农业基础气象 9

第四章气压与大气运动第四章气压与大气运动第一节气压及其变化

一、气压的定义、测定原理及单位

二、气压的时间变化

三、气压的水平分布

四、气压的垂直变化

一、气压的定义、测定原理及单位1.气压的定义地球大气受地球引力作用而具有重量，据计算，地球大气的总重量约为5.13×1015t。单位地球表面所承受大气柱的总重量，称为大气压强，简称气压。2.气压测定原理测定气压的仪器主要是水银气压表，其测定原理是大气压强与单位面积上水银柱重量相平衡，其表达式为:

上式中P为气压，ρHg为水银密度，g为重力加速度，h为水银柱高度，v和s分别为体积和面积。在特定温度、纬度和海拔条件下，ρHg、g为常数，P与h正相关，h愈高，P愈大。重力1m2大气柱总重量＝104kg（1）长度单位

是水银气压表上水银柱的高度，单位用mm。水银气压表的横截面积为1cm2，国际规定：温度为0℃，纬度为45°，海拔为0km时，水银柱高度为760mm，即作为一个标准大气压（2）压强单位

现国际通用单位为百帕(hPa)，过去用毫巴（mb）为单位,现已被废止。气象上规定1hPa=100N/m2=103din/㎝2(即1mb)，在标准大气压特定条件下，ρHg＝13.596g/㎝3，g＝980㎝/s2，h=76㎝一个标准大气压为：

P＝ρHggh=1013250din/㎝2＝1013.25hpa(mb)。

气压的两种单位之间换算关系为：1mm=4/3hPa或1hPa=3/4mm。

3.气压的单位(一)气压的日变化

气压日变化规律通常是在一天中出现一个最高值，一个次高值；一个最低值和一个次低值。早晨最高值出现在9～10时，15～16时出现最低值；21～22时出现次高值，次日3～4时出现次低值。气压日变幅随纬度增高而减小，低纬度为3hPa～5hPa，在纬度50°附近小于1hPa。二、气压的时间变化

由于海陆之间热力差异的原因，大陆上，冬季较海洋冷却快而强烈，大气柱收缩较海洋大，故海洋上空空气流向大陆使大陆气压高；夏季较海洋增热快而强烈，大气柱膨胀较海洋大，故大陆上空空气流向海洋使大陆气压低。海洋上则相反，冬季气压低，夏季气压高。地面气压的年变幅，大陆大于海洋，高纬度大于低纬度，地势低的地方大于地势高的地方。(二)气压年变化

大气中经常发生南北间空气水平运动，由于南北间空气温度和大气密度不同，因而在气团运动中必然引起气压的变化，这就是气压的非周期性变化。有时这种变化掩盖了周期性变化，如冷锋过境时，气压骤然升高，冷锋移过后气压又缓慢下降。高、低气压系统的移动和发展明显引起气压非周期变化，所以，气压非周期性变化是天气变化的征兆。(三)气压的非周期性变化(一)等压面三、气压的水平分布高度高度高充水平水面水IIGU水平面平面等压面与等高面的关系等压面在等高面上的投影高度水平面高度(二)等压线

也就是同一等高面上气压相等各点的连线，同一等高面与空间各等压面的交线，构成等高面图。从等高面图上，可以看出该等高面上气压的分布情况。海平面气压场的基本型式1.低压

中心气压低，向四周气压逐渐增高的闭合等压线区，称低气压，简称低压。2.低压槽

从低压区向外延伸出来的狭长区域，或一组不闭合的等压线向气压高的一方突出的部分叫做低压槽(pressuretrough)。在低压槽中，各条等压线曲率最大处的连线，称为槽线。(三)气压系统

气压系统的空间等压面图示a.低压和低压槽b.高压和高压脊ab3.高压

中心气压高，向四周气压逐渐降低的闭合等压线区称高气压，简称高压。4.高压脊

从高压区延伸出来的狭长区域,或一组不闭合的等压线向气压低的一方突出的部分叫高压脊(pressureridge)。高压脊中，各条等压线曲率最大处的连线，称为脊线。

5.鞍形气压场

相对的两个高压和两个低压之间的过渡区域。其空间等压面形如马鞍。

由于地球引力的作用，愈近地表，空气质点愈多，密度愈大，质量愈重。大气是一种流体，其顶部犹如海洋面一样的平坦，但其大气底部则是凹凸不平的，海拔愈高的地方，大气柱短且大气密度小，因而气压低。海拔愈低的地方，大气柱长，且长的这一段是密度很大的大气柱。因而气压高。所以，气压随高度增高而降低四、气压的垂直变化

