1、第第4章章 大气的运动大气的运动 4.1作用在气块上的力作用在气块上的力 4.2大气运动方程及其简化（不讲）大气运动方程及其简化（不讲） 4.3p坐标系中的运动（不讲）坐标系中的运动（不讲） 4.4自由大气中的风自由大气中的风 4.5地转风随高度的变化地转风随高度的变化热成风（不讲）热成风（不讲） 4.6摩擦层中的风摩擦层中的风4.7水平运动与垂直运动的关系（不讲）水平运动与垂直运动的关系（不讲） 4.8大气的垂直运动（不讲）大气的垂直运动（不讲） 地转偏向力地转偏向力（百帕）（百帕）100010051010（北半球）（北半球）风向风向地面摩擦力地面摩擦力水平气压水平气压梯度力梯度力4.1.1
2、 气压梯度力（气压梯度力（G）1 定义定义 103010201010（hPa） 由于气压分布不均匀而作用于单位质量空气上的由于气压分布不均匀而作用于单位质量空气上的力力, , 其方向由高压指向低压。其方向由高压指向低压。 气压梯度大气压梯度大气压梯度小气压梯度小np 2、表达式、表达式 为为气压梯度气压梯度即为作用在单位体积空气块上的合压力。即为作用在单位体积空气块上的合压力。 )(11kzpjypixpPGP Ph1zp1 水平气压梯度力水平气压梯度力垂直气压梯度力垂直气压梯度力 科里奥利科里奥利(1892-1843)傅科摆实验（傅科摆实验（1851）4.1.2 地球自转偏向力（地球自转偏向
3、力（A） 因地球自转而使空气质点运动方向发生偏向的力。因地球自转而使空气质点运动方向发生偏向的力。 2 Vh sin = f VhVh 水平地转偏向力的重要性质：水平地转偏向力的重要性质：地转偏向力只能产生于空气运动之后，而不能使静地转偏向力只能产生于空气运动之后，而不能使静止空气产生运动；止空气产生运动；纬度一定时，风速愈大，纬度一定时，风速愈大，Ah 愈大；风速一定时，愈大；风速一定时， Ah 与纬度的正弦成正比，在极地最大，赤道最小；与纬度的正弦成正比，在极地最大，赤道最小；地转偏向力垂直于物体运动方向，在北半球总是指地转偏向力垂直于物体运动方向，在北半球总是指向风的右边，并垂直于风，南
4、半球则相反。向风的右边，并垂直于风，南半球则相反。10101008100610041002（hPa）气压梯度力气压梯度力风向风向地转偏向力地转偏向力地转偏向力方向：垂直风向地转偏向力方向：垂直风向 是两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之是两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一种阻碍物体运动的力。间所产生的一种阻碍物体运动的力。 大气运动中所受到的摩擦力一般分为内摩擦力和大气运动中所受到的摩擦力一般分为内摩擦力和外摩擦力。外摩擦力。 内摩擦力内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力，它主要两个空气层之间产生
5、的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变，也称湍流通过湍流交换作用使气流速度发生改变，也称湍流摩擦力。摩擦力。 外摩擦力外摩擦力是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空气运动的阻力。它的方向与空气运动方向相反，大气运动的阻力。它的方向与空气运动方向相反，大小与空气运动的速度和摩擦系数成正比，其公式为小与空气运动的速度和摩擦系数成正比，其公式为 R = -kV 式中，式中，R为摩擦力，为摩擦力，k为摩擦系数，为摩擦系数，V为空气运动速为空气运动速 度。内摩擦力与外摩擦力的向量和称摩擦力。度。内摩擦力与外摩擦力的向量和称摩擦力。摩擦力对近地面风的影响
