大气中的运动

1、本章教学目的 通过本章教学，使学生初步掌握大气环流的通过本章教学，使学生初步掌握大气环流的基本特征；掌握大气运动、温压场结构的基基本特征；掌握大气运动、温压场结构的基本原理本原理.本章教学重点及难点：气压场特征分析、温压场结构理论；大气水平气压场特征分析、温压场结构理论；大气水平运动的原因和形式；大气环流在天气、气候中运动的原因和形式；大气环流在天气、气候中的作用的作用. 大气时刻不停地运动着，运动的形式和大气时刻不停地运动着，运动的形式和 规模是复杂多样的规模是复杂多样的. . 大气运动使不同地区、不同高度间的热大气运动使不同地区、不同高度间的热 量和水分得以交换和传输，直接影响着量和水分得

2、以交换和传输，直接影响着 天气的变化和气候的形成天气的变化和气候的形成. . 大气运动的根本原因在于气压的分布的大气运动的根本原因在于气压的分布的 不均不均第一节第一节 气压随时间和高度的变化气压随时间和高度的变化一一 气压随高度的变化气压随高度的变化l 气压是随高度的增加而下降的气压是随高度的增加而下降的. .1 静力学方程静力学方程 前提前提静力平衡静力平衡 推导推导 讨论讨论(1) (1) 单位高度气压差单位高度气压差: : (2) (2) 单位气压高度差单位气压高度差(h):(h):n 同压下，单位气压高度差与温度成正比同压下，单位气压高度差与温度成正比n 同温下，单位气压高度差与气压

3、成反比同温下，单位气压高度差与气压成反比2 压高方程压高方程压高方程表示：压高方程表示：l 气压随高度的增加而按指数规律递减；气压随高度的增加而按指数规律递减；l 大气底层，气压递减得快，在高层递减大气底层，气压递减得快，在高层递减 得慢；得慢；l 在温度低时，气压递减得快，在温度高在温度低时，气压递减得快，在温度高 时，递减得慢时，递减得慢.第一节第一节 气压随时间和高度的变化气压随时间和高度的变化二二 气压随时间的变化气压随时间的变化l 气压是随高度的增加而下降的气压是随高度的增加而下降的. .1 气压随时间变化的实质气压随时间变化的实质 大气质量重新分配的结果大气质量重新分配的结果2 气

4、压随时间变化的原因气压随时间变化的原因 气压的变化，表面上是由于空气柱重量增加气压的变化，表面上是由于空气柱重量增加 或减少引起，实质上由于空气柱质量变化而或减少引起，实质上由于空气柱质量变化而 引起引起.空气柱质量空气柱质量的变化主要由的变化主要由热力热力和和动力因子动力因子引起：引起：热力因子热力因子：温度升高或降低引起的体积膨：温度升高或降低引起的体积膨 胀或收缩、密度的增大或减少以及伴胀或收缩、密度的增大或减少以及伴 随的气流辐合所造成的质量增多或减随的气流辐合所造成的质量增多或减 少少.动力因子动力因子：大气运动所造成的气柱质量的：大气运动所造成的气柱质量的 变化变化.空气运动状况：

5、空气运动状况：n 水平气流的辐合与辐散水平气流的辐合与辐散水平气流辐散水平气流辐散：特定区域理的空气质点逐渐向周：特定区域理的空气质点逐渐向周 围流散，引起气压降低的现象围流散，引起气压降低的现象.特点特点：前面空气运动快，后面运动慢：前面空气运动快，后面运动慢水平气流辐合水平气流辐合：特定区域理的空气质点逐渐聚集：特定区域理的空气质点逐渐聚集 起来，引起气压升高的现象起来，引起气压升高的现象.特点特点：前面空气运动慢，后面运动快：前面空气运动慢，后面运动快空气运动状况：空气运动状况：n 不同密度气团的移动不同密度气团的移动冷、暖平流气团性质不同，密度也不同冷、暖平流气团性质不同，密度也不同冬

6、天，冷平流造成流经之处气压升高；冬天，冷平流造成流经之处气压升高；夏季，暖平流造成流经之处气压降低夏季，暖平流造成流经之处气压降低.空气运动状况：空气运动状况：n 空气的垂直运动空气的垂直运动气压随时间的变化气压随时间的变化 实际大气中气压变化的原因往往是由实际大气中气压变化的原因往往是由多种情况综合作用的结果多种情况综合作用的结果.3 气压的周期性变化气压的周期性变化是指在气压随时间变化的曲线气压的周期性变化是指在气压随时间变化的曲线上呈现出有规律的周期性波动，明显的是以日为上呈现出有规律的周期性波动，明显的是以日为周期和以年为周期的波动周期和以年为周期的波动. .气压的日变化有单峰、双峰和

7、三峰等型式气压的日变化有单峰、双峰和三峰等型式, ,其中双其中双峰型较普遍峰型较普遍. .气压日变化的原因比较复杂气压日变化的原因比较复杂, ,尚无公认解释尚无公认解释. .气压的年变化：气压的年变化：受气温的年变化影响很大受气温的年变化影响很大.1) 大陆型大陆型-冬季气压最高，夏季气压最低；冬季气压最高，夏季气压最低；2) 海洋型海洋型冬季气压最低，夏季气压最高冬季气压最低，夏季气压最高;3) 高山型高山型冬季气压最高，夏季气压最低冬季气压最高，夏季气压最低.4 气压的非周期性变化气压的非周期性变化特定地区气压的变化既有周期性变化又有非周期特定地区气压的变化既有周期性变化又有非周期性变化；