(一)拉普拉斯(Laplace)压高公式及其应用

式中α＝1／273，P1和t1为较低海拔(Z1)处的气压和气温，P2和t2为较高海拔(Z2)处的气压和气温，tm＝(t1+t2)／2单位：P为hPa，tm为℃，Z为两点的高差。测定相近两地同一时间气压和温度后可求算两地高度差。已知某地海拔和测定了当地气压(P2)和气温t2后，根据同一时刻相同纬度海平面(Z＝0)处的气温(t1)或当地当时气温递减率可求海平面气压。已知两测站海拔时，测定其中一测站气压和温度，根据同一时刻另一测站的气温或当时气温递减率可求另一测站的气压。

【例1】测得海拔为103.0m的气象站的气压为1008.7hPa，气温17.8℃；邻近高山气象站同时测得气压为872.7hPa,气温11.2℃。试求两站相对高度和高山站绝对高度。解：已知P1＝1008.7hPa,P2＝872.7hPa,t1＝17.8℃,t2＝11.2℃,Z1＝103.0m,故,tm＝(17.8+11.2)／2＝14.5℃，将各量代入压高公式有：两站相对高度：Z2-Z1＝1219m；高山站绝对高度：Z2＝1322m。【例2】测得海平面气压1013.0hPa，气温为15.0℃，气温垂直梯度为0.8℃／100m，求1500m处气压。

解：已知P1＝1013.0hPa，t1＝15.0℃，Z1＝0，Z2＝1500m，γ＝0.8℃／100m，由此可求：t2＝15℃-1500m×0.8℃／100m＝3℃，tm＝(15+3)／2＝9℃，将各量代入压高公式可解出:P2＝844.7hPa。(二)拉普拉斯压高公式的推导拉普拉斯压高公式是由大气静力方程导出的，所以欲导压高公式，还得先推导大气静力平衡方程:

将气体状态方程ρ＝P／RT代入上式得

dP／P＝-(g／RT)dz

两端积分得ln(P2／P1)＝－(g／RTm)(Z2－Z1)或Z2-Z1＝－(RTm／g)ln(P2／P1)＝(RTm／g)ln(P1／P2)将R＝0.287J/g.K＝287m2/s2.K，g＝9.80665m/s2，Tm＝273(1+αtm)其中α＝1/273代入上式，并将自然对数变为10为底的对数，则导出拉普拉斯压高公式。

气块在垂直方向的受力状况(三)气压阶或单位气压高度差

1.概念单位气压高度差是气压降低1hPa时高度升高的距离，单位为m/hPa。单位气压高度差又叫气压阶(pressurestep)，它是铅直气压梯度的负倒数，实际工作中，常用气压阶来表示气压随高度变化的快慢程度。2.计算：若气压阶用h表示，则由静力平衡方程可以得到：

h=-dz/dp=1/ρg

上式说明，气压阶的大小随空气密度而变，在密度较大的气层中，气压阶较小。而在密度较小的气层中，气压阶较大。同一地点，高空的气压阶比低空大。温度高处气压阶比温度低处大。(四)气压系统的垂直结构

由于气压随高度的变化与温度有密切关系，因此不同气压和温度配置的气压系统其垂直变化是不同的，常见的气压系统垂直结构分为以下三大类：1.深厚对称的冷低压和暖高压2.浅薄对称的冷高压和暖低压3.温压场不对称系统

a低压b高压温压场不对称的气压系统垂直剖面示意图(实线为等压面,虚线为等温面)a、冷低压b、暖高压c、冷高压d、暖低压温压场对称的气压系统垂直剖面示意图(实线为等压面,虚线为等温面)第二节风及其变化一、风的概念

二、作用于空气的力

三、自由大气中的风—地转风和梯度风四、近地气层的风—摩擦风

五、风的变化

一、风的概念1.定义：风是在水平方向上空气相对于运动着的地球的相对运动，是表示空气水平运动的物理量，是一种具有大小和方向的向量。2.风向(winddirection)指的是风的来向。3.风速(windvelocity)是单位时间内空气质点运动的水平距离。单位是m/s或㎞/h，也用风力等级表示。圆圈表示测点，矢杆表示风向，矢羽表示风速，矢羽一长横表示4m/s，半横表示2m/s，空心三角旗表示20m/s。

