《气候气象学第四章》PPT课件.ppt

第四章 大气的运动,4.1 气压随高度和时间的变化,气压随高度的变化 气压随时间的变化,一、气压随高度的变化,（一）静力学方程：,dP = -g dZ,1、条件： 大气是静止的，无水平和垂直方向上的运动。并且垂直方向上受力为零。,2、公式的意义： 负号：P随Z升高而减小 因g在垂直方向变化小，故P在垂直方向上减小的快慢程度主要决定于密度,（二）单位高度气压差（Gz）：,1、定义： 每改变一个单位高度时气压的改变量。,2、单位： mb/100m, hPa/100m,3、表达式：,意义：Gz愈大，气压随高度降得愈快。,（三）单位气压高度差（h）：,1、定义： 气压每改变1个单位时所对应的高度变化值。,2、单位： m/mb, m/hPa,3、表达式：,意义：h与1/P成正比; 低层大h小,P降得快; 高层小h大, P降得慢.,二、气压随时间的变化,大气具有流动性和连续性, 因此气压变化的实质就是空气柱内大气质量的增多或减少.,（一）影响气压变化的因素：,1、热力因素：,空气受热膨胀, 减小, P降低,空气受冷收缩, 增大, P增高,2、动力因素：,(1)水平气流的辐合与辐散：,辐 合,辐 散,(2)不同密度气团的运动：,冬季: 冷空气南下, 流经之地空气密度变大, 地面气压上升,夏季: 暖湿气流北上, 流经之地空气密度减小, 地面气压下降,地面,地面,(3)空气的垂直运动：,（二）气压的周期性变化：,1、日变化：以双峰型最普遍,h,12,18,6,莫斯科5550N 7月平均,hPa,雅加达611S 9月平均,2、年变化：,陆地上Pmax在冬季, Pmin在夏季; 海洋、高原上气压分布与陆地相反,第二节 气压场,气压场的表示方法 气压场的基本形式 气压场的空间结构,一、气压场的表示方法,主要表示同一高度（位势高度）上气压水平分布状况。,（一）等高面图：,位势高度： 单位质量（1千克）物体从海平面（位势高度定为0）抬升到Z高度时克服重力作的功。 1位势米9.8J/kg,位势米与几何高度的换算：,HgZ/9.8,H：位势米,g：位势米,Z：几何高度,等高面图的由来,等压面铅直剖面,海平面等高线图,（三）空间气压场的分布：,1000hPa 海平面,850hPa （1500m）,700hPa （3000m）,500hPa （5500m）,300hPa （9000m）,100hPa （16000m）,世界1月海平面平均气压图,世界7月海平面平均气压图,（二）等压面图：,主要表示空间气压相等的点组成的面。,高值区,低值区,高值区,等压面的空间特点,由于下垫面性质的不同，空间等压面不是一个平面，而是一个曲面或倾斜的面 等压面的起伏形势同它附近水平面上的气压分布相对应： 上凸高压 下凹低压,低压,高压,二、气压场的基本形式,1.低气压、低压槽,2.高气压、高压脊,3.鞍形气压场,低,高,低,高,低,高,槽,槽,脊,脊,鞍,气压场：气压的空间分布,气压系统：在气压场中呈现出的不同的气压形势，如高压、低压、高压脊、低压槽、鞍型气压场等，统称为气压系统。,高空气压场,切断低压 阻塞高压,M,M处的气压值可能为（ ） A.1012、1012.5 B.1017.5、1020 C.1017.5、1015 D.1015、1012.5,N,2. 该地位于亚欧大陆东部，则N处的盛行风向不可能是（ ） A. 南风 B. 西风 C. 西南风 D. 东北风,(1)在气压场中，D是 气压中心，M是 气压中心，B处于 上。 (2)此时，E处吹 风，F处吹 风 (3)按风力强弱，E较F处 ，依据是 。,三、气压场的空间结构,回顾：什么是气压高度差？,（一）深厚的对称系统：,温度场中的高、低中心,气压场中的高、低中心,1.暖高压,高压等压面凸起程度随高度增大，即高压的强度愈向高空愈增强,2.冷低压,低压等压面凹陷程度随高度增大，即低压的强度愈向高空愈增强,（二）浅薄的对称系统：,温度场中的高、低中心,气压场中的低、高中心,3.