8、性变化；中高纬度地区气压变化以非周期性变化为主；中高纬度地区气压变化以非周期性变化为主；低纬度地区气压变化以周期性变化为主低纬度地区气压变化以周期性变化为主. .概念概念- -气压的空间分布称为气压场。气压的空间分布称为气压场。 不同地区气压的高低不同，使气压场呈现不同不同地区气压的高低不同，使气压场呈现不同 形势，统称气压系统。形势，统称气压系统。(一一) 气压场表示方法气压场表示方法 气压水平分布形势用气压水平分布形势用等压线等压线和和等压面等压面表示表示.1) 等压线等压线- - - - 同水平面上各气压相等的连线同水平面上各气压相等的连线. . 表示方法：表示方法： A、每间隔、每间隔

9、2.5hpa绘制一条等压线（如：绘制一条等压线（如： 2.5hpa， 5hpa， 7.5hpa），并构成气压水平分布图。），并构成气压水平分布图。 B、等压线有平直和闭合二种等压线有平直和闭合二种。第二节第二节 气压场气压场等压面等压面-空间气压相等点组成的面空间气压相等点组成的面. . 表示方法表示方法- -某等压面各点的气压值都相等。例某等压面各点的气压值都相等。例700hp等压面上各点的气压值都等于等压面上各点的气压值都等于700hpa。 注意注意: :等压面上各点的气压值虽都相等等压面上各点的气压值虽都相等( (如上如上700hpa700hpa等压面等压面) )，但各点却不一定处在同海

10、拔高度，但各点却不一定处在同海拔高度上上( (不为同高度不为同高度).).(二二) 气压场基本形式气压场基本形式 低气压低气压(简称低压简称低压) 概念概念- - -由闭合等压线构成的低压区，中心由闭合等压线构成的低压区，中心 气压值低，气压值低，向外逐渐增高。空间等压面向下凹形如盆地向外逐渐增高。空间等压面向下凹形如盆地. . 高气压（简称高压）高气压（简称高压） 概念概念- - -由闭合等压线构成的高气压区，中心气压值由闭合等压线构成的高气压区，中心气压值高，向外逐渐降低。空间等压面向上凸类似山丘高，向外逐渐降低。空间等压面向上凸类似山丘. . 低压槽、高压脊低压槽、高压脊 概念概念- -

11、 - - 低压延伸出来的狭长区域叫低压槽简称槽。低压延伸出来的狭长区域叫低压槽简称槽。槽附近的空间等压面类似山谷。高压延伸出来的狭长槽附近的空间等压面类似山谷。高压延伸出来的狭长区域叫高压脊简称脊，脊附近的空间等压面类似山脊区域叫高压脊简称脊，脊附近的空间等压面类似山脊. . 鞍形气压区鞍形气压区 概念概念- - - - 两高压和两低压交错相对的中间区域称为两高压和两低压交错相对的中间区域称为 鞍形气压区简称鞍。其附近空间等压面形如马鞍鞍形气压区简称鞍。其附近空间等压面形如马鞍. . 上述四种气压系统称为气压系统，不同天气系上述四种气压系统称为气压系统，不同天气系 统，天气情况各不相同。统，天

12、气情况各不相同。气压场的几种基本形式气压场的几种基本形式(三三) 气压系统空间结构气压系统空间结构温压场对称系统温压场对称系统 (温度场与气压场配置重合温度场与气压场配置重合)( (高低温中心高低温中心- -高低压中心高低压中心, ,等温线平行等压等温线平行等压线线, ,轴线铅直轴线铅直) ) 暖高；冷低；暖低；冷高暖高；冷低；暖低；冷高.温压场不对称系统温压场不对称系统(温度场与气压场配置不重合温度场与气压场配置不重合)( (高低温中心与高低压中心不重合高低温中心与高低压中心不重合; ;等温线等温线不平行等压线不平行等压线; ;轴线不铅直轴线不铅直, ,低压中心轴线低压中心轴线- -冷区冷区

13、, ,高压中心轴线高压中心轴线- -暖区暖区).).暖性高压：暖性高压： 高压中心为暖区，四周为冷区，等压线和等高压中心为暖区，四周为冷区，等压线和等温线基本平行，暖中心与高中心基本重合的气压系温线基本平行，暖中心与高中心基本重合的气压系统统. .高压的强度愈向高空愈增强高压的强度愈向高空愈增强. .冷性低压：冷性低压： 低压中心为冷区，四周为暖区，等压线和等低压中心为冷区，四周为暖区，等压线和等温线基本平行，冷中心与低中心基本重合的气压系温线基本平行，冷中心与低中心基本重合的气压系统统. .冷压的强度愈向高空愈增强冷压的强度愈向高空愈增强. .暖性低压：暖性低压： 低压中心为暖区，四周为冷区

14、，暖中心与低中低压中心为暖区，四周为冷区，暖中心与低中心基本重合的气压系统心基本重合的气压系统. .低压等压面凹陷程度随高低压等压面凹陷程度随高度升高而逐渐减小，最后趋于消失，在温压场结构度升高而逐渐减小，最后趋于消失，在温压场结构不变的情形下，可发展称为暖高压系统不变的情形下，可发展称为暖高压系统. .冷性高压：冷性高压： 高压中心为冷区，四周为暖区，冷中心与高高压中心为冷区，四周为暖区，冷中心与高中心基本重合的气压系统中心基本重合的气压系统. .高压等压面凸起程度随高压等压面凸起程度随高度升高而逐渐减小，最后趋于消失，在温压场结高度升高而逐渐减小，最后趋于消失，在温压场结构不变的情形下，可