二、作用于空气的力

水平梯度力低压高压1000102510501075水平梯度力摩擦力地转偏向力风向(一)水平气压梯度力

由于动力原因(气流遇山、遇谷、遇锋面被迫升降压缩或膨胀)或热力原因(下垫面局部受热或冷却而膨胀或收缩)而引起水平方向上气压分布不均匀时,就产生了水平气压差。这种由于水平方向上气压分布不均而作用于单位体积(V＝1)空气上的力叫水平气压梯度，记作-dP/dn。当其作用于单位质量(m＝1，V＝m/ρ＝1/ρ)空气上的力叫水平气压梯度力，写成微分形式则是：

Gn=-(1/ρ)(dP/dn)空气微团所受的气压梯度力式中Gn是水平面上x方向和y方向的合力，ρ表示空气密度，dP／dn表示单位水平距离上的气压差，称水平气压梯度，dP／dn＝(dP/dx)+(dP/dy)。(二)水平地转偏向力1.概念：如果空气只受水平气压梯度力的作用,则应按水平气压梯度力的方向由高压流向低压。但是在转动的地球上，由于地球的自转，使地球表面不断地自西向东旋转，而空气为保持惯性仍按原来的速度和方向运动，这样在地球上的观察者看来，空气运动方向偏离了原来的运动方向。这种因地球自转而使空气运动方向发生改变的现象，假想是受力作用的结果，这个力称为地球自转偏向力。

2.水平地转偏向力的性质北半球水平地转偏向力垂直于空气水平运动方向偏向其右方，南半球则偏向其左方。因为水平地转偏向力在运动方向上并无分量，因此它只能改变运动方向，不能改变运动速度。水平地转偏向的力的大小与风速成正比，当风速为零时，空气不受地转偏向力的作用。水平地转偏向力的大小与纬度的正弦成正比，风速一定时，水平地转偏向力随纬度增高而增大。极地最大，赤道为零。(三)惯性离心力

当空气作曲线运动时，转动系统内的观察者看来，在曲线轨道上运动的空气质点，时刻受到一个离开曲率中心向外的力作用，这个力是空气质点为保持惯性方向运动而产生的，叫做惯性离心力。惯性离心力的方向与空气运动方向相垂直，由曲率中心指向外缘。它的大小与空气运动速度的平方成正比，与曲率半径成反比。若惯性离心力用C表示，C＝v2/r

(四)摩擦力

空气运动时，因气层与地面之间，或气层与气层之间的相互摩擦而使空气运动减速，这种因摩擦作用而产生的阻力，称为摩擦力。a.外摩擦力粗糙地面对空气运动的阻力，称为外摩擦力。外摩擦力的方向与空气运动的方向相反，力的大小与空气运动速度成正比。b.内摩擦力又称湍流摩擦力。大气本身是有摩擦的粘滞流体，当空气内部运动速度不一致，或运动方向不同时，上下各气层之间就会引起互相牵制的作用。这种作用发生在大气内部，称为内摩擦力。内摩擦力的方向与上下层风速向量差的方向一致，其大与上下层风速的向量差成正比。三、自由大气中的风—地转风和梯度风

(一)地转风(Vg)

在自由大气中，摩擦力对空气运动的影响可忽略不计，即R＝0。当其在平直等压线组成的气压场中，空气作直线运动，空气运动不受惯性离心力，即C＝0，此种状态下An和Gn平衡时的风为地转风(geostrophicwind)。(二)梯度风当其在高、低压系统中，空气作曲线运动，惯性离心力对空气运动的影响不可忽略，即C≠0，此种状态下An、Gn和C三力平衡时的风为梯度风(gradientwind)。梯度风的风向仍然遵循白贝罗风压定律，即在北半球风沿等压线吹，背风而立，高压在右，低压在左，南半球则相反。

a高压b低压

梯度风形成示意图

四、近地气层的风—摩擦风在近地气层，无论是平直等压线的情况，还是曲线等压线的情况，形成的风称为摩擦风(antitropticwind)。这时的风压定律变为：在北半球，背风而立，高压在右后方，低压在左前方。南半球则相反。

高压（b）和低压（a）系统中的摩擦风五、风的变化

(一)风的日变化对低层大气来说，日出以后风速逐渐增大，午后风速达到最大，夜间风速减小，高层大气风的日变化情况与低层大气相反，最大值出现在夜间，最小值出现在白天。(二)风速的年变化在北半球中纬度地区，一般风速的年最大值出现在冬季，最小值出现在夏季。我国大部分地区春季风速最大，因春季是冷暖空气交替的时期。(三)风速随高度的变化

