大气的力.pdf
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1、作用于大气的力作用于大气的力1重力单位质量空气受到的重力为g,方向向下,指向地心。显然,重力对大气水平方向的运动不起作用。 2气压梯度力由于作用在单位质量空气上的压力在水平方向上分布不均匀,所产生的力称为1pGn n;方向:垂直等压线从高压指向低压。水平气压梯度力。大小为:(1)水平气压梯度力与空气密度成反比,与气压梯度成正比。(2)空气密度一定时,气压梯度大,等压线密集,水平气压梯度力大。(3)气压梯度一定时,空气密度大,水平气压梯度力小。(4)若气压梯度等于零,两地没有气压差,水平气压梯度力等于零,无风。可见,水平气压梯度力是使空气产生水平运动的直接原因或原动力。 3地转偏向力由于地球自转
2、,作用在运动物体上产生使运动物体发生偏转的力,称地转偏向力。在任意纬度上作用于单位质量运动空气上的水平地转偏向力为:An2Vsin,式中V为空气运动速度,为地转角速度,为纬度。地转偏向力有以下特点:(1)地转偏向力只是在物体相对于地面有运动时才产生,物体静止时,不受地转偏向力的作用。(2)地转偏向力的方向同物体运动的方向相垂直,在北半球,地转偏向力指向物体运动的右方,使物体向原来运动方向的右方偏转;在南半球,地转偏向力指向物体运动的左方,使物体向原来运动方向的左方偏转。(3)它只能改变物体运动的方向,不能改变物体运动速率的大小。(4)地转偏向力的大小与风速和纬度的正弦成正比。在同纬度,风速越大
3、,地转偏向力越大。在风速相同的条件下,地转偏向力随纬度的增高而增大,在赤道上地转偏向力为零。 4惯性离心力当空气做曲线运动时,将作用于空气上与向心力大小相等而方向相反的力称为惯性离心力。惯性离心力同运动的方向相垂直,自曲率中心指向外缘。对单位质量V2C r,式中表明惯性离心力 C的大小与运动空气而言,惯性离心力表达式为:物体的线速度V的平方成正比,与曲率半径r成反比。惯性离心力和地转偏向力一样只改变物体运动的方向,不改变运动速度的大小。 5摩擦力摩擦力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,大小与空气运动的速度和摩擦系数成正比,其表达式为:R-V,式中R为摩
4、擦力, 是为摩擦系数,V为空气运动速度。在大气中不同高度上摩擦力的大小是不同的,以近地面层(地面至3050m)最为显著,高度愈高,作用愈弱,到11.5 km以上,摩擦力的影响可以忽略不计。上述四个力都是在水平方向上作用于空气的力,但它们对空气运动的影响不同。一般来说,水平气压梯度力是空气产生运动的原动力,其他力是在空气运动开始后才起作用的,而且所起的作用视具体情况而不同。水平地转偏向力对中高纬度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。惯性离心力只在空气作曲线运动时起作用。摩擦力只在摩擦层中起作用,对自由大气中的空气运动可以忽略不计。地转偏向力、惯性离心力和摩擦
5、力虽然不能驱动大气运动,但却能影响大气运动的方向和速度。地转风地转风 1地转风的定义及形成地转风是水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡时,空气的等速直线水平运动。在平直等压线的气压场中,由于气压梯度力的作用,空气开始沿气压梯度力的方向从高压向低压运动。一旦有运动,必定受地转偏向力的作用,使运动方向向右偏转(北半球) 。在气压梯度力的作用下,空气的速率越来越大,地转偏向力也随着空气速率的增大而增大,并且迫使空气向右偏离的程度越来越大,最后水平地转偏向力增大到与水平气压梯度力大小相等,方向相反,即达到平衡状态。这时空气沿着等压线作等速水平直线运动,由此形成地转风。 2地转风的大小和风压定律地转风