6、摩擦力对近地面风的影响气压梯度力气压梯度力（高）（高）（低）低）（北半球）北半球）风向风向摩擦力摩擦力地转偏向力地转偏向力（1）气压梯度力：）气压梯度力： 风向垂直等压线，风向垂直等压线， 由高压指向低压由高压指向低压 （2）气压梯度力）气压梯度力+地转偏向力地转偏向力 风向平行于等压线风向平行于等压线 （3）气压梯度力）气压梯度力+地转偏向力地转偏向力+ 摩擦力风向斜穿等压线摩擦力风向斜穿等压线 风向：斜穿等压线风向：斜穿等压线 （低空风）（低空风）分布特征：分布特征： 在地面向上在地面向上12km的气层中（低层大气）大的气层中（低层大气）大气的湍流运动强烈，内外摩擦力的影响较大。气的湍流运
7、动强烈，内外摩擦力的影响较大。但影响程度随高度减小，到但影响程度随高度减小，到12km以上的气层中，以上的气层中，摩擦作用可忽略不计。摩擦作用可忽略不计。 将将12km以下的大气层称为以下的大气层称为摩擦层摩擦层。以上大气称。以上大气称之为之为自由大气自由大气。 12km 范围称为范围称为摩擦层顶摩擦层顶。 V V 2 2r 一般来说，一般来说，气压梯度力气压梯度力是使空气产生运动的直接动力，是是使空气产生运动的直接动力，是最基本的力。其它力是在空气开始运动后产生和起作用的。最基本的力。其它力是在空气开始运动后产生和起作用的。地转偏向力地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动影响较大，而对对高纬
8、地区或大尺度的空气运动影响较大，而对低纬地区特别是赤道附近的空气运动，影响甚小。低纬地区特别是赤道附近的空气运动，影响甚小。惯性离心惯性离心力力是在空气作曲线运动时起作用，而在空气运动近于直线时，是在空气作曲线运动时起作用，而在空气运动近于直线时，可以忽略不计。可以忽略不计。摩擦力摩擦力在摩擦层中起作用，而对自由大气中在摩擦层中起作用，而对自由大气中的空气运动也不予考虑。的空气运动也不予考虑。 地转偏向力、惯性离心力和摩擦力地转偏向力、惯性离心力和摩擦力虽然不能使空气由静虽然不能使空气由静止状态转变为运动状态，但却能影响运动的方向和速度。止状态转变为运动状态，但却能影响运动的方向和速度。气气压
9、梯度力压梯度力既可改变空气运动状态，又可使空气由静止状态转既可改变空气运动状态，又可使空气由静止状态转变为运动状态。变为运动状态。 10101008100610041002水平气压梯度力水平气压梯度力（百帕）（百帕）风向风向 494 496 498 500 水平气压梯度力水平气压梯度力风向风向北半球北半球只改变风向只改变风向地转偏向力地转偏向力地转偏向力的特点：地转偏向力的特点：高空风高空风（百帕）（百帕）水平气压梯度力水平气压梯度力地转偏向力地转偏向力(使风向垂直于等压线使风向垂直于等压线)(使北半球风向右偏使北半球风向右偏,南半球风向左偏南半球风向左偏)地面摩擦力地面摩擦力大气作水平运动所
10、受作用力大气作水平运动所受作用力二力平二力平衡衡,风向风向平行于平行于等压线等压线三种力三种力共同作共同作用下用下,风风向斜穿向斜穿等压线等压线（与空气的运动方向相反）（与空气的运动方向相反）空气产生水平空气产生水平运动的原动力运动的原动力4.4.1 地转风地转风 空气受到的水平气压梯度力和地转偏向力平衡时，空气的空气受到的水平气压梯度力和地转偏向力平衡时，空气的等速直线运动，以等速直线运动，以Vg表示。表示。nPpnPpfVgsin21124在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风（北半球高空）（北半球高空）（百帕）（百帕）1000100510101015
11、1020气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力风向风向地转风地转风地转风地转风在在气压梯度力与地转偏向力共同作用下开成的风气压梯度力与地转偏向力共同作用下开成的风 （北半球）（北半球）708710706704702700(hpa)np 讨论：已知海平面气压场，如何判断地转风方向？讨论：已知海平面气压场，如何判断地转风方向？讨论：已知海平面气压场，如何判断地转风方向？讨论：已知海平面气压场，如何判断地转风方向？以以VG表示表示npfVrVspdtdVGGG1012LGV其中，VG为梯度风风速，当 时，梯度风即为地转风。r高高GV低低GVrVG2GfV低低
