1、 研究大氣運(yùn)動的主要坐標(biāo)系研究大氣運(yùn)動的主要坐標(biāo)系為了觀測地球上的大氣運(yùn)動，理論研究大氣運(yùn)動的規(guī)律及其演變特征，我們需要選取合適的坐標(biāo)系作為參照系 局地直角坐標(biāo)系局地直角坐標(biāo)系 p s n s n 球坐標(biāo)系 P點(diǎn)的單位矢量I,j,k 第二節(jié) 決定大氣運(yùn)動的主要因子和作用力 和所有運(yùn)動一樣，大氣運(yùn)動受質(zhì)量守恒（連續(xù)性方程）、動量守恒（運(yùn)動方程）和能量守恒（熱流量方程）等基本物理定律所支配。 牛頓第二定律適用于慣性坐標(biāo)系，即靜止或勻速運(yùn)動的坐標(biāo)系，而地球是一旋轉(zhuǎn)球體，對于站在地球上的人們來說，大氣在做非慣性運(yùn)動，為了在非慣性坐標(biāo)系中描述大氣運(yùn)動，必須引進(jìn)視示力，它包括同地球旋轉(zhuǎn)有關(guān)的慣性離心力和地

2、轉(zhuǎn)偏向力。 基本力是大氣與地球或大氣之間的相互作用而產(chǎn)生的真實(shí)力，它們的存在與參考系無關(guān)。 氣壓梯度力,地心引力,摩擦力 氣壓梯度: 由于大氣中氣壓分布不均勻所造成的作用于單位體積空氣上的的力 描述氣壓場不均勻程度的物理量 氣壓梯度力: 由于大氣中氣壓分布不均勻所造成的作用于單位質(zhì)量空氣上的的力。 dx dy dz P )(dxxpp 氣壓梯度力的大小與氣壓梯度成正比，方向與氣壓梯度一致，由高壓指向低壓。在大氣中，垂直方向氣壓梯度力通常與重力相平衡，因此，水平方向的氣壓梯度力可以說是空氣水平運(yùn)動的原動力。 牛頓萬有引力定律說明，宇宙間任何兩個物體之間都具有引力，其大小與兩物體的質(zhì)量乘積成正比，

3、與兩物體之間的距離平方成反比。 rrGMmgrF2G為引力常數(shù) M m r 地球?qū)挝毁|(zhì)量空氣的引力（稱地心引力）為：*2grFrrGMmug 設(shè)地球平均半徑為（即中心至海平面的距離） ， 為海拔高度，則上式可寫成：2*0222*)1 ()1 (1)(azrazaGMrzaGMgrrgaz海平面地心引力 在氣象應(yīng)用范圍內(nèi)，Z 值一般僅為數(shù)十公里，而地球半徑竟達(dá)六千多公里，故可作為常數(shù)處理。 外摩擦 摩擦力 分子摩擦 內(nèi)摩擦 湍流摩擦 外摩擦力是指空氣與地表之間的摩擦力（也稱地面摩擦力） ：VFFrok 分子粘性力是由流速不同的流體（液體氣體）之間，分子不規(guī)則運(yùn)動引起分子動量交換而作用在流體界面

4、上的粘性力 ：VFrim2 湍流應(yīng)力是由流速不同的流體之間湍流運(yùn)動引起的湍流動量交換而作用在流體界面上的應(yīng)力 ：VF2 Krit 大氣中分子粘性力很小，通常可以不考慮。但在行星邊界層（以下），大氣經(jīng)常處于湍流狀態(tài)，湍流摩擦力不能忽略。 視示力包括同地球旋轉(zhuǎn)有關(guān)的慣性離心力和地轉(zhuǎn)偏向力。RC2 慣性離心力不是真實(shí)存在的，而只是由于我們站在非慣性坐標(biāo)系(旋轉(zhuǎn)地球上)內(nèi)觀察到的運(yùn)動，并企圖運(yùn)用牛頓第二定律來解釋它的結(jié)果。 當(dāng)空氣塊相對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系運(yùn)動時，除了需要引入慣性離心力外，還需要引入另一種視示力，即科里奧利力（氣象上一般稱為地轉(zhuǎn)偏向力），才能應(yīng)用牛頓第二定運(yùn)動律描述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的相對運(yùn)動。 地轉(zhuǎn)

