1、第二章 大气运动基本特征,教学内容与教学安排,一、影响大气运动的作用力 2学时二、 控制大气运动的基本定律 3学时三、大尺度运动系统的控制方程 2学时四、“P”坐标系中的基本方程组 3学时五、 风场与气压场的关系 8学时六、教学思考题,技能训练内容,地转风、梯度风、热成风、偏差风的定性分析 6学时,教学目标,了解大气运动的基本作用力和控制大气运动的基本定律 熟悉控制大气运动的基本方程组掌握地转风、梯度风、热成风和偏差风的运行特征,教学重点与教学难点,本章重点：（1）气压梯度力、地转偏向力的大小和方向（2）地转风、梯度风的概念和运行规律 本章难点；（1）视示力的概念 （2）个别变化与局地变化的区
2、别与联系（3） 热成风、偏差风的概念、成因及其应用,第一节 影响大气运动的作用力,一、基本作用力1.气压梯度力 2.地心引力 3.摩擦力二、惯性离心力与地转偏向力1.惯性离心力 2. 地转偏向力三、重力单元重点内容提要教学思考题,第一节 影响大气运动的作用力,影响大气运动的作用力有两大类：基本力（牛顿力）是大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，包括气压梯度力、地心引力、摩擦力等；视示力（外观力）是由于坐标系随地球一起旋转所呈现出的力，包括惯性离心力、地转偏向力。,x方向所受的净压力为：同理：y方向所受净压力为： z方向所受净压力为：,式中p是气压梯度。它是一个向量，垂直于等压面，由高压
3、指向低压，数值等于两等压面间的气压差（P）除以其间的垂直距离（N）。气压梯度表示气压分布的不均匀程度 。,讨论： 1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。 2.气压梯度力的方向指向 p 的方向，即垂直于等压线（面）由高压指向低压。 3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气的密度成反比，即等压线越密集，气压梯度力越大。,摩擦力（850hpa以下考虑） 单位质量空气块所受到的净粘滞力称为摩擦力. 对于由风的水平切变引起的切应力在各方向的变化所决定的摩擦力，可由下式计算（为摩擦系数）,通常情况下，这三个分量式右端的前两项远小于第三项，于是总的摩擦力可简化为：,大气是一种低粘性流体，除了在近地面几
4、厘米的薄层内因风的垂直切变很大而需要考虑分子粘性外，在其他气层都可忽略分子粘性作用。,1.惯性离心力 :在转动坐标系中引进的一个视示力，其大小与向心力相等而方向相反。 （式中地球自转角速度=7.2910-5 /秒 ，a为地球半径，为地理纬度）,二、惯性离心力和地转偏向力,讨论,惯性离心力不是真实存在的力，而是一种假想的力。其大小与向心力相等而方向相反。惯性离心力的方向垂直于地轴，指向地球外侧。惯性离心力的大小随纬度而变化：赤道最大，极地最小。地表上每个静止物体均受到惯性离心力的影响。,2、地转偏向力（科里奥利力、科氏力） A,地转偏向力的定义：由于地球自转而使空气运动方向发生偏离的力。它是使空
5、气运动偏离水平气压梯度力方向的主要原因。 其分量形式可写成,水平地转偏向力写作,其向量形式为,地转偏向力的特点：,1、A是为解释转动的物体产生偏向而假想的力，只有物体相对于地面有运动时产生的，物体静止时，没有A。 2、A的方向与空气运动方向始终是垂直的，只改变空气运动的方向，不改变运动的速度大小，在北半球，背风而立，偏向运动的右方，南半球则偏向左方。 3、水平地转偏向力与空气运动的速度成正比4、若空气运动的速度一定时，水平地转偏向力与纬度成正比，纬度愈高水平地转偏向力愈大。,三、重力,讨论：1.重力的方向除赤道和极地外，均不指向地心。但是，由于地球是近似的椭圆体，调整的结果地球上任何地方重力都
