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1、第四章第四章 大气的运动大气的运动王锡平河北师范高校地球大气时时刻刻都在运动地球大气时时刻刻都在运动水平运动（风）水平运动（风）垂直（对流运动）空气的运动空气运动的缘由：大气压力分布的不匀整（气压梯度力）空气运动的缘由：大气压力分布的不匀整（气压梯度力）n 热量和水分的传输和交换n 不同空气相互接近、相互作用n 影响天气、气候的形成和演化第一节第一节 气压随高度和时气压随高度和时间的变更间的变更一、气压随高度的变更一、气压随高度的变更l气压（大气压力）气压（大气压力）静止大气中随意高度上的气压值静止大气中随意高度上的气压值l 单位面积上大气柱的重量单位面积上大气柱的重量:从观测高度到大气从观测
2、高度到大气上界单位截面积垂直空气柱的重量。上界单位截面积垂直空气柱的重量。l固定地点气压变更的缘由固定地点气压变更的缘由 空气柱质量产生空气柱质量产生变更变更l 空气柱厚度空气柱厚度?密度密度?任何地方的气压值总是随任何地方的气压值总是随任何地方的气压值总是随任何地方的气压值总是随海拔高度的增高而递减海拔高度的增高而递减海拔高度的增高而递减海拔高度的增高而递减不同高度上相同高度变更，不同高度上相同高度变更，不同高度上相同高度变更，不同高度上相同高度变更，引起的气压值变更不一样引起的气压值变更不一样引起的气压值变更不一样引起的气压值变更不一样大气低层气压随高度变更大；高层气压随高度变更小（）（一
3、）静力学方程（一）静力学方程l作用：描述空气密度大小与气压随高度变更的作用：描述空气密度大小与气压随高度变更的定量关系定量关系假设 大气相对于地面处于静止状态气压随高度的增加而降低如果空气柱取得非常薄，则趋向无穷小大气静力学基本方程大气静力学方程的物理意义大气静力学方程的物理意义 两高度上的压力差应等于两高度之两高度之间单位截面积上的空气柱所受的重力间单位截面积上的空气柱所受的重力 气压随高度递减的速度与空气密度和重力加速度有气压随高度递减的速度与空气密度和重力加速度有关。关。主要确定于空气密度（重力加速度随高度变更很小）主要确定于空气密度（重力加速度随高度变更很小）大气静力学基本方程的适用条
4、件大气静力学基本方程的适用条件l推导静力学方程的前提条件是假定大气是静止的，理论方程。l 除在有猛烈的对流运动的地区外，一般条件下其误差1。l当气层不太厚和要求精度不高时，静力学方程可以用来粗略地估算气压与高度间的定量关系，或者用于将地面气压订正为海平面气压。气层高度变更范围很大，空气柱中上下层温度、密度变更显著，无法干脆利用静力学方程，须要接受适合较大气压随高度变更的关系式 压高方程。（二）（气）压高（度）方程（二）（气）压高（度）方程l引入目的引入目的 获得气压与高度的更精确对应关系。获得气压与高度的更精确对应关系。l实际应用：如海平面气压订正，野外工作中的实际应用：如海平面气压订正，野外
5、工作中的气压测高等，须要在较大的高度范围内进行压气压测高等，须要在较大的高度范围内进行压高计算高计算 l方法方法 将静力学方程在气层积分将静力学方程在气层积分随意两个高度上的气压差等于这两个高度间的单位截面积空气柱的重量 因为（状态方程）通用的压高方程方程在运用中存在的问题：方程在运用中存在的问题：g、R、T均随高度均随高度产生变更，积分困难产生变更，积分困难气压气压 随随 高高 度度 的增加按的增加按 指指 数数 规律递规律递减减解决方法：依据实际状况做某些特定假设解决方法：依据实际状况做某些特定假设忽视重力加速度的变更和水汽的影响，假定气温不随高度发生变更，得到（温度不随高度的变更而变更的
6、大气）等温大气压高公式：气层平均温度问题：实际大气并非等温大气问题：实际大气并非等温大气解决方法：将实际大气划分为很多薄层，每一薄层可以看作是等温解决方法：将实际大气划分为很多薄层，每一薄层可以看作是等温的，求出每一薄层的的，求出每一薄层的tm，然后分别计算各薄层的厚度，最终把各薄，然后分别计算各薄层的厚度，最终把各薄层的厚度求和便是实际大气的厚度。层的厚度求和便是实际大气的厚度。等温大气压高公式的用途等温大气压高公式的用途（1）依据不同高度上的气压差和气柱的平均温度，求这两处之间的高度差。（气压测高原理）（2）依据某高度的气压值和气柱的平均温度，推算另一高度的气压值（海平面气压订正）（3）由
7、不同高度上的气压，求两高度之间的气柱的平均温度平均温度平均温度平均温度。二、气压随时间的变更二、气压随时间的变更l气压：观测高度到大气上界单位截面积垂直空气柱的重量l空气柱的重量是其质量和重力加速度的乘积l重力加速度通常近似看作是定值l 一个地方气压的变更确定于其上空气柱质量的变更（一）气压变更的缘由（一）气压变更的缘由空气柱质量变更的因子空气柱质量变更的因子l热力因子：指温度的上升或降低引起的体积膨胀或者收缩、密度的增大或减小;会伴随气流辐合或辐散，造成质量的增多或削减。l动力因子：大气运动所引起的气柱质量的变更，可分为三种状况空气柱质量变更的动力缘由空气柱质量变更的动力缘由1 1、水平气流