暖低压,低压等压面凹陷程度随高度升高逐渐减小，最后趋于消失 如温压场结构不变，随高度继续增加暖低压就会变成暖高压系统,4.冷高压,高压等压面凸起程度随高度减小，最后趋于消失 如温压场结构不变，随高度继续增加，冷高压会变成冷低压系统,（三）温压场不对称系统：,温度场的冷暖中心与气压场中的高低压中心不重合，气压中心轴线是倾斜的,1. 高压区,高压中心轴线随高度升高不断向暖区倾斜,冷,2.低压区,低压中心轴线随高度升高不断向冷区倾斜,复习题,冬季与夏季的气压有什么不同？ 请问右图说明什么？ 影响空气运动的因素有哪些？,用图解释暖高压、冷高压随高度的变化时，系统是如何变化的？ 在北半球高压区或低压区的中心轴线向什么方向倾斜？,第三节 大气的水平运动,促使空气运动的力 自由大气中的空气运动 摩擦层中的空气运动,（一）水平气压梯度力,一、促使空气运动的力,B:5赤道度,A:2.5赤道度,1、水平气压梯度 P/n （hPa/赤道度）,特点：P一定时，等压面疏，水平气压梯度小；等压面密，水平气压梯度大。,2、水平气压梯度力,定义：当水平气压梯度存在时作用在单位质量空气上的力。,公式：,方向：垂直等压线，从高压指向低压,公式意义： G与P/n成正比，等压线密，水平气压梯度力大； P/n一定时，G与成反比， 大，G小,（二）水平地转偏向力,A,A,1、现象,圆盘静止不动,圆盘逆时针旋转,2、定义： 作用在转动地球上的运动空气上的惯性力。 它促使运动的空气偏离水平气压梯度力方向的主要原因。,任一纬度上的地转偏向力为：,A = 2V = 2Vsin,A = 2Vsin,sin,3、水平地转偏向力的特点,水平地转偏向力是解释在转动地球上产生偏向而假想的力, 只有物体在相对地面作运动时才产生, 物体静止时, 无偏向力; 水平地转偏向力的方向与空气运动方向始终垂直, 只改变空气运动的方向, 不改变运动的速度; 判断水平地转偏向力的方法: 在北半球: 背风而立, 空气将偏向初始运动的右方; 南半球反之; V相同时, A(A=2Vsin),A,北半球: 逆时针旋转,空气将偏向初始运动的右方,（三）惯性离心力,联想：当你坐公交车时，车转弯时你曾有什么感觉？,1、定义： 在作曲线运动的物体，时刻受到一个离开曲率半径向外的作用力。这个力是物体保持作曲线运动而产生的，即惯性离心力,2、方向： 与物体运动的方向垂直，并指向曲率半径的外侧。,3、单位质量物体惯性离心力的大小：,C =2r = V2/r,V：空气运动的线速度,r：空气运动的曲率半径, ：空气运动的角速度,4、特点： 惯性离心力也是假想力，只能改变空气的运动方向，不改变速度的大小 C值很小，只有在气旋中才很大,a,r,c,V,（四）摩擦力,1、定义： 空气运动时，因受地面摩擦和气层间相互摩擦作用，而减缓空气运动速度，此阻力称为摩擦力。,2、公式：,R=-KV,R: 摩擦力,K: 摩擦系数,V: 空气运动速度,: 表R与V方向相反,（五）影响空气水平运动的力,G（气压梯度力） R（摩擦力） A（地转偏向力） C（惯性离心力）,实力,不能使空气由静止变为运动，但可影响运动方向和速度,在赤道上： A=0，忽视A的作用; 空气作直线运动：r0，忽视C的作用； 在自由大气中：K0，忽视R的作用。,假想力,原动力，可改变空气运动状态,（一）地转风,二、自由大气中的空气水平运动,1、定义： 在自由大气中，因气压场是平直的，空气仅受水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用，当二力相等时的空气运动称之为地转风,水平气压梯度力,空气运动方向,水平地转偏向力,1010,1005,1000,995,990,hPa,2、形成：北半球自由大气中的空气运动,3、白贝罗风压定律： 在北半球，风是顺着等压线吹的。背风而立，低压在左手边，高压在右手边；南半球相反。,白贝罗风压定律,北半球,南半球,4、地转风风速的大小：,5、公式的意义：,（二）梯度风,1、定义： 在自由大气中，空气质点作曲 线运动时，受到G、A、C三个力的共同作用，当三个力达到平衡时的空气运动。