影响大气运动的作用力

第一章大气运动的基本特征

地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。对气象上有意义的是：将这些物理定律应用于相对于自转地球的大气运动。§1.1影响大气运动的作用力牛顿第二运动学定律：

真实力(基本力,牛顿力，在空间固定、绝对坐标系中):

气压梯度力、地心引力、摩擦力非真实力（视示力、外观力，在旋转坐标系中）：

惯性离心力、地转偏向力

一、基本作用力（真实力）

1.气压梯度力

气压梯度力当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的净压力称为气压梯度力x方向受的压力为：同理：y方向所受净压力为：

z方向所受净压力为：总的净压力为：

气压梯度力：讨论：

1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。

2.气压梯度力的方向指向–的方向，即由高压 指向低压，垂直于等压线。

3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气的 密度成反比，即等压线越密集，气压梯度越大。 在同样的气压梯度下，高出的风就比低处的风大， 因为高空的密度小。4.水平气压梯度力比垂直气压梯度力小很多。

水平方向:100km相差1hpa

垂直方向:8-10m相差1hpa1000hpa~850hpa平均相差1500m

但由于向上的气压梯度力与向下的重力达到准静力平衡，所以虽然垂直方向上的气压梯度力大，但运动不明显。而水平方向上力虽小但运动明显，故大气基本上是准水平运动。2地心引力

万有引力：2地心引力

地球对单位质量空气的引力：(地球半径为a,质量为M，空气块质量为m，离地高度为z)因为：a>>z所以：

——海平面的地心引力（常数）3摩擦力

（850hpa以下考虑）单位质量空气块所受到的净粘滞力称摩擦力.（为摩擦系数）

粘滞力是由分子不规则运动引起的动量交换（传递）

粘滞力与风速垂直切变成正比单位面积粘滞力（切应力，雷诺应力）●摩擦力与风垂直切变的垂直变化成正比●风垂直切变的垂直变化为正时，摩擦力指向正向，摩擦力使气块在正向加速●风垂直切变的垂直变化为负时，摩擦力指向负向，摩擦力使气块在负向加速●大气为低粘性流体，一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用二、视示力由旋转坐标系的加速作用而假想的力（惯性离心力、地转偏向力）它不是一种真实力而是由于站在非惯性坐标系中观察运动而又企图用牛顿第二定律解释它的结果。

1、惯性离心力

向心力～向心加速度惯性离心力C=Ω2RC=Ω2R向心力与惯性离心力惯性离心力C=Ω2RΩ=2p/24小时=7.29×10-5秒-1惯性离心力大小与Ω平方成正比，与纬圈半径成正比，方向由地轴指向外。讨论：

1.的大小随纬度变化：赤道最大，极地最小。

2.地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。3.惯性离心力大小与Ω平方成正比，与纬圈半径成正比，方向由地轴指向外。

2.地转偏向力(科氏力）为了解释用旋转坐标系作为参考系观察空气运动时所呈现的相对于旋转坐标系的偏向加速度而引进的一种视示力称为地转偏向力1835年，法国气象学家科里奥利提出，为了描述旋转体系的运动，需要在运动方程中引入一个假想的力，这就是科里奥利力。引入科里奥利力之后，人们可以像处理惯性系中的运动方程一样简单地处理旋转体系中的运动方程，大大简化了旋系的处理方式。由于人类生活的地球本身就是一个巨大的旋转体系，因而科里奥利力很快在流体运动领域取得了成功的应用。2、地转偏向力（科力奥利力）方向：垂直于与组成的平面，指向运动方向右侧

大小：

/us/201903680/68221002.shtml设：局地直角坐标系原点：地表某点

y轴：沿原点所在经圈切线方向指向北

x轴：沿原点所在纬圈切线方向指向东

z轴；指向当地天顶方向常用水平地转偏向力令则有

地转偏向力（大小方向）与速度矢量的关系：当|V|=0时，A=0，只有在做相对运动时，A才存在。A与V垂直，只能改变气块的运动方向，不能改变其大小。在不考虑w和Az的情况下，在北半球地转偏向力时运动方向右偏，在南半球地转偏向力时运动方向左偏。地转偏向力与角速度矢量的关系？地转偏向力与角速度矢量垂直，角速度矢量与赤道平面垂直，所以，地转偏向力在赤道平面内。讨论：

1、运动的物体受地转偏向力的作用（静止时为0）。

2、与相垂直，在纬圈的平面内。

3、与相垂直，地转偏向力垂直于运动方向，只改变空气块的运动方向，不改变其速度大小。在北半球地转偏向力指向运动方向右侧，南半球则相反。

4、水平地转偏向力大小与风速成正比，与纬度的正弦成正比。即风速越大偏向力越大，高纬度的偏向力大，低纬度的偏向力小。

3重力地心引力与惯性离心力的合力，称为重力。讨论：1、重力的方向除赤道和极地外，均不指向心。由于地球为椭圆，地球上重力垂直于当地水平面，向下2、重力的大小随纬度变化，极地最大，赤道最小，一般用45纬度海平面重力值=9.806m/s2

综上所述，单位质量空气加速度——旋转坐标系的大气运动方程为：风空气的水平运动称为风，它是一个矢量风向：风的来向U表示东西方向的风，U>0为西风，U<0为东风V表示南北方向的风，V>0为南风，V<0为北风W表示垂直方向的风，W>0表示上升运动，W<0表示下沉运动