12、GVGVGV梯度风梯度风Va气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力离心力离心力H10201016 L10001004 梯度风示意图梯度风示意图低低1000hpa1002hpa1004hpa高高1000hpa1002hpa1004hpa北半球北半球低压中心低压中心高压中心高压中心逆时针逆时针 辐合辐合顺时针顺时针 辐散辐散低低高高1000hpa1002hpa1004hpa1000hpa1002hpa1004hpa南半球南半球逆时针逆时针 辐散辐散顺时针顺时针 辐合辐合低压中心低压中心高压中心高压中心 梯度风的性质：梯度风的性质： （1）梯度风是气压梯度力、惯性离心力和地）梯度风是气压梯度力、惯
13、性离心力和地转偏向力转偏向力三力达到平衡时的风三力达到平衡时的风。北半球，。北半球，低压低压区的梯度风按逆时针方向吹区的梯度风按逆时针方向吹，高压区的梯度风高压区的梯度风按顺时针方向吹按顺时针方向吹；南半球则相反。南半球则相反。（2）在等压线为曲线的气压场中，）在等压线为曲线的气压场中，梯度风是平梯度风是平行于等压线作等速运动。行于等压线作等速运动。 （3）北半球，梯度风与水平气压场之间的关）北半球，梯度风与水平气压场之间的关系仍为：在北半球，背风而立，低压在左，高系仍为：在北半球，背风而立，低压在左，高压在右；南半球则相反。压在右；南半球则相反。即即遵循白贝罗风压定遵循白贝罗风压定律律。对于
14、气旋式（低压）运动来说，地转风对于气旋式（低压）运动来说，地转风 梯度风梯度风 对于反气旋式运动（高压）来说，地转风对于反气旋式运动（高压）来说，地转风 VG （2 2）对于反气旋式运动来说，）对于反气旋式运动来说，Vg VG 1gGGVVVfrT 4.6 摩擦层的风摩擦层的风 1. 定义定义 有摩擦力参与，有摩擦力参与，水平气压梯度力水平气压梯度力与与水平地转水平地转偏向力偏向力、摩擦力摩擦力保持平衡条件下所产生的风称保持平衡条件下所产生的风称为为摩擦风。摩擦风。 2. 大小大小 G + A + Fr = 0摩擦风摩擦风近近地面大气中的风向（北半球）地面大气中的风向（北半球）10081010
15、1006100410021000风向风向水平地转偏向力水平地转偏向力摩擦力摩擦力水平气压梯度力水平气压梯度力(hpa)3. 风向风向 在北半球，背摩擦风而立，高气压在右后方，在北半球，背摩擦风而立，高气压在右后方，低气压在左前方。南半球相反。低气压在左前方。南半球相反。摩擦层低压（摩擦层低压（a）和高压（和高压（b）中的气流中的气流4. 性质性质 根据理论计算和实测资料，可以得到北半球摩擦根据理论计算和实测资料，可以得到北半球摩擦层中在不考虑气压梯度力随高度改变时，风随高度层中在不考虑气压梯度力随高度改变时，风随高度变化的图像。图中变化的图像。图中V1、V2、V3代表自地面起各高代表自地面起各
16、高度的风向、风速矢量，接连各风矢量终点的平滑曲度的风向、风速矢量，接连各风矢量终点的平滑曲线，称为埃克曼螺线，是风速矢端迹图。线，称为埃克曼螺线，是风速矢端迹图。 5. 近地面风的季节变化（季风）近地面风的季节变化（季风）6. 近地面风的日变化近地面风的日变化风向变化：风向变化：（1）海陆风）海陆风(sea-shore wind)（2）山谷风）山谷风(mountain-valley wind)（3）峡谷风）峡谷风(gorge wind) 风速变化：风速变化：一天当中，一般夜间最小；下午一天当中，一般夜间最小；下午23时风速最大。时风速最大。 1. 海陆风海陆风（sea-land breeze
17、） 白天，风从海洋吹向陆地；夜晚，风从陆地吹向海洋，这种白天，风从海洋吹向陆地；夜晚，风从陆地吹向海洋，这种风称为海陆风。风称为海陆风。白天：陆温白天：陆温海温海温 风向：海洋风向：海洋陆地（海风）陆地（海风）夜晚：陆温夜晚：陆温海温海温 风向：陆地风向：陆地海洋（陆风）海洋（陆风）白天：坡温白天：坡温谷温谷温 风向：山谷风向：山谷山坡（谷风）山坡（谷风）夜晚：坡温夜晚：坡温谷温谷温 风向：山坡风向：山坡山谷（山风）山谷（山风） 2. 山谷风山谷风（mountain-valley breeze ） 由于山谷与其附近空气之间的热力差异而引起白天风从山谷由于山谷与其附近空气之间的热力差异而引起白天