15、发展称为冷低压系统构不变的情形下，可发展称为冷低压系统. .在温压场不对称气压系统中，在温压场不对称气压系统中，中心轴线发中心轴线发生偏斜生偏斜，地面低压中心轴线随高度升高不地面低压中心轴线随高度升高不断向冷区请倾斜，高压中心轴线随高度不断向冷区请倾斜，高压中心轴线随高度不断升高而想暖区倾斜断升高而想暖区倾斜.大气气压系统中的温压场配置绝大多数是大气气压系统中的温压场配置绝大多数是不对称的，因而气压系统的中心轴线大多不对称的，因而气压系统的中心轴线大多是倾斜的是倾斜的.第三节第三节 大气的水平运动和垂直运动大气的水平运动和垂直运动地气系统物质与能量的输送和交换，是通过空地气系统物质与能量的输送

16、和交换，是通过空气分子运动来实现和进行的，气分子运动来实现和进行的，一旦空气分子产生一旦空气分子产生运动则立即出现人们所说的风的天气现象运动则立即出现人们所说的风的天气现象.据物理学原理推论，任何物体只有在受力时才产据物理学原理推论，任何物体只有在受力时才产生运动生运动. 大气层空气之所以产生运动，是在力的作大气层空气之所以产生运动，是在力的作用下产生。该作用力主要是气压梯度用下产生。该作用力主要是气压梯度(水平与垂水平与垂直直)、地转偏向力、惯性离心力、摩擦力、地转偏向力、惯性离心力、摩擦力. 它它 们的们的综合作用，对大气中的水分、热量输送和天气、综合作用，对大气中的水分、热量输送和天气、

17、气候的形成和演变起着重要作用气候的形成和演变起着重要作用.作用于大气的力作用于大气的力大气的水平运动大气的水平运动大气环流大气环流一一 大气的水平运动大气的水平运动n 作用于大气的力作用于大气的力n 自由大气中的空气水平运动自由大气中的空气水平运动n 摩擦层中空气的水平运动摩擦层中空气的水平运动(一一) 作用与大气的力作用与大气的力作用与大气的力有两类：作用与大气的力有两类：一是真实作用于大气的力一是真实作用于大气的力- - 牛顿力牛顿力/基本基本力力，如气压梯度力、地心引力、摩擦力等；，如气压梯度力、地心引力、摩擦力等；二是虚设的力、惯性力二是虚设的力、惯性力，如地转偏向力、惯，如地转偏向力

18、、惯性离心力等性离心力等.1 气压梯度与气压梯度力气压梯度与气压梯度力(1) 气压梯度气压梯度 概念概念- - 气压梯度为既有方向又有大小的空间气压梯度为既有方向又有大小的空间向向(矢矢)量。其方向由高压指向低压，大小等于单位量。其方向由高压指向低压，大小等于单位距离内的气压差距离内的气压差. 单位单位: hpa/m(km) 可据某地点气压梯度方向，了解气压朝哪个方向可据某地点气压梯度方向，了解气压朝哪个方向降低，还可据气压梯度值大小，了解周围大气空降低，还可据气压梯度值大小，了解周围大气空间内气压差异的程度。间内气压差异的程度。 表示方式：表示方式：-p/N. . p p为两相邻等压线间气压

19、为两相邻等压线间气压差，差，N N为两相邻等压线间距离为两相邻等压线间距离. .负号表示气压降负号表示气压降低，因气压取正值而加负号低，因气压取正值而加负号. . 垂直气压梯度垂直气压梯度 -p/Z 单位单位: hpam. p是两相邻等压线间的是两相邻等压线间的气压差，气压差， Z是两相邻等压线间的垂直距离是两相邻等压线间的垂直距离.水平气压梯度水平气压梯度 -p/N 单位单位: hpa赤道度赤道度(111km). p为两相为两相邻等压线间的气压差，邻等压线间的气压差， N为两相邻等压线间的水平距为两相邻等压线间的水平距离离.实际大气中，实际大气中，水平梯度变化垂直气压梯度水平梯度变化垂直气压

20、梯度，但垂直，但垂直气压梯度力有重力与之相平衡，水平气压梯度推动空气气压梯度力有重力与之相平衡，水平气压梯度推动空气产生运动的作用力垂直气压梯度产生运动的作用力垂直气压梯度. . 气压梯度的大小1005hpa1002.5hpa1000hpaA等压线稀疏，单位距离等压线稀疏，单位距离内气压差异小内气压差异小( (气压梯度气压梯度小小) )等压线密集，单位距离等压线密集，单位距离内气压差异大内气压差异大( (气压梯度气压梯度大大) ) 气压梯度的方向 由高压指向低压1 气压梯度与气压梯度力气压梯度与气压梯度力(2) 气压梯度力气压梯度力 概念概念- - 由于气压分布不均匀而产生在单由于气压分布不均