,2、梯度风的风向与风速：,低压区：,在北半球：,风向：绕低压中心逆时针旋转,高压区：,在北半球：,风向：绕高压中心顺时针旋转,3、梯度风的特性：,V受G、r的影响,当G、在同一气压场中时，存在着如下的关系： Vac Vg Vc,自由大气中，空气近似梯度风。但A、G、C的平衡只是暂时的。,前提：设Gn一定，即纬度一致,低压中,地转风中,高压中,A = G,A G,A G,Vac Vg Vc,（三）自由大气中风随高度的变化,1、热成风, 定义： 由于水平温度分布不均所形成的地转风在铅直方向上的速度矢量差。, 公式：, 特点：,VT与温度、气压有关，温度越高，压差越大，热成风越大； 热成风风压定律：在北半球背热成风而立，高温在右，低温在左，热成风与等温线平行； 只要温度场不变，热成风的大小、方向也不变,2、风随高度的变化规律, 等温线与等压线平行,V2V1VT,冷低压与暖高压,冷高压与暖低压,V2V1VT, 等温线与等压线垂直,冷平流：低层风从冷区吹向暖区。,在北半球，风向随高度逐渐左转，且越到高层，风向与热成风风向越接近。,暖平流：低层风从暖区吹向冷区。,在北半球，风向随高度逐渐右转，且越到高层，风向与热成风风向越接近。,风随高度变化的总结： 在自由大气中，随着高度的增高，不论风向如何变化，高层风总是越来越趋向于热成风； 北半球对流层中，温度分布大致南暖北冷，故对流层上层总是以西风为主，并在纬度30 形成西风急流。,三、摩擦层中的空气水平运动,1、摩擦对风的作用,2、特征：,风压定律： 在北半球背风而立，高压在右后方，低压在左前方，风斜穿等压线。 南半球相反。,气压系统中的摩擦风（气旋）,地转风 梯度风 旋衡风 偏差风 热成风 地面平衡风,复 习 题,什么是白贝罗风压定律？ 在同一气压场中，Vc、Vg、Vac是什么关系？请解释。 北半球暖高冷低区风随高度变化的规律？ 随着纬度增高水平地转偏向力有什么变化？ 赤道上空的空气会发生偏向吗？为什么？,6、请根据要求画图： 在北半球，画出气压场、受力、风向、热成风、风随高度变化的平面图,4-4 大气环流,一、大气环流的概述 二、影响大气环流的因素 三、实际大气环流的基本特征 四、锋区和急流 五、大气环流的变化,一、大气环流的概述,（一）大气环流： 具有行星尺度、规模比较大的空气运动。 即有平均状况也有瞬时状况，并代表全球大 气的基本运动状况,（二）大气环流的尺度：,名 称 水平尺度 活动时间 例 子,大环流 2000km 一周 东风波、西风带,中间环流 2000-200 2 - 3天 季风、气旋、反气旋,中环流 200-2 km 1 天 地方性风 （山谷风、海陆风）,小环流 2km 12小时,二、影响大气环流的因素,1、太阳辐射,2、地球自转产生的地转偏向力,3、海陆分布,4、地形,最基本的因子,(一)太阳辐射,假设条件： 1、地表是均匀的 2、忽略地球自转所产生的地转偏向力 对大气运动的影响,单一(热力)的环流圈,消除海陆及地形的影响,赤道,南极,北极,赤道,北极,南极,赤道,赤道,（二）地球自转产生的地转偏向力,假设条件： 地表是均匀的 消除海陆分布及地形的影响,三圈环流及气压带风带,全球大气环流示意图,气压带的成因及属性,赤道低压带,热力,热低压,上升,湿热,副热带高压带,动力,暖高压,下沉,干热,副极地低压带,动力,冷低压,上升,湿冷,极地高压带,热力,冷高压,下沉,干冷,低压控制降水多 高压控制降水少,全球降水量随纬度的分布曲线,行星风系的季节性移动,节气：春分,节气：夏至,节气：秋分,节气：冬至,节气：春分,7月份海平面气压分布图,1月海平面气压分布图,小结,假设,地表是均匀的,无地偏力作用,条件1：太阳辐射不均,水平气压梯度力,单一环流圈,条件2：地球自转,地转偏向力的作用,三圈环流和 风带气压带,条件3：地球公转,太阳直射点的移动,气压带风带的移动,问:为什么在2025处沙漠的面积广大,鲁卜哈利沙漠 内夫得沙漠,塔尔沙漠,纳米布沙漠,澳大利亚西部大沙漠,阿塔卡马沙漠,撒哈拉沙漠,问题2：南极上空怎么会有人类释放的破坏臭氧的物质？