18、风从山谷吹向山坡，这种风称吹向山坡，这种风称“谷风谷风”；到夜晚，风从山坡吹向山谷称；到夜晚，风从山坡吹向山谷称“山风山风”。山风和谷风总称为山谷风。山风和谷风总称为山谷风。 3. 峡谷风峡谷风（gorge wind）由于狭管效应而产生的强风，称为峡谷风（穿堂风）由于狭管效应而产生的强风，称为峡谷风（穿堂风） 焚风焚风（一）系统性垂直运动（一）系统性垂直运动 是指由于水平气流的辐合、辐散、暖气流沿锋是指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、阻滞等动力作用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、较规则的上升或下降运动。所引起的大范围、较规则的上升或下降
19、运动。 它的特点是运动垂直速度很小，但范围很广，并它的特点是运动垂直速度很小，但范围很广，并能维持较长时间，能造成大面积的层云和连续性能维持较长时间，能造成大面积的层云和连续性降水，对天气的形成和演变产生着重大影响。降水，对天气的形成和演变产生着重大影响。 4.8 大气的垂直运动大气的垂直运动（二）对流运动（二）对流运动 对流运动是由热力作用引起的。当某空气团的温度对流运动是由热力作用引起的。当某空气团的温度高于四周空气温度时，气团获得向上浮力产生上升运动，高于四周空气温度时，气团获得向上浮力产生上升运动，升至上层向外流散，而低层四周空气便随之辐合以补充升至上层向外流散，而低层四周空气便随之辐
20、合以补充上升气流，这样便形成了空气的对流运动。是低、中纬上升气流，这样便形成了空气的对流运动。是低、中纬度地区和温暖季节经常发生的空气运动现象。度地区和温暖季节经常发生的空气运动现象。 它的特点是范围较小、维持时间短暂，垂直速度较它的特点是范围较小、维持时间短暂，垂直速度较大，但常能引起阵性降水、雷暴、冰雹和龙卷风等强对大，但常能引起阵性降水、雷暴、冰雹和龙卷风等强对流天气。流天气。4.8 大气的垂直运动大气的垂直运动 二、大气环流 (General circulation)（一）大气环流的概念地球上各种规模大气运动的综合状况，称为大气环流。（二）二种大气环流模式 (Two general c
21、irculation models)1、单圈（简单）环流模式过程：赤道上空的空气受热膨胀上升，至对流层顶受阻后分别向南、北二个方向流去，并在南、北两极下沉，流至地面附近后，又流回赤道，形成单圈环流。 2、三圈环流模式 (Three-circle circulation model)三圈环流示意图三圈环流的形成过程三圈环流的形成过程： （1）赤道上空的空气受热膨胀上升，）赤道上空的空气受热膨胀上升，到对流层顶后受阻，空气分别向南、北到对流层顶后受阻，空气分别向南、北方向流去；流向北方的气流，受地转偏方向流去；流向北方的气流，受地转偏向力的作用，逐步转为向东流动并在向力的作用，逐步转为向东流动并在
22、30N附近堆积下沉；气流下沉到低层附近堆积下沉；气流下沉到低层后，受地面阻挡，分成南北两支，向南后，受地面阻挡，分成南北两支，向南的一支流到赤道后，与赤道的上升气流的一支流到赤道后，与赤道的上升气流汇合，形成汇合，形成热带环流圈热带环流圈。 （2）极地寒冷，空气受冷收缩下沉，）极地寒冷，空气受冷收缩下沉，低层的空气从北极流出，流至低层的空气从北极流出，流至60 N附附近遇到从低纬流来的暖空气；冷暖气流近遇到从低纬流来的暖空气；冷暖气流相遇，空气被强迫抬升到高空，至对流相遇，空气被强迫抬升到高空，至对流层顶后分别向极地和低纬流去；流向极层顶后分别向极地和低纬流去；流向极地的气流汇合到极地上空的高
