【文章內容簡介】 由于作用在單位質量空氣上的壓力在水平方向上分布不均勻，引起氣壓梯度力。Gn表示 。 ? 大小為： ； 方向：垂直等壓線從高壓指向低壓。 (1) Gn與 ρ 成反比， Gn與氣壓梯度 成正比。 (2) ρ 一定時， 大，等壓線密集， Gn大。 (3) 一定時， ρ 大，空氣濃密， Gn小。 (4) 若 =0, 兩地沒有氣壓差 Gn=0 無風。 ? Gn是使空氣產(chǎn)生水平運動的原動力。 npGn??????1np???np???np???np????水平地轉偏向力 (deflection force of earth rotation) 由于地球自轉 ,作用在運動物體上產(chǎn)生使運動物體發(fā)生偏轉的力，稱地轉偏向力，又稱可科利奧里力 (Coriolis force)或科氏力。 An ?大小為 ： An=2ω Vsinφ ω = 105/s ω :地轉角速度 V:風速 φ :緯度 ?方向 ：北半球，恒垂直于物體運動方向的右側 90度，南半球相反 . ?討論 ： (1) An是物體相對于地球運動才產(chǎn)生的，靜止物體不受其作用。 (2) 地轉偏向力是虛擬力， 只改變物體的運動方向，不改變速度。 (3) 在北半球 A恒垂直于物體運動的右方，南半球相反。 (4) An與 sinφ 成正比，兩極最大，赤道上為零 。 ? 慣性離心力 （ Centeifugal Force） 指物體在作曲線運動時產(chǎn)生的一種虛擬力。 C = V2/r r為曲率半徑 大?。号c向心力相等 。 方向：與向心力相反。 ? 摩擦力 （ Friction Force） 運動物體受下墊面摩擦作用所產(chǎn)生的力。 R= k V V為物體運動速度； k為摩擦系數(shù) 方向與運動物體相反。 ? 四、地轉風 (Geostrophic Wind) 在自由大氣中 ,當水平氣壓梯度力和水平地轉偏向力達到平衡時，空氣沿等壓線（等壓面）作無磨擦的直線運動，稱地轉風。即： （地轉風風速公式） （ 1） Vg與水平氣壓梯度成正比，即等壓線密集， Vg大。 （ 2） Vg與空氣密度成反比，氣壓梯度一定時，高空的 Vg大于低空的 Vg。 （ 3） Vg與緯度的正弦成反比，低緯 Vg大于高緯 Vg。 （ 4）赤道及其附近不遵守地轉風原則。 0?? nn AG地轉風 ?在北半球自由大氣中，風沿等壓線吹，背風而立，高壓在右，低壓在左。 ?在南半球自由大氣中，風沿等壓線吹，背風而立，高壓在左，低壓在右。 ?它明確地揭示了氣壓場與風場之間的關系。 風壓定律 (Buysballot’ s law) 地轉風速計算方法 ?在海圖上，取一個緯距 Δ n = 60 n mile，當 Δ P =1hPa，ρ =1293g/m3， ω = 105s1； 則： m/s ?當 Δ P≠1hPa 時， （ m/s） npgv??????? s i n21?? s i n0gVppVV gg ??????? s i n 五、 梯度風 (Gradient Wind) ? 定義 : 在自由大氣中 ， 當水平氣壓梯度力 、 地轉偏向力和慣性離心力達到平衡時 ， 空氣沿等壓線作水平 、 無摩擦 、 等速作曲線運動 。 ? 在自由大氣中 ， 空氣的水平圓周運動稱為梯度風 （ Gradient Wind） 。 梯度風可以看成是水平氣壓梯度力 、 水平地轉偏向力和慣性離心力三者平衡時的水平運動 。 ? 即 : 低壓（氣旋）中的梯度風 ? 北半球在低壓區(qū)（氣旋）中風繞中心逆時針方向吹，氣壓梯度力沿半徑指向中心，地轉偏向力和慣性離心力都沿半徑指向外緣。三力平衡時 ? 即 ? 或 rvvnp cc2s i n21 ????? ???低壓（氣旋）中的梯度風 0)(s i n22 ?????? nprrvv cc ???)