21、匀而产生在单位质量空气块上的大气静压力位质量空气块上的大气静压力. 气压梯度力分为水平气压梯度力和垂直气压梯度力分为水平气压梯度力和垂直气压梯度力气压梯度力.水平气压梯度力水平气压梯度力(G) - - -水平气压梯度存在时，单位质量空气在水水平气压梯度存在时，单位质量空气在水平方向上受到的作用力平方向上受到的作用力. . 表达式表达式： G=-（1/）（P/N）此力虽小，但持续的加速度作用，足以使空气从静止状态此力虽小，但持续的加速度作用，足以使空气从静止状态转为运动状态，是空气产生运动的原动力。转为运动状态，是空气产生运动的原动力。 例：例：3小时，风速从小时，风速从0增至增至7.6m/s(

22、4级风级风) 1天，风速从天，风速从0增至增至60m/s(17级风力级风力)2 地转偏向力地转偏向力概念概念- - -由于地平面转动而产生的使空气偏离气压梯由于地平面转动而产生的使空气偏离气压梯度力方向的力。起到限制风无限增大的作用。度力方向的力。起到限制风无限增大的作用。 Fc =A=2Vsin差别差别- -北半球北半球Fc使运动空气向右偏，南半球相反使使运动空气向右偏，南半球相反使运动空气向左偏，改变了大气物质能量输送的方向运动空气向左偏，改变了大气物质能量输送的方向作用作用- -只改变空气运动方向，不改变速率只改变空气运动方向，不改变速率(只改变风只改变风向，不改变风速大小向，不改变风速

23、大小).大小大小- -地转偏向力在赤道为零，随纬度而增加，极地转偏向力在赤道为零，随纬度而增加，极地达最大地达最大.3 惯性离心力惯性离心力概念概念- - - - 空气作圆周运动时，为保持沿惯性方向运空气作圆周运动时，为保持沿惯性方向运动产生的力动产生的力. 惯性离心力同运动方向相垂直，自曲率中心沿半径惯性离心力同运动方向相垂直，自曲率中心沿半径指向外缘，其大小同空气运动的线速度指向外缘，其大小同空气运动的线速度(V)的平方成的平方成正比，与曲率半径正比，与曲率半径(r)成反比成反比.表达式表达式： C=V2/r实际大气空气运动曲率半径实际大气空气运动曲率半径(几十米几十米- -几几千千米千千

24、米)很大，故很大，故C很小。但在低纬度或很小。但在低纬度或空气运动速度大而曲率半径很小时，空气运动速度大而曲率半径很小时，C 较大并可能超过较大并可能超过G.作用作用-只改变风向，不改变风速大小只改变风向，不改变风速大小. .4 摩擦力摩擦力概念概念- - -两个作相对运动的物体，在相互接触的界面两个作相对运动的物体，在相互接触的界面间产生的一种阻碍物体运动的力间产生的一种阻碍物体运动的力( (有外摩擦力、内摩有外摩擦力、内摩擦力之分擦力之分).).(1) 外摩擦力外摩擦力 概念概念- - -地表阻碍与之接触的近地表空气运动的力地表阻碍与之接触的近地表空气运动的力. . 表达式表达式 ：R=k

25、V 摩擦力的方向及大小：摩擦力的方向及大小： 方向与运动空气，大小与运动空气的速度（方向与运动空气，大小与运动空气的速度（V）和摩擦系）和摩擦系数数(K)成正比；海上成正比；海上R小，风大；陆上小，风大；陆上R大，风小。大，风小。(2) 内摩擦力内摩擦力概念概念-空气运动速度不同或运动方向不同空气运动速度不同或运动方向不同两个相互接触的气两个相互接触的气( (团团) )间产生的摩擦力间产生的摩擦力( (相相互牵制的力互牵制的力).).大小：主要通过乱流主要通过乱流( (湍流湍流) )交换作用使气交换作用使气流发生改变流发生改变( (也称湍流摩擦力也称湍流摩擦力).).摩擦力数值摩擦力数值很小，

26、可忽略不计很小，可忽略不计. .作用作用：可减小运动空气的速度：可减小运动空气的速度( (风速风速) )和地转偏和地转偏 向力向力. .影响影响: :近地面大于上层。随高度增加而逐渐减近地面大于上层。随高度增加而逐渐减 小，小，12km高度以上其影响可忽略不计高度以上其影响可忽略不计.边界范围边界范围：1-2km以下称作摩擦层或边层，以下称作摩擦层或边层， 1-2km以上称作自由大气以上称作自由大气.上述四个力对空气运动影响不同上述四个力对空气运动影响不同:气压梯度力：气压梯度力：是空气产生运动的直接动是空气产生运动的直接动 力，为最基本的力；力，为最基本的力；地转偏向力：地转偏向力：对高纬度

27、或大范围的空气运对高纬度或大范围的空气运 动影响大；动影响大；惯性离心力：惯性离心力：对空气作曲线运动时其作用；对空气作曲线运动时其作用；摩摩 擦擦 力：力：在摩擦层中其作用在摩擦层中其作用. .气压梯度力气压梯度力原始动力原始动力摩擦力摩擦力地转偏向力地转偏向力惯性离心力惯性离心力真实力真实力惯性力惯性力与空气与空气运动速运动速度有关度有关(二二) 自由大气中的空气水平运动自由大气中的空气水平运动自由大气的空气水平运动分自由大气的空气水平运动分直线运动直线运动( (地转地转风风) )和和曲线运动曲线运动( (梯度风梯度风) )二种二种. .是与实际大是与实际大气风相似的一种达到暂时平衡的气风

