1、 研究大氣運動的主要坐標系研究大氣運動的主要坐標系為了觀測地球上的大氣運動，理論研究大氣運動的規律及其演變特征，我們需要選取合適的坐標系作為參照系 局地直角坐標系局地直角坐標系 p s n s n 球坐標系 P點的單位矢量I,j,k 第二節 決定大氣運動的主要因子和作用力 和所有運動一樣，大氣運動受質量守恒（連續性方程）、動量守恒（運動方程）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系，即靜止或勻速運動的坐標系，而地球是一旋轉球體，對于站在地球上的人們來說，大氣在做非慣性運動，為了在非慣性坐標系中描述大氣運動，必須引進視示力，它包括同地球旋轉有關的慣性離心力和地

2、轉偏向力。 基本力是大氣與地球或大氣之間的相互作用而產生的真實力，它們的存在與參考系無關。 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 M m r 地球對單位質量空氣的引力（稱地心引力）為：*2grFrrGMmug 設地球平均半徑為（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 在氣象應用范圍內，Z 值一般僅為數十公里，而地球半徑竟達六千多公里，故可作為常數處理。 外摩擦 摩擦力 分子摩擦 內摩擦 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，分子不規則運動引起分子動量交換而作用在流體界面

4、上的粘性力 ：VFrim2 湍流應力是由流速不同的流體之間湍流運動引起的湍流動量交換而作用在流體界面上的應力 ：VF2 Krit 大氣中分子粘性力很小，通?？梢圆豢紤]。但在行星邊界層（以下），大氣經常處于湍流狀態，湍流摩擦力不能忽略。 視示力包括同地球旋轉有關的慣性離心力和地轉偏向力。RC2 慣性離心力不是真實存在的，而只是由于我們站在非慣性坐標系(旋轉地球上)內觀察到的運動，并企圖運用牛頓第二定律來解釋它的結果。 當空氣塊相對旋轉坐標系運動時，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偏向力），才能應用牛頓第二定運動律描述旋轉坐標系中的相對運動。 地轉

5、偏向力是影響旋轉坐標系中大尺度運動特征的一個很重要的力。 VA 2 地轉偏向力對運動氣塊不作功，它只能改變氣塊的運動方向，而不能改變其速度大??； 對于水平運動而言，在北半球科氏力使運動向右偏；在南半球使運動向左偏； 地轉偏向力的大小與相對速度的大小成比例。 在隨地球一起旋轉的坐標系中，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，至極地達最大。第三節第三節 大氣運動的若干規律大氣運動的若干規律大氣靜力學方程大氣靜力學方程 運動學方程運動學方程 連續性方程連續性方程 熱流量方程熱流量方程 狀態方程狀態方程 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單位質量空氣熱量變化等于內能的變化和對外做工 風場和氣壓場的關系風

7、場和氣壓場的關系等壓面與等高線低壓三維示意圖一一 什么是地轉風？什么是地轉風？ 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動稱為地轉風。G 水平氣壓梯度力 A 水平地轉偏向力 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 地轉平衡的風壓關系 (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地轉風的方向與等壓線平行，在北半球，背風而立，高壓在右低壓在左；在南半球，背風而立，高壓在左低壓在右。v地轉風的大小與水平氣壓梯度成正比 。v地轉風大小還與地轉參數和空氣密度成反比，因此，赤道

8、地區由于科氏力為零，地轉關系不成立。 v地轉風抓住了自由大氣中風壓場之間的基本關系。除了極地和赤道附近地區以外，自由大氣中的實際風與地轉風相當近似，因此常用地轉風代替實際風。二二 什么是梯度風？什么是梯度風？ 梯度風是水平氣壓梯度力、水平科氏力和慣性離心力相平衡下的空氣水平運動 。梯度風也是一種簡化的大氣運動 。氣旋式環流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基本沿等壓線、等高線運動，背風而立，氣壓高的在右，低的在左。逆時針旋轉分析低壓；順時針旋轉分析高壓低壓中心附近等壓線密，有大風；高壓邊緣等壓

9、線密，有大風。2在中高緯地區，采用地轉近似而不采用梯度風近似。三三 什么是熱成風？什么是熱成風？ 地轉風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風隨高度變化的原因。 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、下氣層之間的地轉風矢量差，稱為熱成風。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,地轉風就大. P0 A（冷） B（暖） zB PB(z2) P2 P1 PB(z1) zA PA(z2) PA(z1) z x 圖 3.16 熱成風的形成 3 T 2 T 1 T 0

10、T V T n T 圖 3.17 熱成風與平均溫度場之間的關系 熱成風平行于氣層的平均溫度等值線，在北半球，背熱成風而立，右手為高溫區，左手為低溫區；南半球則相反。熱成風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。 熱成風的應用v1, 條件：大尺度、中高緯度、北半球v2 如果地轉風隨高度逆轉，則氣層間有冷平流；如果地轉風隨高度順轉，則氣層間有暖平流.實際風隨高度逆轉，則氣層溫度降低；實際風隨高度順轉，則氣層溫度升高 v v v v v(a)逆轉v3可判斷氣層的穩定度 v v v v (b) 順轉 v v4判斷 對稱的冷低壓、暖高壓是深厚系統對稱的暖低壓、冷高壓

11、是淺薄系統 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 :這種狀態的大氣稱為正壓大氣正壓大氣的特點v當大氣是正壓時，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 什么是斜壓大氣？v當大氣中密度分布不僅隨氣壓而且還隨溫度而變時，這種狀態的大氣稱為斜壓大氣。 v在斜壓大氣中地轉風是隨高度而發生變化的。大氣的斜壓性對于天氣系統的發生、發展有很重要的意義。 四四 地轉偏差是什么？地轉偏差是什么？ 在一般情況下，大氣中的實際風都不是純粹的地轉風。所以地轉風平衡只是相對而暫時的。既然實際風和地轉風不同，二者之間，必有一定的差別。我們把實際風與地轉風之差稱為地轉偏差，或偏差風。D=V-Vg Vg D V 圖 3.18 地轉偏差 gVVD 在大氣中，地轉偏差相對于地轉風來說