5、偏向力是影響旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中大尺度運(yùn)動特征的一個很重要的力。 VA 2 地轉(zhuǎn)偏向力對運(yùn)動氣塊不作功，它只能改變氣塊的運(yùn)動方向，而不能改變其速度大小； 對于水平運(yùn)動而言，在北半球科氏力使運(yùn)動向右偏；在南半球使運(yùn)動向左偏； 地轉(zhuǎn)偏向力的大小與相對速度的大小成比例。 在隨地球一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，相對地球靜止的物體或空氣塊，同時受到地心引力和慣性離心力的作用,二力之和為重力 。Rgg2* 重重 力力 重力除在極地和赤道外，并不指向地球中心。如果地球是一個正球體，在平行地面指向赤道方向上會有重力的分量,地球是橢球體重力始終垂直于水平面(XY平面沒有重力分量)。 但是，由于地球是近似橢球體，調(diào)整得平行地面指向

6、赤道上沒有重力分量，因而在任何地方重力都垂直于水平面。重力在赤道上最小，隨緯度而增大，至極地達(dá)最大。第三節(jié)第三節(jié) 大氣運(yùn)動的若干規(guī)律大氣運(yùn)動的若干規(guī)律大氣靜力學(xué)方程大氣靜力學(xué)方程 運(yùn)動學(xué)方程運(yùn)動學(xué)方程 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 熱流量方程熱流量方程 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 大氣輻射方程大氣輻射方程 水汽方程水汽方程 dz gdz -dp=p-(p+dp) dz p+dp p 圖3.10 靜 止 大 氣 中 垂 直 方 向 力 的 平 衡 gdzdpFGVpdtda1FgVV21pdtdgzpypufxpvf110VtdtdpdtdTcQv單位質(zhì)量空氣熱量變化等于內(nèi)能的變化和對外做工 風(fēng)場和氣壓場的關(guān)系風(fēng)

7、場和氣壓場的關(guān)系等壓面與等高線低壓三維示意圖一一 什么是地轉(zhuǎn)風(fēng)？什么是地轉(zhuǎn)風(fēng)？ 在自由大氣中，水平氣壓梯度力與水平科氏力平衡下形成的水平勻速直線運(yùn)動稱為地轉(zhuǎn)風(fēng)。G 水平氣壓梯度力 A 水平地轉(zhuǎn)偏向力 C慣性離心力 R摩擦力 Vg Vg P P 科氏力 科氏力 氣壓梯度力 氣壓梯度力 圖 3.12 地轉(zhuǎn)平衡的風(fēng)壓關(guān)系 (a) 北半球 (b) 南半球 (a) (b) PP PP 空氣所受的力：空氣所受的力：v地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向與等壓線平行，在北半球，背風(fēng)而立，高壓在右低壓在左；在南半球，背風(fēng)而立，高壓在左低壓在右。v地轉(zhuǎn)風(fēng)的大小與水平氣壓梯度成正比 。v地轉(zhuǎn)風(fēng)大小還與地轉(zhuǎn)參數(shù)和空氣密度成反比，因此，赤道

8、地區(qū)由于科氏力為零，地轉(zhuǎn)關(guān)系不成立。 v地轉(zhuǎn)風(fēng)抓住了自由大氣中風(fēng)壓場之間的基本關(guān)系。除了極地和赤道附近地區(qū)以外，自由大氣中的實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)相當(dāng)近似，因此常用地轉(zhuǎn)風(fēng)代替實(shí)際風(fēng)。二二 什么是梯度風(fēng)？什么是梯度風(fēng)？ 梯度風(fēng)是水平氣壓梯度力、水平科氏力和慣性離心力相平衡下的空氣水平運(yùn)動 。梯度風(fēng)也是一種簡化的大氣運(yùn)動 。氣旋式環(huán)流A指向-N向 2 空氣所受的力：空氣所受的力： 空氣所受的力：空氣所受的力： 空氣所受的力：空氣所受的力： l引出天氣圖分析的基本原則風(fēng)基本沿等壓線、等高線運(yùn)動，背風(fēng)而立，氣壓高的在右，低的在左。逆時針旋轉(zhuǎn)分析低壓；順時針旋轉(zhuǎn)分析高壓低壓中心附近等壓線密，有大風(fēng)；高壓邊緣等壓