28、相似的一种达到暂时平衡的风风. .地转风地转风(Vg) 概念概念- -气压梯度力和地转偏向力二个力相气压梯度力和地转偏向力二个力相 平衡平衡(GFc)，自由大气运动，空气，自由大气运动，空气 作匀速直线运动时产生的风作匀速直线运动时产生的风.表达式表达式：Vg=- 1/（2sin(p/n) 该式子由地转偏向力和气压梯度该式子由地转偏向力和气压梯度 力计算得到力计算得到. . 白贝罗风压定律白贝罗风压定律: （地转风与水平气压差之间的关系（地转风与水平气压差之间的关系) 北半球北半球背风而立，高压在右、低压背风而立，高压在右、低压在左，南半球相反在左，南半球相反.地转风大小的影响因子：地转风大小

29、的影响因子： 与气压梯度成正比；与气压梯度成正比； 与纬度的正弦成反比与纬度的正弦成反比.地转风方向：地转风方向：与水平气压梯度力的方向垂直与水平气压梯度力的方向垂直(2) 梯度风梯度风(Vc，Vac) 概念概念- -气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力三者达到气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力三者达到 平衡时的一种空气运动平衡时的一种空气运动.低压中的梯度风风速低压中的梯度风风速(Vc)与高压中的梯度风风速与高压中的梯度风风速(Vac)表表达式分别为：达式分别为： 区别区别- - -北半球低压中的梯度风沿等压线按反时针方向吹，高压北半球低压中的梯度风沿等压线按反时针方向吹，高压中的梯度风按顺时

30、针方向吹。南半球相反中的梯度风按顺时针方向吹。南半球相反. .nprrrVc2sinsinnprrrVac2sinsin梯度风方向：梯度风方向： 梯度风与等压线平行，北半球，低压中梯度风与等压线平行，北半球，低压中空气作逆时针旋转，高压中作顺时针旋空气作逆时针旋转，高压中作顺时针旋转，而在南半球则相反转，而在南半球则相反. .地转风、梯度风的意义及局限性：地转风、梯度风的意义及局限性：u 揭示了揭示了大尺度大尺度空气运动中风场和气压场空气运动中风场和气压场 间一种最简单最基本的关系，为研究大间一种最简单最基本的关系，为研究大 气运动，特别是大尺度大气的水平运动气运动，特别是大尺度大气的水平运动

31、 提供了提供了理论基础理论基础. . 在中纬度地区，地转在中纬度地区，地转 风、梯度风与实际风非常相似风、梯度风与实际风非常相似. .u 实际自由大气中的空气运动和地转风、实际自由大气中的空气运动和地转风、 梯度风之间存在偏差梯度风之间存在偏差. .(3) 自由大气中风随高度的变化自由大气中风随高度的变化风场气压场风场气压场风随高度变化风随高度变化- 水平气压场在垂直方向上的变化水平气压场在垂直方向上的变化水平气压场在垂直方向上的变化水平气压场在垂直方向上的变化 水平温度梯度的存在水平温度梯度的存在热成风的表达：热成风的表达：VTV2-V1V2和和V1分别代表高层和低层的地转风分别代表高层和低

32、层的地转风 热成风的方向与等温线平行，北半球，热成风的方向与等温线平行，北半球， 背热成风而立，高温区在右，低温区在背热成风而立，高温区在右，低温区在 左；南半球相反左；南半球相反. . 热成风的大小与水平温度梯度成正比；热成风的大小与水平温度梯度成正比； 与气层的厚度成正比与气层的厚度成正比 举例分析举例分析 等温线与等压线平行等温线与等压线平行温压场对称系统温压场对称系统 等温线与等压线平行等温线与等压线平行温压场不对称系统温压场不对称系统在自由大气中，随着高度的增高，不论风向在自由大气中，随着高度的增高，不论风向如何变化，高层风总是愈来愈趋向于热成风如何变化，高层风总是愈来愈趋向于热成风

33、方向；方向；热成风并不是实际的空气水平运动，而是风热成风并不是实际的空气水平运动，而是风随高度的该变量随高度的该变量.(三三) 摩擦层中空气的水平运动摩擦层中空气的水平运动 在在摩擦层摩擦层中，空气的水平运动因手摩擦力作中，空气的水平运动因手摩擦力作用，不仅风速减弱，风向受到干扰，而且用，不仅风速减弱，风向受到干扰，而且破坏了气破坏了气压梯度力与地转偏向力之间的平衡关系压梯度力与地转偏向力之间的平衡关系，表现出，表现出气气流斜传等压线，从高压吹向低压的特征流斜传等压线，从高压吹向低压的特征. . 当气压梯度力、地转偏向力与摩擦力达到三力当气压梯度力、地转偏向力与摩擦力达到三力平衡状态时，风与等

34、压线表现出一定的夹角，平衡状态时，风与等压线表现出一定的夹角，摩擦摩擦力越大，夹角越大力越大，夹角越大. .摩擦层中白贝罗风压定律摩擦层中白贝罗风压定律(风场与气压场关系风场与气压场关系)北半球背风而立，高压在右后方，低压在北半球背风而立，高压在右后方，低压在左前方；南半球则正好相反左前方；南半球则正好相反. .摩擦层中低压(a)和高压(b)的气流摩擦层中风随高度的变化摩擦层中风随高度的变化l 摩擦层中风随高度的变化，既受摩擦力随高度摩擦层中风随高度的变化，既受摩擦力随高度 的变化影响，又受气压梯度力对高度变化的影的变化影响，又受气压梯度力对高度变化的影 响响.l 假设各高度气压梯度力相同假设

