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第四章第三节大气水平运动和垂直运动
第三节大气的水平运动
和垂直运动
大气的水平运动通常称为风。
风对于大气中水分、热量的传输,对天气、气候的形成、演变起着重要作用。
空气的水平运动是在力的作用下产生的。
大气水平运动和垂直运动
一、作用于空气的力
由于气压分布不均而产生的气压梯度力;
由于地球自转而产生的地转偏向力;
由于空气层之间、空气与地面之间存在着相对运动而产生的摩擦力;
由于空气作曲线运动所产生的惯性离心力等。这些力之间的不同组合构成了不同形式的大气水平运动。
大气水平运动和垂直运动
(一)气压梯度力
气压梯度是一个向量,它的方向是沿垂直于等压面的方向由高压指向低压,其大小为这个方向上单位距离内气压的改变量: -⊿P/⊿N
⊿N为两等压面间的垂直距离, ⊿P为相应的气压差, 因为⊿N是从高压指向低压,即沿⊿N方向上气压值总是降低的,所以前加一负号.
可以分解为水平气压梯度-和垂直气压梯度-两个分量。
水平气压梯度的单位通常用hpa/赤道度表示(1赤道度是赤道上经度相差一度的纬圈长度,其值约为111公里)。
大气水平运动和垂直运动
水平气压梯度值一般为1—3 hpa /赤道度
垂直气压梯度在大气低层可达1 hpa /10米左右,即相当于水平气压梯度的一百万倍。(等压面近似水平)
因而气压梯度的方向几乎与垂直气压梯度方向一致,
垂直气压梯度力分量大得多,但是却与重力Gz 始终处于平衡状态。
水平气压梯度力虽小,在一定条件下能造成较大的空气水平运动
大气水平运动和垂直运动
只有当两个高度相差甚大的水平气压梯度力相比较时,ρ的差异才需要考虑。
实际大气中经常出现的数据是:ρ= ×10 -3 g / cm3 ;–ΔP/ Δ n=1h Pa/赤道度,则Gn=10-4N/kg,持续三个小时,---4-5级风。
气压梯度力是空气产生水平运动的直接原因和动力。
大气水平运动和垂直运动
(二)地转偏向力
空气是在转动着的地球上运动着, 当运动的空气质点依其惯性顺着水平气压梯度力的方向运动时,对于站在地球表面的观察者看来,空气质点好像还受到由于地球转动而产生的,使空气偏离气压梯度力方向的力的作用,这种力称为水平地转偏向力(或科里奥利力)。
在大尺度的空气运动中,地转偏向力是一个非常重要的力。
大气水平运动和垂直运动
假设一小球向外运动,圆盘逆时针运动:
弧的长度S=AA1=OA •(∠AOA1);
OA=V • t,∠AOA'= ω• t代入
则 S=V ω t2
根据加速度公式 S= ½ • a • t2
因而at2=V ω t2
小球获得的加速度: a=2V •ω
对单位质量来说,偏向力: A=2V ω

A的大小角速度ω、小球运动速度V。
A的方向垂直于转动轴,也垂直于相对速度,指向V的右侧(圆盘逆时针转)。
大气水平运动和垂直运动
A=2V ω
在地球上,
假设ψ为观察点的赤纬角,则有:
A=2Vωsinψ

地球上在南半球,由于地平面绕垂直轴按顺时针方向转动,因此,地转偏向力指向运动物体的左方,其大小与北半球同纬度上的地转偏向力相等。
大气水平运动和垂直运动
地球偏向力规律
1、地转偏向力只是在物体相对于地面有运动时才产生,物体处于静止状态时,不受地转偏向力的作用。
2、在北半球地转偏向力垂直指向物体运动方向的右方,使物体向原来运动方向的右方偏转,在南半球,则相反。
3、地转偏向力是一个视力和假想力,它垂直于空气运动方向,只改变运动方向,不改变空气相对于地球的运动速度。
4、水平地转偏向力的大小同风速和所在纬度的正弦成正比。在风速相同的情况下,它随纬度的减小而减小,到赤道上减为零;在两极最大,等于2Vω
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