽前辐散槽前辐散槽后辐合槽后辐合北半球北半球405.1空气的垂直运动三、锋面上的垂直运动三、锋面上的垂直运动n暖气团受锋面抬升产生上升运动，通常上升速度缓暖气团受锋面抬升产生上升运动，通常上升速度缓慢，但持续时间可以很长，形成大范围的层状云系慢，但持续时间可以很长，形成大范围的层状云系和连续性降水。和连续性降水。降水区在冷气团一侧降水区在冷气团一侧。41四、地形抬升引起的垂直运动四、地形抬升引起的垂直运动n在山的迎风坡一侧，气流上升；在背风坡一侧，气在山的迎风坡一侧，气流上升；在背风坡一侧，气流下沉。流下沉。云雨区出现在迎风坡一侧云雨区出现在迎风坡一侧。 42思考题思考题n1.两种常用的风速单位之间换算关系如何？风向指风吹来的两种常用的风速单位之间换算关系如何？风向指风吹来的方向还是吹走的方向？方向还是吹走的方向？n2.作用在空气微团上的外力有哪些？水平气压梯度力的大小作用在空气微团上的外力有哪些？水平气压梯度力的大小.方向在天气图上如何定性判断？水平地转偏向力，惯性离方向在天气图上如何定性判断？水平地转偏向力，惯性离心力和摩擦力的大小和方向有何特点？心力和摩擦力的大小和方向有何特点？n3.什么是地转风？地转风的风速与哪些因素有关？在天气图什么是地转风？地转风的风速与哪些因素有关？在天气图上，如何判断地转风风向上，如何判断地转风风向？n4.什么是梯度风？高压和低压中，什么是梯度风？高压和低压中，Gn，An和和C的关系如何的关系如何？根据梯度风风速公式的推导结果，可得出关于反气旋的？根据梯度风风速公式的推导结果，可得出关于反气旋的哪些结论？哪些结论？n5.摩擦层中，摩擦力对风速摩擦层中，摩擦力对风速.风向有何影响？摩擦层中风压风向有何影响？摩擦层中风压定律如何表述？风向定律如何表述？风向.风速随高度如何变化？风速随高度如何变化？n6.垂直运动包括哪几种类型？哪些原因可造成空气的上升运垂直运动包括哪几种类型？哪些原因可造成空气的上升运动？动？43