35、各高度气压梯度力相同l 摩擦力随高度上升不断减小，风向随高度增高摩擦力随高度上升不断减小，风向随高度增高 不断向又偏转不断向又偏转(北半球北半球)，到摩擦层顶部风速接，到摩擦层顶部风速接 近于地转风，风向与等压线平行近于地转风，风向与等压线平行.摩擦层中风的日变化和阵性摩擦层中风的日变化和阵性(1) 日变化日变化 摩擦层中的风存在着有规律的日变化摩擦层中的风存在着有规律的日变化. 近地面层近地面层:白天风速增大，午后增至最大，夜间白天风速增大，午后增至最大，夜间风速减小，清晨减至最小风速减小，清晨减至最小. 摩擦层上层：与近地面层正好相反摩擦层上层：与近地面层正好相反. 风的日变化，晴天比阴天

36、大，夏季比冬季大，风的日变化，晴天比阴天大，夏季比冬季大，陆地比海洋大陆地比海洋大. 摩擦层中风的日变化和阵性摩擦层中风的日变化和阵性(2) 风的阵性风的阵性u 定义：定义： 指风向变动不定，风速忽大忽小指风向变动不定，风速忽大忽小 的现象的现象.u 原因：原因：由大气中由大气中湍流运动湍流运动引起的引起的.u 规律规律: 通常出现在摩擦层中，山区尤甚；通常出现在摩擦层中，山区尤甚； 随着高度的增高，风的阵性逐渐减随着高度的增高，风的阵性逐渐减 弱弱；夏季和午后表现最明显夏季和午后表现最明显. .(四四) 空气的垂直运动空气的垂直运动(1) 对流运动对流运动 对流运动的高度、范围和强度同上升气

37、对流运动的高度、范围和强度同上升气团的团的气层稳定性气层稳定性有关有关. 经常发生在经常发生在温暖的低、中纬度地区温暖的低、中纬度地区和和温温暖季节暖季节.特点及重要性：特点及重要性：规模小、持续时间短；规模小、持续时间短； 对水汽输送、云雨形成及天对水汽输送、云雨形成及天 气发展演变具有重要作用气发展演变具有重要作用.(四四) 空气的垂直运动空气的垂直运动(2) 系统性垂直运动系统性垂直运动 定义定义： 由于水平气流的辐合、辐散、暖气流沿由于水平气流的辐合、辐散、暖气流沿 锋面滑升以及气流受山脉的机械、阻滞锋面滑升以及气流受山脉的机械、阻滞 等动力作用所引起的大范围、较规则的等动力作用所引起

38、的大范围、较规则的 上升或下降运动上升或下降运动. 特点：特点：垂直运动速度很小、但范围较广，且维垂直运动速度很小、但范围较广，且维 持时间长，对天气的形成演变产生重大持时间长，对天气的形成演变产生重大 影响；影响； 往往同天气系统相联系往往同天气系统相联系.第四节第四节 大气环流大气环流一一 大气环流的概念大气环流的概念二二 大气环流形成的主要因子大气环流形成的主要因子三三 大气环流的基本特征大气环流的基本特征一一 大气环流的概念大气环流的概念1 大气运动的尺度大气运动的尺度l 大气运动的尺度划分大气运动的尺度划分l 大气运动尺度划分的意义大气运动尺度划分的意义2 大气环流的概念大气环流的概

39、念3 讨论大气环流的方法和意义讨论大气环流的方法和意义1 大气运动的尺度大气运动的尺度n 概念：所谓大气运动的尺度就是指其规模的概念：所谓大气运动的尺度就是指其规模的 大小和生命史的长短大小和生命史的长短.102cm/s几几 小小 时时100kml小小 尺尺 度度101cm/s1天天 左左 右右101kml中中 尺尺 度度100cm/s3-4天天102kml大大 尺尺 度度10-1cm/s一一 周周 左左 右右103kml行行 星星 尺尺 度度垂垂 直直 速速 度度时时 间间 尺尺 度度水水 平平 尺尺 度度102cm/s几几 小小 时时100kml小小 尺尺 度度101cm/s1天天 左左

40、右右101kml中中 尺尺 度度100cm/s3-4天天102kml大大 尺尺 度度10-1cm/s一一 周周 左左 右右103kml行行 星星 尺尺 度度垂垂 直直 速速 度度时时 间间 尺尺 度度水水 平平 尺尺 度度1 大气运动的尺度大气运动的尺度大气运动尺度划分的大气运动尺度划分的意义意义：(1) 大气运动特点与大气运动尺度有着密切联系大气运动特点与大气运动尺度有着密切联系n 行星尺度系统的空气运动：行星尺度系统的空气运动：遵循地转风原理、遵循地转风原理、 呈现呈现 水平运动水平运动 n 大尺度系统的空气运动：大尺度系统的空气运动： 遵循梯度风原理遵循梯度风原理 n 中尺度系统的空气运

41、动：中尺度系统的空气运动： 静力平衡受到破坏静力平衡受到破坏(2) 大尺度的系统制约着小尺度系统的运动大尺度的系统制约着小尺度系统的运动2 大气环流的定义大气环流的定义u 定义定义1：大气中各种气流的综合，称为大气中各种气流的综合，称为 大气环流大气环流. u 定义定义2：大气环流指大范围的大气运动大气环流指大范围的大气运动 状态状态. 它反映了大气运动基本状它反映了大气运动基本状 态和主要特征，孕育并影响着态和主要特征，孕育并影响着 较小规模的空气运动较小规模的空气运动.3 讨论大气环流的方法及意义讨论大气环流的方法及意义1) 方法方法l 气压场气压场l 风压定律风压定律l 温度场和气压场的