6、垂直于水平面向下。2.重力的大小随纬度而增大，极地最大，赤道最小，一般采用45纬度海平面的重力加速度值g=9.806m/s2,地心引力与惯性离心力的合力，称为重力,单元重点内容提要,真实力与视示力的差异气压梯度力的概念、大小、方向地转偏向力的特点,第二节 控制大气运动的基本定律,一、全导数与局地导数的关系二、大气运动方程三、连续方程四、热力学能量方程五、单元重点内容提要六、教学思考题,1.2 控制大气运动的基本定律,大气运动具有多种特征，影响大气运动的因子也很多，但大气运动总是受质量守恒、动量守恒、能量守恒等基本物理定律所控制。一、全导数和局地导数的关系设T=T(x,y,z,t) ，因为对于一
7、定的气块而言，位置（x，y，z）也是时间t的函数，所以T是时间t的复合函数。由复合函数求导可知,4.旋转坐标系中的大气运动方程,该式就是旋转坐标系中牛顿第二运动定律的表达式，称为单位质量空气的相对运动方程，也就是旋转坐标系中的大气运动方程。显然，在旋转坐标系中，作用于大气的力除了真实力外，还有两个视示力（惯性离心力和地转偏向力）。,局地直角坐标系中运动方程的分量形式,局地直角坐标系 原点：地表某点； x轴：沿原点所在纬圈切线方向指向东； y轴：沿原点所在经圈切线方向指向北； z轴；指向当地天顶方向,同理 y方向上的净流入量为 z方向上的净流入量为而总净流入量为三者之和它应该等于总质量 随时间的
8、变化即,当 时，体积增大称为辐散 时，体积缩小称为辐合 因此，连续方程 的意义就是：空气块在运动过程中体积增大则密度减小；体积缩小则密度增大。,单元重点内容提要,个别变化与局地变化的区别与联系平流变化的概念与表达式散度的概念与表达式辐合、辐散含义及流场形式,第三节 大尺度运动系统的控制方程,一、尺度分析和大气运动系统分类二、大尺度系统的运动方程三、大尺度系统的连续方程四、大尺度系统的热力学能量方程五、单元重点内容提要六、教学思考题,第三节 大尺度运动系统的控制方程,一、尺度分析和大气运动系统的分类（一）尺度分析的必要性：1、便于数学上求解2、更好的反映大气运动的本质（二）尺度 表征某气象要素的
9、最大值或特征值（三）表征尺度大小的方法数量级法 以10的幂次来表示尺度的大小,（四）大气运动系统的分类 根据系统的水平尺度的大小来分,（五）尺度分析概念：是针对某种类型的运动估计基本方程中各项量级的一种简便方法。 根据尺度，估计方程中各项的大小，结合物理意义的考虑，保留大项，略去小项，从而使方程得到简化。,垂直运动方程的尺度分析,2.大尺度系统运动方程的一级简化 所谓一级简化 ，除保留最大项外，还保留次大项，而将更小的各项略去不计。,三、大尺度系统的连续方程,零级简化 准水平无辐散一级简化,表1.6,小结：大尺度运动系统的基本特征(中高纬)1.准水平性 ： w 0;反气旋的曲率半径（顺时针弯曲
10、时）为负 R0,S轴上的气压梯度力为 n轴上的气压梯度力为 S轴上的偏向力为0 n轴上的偏向力为 （在n轴的负方向）自然坐标系中，一级简化水平运动方程,b).反气旋性环流,也即在反气旋中，在一定的纬度上，气压梯度和风速要受到曲率半径的限制。曲率半径越小，则气压梯度越小，风速也越小。故实际分析中，越接近高压中心等压线越稀疏，风速也较小。对于气旋，根号内始终为正数，所以气旋内的风速和气压梯度不受曲率半径的限制，可无限增大。故实际分析中，低压中心附近等压线可分析的密集些。,讨论：1.气旋式运动，梯度风速地转风速 2.反气旋式运动，梯度风速地转风速 3.直线运动，梯度风趋于地转风,得热成风的另一表达式