()s i n(rs i n 2nprrvc ?????????????則 ?式中 Vc 表示低壓中的梯度風速，解這個以 Vc 為未知數(shù)的一元二次方程，得： ?根號前應取正號才有意義。 高壓（反氣旋）中的梯度風 ? 根號前應取負號才有意義。 ? 氣壓梯度和梯度風的大小受反氣旋曲率限制。曲率愈大（ r愈?。?，氣壓梯度愈小，梯度風也小。反之相反。 )()s i n(s i n 2 nprrrv a ?????? ?????)()s i n(s i n 2 nprrrv c ??????? ?????)()s i n(s i n 2 nprrrv a ?????? ?????0)()s i n( 2 ?????nprr?????? 22 s i nrnp ???? ??? 22m a x s i n)( rnp ?????? s i nrv a ?此為高壓梯度風速的極限值 氣旋和反氣旋的梯度風公式： 低壓 高壓 高壓中 梯度風的討論 ? 最大水平氣壓梯度的分布，高壓邊緣較大，越近中心越小。曲率小處等壓線密集，曲率大處等壓線稀疏。 ? 緯度越高，空氣密度越大，水平氣壓梯度最大可能值越大。冬季，中高緯陸上高壓等壓線密。 ? 高壓邊緣風速較大，中心風速小或無風。 ? 中高緯度 高壓風速較大，低 緯度 高壓風速較小。 ? 梯度風仍遵守風壓定律。 梯度風與地轉風比較 ? 地轉風： ? 低壓中的梯度風： ? 高壓中的梯度風： ? 因此，在水平氣壓梯度和曲率半徑相同時， Va＞ Vg＞ Vc ? 實際上低壓中的風比高壓大，原因是低壓中 不受限制 ,風可以很大。 np???三、摩擦層中的風 (Friction Layer Wind) ? 在地面天氣圖上，由于地面的摩擦作用，實際風不沿等壓線吹，而與等壓線存在一個交角，并偏向低壓。此時的平衡為 : ? 地面實際風比地轉風小，方向偏低壓一側。 摩擦層中的風 摩擦層中的風 地轉風 ?在北半球摩擦層中，風斜穿等壓線吹，背風而立，高壓在右后方，低壓在左前方。在南半球高壓在左后方，低壓在右前方。 ?由于摩擦力的作用，北半球，低壓中風斜穿等壓線以逆時針方向向中心輻合，高壓中的風斜穿等壓線以順時針方向向外輻散。 摩擦層中的風壓定律 地面低壓氣流 地面高壓氣流 北 半 球 ?在摩擦層中，地面實際風與等壓線的夾角取決于下墊面的粗糙度、大氣穩(wěn)定度和緯度。通常在中緯度陸地上夾角為 3545?，海面上為 1020?。在陸地上實際風速約為相應地轉風速的 1/31/2(3550 ％ )，在海上約為地轉風速的 3/52/3(6070 ％ )。 ?在氣壓梯度不隨高度變化的前提下，風隨高度的變化主要取決于摩擦力隨高度的變化。在北半球，風速隨高度增大，風向逐漸右偏；在南半球，風速隨高度增大，風向逐漸左偏。 實際風向的確定和風隨高的變化 風隨高度的變化 七、地形動力作用 ? 繞流和阻擋作用： 當氣流遇到孤立的山峰與島嶼時 ， 有繞山峰兩側而過的現(xiàn)象 ， 并且在迎風面風速增強 ， 在背風面風速減弱 。 在背風面還會產(chǎn)生氣旋式和反氣旋式渦流 ， 如圖所示 。 ? 山脈的阻擋作用和繞流 ， 使實際風向與根據(jù)大范圍氣壓場確定的風向之間可能發(fā)生顯著偏差 ， 其差值可達 900，甚至 1800。 因此在背風面常形成低壓或低壓槽 。 岬角效應： ? 因陸地 （ 如山脈盡頭或半島附近 ） 向海中突出造成氣流輻合 ， 流線密集 ， 風力明顯增強 ， 稱為岬角效應 ， 如圖所示 。 ? 如南非的好望角 ， 是個令航海者生畏的地方 ， 因岬角效應而助長了那里的狂風惡浪 。我國山東半島的成山頭附近海面 ， 偏北風通常比周圍要大 1— 2級左右 ， 有中國 “ 好望角 ” 之稱 。 第五節(jié) 空氣垂直運動和大氣穩(wěn)定度 ? 對流 : 指熱力作用下的暖空氣上升冷空氣下沉。