42、配置情况温度场和气压场的配置情况2) 意义意义 l 是各种不同尺度天气系统发生、发展和移动的是各种不同尺度天气系统发生、发展和移动的 背景条件背景条件l 大气中的动量、热量和水分等物理量输送也都大气中的动量、热量和水分等物理量输送也都 与大气环流有关与大气环流有关.二二 大气环流形成的主要因子大气环流形成的主要因子(一一) 太阳辐射作用太阳辐射作用-最基本的因子最基本的因子(二二) 地球自转作用地球自转作用(三三) 地表性质的作用地表性质的作用(四四) 地面摩擦作用地面摩擦作用全球大气环流全球大气环流行星风系行星风系概念：概念：由由太阳辐射能太阳辐射能在地表面分布不均，在地表面分布不均， 引起

43、高低纬度间冷暖差异明显，产引起高低纬度间冷暖差异明显，产 生的全球性大规模气流运动生的全球性大规模气流运动.(一一) 太阳辐射能太阳辐射能假设：假设：l 地表是均匀的地表是均匀的l 没有地转偏向力没有地转偏向力l 不同纬度大气吸收和放射能量差异本不不同纬度大气吸收和放射能量差异本不均匀，沿纬圈平均在均匀，沿纬圈平均在35N35S之间之间是辐射差额的正值区，即是辐射差额的正值区，即净得能量区净得能量区.这这样不仅形成了辐射梯度，也使得该区大样不仅形成了辐射梯度，也使得该区大气净得热量并气净得热量并膨胀上升膨胀上升，形成，形成赤道上空赤道上空大气层的高气压区和近地面大气层的低大气层的高气压区和近地

44、面大气层的低压区压区(见下图见下图).l 35N以北和以北和35S以南的高纬度，以南的高纬度，因辐因辐射差额射差额0(负值区负值区)而使大气净失热量并而使大气净失热量并收缩下沉，收缩下沉，形成形成极地地表的高压区极地地表的高压区和和高高空的低压区空的低压区.l在前述假设条件下，则水平气压梯度力在前述假设条件下，则水平气压梯度力作用使赤道上空暖空气质量流向极地上作用使赤道上空暖空气质量流向极地上空，而极地地表冷空气质量补偿赤道地空，而极地地表冷空气质量补偿赤道地表输出的大气物质能量，构成理想的热表输出的大气物质能量，构成理想的热力单环流圈，使大气处在纬度间应有的力单环流圈，使大气处在纬度间应有的

45、热量平衡之中。热量平衡之中。因此，太阳辐射对大气系统加热不均是大因此，太阳辐射对大气系统加热不均是大气产生大规模运动的根本原因，而大气在气产生大规模运动的根本原因，而大气在高低纬度间的热量收支不平衡是产生和维高低纬度间的热量收支不平衡是产生和维持大气环流的直接原动力持大气环流的直接原动力. .(二二) 地球自转的作用地球自转的作用大气在自转的地球上运动，地球自转产生大气在自转的地球上运动，地球自转产生的偏向力迫使运动空气的方向偏离气压梯的偏向力迫使运动空气的方向偏离气压梯度力方向度力方向. .北半球空气向右偏，南半球空气北半球空气向右偏，南半球空气向左偏向左偏, ,由此在南、北半球分别形成由此

46、在南、北半球分别形成三圈环三圈环流流. .简化总结简化总结(三圈三圈)：l 低纬环流：低纬环流：由于赤道地区气温高，气流膨胀上由于赤道地区气温高，气流膨胀上 升，高空气压较高，受升，高空气压较高，受水平气压梯度力水平气压梯度力的影的影 响，气流向极地方向流动响，气流向极地方向流动. 又受又受地转偏向力地转偏向力的影的影 响，气流运动至响，气流运动至北纬北纬30 时便堆积下沉，使该时便堆积下沉，使该 地区地表气压较高，又该地区位于地区地表气压较高，又该地区位于副热带副热带，故，故 形成形成副热带高压副热带高压. 赤道地区地表气压较低，于是赤道地区地表气压较低，于是 形成形成赤道低气压带赤道低气压

47、带. 在地表，气流从高压流向低在地表，气流从高压流向低 压，形成压，形成低纬环流低纬环流 l 低纬环流和高纬环流低纬环流和高纬环流: 在地表，副热带高压地区的气压较高，因此气流在地表，副热带高压地区的气压较高，因此气流 向极地方向流动。在向极地方向流动。在极地地区极地地区，由于气温低，气，由于气温低，气 流收缩下沉，气压高，气流向赤道方向流动。来流收缩下沉，气压高，气流向赤道方向流动。来 自极地的气流和来自副热带的气流在自极地的气流和来自副热带的气流在60度附近相度附近相 遇，形成了锋面，称作极锋遇，形成了锋面，称作极锋. 此地区气流被迫抬此地区气流被迫抬 升，因此形成副极地低气压带升，因此形