11、分量形式,讨论： 1、热成风与等平均温度线（或等厚度线）平行，背热成风而立，低温在左，高温在右。2、热成风的大小与平均温度梯度（或厚度梯度）成正比，与纬度成反比，等温线越密集热成风越大。3、热成风与P1/P2有关，当温度梯度不变时， P1与 P2间的层次越大，则热成风越大。,2、热成风与冷暖平流,自下而上地转风随高度逆转时气层中有冷平流 ;自下而上地转风随高度顺转时气层中有暖平流。,3、中纬度系统的温压场结构 1）在中纬度对流层中，温度分布是南暖北冷，温度梯度指向北，热成风指向东，且越到高层热成风越大。因此，越到高层地转风速越向东偏，所以高层主要是西风气流 。,2）中纬度系统温压结构的基本特征
12、是： 地面闭合高压和低压系统在高空转变为西风气流的波状槽脊形式，并且高空温度槽脊落后于气压槽脊，地面低压中心位于高空槽前脊后，地面高压中心位于高空槽后脊前。这种结构称为温压场不对称结构或斜压模式。,斜压大气,当大气中密度的分布不仅随气压而且随温度而变时，即 (P,T)，这种状态的大气称为斜压大气。 在斜压大气中，等压面与等密度面（或等温面）是相交的。 在斜压大气中，等压面上具有温度梯度，因而也就有热成风。这就是说，在斜压大气中，地转风是随高度而发生变化的。一般来说，大气的状态都是斜压的。,代入地转风方程： 得到,讨论: 摩擦层中的地转偏差与摩擦力相垂直并且指向摩擦力的右侧 摩擦力的作用使实际风
13、速减小，并使风向偏向低压一侧 。摩擦力越大，偏角越大，风速越小。 统计结果 风向偏角 陆地 3545% 3545 海上 6070% 1520, 在北半球的摩擦层中，低压中的空气逆时针向内辐合，引起上升运动和云雨天气；高压中的空气顺时针向外辐散，引起下沉运动和晴好天气。,2.自由大气中的地转偏差 气压梯度力与地转偏向力不平衡，必然产生加速度，引起地转偏差。由一级简化运动方程代入地转风方程,地转风在前进方向上增大（如等高线沿气流方向辐合），则产生指向低压一侧的地转偏差 。相反，地转风在前进方向上减小（如等高线沿气流方向辐散） ，则产生指向高压一侧的地转偏差。横向地转偏差大小与风速成正比。,讨论：a
14、)法向（横向）地转偏差,高空槽前脊后有纵向地转偏差的辐散.高空槽后脊前有纵向地转偏差的辐合,西风带中有限宽低槽中地转偏差的分布,单元重点内容提要,地转风运行特征梯度风概念和梯度风特点热成风概念、成因热成风与温度场的关系热成风与温度平流的关系斜压大气概念、特点偏差风的成因、意义摩擦层中偏差风的方向变压风的方向,教学思考题,影响大气运动的作用力主要有哪些？如何确定气压梯度力的大小和方向？地转偏向力有何特点？个别变化与局地变化有何不同？沿气流方向温度的代数值减小是冷平流还是暖平流？大气运动遵循哪些定律？ 什么是速度散度？什么是辐合（或辐散）？大气运动系统分为哪几类？如何划分？大尺度系统运动有哪些基本特征？什么是地转平衡和静力平衡？什么是“P”坐标系，“P”坐标有哪些优越性？,与w有什么不同？ 什么是地转风 ？地转风有何特点？什么是梯度风？梯度风运动有哪些特点？什么是热成风？ 热成风与平均温度分布有何对应关系?温度平流与地转风随高度的变化有何关系？ 为什么中纬度对流层高层盛行西风气流？ 什么是斜压大气？斜压大气有何特点？ 什么是地转偏差？地转偏差产生的根本原因是什么？地转偏差的存在有何意义？ 摩擦层中偏差风有何特点？什么是变压风？变压风有何特点？,