6、的表达式为:Vg 1 p2 sin n(1-5-2)由此式可以看出:地转风速与水平气压梯度成正比,即等压线密集的地方,地转风大,等压线稀疏的地方,地转风小。地转风速与空气密度成反比。在气压梯度相同的情况下,越往高空风速越大。地转风速与纬度的正弦成反比。当气压梯度相同时,地转风速随纬度的减小而增大。但实际观测到的地转风速却是高纬度地区大于低纬度地区,这是由于高纬度的气压梯度值远远大于低纬度的缘故。然而,在低纬地区因地转偏向力很小,无法与气压梯度力平衡。因此,在赤道附近的低纬地区,地转风是不存在的。风压定律:在北半球自由大气中,地转风沿等压线吹,背风而立,高压在右,低压在左。在南半球,背风而立,高
7、压在左,低压在右。这就是著名的白贝罗定律(Buysballots Law) 。显然,风压定律很好地反映了气压场与风场之间的关系,由气压场分布可以确定风,反过来由风向即可判断出高压和低压的大致方位。 3地转风速的计算在地面图上,为讨论和处理问题方便,不考虑摩擦力的影响,则可迅速计算出对应的地面地转风速。在海图上取一个纬距 n=60 n mile,标准情况下空气密度 =1293 g/m-3,地转角速度 =7.2910-5s-1,若取 p=1hPa,代入地转风公式,计算后得:Vg 04.78m/ssin(1-5-3)当p1hPa时,地转风速为:4.78Vp pm/sVgg0sin(1-5-4)利用此
8、式可以计算水平间隔为60 n mile ,任意气压差时的地转风。 4等压面上的地转风在高空中,应用等压面图来代替等高面图,用位势梯度代替气压梯度得到地转风公式,即9.8HVg m/s2sinn(1-5-5)公式中地转风直接与等压面上的位势梯度成正比,与纬度的正弦成反比。对于某地来说,纬度相同,只要比较各层等压面图上的等高线疏密程度,就可确定各层地转风速的大小。梯度风梯度风当空气质点作曲线运动时,除受气压梯度力和地转偏向力作用外,还受惯性离心力的作用,当这三个力达到平衡时所吹的风,称为梯度风。在低压内气压梯度力指向高压中心,地转偏向力和惯性离心力指向低压,达到平衡状态时的梯度风关系式为: GAC
9、。只要气压梯度和梯度风按一定比例增大,三力的平衡总可建立。因此,气旋中气压梯度和风速可以任意大。在高压内气压梯度力和惯性离心力指向外,而地转偏向力指向内,三个力达到平衡时的梯度风关系式为:AGC。当气压梯度和梯度风按一定比例增大时,C比A增大的快,三力不能保持平衡。只有使气压梯度和梯度风减小,才能三力保持平衡。在反气旋中,最大水平气压梯度出现在高压边缘,越近中心越小。曲率小处等压线密集,曲率大处等压线稀疏。并且,在中高纬度反气旋的风速较大,在较低纬度反气旋中风速较小。由此可以得出以下结论:最大水平气压梯度的分布是,在反气旋边缘较大,越向中心部分越小。当等压线曲率不均匀时,在曲率小处,即等压线平
10、直的地方,等压线较密集。在曲率较大处,即等压线弯曲较大的地方,等压线稀疏。纬度越高,空气密度越大,水平气压梯度值越大。因此,在冬季中高纬大陆上反气旋等压线要密一些。在反气旋边缘风速大,越向中心部分风速越小,在中心附近微风或无风。可以证明,在一定纬度,当G相等时,低压梯度风风速小于地转风速,高压梯度风风速大于地转风速。即VaVgVc。梯度风与地转风既有共同点,又有不同处,两者都是作用于空气质点的力达到平衡时的风。梯度风考虑了空气运动路径的曲率影响,它比地转风更接近于实际风。摩擦层水平运动摩擦层水平运动1摩擦层中的风在摩擦层中,空气的水平运动因受摩擦力作用,风速减弱,风向发生偏转。气压梯度力、地转
