由科里奥利力对地球的影响看地球的季风气候.doc

由科里奥利力对地球的影响看地球的季风气候一、问题当我们在高中学习地理中的季风气候时，我们都知道在南半球的风会沿风向的右向偏转，在北半球的分会沿风向的左向偏转，在赤道上的风不会偏转，为什么会出现这样的地理现象呢？原来这种现象是由于物理学中的科里奥利力导致的。下面我将解释什么是科里奥利力，看看科里奥利力是如何影响地球的季风气候的。二、科里奥利力的引入过程设空间参考系S以角速度绕一通过O点的轴转动（参照系转动的角速度的量值和方向都可以改变），转动坐标系S的原点和静止坐标系S的原点O重合.令单位矢量、固着在S系上的三个坐标轴上，故任一矢量可写为（1）式中叫做相对变化率，表示相对于转动参考系S系的变化；叫做牵连变化率，是由于参考系S绕着O点以角速度转动并带动一起转动所产生的.将上述关系式（1）中的换成位矢，可以知道在S系中运动的质点P的绝对速度（2）式中，是质点P相对于S系的相对速度，而则是由于S系转动所产生的牵连速度.将上述关系（1）中的换成速度矢量，可以知道在S系中运动的质点P的绝对加速度把（2）式中的代入，得又（表示质点P到转轴的垂直距离）上式可简写为（3）式中称为相对加速度称为牵连速度称为科里奥利加速度，科里奥利加速度是由牵连运动与相对运动相互影响所产生的空间转动参考系是非惯性参考系，为了使牛顿运动定律“仍然”成立，要加上适当的惯性力.将（3）式中移向，可得（4）把（4）式的各项遍乘以m，得即 （5）从（5）式可以看出，因S系的转动，产生了三种惯性力：，此项惯性力由S系做变角速转动所引起的；，与惯性离心力有关，可称之为惯性离轴力；，由于参考系S的转动及质点对此转动参考系又有相对运动所引起的，称之为科里奥利力.三、地球上的科里奥利力当我们研究质点相对于地球的运动时，本应考虑惯性离心力和科里奥利力的作用.但当质点相对于地球有相对运动时，质点离地轴的距离的变化，一般并不大，故惯性离心力的效应，只要用重力来代替引力就可以了.因此，在研究质点相对于地球的运动时，可以只考虑科里奥利力的效应.在右图的圆球代表地球，一质点在北半球的某点P上以速度相对于地球运动，P点的纬度为，图中，SN为地轴，地轴自转的角速度就沿着该轴，单位矢量、则固着在地球表面上，且水平向南，水平向东，竖直向上. 由于地球自转的很小，项可以略去，上式变为式中的代表重力以外的作用力.令转动坐标轴与，与，重合，即轴指向南方，轴指向东方，轴竖直向上.所以因此，可得质点P在，三个方向上的运动微分方程为通过上面的分量微分方程，可以得出如果气流自北向南推进，即气流的速度为，则所受到的科里奥利力为，沿东西方向；如果气流自西向东推进，即气流的速度为，则所受到的科里奥利力为分为两项，一项为，沿南北方向，一项为，沿上下方向在北半球（0，0），所以北半球自北向南的气流受到向西的科里奥利力，气流向右偏；自西向东的气流受到向南和向上的科里奥利力，气流向右偏.总的来看，北半球的气流都是向运动方向的右边偏.在南半球（0，0），所以南半球自北向南的气流受到向东的科里奥利力，气流向左偏；自西向东的气流受到向北和向上的科里奥利力，气流向左偏.总的来看，南半球的气流都是向运动方向的左边偏.概括性而言，也就是“南左北右，赤不偏”.四、地球上季风气候的形成高低纬度间的热量差异地转偏向力（科里奥利力）太阳直射点的南北移动海陆热力性质差异单圈环流三圈环流气压带和风带的南北移动季风的形成气压带和风带假设地表性质均匀，太阳直射赤道，则引起大气运动的因素是高低纬度之间的受热不均，赤道地区的空气受热上升，空中的气压高，地面的气压低；两极地区的空气遇冷下沉，空中的气压低，地面的气压高。在水平气压梯度力的作用下，赤道上空的气流向南北两极上空流动，南北两极地面的气流向赤道地面流动，形成单圈环流。因为地球在自转，地球自转所产生的科里奥利力（在地理学上称为地转偏向力）不可忽略。从北半球来看，赤道地区上升的暖空气，在气压梯度力的作用下，由赤道上空向北流向北极上空（南风），受地转偏向力影响，南风逐渐右偏成西南风，到30N附近上空时偏转成了西风，气压梯度力与地转偏向力达到平衡。来自赤道上空的气流不能再继续北流，而是变成自西向东运动。由于赤道上空的空气源源不断地流过来，在30N附近上空堆积，产生下沉气流，致使近地面气压升高，形成副热带高气压带。近地面，在气压梯度力的作用下，大气由副热带高气压带向南北流出。向南的一支流向赤道低压，在地转偏向力影响下，由北风逐渐右偏成东北风，称为东北信风。东北信风与南半球的东南信风在赤道附近辐合上升，在赤道与副热带地区之间便形成了低纬环流圈。近地面，从副热带高气压向北流的一支气流，在地转偏向力的作用下逐渐右偏成西南风即盛行西风。从极地高气压带向南流的气流（北风）在地转偏向力影响下逐渐向右偏形成东北风，即极地东风。较暖的盛行西风与寒冷的极地东风在60N附近相遇，形成锋面（极锋）。暖而轻的气流爬升到冷而重的气流之上，形成了副极地上升气流。上升气流到高空，又分别流向南北，向南的一支气流在副热带地区下沉，于是在副热带地区与副极地地区之间构成中纬度环流圈；北的一支气流在北极地区下沉，是在副极地地区与极地之间构成了高纬度环流圈。由于副极地上升气流到高空便向南北流出，使近地面的气压降低，成了副极地低气压带。同理，南半球同样存在着低纬、中纬、高纬三个环流圈。因此,在近地面球共形成了7个气压带、6个风带。七月一月现在考虑海陆热力性质差异，亚欧大陆和太平洋分别是最大的陆地和海洋，海陆热力性质差异最明显。一月份时，由于陆地的散热比海洋散得快，在亚欧大陆地面形成亚洲高压，加之风带与气压带向南移动，切断了副极地低压带，太平洋海洋附近形成阿留申低压。在气压梯度力的作用下，地面附近的气流由高压流向低压，在地转偏向力的影响下，在东亚形成西北季风。同理，在七月份时，东亚形成东南季风。在南亚，一月份时，亚洲大陆地面形成亚洲高压，由于气压梯度力的作用，地面附近的气流由亚洲高压流向赤道低压，南亚形成东北季风。同理，七月份时，南亚形成西南季风。五、结