23、层的下沉地的气流汇合到极地上空的高层的下沉气流，气流， 形成形成极地环流圈极地环流圈。 （3）热带环流圈的下沉气流分支和）热带环流圈的下沉气流分支和极地环流圈的上升气流极地环流圈的上升气流分支，分支，形成形成中纬中纬度环流圈度环流圈。大气活动中心三、季风环流(Monsoon circulation)1、季风的概念、季风的概念 大范围盛行风系随季节而改变方向的大范围盛行风系随季节而改变方向的风，称为季风。风，称为季风。2、季风区、季风区 盛行季风的区域，称为季风区。盛行季风的区域，称为季风区。3、季风环流、季风环流 由于地球表面性质不均匀，由海陆热由于地球表面性质不均匀，由海陆热力差异所引起的大
24、范围的东西方向的垂直力差异所引起的大范围的东西方向的垂直环流，称为季风环流。环流，称为季风环流。冬季风冬季风夏季风夏季风第三节 风与生物一、风与生物生长发育一、风与生物生长发育1、强风常降低植物的生长量，并使植物受到机械损伤。2、微风造成得热量、水汽和二氧化碳输送，对植物的生长发育有利。3、风能把植物的花粉和种子传播到远处，帮助植物授粉和繁殖。二、风与病虫害1、风对病害及其流行的主要作用是、风对病害及其流行的主要作用是影响孢子的释放和传播。实验表明，影响孢子的释放和传播。实验表明，增大风速，导致大量的孢子释放。增大风速，导致大量的孢子释放。孢子的长距离传播与气团的移动密孢子的长距离传播与气团的
25、移动密切相关。切相关。2、害虫的迁飞与大气气流有关，迁、害虫的迁飞与大气气流有关，迁飞害虫多在低压区起飞，在高压区飞害虫多在低压区起飞，在高压区降落。降落。三、防风林及其作用(windbreak)防风防风(护）林护）林-依一定的方向排列，为保依一定的方向排列，为保护农田、城市，改善气候环境而成行成护农田、城市，改善气候环境而成行成片种植的树林。片种植的树林。作用：防风；蓄水、固土、改土；防风；蓄水、固土、改土； 净化空气净化空气。Forest webPopulus forest本章小结：一、气压与风水平方向上气压分布的不均匀，一、气压与风水平方向上气压分布的不均匀，是空气产生运动的根本原因。是
26、空气产生运动的根本原因。二、大气环流地球上各种规模大气运动的综合二、大气环流地球上各种规模大气运动的综合状况，称为大气环流。状况，称为大气环流。三、三圈环流及其形成过程：三、三圈环流及其形成过程： （1）赤道上空的空气受热膨胀上升，到对流层）赤道上空的空气受热膨胀上升，到对流层顶后受阻，空气分别向南、北方向流去；流向北顶后受阻，空气分别向南、北方向流去；流向北方的气流，受地转偏向力的作用，逐步转为向东方的气流，受地转偏向力的作用，逐步转为向东流动并在流动并在30N附近堆积下沉；气流下沉到低层附近堆积下沉；气流下沉到低层后，受地面阻挡，分成南北两支，向南的一支流后，受地面阻挡，分成南北两支，向南
27、的一支流到赤道后，与赤道的上升气流汇合，形成热带环到赤道后，与赤道的上升气流汇合，形成热带环流圈。流圈。（2）极地寒冷，空气受冷收缩下沉，低）极地寒冷，空气受冷收缩下沉，低层的空气从北极流出，流至层的空气从北极流出，流至60 N附近遇附近遇到从低纬流来的暖空气；冷暖气流相遇，到从低纬流来的暖空气；冷暖气流相遇，空气被强迫抬升到高空，至对流层顶后分空气被强迫抬升到高空，至对流层顶后分别向极地和低纬流去；流向极地的气流汇别向极地和低纬流去；流向极地的气流汇合到极地上空的高层的下沉气流，合到极地上空的高层的下沉气流， 形成形成极地环流圈。极地环流圈。 （3）热带环流圈的下沉气流分支和）热带环流圈的下
28、沉气流分支和极地环流圈的上升气流分支，形成中纬度极地环流圈的上升气流分支，形成中纬度环流圈。环流圈。三、季风环流1、季风的概念、季风的概念 大范围盛行风系随季节而改变方向的风，大范围盛行风系随季节而改变方向的风，称为季风。称为季风。2、季风区、季风区 盛行季风的区域，称为季风区。盛行季风的区域，称为季风区。3、季风环流、季风环流 由于地球表面性质不均匀，由海陆热力差由于地球表面性质不均匀，由海陆热力差异所引起的大范围的东西方向的垂直环流，异所引起的大范围的东西方向的垂直环流，称为季风环流。称为季风环流。四、地方性风1、海（岸）陆风(sea-shore wind)2、山谷风(mountain-valley wind)3、峡谷风(gorge wind)