11、偏向力和摩擦力(若作曲线运动,还应考虑惯性离心力)构成平衡关系,风不再完全沿着等压线吹,而是斜穿等压线从高压吹向低压。在摩擦层中的白贝罗风压定律应表述为:在摩擦层中风斜穿等压线吹,背风而立,在北半球高压在右后方,低压在左前方;在南半球高压在左后方,低压在右前方。在地面天气图上弯曲等压线的气压场中,例如闭合的高压和低压,由于摩擦力的作用,在北半球低压中气流绕中心逆时针方向向中心辐合,高压中的气流绕中心顺时针方向向外辐散;在南半球则相反,低压中气流绕中心顺时针方向向中心辐合,高压中气流绕中心逆时针方向向外辐散。 2海面实际风的确定在摩擦层中,实际风向与等压线的交角主要取决于下垫面粗糙度、大气稳定度
12、和纬度三个因素。粗糙度越大,稳定度越大,纬度越低时,交角越大;反之,粗糙度越小,稳定度越小,纬度越高时,交角越小。通常在中纬地区陆地上交角约为3545,在海面上约为1020。浪大时,海面粗糙度增大,交角也有所增加。实际风速比相应的地转风速要小,通常陆面上的风速(取1012m高度的风速)约为相应地转风速的1/31/2,海面上风速约为相应地转风速的3/52/3。 3摩擦层中风随高度的变化在摩擦层中风随高度的变化,既受摩擦力随高度变化的影响,又受气压梯度力随高度变化的影响。在气压场不随高度改变的情况下,风随高度变化主要是由摩擦力随高度变化而引起的。从摩擦层下部边界至 3050 m(不超过100 m)
13、高的气层,称为近地面层。观测及理论研究都表明,在这一层中风向随高度的改变不明显,风速随高度的改变主要与气层是否稳定有关。当气层不稳定时,有利于空气上下层的动量交换,使上下层风速差变小;如果气层稳定,则风速随高度变化要明显一些。从近地面层顶向上至摩擦层顶的气层,风速一般随高度的增加而增大,北半球风向随高度的增加逐渐向右偏转,南半球风向随高度则逐渐向左偏转。当高度达到摩擦层顶附近时,风速接近于地转风,风向与等压线相平行。大气环流大气环流环流的因子环流的因子大气环流的基本状况是由若干影响程度不同的因子决定的,其中最重要的是:太阳辐射随纬度的不均匀分布、地球自转、海陆分布和高大地形。 1太阳辐射与单圈
14、环流太阳辐射虽然是大气环流的最终能源,但驱动大气运动的真正原因是太阳辐射能在地表面上的不均匀分布。假定地球不自转,地表平坦,下垫面均一,只考虑太阳辐射随纬度的不均匀性。由于赤道和低纬地区是辐射源,温度高,产生上升气流;高纬和极地是辐射汇,温度低,产生下沉气流。在对流层高层空气由赤道流向极地,低层空气由极地流向赤道,从而产生了一个理想的直接热力环流圈,称单圈环流。 2地球自转与三圈环流假定地表平坦、下垫面均一,在太阳辐射随纬度不均匀和地球自转(地转偏向力)二个因子的作用下,产生三圈环流,即赤道环流或哈德莱环流、极地环流和中间环流。而在水平面上则形成了东、西风带和分隔它们的极锋辐合带、副热带高压带
15、和赤道辐合带。 3海陆不均匀分布海陆热力性质差异表现在三方面:(1)辐射性质差异:太阳辐射在陆地只限于一个薄层内,而在海洋里可以达到几十米深。因此,大陆上的温度远比海洋上温度对太阳辐射敏感得多。(2)热容量差异:海水的热容量是陆地热容量的两倍,海洋升温和降温速度远小于陆地。(3)海水具有流动性:海水的流动使热量在较大范围和较深的层次内均匀分布。由于海陆分布不均匀,冬季大陆是冷源,使其上面的空气变冷,易形成高压,而海洋是热源,使其上面的空气变暖,易形成低压。当空气由大陆移向海洋时,在陆面上不断冷却降温,常在大陆东岸形成温度场中的冷舌和高度场中相应的高空低压槽。夏季的情况与冬季相反,大陆东岸容易出
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