1、第三章 关于大气运动的 基本规律,为什么要分析大气运动？,大气运动的状态及其变化对发生在大气中的各种物理 化学过程以及相应的天气气候有重要的影响，甚至于 决定性的影响。,1903年，挪威气象学家V.Bjerknes提出：天气预报问题不过是一组控制大气运动的动力和热力物理方程的初值问题，天气预报就是这一数学方程组的解。,3,气旋风暴把撒哈拉沙尘输送到北大西洋,4,风和树,风欲静而树不止,5,气流越过山地后形成的涡旋,6,大气是一种流体,在高中物理的力学部分, 我们学习的主要是固态物体的运动.大气是一种流体，现在, 我们从流体力学的观点出发来学习大气的运动.,怎么分析大气运动？,x,推力F,t=0
2、v=0s=0,t=t1v=？s=？,分析步骤：1、建立坐标系 2、分析小方块的受力情况 3、建立方程：F=ma v0=0 4、求解方程得到t1时刻的v和s,光滑表面,怎么分析大气运动？,分析步骤：1、建立坐标系 2、分析空气的受力情况 3、建立方程 4、求解方程得到t1时刻的v和s,1、坐标系,运动总是相对的,建立相应的坐标系,Run with Bolt ?,参考系,要描述一个物体的位置和运动情况，就应该首先选定其他物体作为标准，并假定它是静止的，被选作标准的物体叫做参考系。,坐标系,惯性坐标系：适用于牛顿运动定律的参考系 相对于恒星是固定的,非惯性坐标系：,局地直角坐标系球坐标系柱坐标系自然
3、坐标系,F=ma,Fma,参考系如何选择，原则上是任意的。在气象研究中通常都选地球作为参考系。地球是旋转的，是非惯性参考系,局地直角坐标系,自然坐标系,球坐标系,北京,纽约,x,x,北京的西风 Vs 纽约的西风,局地直角坐标系：,X方向：与纬圈相切，向东为正Y方向：与经圈相切，向北为正Z方向：向上为正,在地球上可随意移动，在地球上的不同地点（X,Y,Z）的方向 是变化的； 在一个不大的范围内，又可以将（X,Y,Z）的方向看成不变； 考虑全球范围或极地地区的大气运动问题时必须采用球坐标 系，其余情况采用局地直角坐标系。,2、受力分析,Q1：对谁做受力分析？Q2：受到哪些力？,一、空气微团（流点、
4、质块、质点）与连续介质假设,L2,L1,L3,假设：流点的线尺度为L2 分子的平均间距为L1 流动（运动）范围线尺度为L3 则： L1 L2 P1 P0,气压梯度力,地转偏向力,V,气压梯度力与地转偏向力平衡，此时空气块沿等压线作匀速直线运动，这种风称为“地转风”，这种平衡称为“地转平衡”。,气压梯度力 + 地转偏向力=0,风沿等压线吹，背风而立，高压在右（北半球）,3、若等压线为圆形，且中心气压高，向外降低，称为“高压” 无摩擦情况下：,P0,P1,气压梯度力,地转偏向力,V,惯性离心力,地转偏向力 + 惯例离心力 + 气压梯度力 = 0,此平衡称为“梯度风平衡”，此平衡下的风称为“梯度风”
5、。,北半球，高压中，风呈顺时针旋转，称为“反气旋”,4、若等压线为圆形，且中心气压低，向外升高，称为“低压” 无摩擦情况下：,P1,P0,地转偏向力,气压梯度力,V,惯性离心力,地转偏向力 + 惯例离心力 + 气压梯度力 = 0,此平衡称为“梯度风平衡”，此平衡下的风称为“梯度风”。,北半球，低压中，风呈逆时针旋转，称为“气旋”,82,5、边界层摩擦力,在大气边界层(0-1000米), 由于地面的摩擦而产生摩擦力. 近似地, 摩擦力与风速成正比:F=-aVa是摩擦系数,V是速度.,若有摩擦存在，以平行直线等压线为例,P0P1P2,气压梯度力,地转偏向力,F,V,Vg,D,称为 “地转偏差”,地
6、转偏差，指向摩擦力的右侧，且与之垂直，指向低压一侧,北半球气压梯度力、科氏力和摩擦力的作用下的运动,84,上图代表较高层大气的运动受力情况，在没有摩擦力的情况下，大气运动基本上是气压梯度力和科氏力平衡下的运动。下图代表近地面层的大气运动受力情况，在有摩擦力的情况下，大气运动是气压梯度力、科氏力和摩擦力三者平衡下的运动。,地转偏差的作用：,低压,辐 合 上升运动 恶劣天气,高压,辐 散 下沉运动 好天气,地面低压对应着辅合上升运动，地面高压对应着辅散下沉运动,86,87,根据风向判断高压和低压,88,近地面气流和高空气流的差别,89,北半球和南半球的气旋运动,北半球,南半球,6、热成风-地转风随高度的变化,Vg1,Vg2,热成风VT,定义热成风：,热成风平行于气层的平均温度等值线，在北半球，背热成风而立，右手为高温区，左手为低温区；南半球则相反。热成风的大小与气层平均温度的水平梯度和气层厚度成正比，与纬度的正弦及平均温度成反比。,风随高度顺时针变化-暖平流风随高度逆时针变化-冷平流根据P0、P1层上地转风的方向定出 热成风方向，根据背风而立高温在右，画出等温度线。根据地转风方向和等温度配置情况可知气层间温度平流是冷是暖。,暖,冷,暖,Vg下,Vg上,冷,Vg下,Vg上,热成风实用意义举例,