由垂直方向的運動方程，狀態(tài)方程和靜力關系可以證明，當氣塊溫度 T′ 與周圍環(huán)境溫度 T 不同時，就發(fā)生垂直運動，即 : T′ T 下沉運動 T′ = T 無對流 T′ T 上升運動 ? 特點 ：水平范圍小 （ 幾公里到幾十公里 ） ， 持續(xù)時間短 （ 幾十分鐘到幾小時 ） ， 垂直速度大 （ 130m/s） 。通常造成雷雨大風 ， 冰雹和陣性降水等不穩(wěn)定天氣 。 ?水平輻散、輻合引起的垂直運動： 低層輻散引起下沉運動，低層輻合引起上升運動。高壓多為下沉運動，低壓多為上升運動。 ?鋒面上的垂直運動： 指暖空氣沿鋒面坡度爬升產(chǎn)生上升運動。 ?地形引起的垂直運動： 當氣流遇到高大地形或山脈時，在迎風坡產(chǎn)生上升運動，在背風坡產(chǎn)生下沉運動。 一、空氣垂直運動 水平輻合 水平輻散 ? 垂直運動中氣溫的絕熱變化： 氣體作功或傳遞熱量都能改變系統(tǒng)的內能。從而引起溫度的變化。若系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，稱該系統(tǒng)是絕熱的。 ? 絕熱過程： 空氣塊在垂直運動過程中與外界無熱量交換時的狀態(tài)變化過程，稱絕熱過程，即 dQ≈0 ? 干絕熱過程 : 干空氣或未飽和濕空氣塊作垂直升降運動時與周圍環(huán)境不發(fā)生熱量交換的變化過程，稱干絕熱過程。 二、大氣穩(wěn)定度 (Atmospheric Stability) 干絕熱直減率 (Dry Adiabatic Lapse Rate) ? 干絕熱直減率 : 在干絕熱過程中 ,氣塊溫度隨高度的變化率稱干絕熱直減率。即： ? 因此 ,在干絕熱上升過程中 ,氣塊每升高 100米溫度下降1度 ,每下降 100米溫度升高 1度。 γ d = 1℃/100m 139。??? dZdTd?濕絕熱直減率 ? 濕絕熱過程 : 飽和濕空氣塊作垂直升降運動時與周圍環(huán)境不發(fā)生熱量交換的變化過程，稱濕絕熱過程。 ? 濕絕熱直減率 :(Wet Adiabatic Lapse Rate) 在濕絕熱過程中 ,氣塊溫度隨高度的變化率稱濕絕熱直減率。即： ? 可以證明， γ m ＜ γ d ，因為在濕絕熱過程中，水汽凝結釋放潛熱使冷卻作用變的緩慢。 γ m不是常數(shù)，而是隨氣壓和溫度變化 ,其中主要隨氣溫的降低而增大。通常取 γ m≈ ℃/100m ? 干絕熱線 ：在干絕熱過程中氣體狀態(tài)的變化曲線。 濕絕熱線： 在濕絕熱過程中氣體狀態(tài)的變化曲線。 dZTdrm ???焚 風 ? 焚風 ：是一種干熱風，是干、濕絕熱過程中，在迎風坡和背風坡作用的結果。 γ d γm γd γd ?大氣穩(wěn)定度 : 某一氣塊受到垂直方向的擾動后，大氣層結（周圍大氣），使其具有返回或遠離其平衡位置的趨勢和程度，稱大氣穩(wěn)定度，又稱大氣層結穩(wěn)定度。 ?下圖分別是穩(wěn)定平衡，不穩(wěn)定平衡和隨遇平衡。 穩(wěn)定度判別的氣塊法 ? 通常采用 “ 氣塊法 ” 判斷大氣穩(wěn)定度。當一氣塊受外力作用在垂直方向上產(chǎn)生擾動后，周圍大氣有使它返回起始位置的趨勢時，這種大氣層結是穩(wěn)定的；反之，大氣有使它繼續(xù)遠離起始位置的趨勢時，這種大氣層結是不穩(wěn)定的；若氣塊隨時與周圍大氣取得平衡時，這種大氣層結是中性的。 大氣穩(wěn)定度判據(jù) γ ＞ γ d 絕對不穩(wěn)定 γ ＜ γm 絕對穩(wěn)定 γ m＜ γ ＜ γ d 條件性不穩(wěn)定 大氣穩(wěn)定度判據(jù) 穩(wěn)定度與天氣 ?當大氣穩(wěn)定時，能有效地抑制對流發(fā)展，產(chǎn)生穩(wěn)定天氣現(xiàn)象，如層云、霧、毛毛雨等； ?當大