在摩擦层中，因为运动着的空气所受到的摩擦力随高度增加而减小，所以风随高度增加而增大。到摩擦层顶时，由于摩擦力很小，可以忽略不计，风速接近于地转风的风速。在贴地层中，风速随高度增加很快，向上就逐渐减慢。(四)风的阵性

风的阵性是指风向变化不定，风速时大时小的现象。地面粗糙不平时，阵性也会增强，随着高度增加，阵性逐渐减弱。

第三节大气环流一、三圈环流模式

二、大气活动中心

三、季风

一、三圈环流模式(一)单圈环流模式(二)三圈环流模式

二、大气活动中心

由于海陆分布割裂了气压带而形成的高低气压中心，对冬夏天气，气候有控制性的影响，被称为大气活动中心(atmosphericactivecenter)。气压带和大气活动中心

气压带半永久性活动中心季节性活动中心7月1月北半球副极地低压带副热带高压带赤道低压带冰岛低压阿留申低压夏威夷高压亚速尔高压印度低压北美低压平均位置12°N～15°N北美高压蒙古高压平均位置5°S南半球副热带高压带南太平洋高压南印度洋高压南大西洋高压澳洲高压南非高压澳洲低压南美低压南非低压

三、季风1.由海陆热力差异产生的季风

由海陆热力差异产生季风的过程是夏季大陆增温比海洋快，大陆气压比海洋低，气压梯度由海洋指向大陆，所以气流分布由海洋流向大陆；冬季相反，冬季大陆降温比海洋快，大陆气压比海洋气压高，气压梯度从大陆指向海洋，因此气流分布由大陆流向海洋。2.由行星风带随季节移动而引起的季风和海陆热力差异而产生的季风不同，行星风带的分布很有规律，其位置随季节有显著的移动，因此，在两个行星风带相接的地区，便会发生显著的季节性改变现象。第四节地方性风一、海陆风

二、山谷风

三、峡谷风

四、焚风

一、海陆风

白天，陆面增热比海面要剧烈，产生了从海洋指向陆地的水平气压梯度，因此下层风从海洋吹向陆地，形成海风，上层风则从大陆吹向海洋。

夜间，陆面降温比海面剧烈，形成了从陆地指向海洋的水平气压梯度，下层风从陆地吹向海洋，形成陆风，上层由从海洋吹向陆地。二、山谷风

白天，山坡接受太阳辐射而很快增温，紧贴山坡的空气也随之增温，而同高度谷底上空的空气，因远离地面，增温缓慢，温度较低。这种热力差异，产生了由山坡坡面指向山谷上空的水平气压梯度。而在谷底，则产生了由山谷指向山坡的水平气压梯度。所以，白天风从山谷吹向山坡(上层相反，风从山坡吹向山谷上空)，形成了谷风。夜间，山坡由于辐射冷却而很快降温，紧贴山坡附近的空气也随之降温，而同高度谷底上空的空气冷却较慢。形成了和白天相反的热力环流，下层风由山坡吹向山谷(上层风由山谷吹向山坡)形成了山风。三、峡谷风

当空气由开阔地区进入狭谷口时，气流的横截面积小，由于空气质量不可能在这里堆积，于是气流就必须加速前进，而形成强风，这种风称为峡谷风或穿堂风。在我国台湾海峡、松辽平原等地，两侧都有山岭、地形像个喇叭管，当空气直灌窄口时，经常出现大风，就是这个原因。四、焚风

气流越过高大山体后绝热下沉，在山的背风坡脚产生的干热风，叫焚风。当未饱和暖湿气流翻越高大山脉而过时，在山的迎风坡被迫抬升，按干绝热直减率降温，到一定高度，空气达到饱和，水汽凝结并产生云雨；气流再继续上升，则按湿绝热直减率降温。当气流越过山顶而沿坡下滑时，按干绝热直减率下沉增温，加上水汽在迎风坡已凝结降落，气流湿度减小，因而在山坡中部或山脚就出现了高温而干燥的焚风。

焚风示意图第五节风对农业和城市的影响一、季风对农业的影响二、海陆风对海滨城市的影响三、山谷风对农业和环境的影响四、峽谷风对城市的影响五、焚风对农业的影响六、风对植物的影响一、季风对农业的影响1.有利方面：受夏季风影响，水热同期，利于发展种植业，水稻可一年三熟，喜温作物生长界限北扩。2.不利方面:

受夏季风影响，雨季开始与结束迟早南北方不一样，季风强、弱影响降水不稳定，易形成旱