9、線密，有大風(fēng)。2在中高緯地區(qū)，采用地轉(zhuǎn)近似而不采用梯度風(fēng)近似。三三 什么是熱成風(fēng)？什么是熱成風(fēng)？ 地轉(zhuǎn)風(fēng)取決于水平氣壓梯度力，因此，水平氣壓梯度力隨高度的變化就是地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度變化的原因。 而水平溫度梯度是造成水平氣壓場隨高度的變化原因。這種由于水平溫度梯度所引起的上、下氣層之間的地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量差，稱為熱成風(fēng)。VT =Vg1-Vg0 T-P-Vg暖氣柱密度小,同樣氣壓差二等壓面間厚度大,使上層等壓面坡度大,氣壓梯度大,地轉(zhuǎn)風(fēng)就大. P0 A（冷） B（暖） zB PB(z2) P2 P1 PB(z1) zA PA(z2) PA(z1) z x 圖 3.16 熱成風(fēng)的形成 3 T 2 T 1 T 0

10、T V T n T 圖 3.17 熱成風(fēng)與平均溫度場之間的關(guān)系 熱成風(fēng)平行于氣層的平均溫度等值線，在北半球，背熱成風(fēng)而立，右手為高溫區(qū)，左手為低溫區(qū)；南半球則相反。熱成風(fēng)的大小與氣層平均溫度的水平梯度和氣層厚度成正比，與緯度的正玄及平均溫度成反比。 熱成風(fēng)的應(yīng)用v1, 條件：大尺度、中高緯度、北半球v2 如果地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，則氣層間有冷平流；如果地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，則氣層間有暖平流.實(shí)際風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，則氣層溫度降低；實(shí)際風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，則氣層溫度升高 v v v v v(a)逆轉(zhuǎn)v3可判斷氣層的穩(wěn)定度 v v v v (b) 順轉(zhuǎn) v v4判斷 對稱的冷低壓、暖高壓是深厚系統(tǒng)對稱的暖低壓、冷高壓

11、是淺薄系統(tǒng) 正壓大氣v正壓大氣定義：大氣中密度的變化僅僅隨氣壓而變化時，即 :這種狀態(tài)的大氣稱為正壓大氣正壓大氣的特點(diǎn)v當(dāng)大氣是正壓時，等壓面也就是等溫面,等密度面。于是在等壓面上沒有溫度梯度，也就是在等壓面上分析不出等溫面。因而也就沒有熱成風(fēng) 什么是斜壓大氣？v當(dāng)大氣中密度分布不僅隨氣壓而且還隨溫度而變時，這種狀態(tài)的大氣稱為斜壓大氣。 v在斜壓大氣中地轉(zhuǎn)風(fēng)是隨高度而發(fā)生變化的。大氣的斜壓性對于天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展有很重要的意義。 四四 地轉(zhuǎn)偏差是什么？地轉(zhuǎn)偏差是什么？ 在一般情況下，大氣中的實(shí)際風(fēng)都不是純粹的地轉(zhuǎn)風(fēng)。所以地轉(zhuǎn)風(fēng)平衡只是相對而暫時的。既然實(shí)際風(fēng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)不同，二者之間，必有一定的差別。我們把實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)之差稱為地轉(zhuǎn)偏差，或偏差風(fēng)。D=V-Vg Vg D V 圖 3.18 地轉(zhuǎn)偏差 gVVD 在大氣中，地轉(zhuǎn)偏差相對于地轉(zhuǎn)風(fēng)來說