48、成副极地低气压带. 气流抬升后，在气流抬升后，在 高空分流，向副热带以及极地流动，形成高空分流，向副热带以及极地流动，形成中纬环中纬环 流和高纬环流流和高纬环流. (三三) 地表性质的作用地表性质的作用1) 大气活动中心大气活动中心 在海平面气压平均图上出现的在海平面气压平均图上出现的(任何一个任何一个) 永久性或半永久性的支配大范围区域内永久性或半永久性的支配大范围区域内 大气扰动运动的高压或低压大气扰动运动的高压或低压. 如亚速尔高如亚速尔高 压，西伯利亚高压，太平洋高压等压，西伯利亚高压，太平洋高压等. .支配大气运动的大型高、低气压系统。是支配大气运动的大型高、低气压系统。是大气环流的

49、重要组成部分大气环流的重要组成部分. .其位置和强弱反其位置和强弱反映广大地区大气环流的特点，其变化决定映广大地区大气环流的特点，其变化决定着冷、着冷、 暖气流和天气、暖气流和天气、 气候的特点气候的特点. . 一一年四季都存在的大气活动中心称为永久性年四季都存在的大气活动中心称为永久性活动中心，只在一定活动中心，只在一定季节季节存在的大气活动存在的大气活动中心称为半永久性活动中心或季节性活动中心称为半永久性活动中心或季节性活动中心中心. . 北半球北半球8个大气活动中心个大气活动中心 太平洋高压太平洋高压( (又名夏威夷高压又名夏威夷高压) )，有时分裂为，有时分裂为 两个，分别位于东、西太

50、平洋上；两个，分别位于东、西太平洋上； 大西洋高压大西洋高压( (又名亚速尔高压又名亚速尔高压) )； 冰岛低压；冰岛低压； 阿留申低压；阿留申低压； 亚洲高压亚洲高压( (又名蒙古高压或西伯利高压又名蒙古高压或西伯利高压) )； 北美高压；北美高压； 亚洲低压亚洲低压( (又名印度低压或南亚低亚又名印度低压或南亚低亚) )； 北美低压。北美低压。 永久性永久性半永久性半永久性 其中，控制和影响我国天气、气候，对我国自其中，控制和影响我国天气、气候，对我国自然环境形成具有十分重要作用的然环境形成具有十分重要作用的4个大气活动中心分个大气活动中心分别是别是: 2个永久性大气活动中心个永久性大气活

51、动中心- -海洋上海洋上(全年存在，强全年存在，强 弱势力不同弱势力不同)北太平洋高压、阿留申低压北太平洋高压、阿留申低压. 2个半永久性大气活动中心个半永久性大气活动中心- -大陆上大陆上(某一季节存在某一季节存在) 亚洲高压、亚洲低压亚洲高压、亚洲低压. 4个大气活动中心活动情况和势力强弱，是天气个大气活动中心活动情况和势力强弱，是天气预报工作者和与之有关科研人员、工作人员关注的研预报工作者和与之有关科研人员、工作人员关注的研究重点究重点.2) 地表性质非均一作用地表性质非均一作用I 复杂的地表性质更增加了大气环流分布的紊乱性复杂的地表性质更增加了大气环流分布的紊乱性. . 其中海洋、陆地

52、间的热力差异对大气环流的重大其中海洋、陆地间的热力差异对大气环流的重大 影响，使全球呈带状分布的各气压带、风带被分影响，使全球呈带状分布的各气压带、风带被分 割成多个独立的高、低压单体割成多个独立的高、低压单体( (中心中心).).II 地形起伏，尤其是大范围的高原和高大山脉对大地形起伏，尤其是大范围的高原和高大山脉对大 气环流影响非常显著，其影响包括动力作用和热气环流影响非常显著，其影响包括动力作用和热 力作用两个方面力作用两个方面. .III 夏季极冰冷源作用夏季极冰冷源作用.(四四) 地表摩擦地表摩擦大气在自传地球上运动着，与地球表面产大气在自传地球上运动着，与地球表面产生着相对运动。相

53、对运动产生摩擦作用，生着相对运动。相对运动产生摩擦作用，而摩擦作用和山脉作用使空气与转动地球而摩擦作用和山脉作用使空气与转动地球之间产生了转动力矩之间产生了转动力矩( (角动量角动量).). 角动量在风带的产生、损耗及风带间的输角动量在风带的产生、损耗及风带间的输送、平衡，对大气环流的形成和维持具有送、平衡，对大气环流的形成和维持具有重要作用重要作用. .n 地球上的气流基本上呈纬向流动，在中高纬地球上的气流基本上呈纬向流动，在中高纬 度是西风带，低纬度是广阔的东风带度是西风带，低纬度是广阔的东风带. .n 在西风带，大气损耗西风角动量，地球获得在西风带，大气损耗西风角动量，地球获得 西风角动量；在东风带，大气获得西风角动西风角动量；在东风带，大气获得西风角动 量，地球支出西风角动量量，地球支出西风角动量. .n 东、西风带平均风速没有明显变化，表明角东、西风带平均风速没有明显变化，表明角 动量守恒动量守恒. . 地面摩擦作用对大气环流中地面摩擦作用对大气环流中纬向环流纬向环流和和经圈经圈 环流环流的形成和维持具有重要影响的形成和维持具有重要影响. . 三三 大气环流的基本特征大气环流的基本特征大气运动状态复杂多变，通常采用大气运动状态复杂多变，通常采用求平均求平均的的方法来寻找大气环流的主要规律方法来寻找大气环流的主要规律.n 对对时间时间求平均