,2、行星风系,由于三圈环流的形成，产生了近地面上相 应的气压带和风带，即三风四带。 赤道低压带：5N5S 成因：空气受热上升而致知。因A小，气流基本不发生偏转。 特点：因对流强烈，云多，降水多，多对流雨。,副热带高压带：30N(S),成因：赤道上空流动的空气在此堆积而致 特点：气流下沉，多晴天，空气干燥，沙漠多。 副极地低压带：60N(S) 成因：中纬来的西风与极地流来的偏东风 相遇，形成锋面而致。 特点：气旋多。,极地高压带：90N(S),成因：空气冷却下沉而致。 特点：气温低，空气层结稳定 信风带:0 30N(S) 成因：从副热带高压带吹向赤道低压带 的风，受到地球地转偏向力的影 响，北半球偏成东北风，南半球 则偏成东南风。 特点：风向、风速基本是稳定的,西风带：30N(S) 60N(S),成因：从副热带高压带吹向极地的气流在地转偏向力的作用下，北半球形成西南风，南半球而形成西北风。 特点：暖湿气流北上或南下，多锋面和气旋。 极地东风带：60N(S) 90N(S) 成因：空气从极地高压带吹向副极地低压带，受地转偏向力的作用，北半球偏成东北风，南北半球则偏成东南风。 特点：空气温度极低,总之：,三风四带和三圈环流是一致的，冬夏南北移动扩大影响范围，同时出现许多过渡带，因此同一地区、不同季节有不同的风向和天气特征。 大气环流以三风四带（纬向环流）为主，同时也存在着经向环流，但比纬向环流弱，这是大气环流的基本规律。,（三）海陆分布与大气环流,由于海陆本身的物理性质的不同，使得同一纬度 的海陆间存在着热力差异，冬季陆地是冷源，海洋是热源；夏季相反。进而在海陆之间形成压力差，导致空气在海陆间出现季节性的流动 季风。,1、海陆差异产生的地面环流及气压分布,陆 地,海 洋,夏季,热,低气压,冷,高气压,高气压,低气压,夏季风,夏季,东南季风,西南季风,地面环流 冬季,陆 地,冷,热,低气压,高气压,低气压,高气压,冬季风,海 洋,冬季,西北季风, 世界季风区,分布：约在 30W 170E，20S 35N的范围， 其中以东亚和南亚的季风最显著。东亚季风范围广、强度大，冬季风强于夏季风。南亚季风（印度季风），夏季风强于东季风。,亚洲季风区,非洲季风区,澳洲季风区,2、高空环流波状环流（槽脊）,大西洋,欧亚大陆,太平洋,冬季三槽三脊,温度脊,气压脊,温度槽,气压 槽,大陆西岸,大陆东岸,东亚大槽,夏季四槽四脊,欧亚大陆,大陆西岸,大陆东岸,大西洋,太平洋,温度脊,气压脊,温度槽,气压 槽,（四）地形对大气环流的影响,1、动力作用： 抬升作用：,空气堆积 高压脊,空气辐散 低压槽,迎风坡,背风坡,气流,绕行作用,气流,暖平流,冷平流,冷平流,暖平流,高空形成高压脊,高空形成低压槽,高大地形,2、热力作用,冬季,高大地形 冷源,热,高气压,低气压,低气压,自由大气,自由大气,夏季,高大地形 热源,冷,低气压,高气压,高气压,自由大气,自由大气,三、实际大气环流的基本特征,由于受海陆和地形的影响，破坏了理想 的三风四带的大气环流。 （一）地面环流状况： 特点：1、北半球因海陆相间分布，纬向 分布的气压带被分成几个闭合 的高低压系统，并随季节而变 动。,冬季,蒙古高压,阿留申低压,北美高压,冰岛低压,夏季,印度低压,北美低压,夏威夷高压,亚速尔高压,大气活动中心,冬夏在海陆出现的闭合的高低压中心 永久性的：常年存在的（海上四个） 太平洋:阿留申低压、夏威夷高压 大西洋:冰岛低压、亚速尔高压 半永久性的：随季节出现的（陆地上的四个） 亚洲:蒙古高压、印度低压 美洲:北美高压、北美低压,2、南半球40S附近，无论冬夏，等压线基 本上呈纬向分布： 冬季高压带环绕全球 夏季陆地是低压、海洋是高压,冬季,环 绕 全 球 的 高 压 带,40S,全年带状分布的等压线,夏季,40S,陆地低压,海洋高压,纬 向 的 气 压 带,四、锋区和急流,（一）锋区： 1