8、的辐合与辐散、水平气流的辐合与辐散辐合与辐散：由于空气运动速度的不匀整而导致空气质量在某些区域堆聚或流散的现象辐散：空气都背着同一条线或同一点辐散：空气都背着同一条线或同一点辐散：空气都背着同一条线或同一点辐散：空气都背着同一条线或同一点散开，而且前面的空气速度快，后面散开，而且前面的空气速度快，后面散开，而且前面的空气速度快，后面散开，而且前面的空气速度快，后面的空气速度慢，明显这个区域的空气的空气速度慢，明显这个区域的空气的空气速度慢，明显这个区域的空气的空气速度慢，明显这个区域的空气质点会渐渐向四周流散，引起气压降质点会渐渐向四周流散，引起气压降质点会渐渐向四周流散，引起气压降质点会渐渐
9、向四周流散，引起气压降低，这种现象称为水平气流辐散低，这种现象称为水平气流辐散低，这种现象称为水平气流辐散低，这种现象称为水平气流辐散 空气柱质量变更的动力缘由空气柱质量变更的动力缘由11 1、水平气流的辐合与辐散、水平气流的辐合与辐散辐合与辐散：由于空气运动速辐合与辐散：由于空气运动速辐合与辐散：由于空气运动速辐合与辐散：由于空气运动速度的不匀整而导致空气质量在度的不匀整而导致空气质量在度的不匀整而导致空气质量在度的不匀整而导致空气质量在某些区域堆聚或流散的现象某些区域堆聚或流散的现象某些区域堆聚或流散的现象某些区域堆聚或流散的现象辐合：空气向着同一点或同一条线集辐合：空气向着同一点或同一条
10、线集辐合：空气向着同一点或同一条线集辐合：空气向着同一点或同一条线集聚，而且前面空气质点运动速度慢，聚，而且前面空气质点运动速度慢，聚，而且前面空气质点运动速度慢，聚，而且前面空气质点运动速度慢，后面运动速度快，结果这个区域里空后面运动速度快，结果这个区域里空后面运动速度快，结果这个区域里空后面运动速度快，结果这个区域里空气质点会渐渐聚积起来，引起气压上气质点会渐渐聚积起来，引起气压上气质点会渐渐聚积起来，引起气压上气质点会渐渐聚积起来，引起气压上升，这种现象称为水平气流辐合升，这种现象称为水平气流辐合升，这种现象称为水平气流辐合升，这种现象称为水平气流辐合 空气柱质量变更的动力缘由空气柱质量
11、变更的动力缘由22 2、不同密度气团的移动、不同密度气团的移动不同密度的空气交替会引起气压变更。不同密度的空气交替会引起气压变更。性质不同的气团，密度往往不同。假如移到某地的性质不同的气团，密度往往不同。假如移到某地的气团比原来气团密度大，则该地上空空气柱中质量会气团比原来气团密度大，则该地上空空气柱中质量会增多，气压随之上升。反之该地气压就要降低。增多，气压随之上升。反之该地气压就要降低。冷空气冷空气温度低，密度大，造成流经之地气压明显上升 夏季时暖湿气流暖湿气流北上，引起流经之处密度减小，地面气压下降空气柱质量变更的动力缘由空气柱质量变更的动力缘由33 3、空气垂直运动、空气垂直运动当空气
12、有垂直运动而空气柱内质量没有外流时，空气柱中总质量没有变更，地面气压不会发生变更。但空气柱中质量的上下传输，可造成空气柱中某一层次空气质量变更，引起气压变更。二、气压随时间的变更二、气压随时间的变更（二）气压的周期性变更（二）气压的周期性变更指在气压随时间变更的曲线上呈现出有规律的周期性波动，明显的是以日为周期的和以年为周期的波动。1、气压日变更气压日变更l气压的日变更有单峰、双峰和三峰等型式l双峰型最为普遍：一天有一个最高值，一个次高值，一个最低值，一个次低值。l气压的日变更与气温日变更有关，与潮汐有关l日较差随纬度上升而减小2、气压的年变更 气压的年变更是以年为周期的波动。可以分为以下三种
13、类型：（1）大陆型：一年中气压最高值 出现在冬季，最低值出现在夏季，气压年变更值很大，并由低纬向高纬渐渐增大。（2）海洋型：一年中气压最高值 出现在夏季，最低值出现在冬季，气压年较差小于同纬度的陆地。（3）高山型：一年中气压的最高值出现在夏季，最低值出现在冬季。大气压的高山型年变更（三）气压的非周期性变更（三）气压的非周期性变更 气压的非周期性变更是指气压的变更不存在气压的非周期性变更是指气压的变更不存在固定周期的波动，它是气压系统移动和演化的结固定周期的波动，它是气压系统移动和演化的结果。果。其次节其次节 气压场气压场气压的空间分布称为气压场气压场一、气压场的表示方法一、气压场的表示方法（一
14、）等压线和等压面1、等高面图 等高面是空间高度相等的（平）面。在等高面图上，各点气压值不同，通过分析等压线了解空间气压分布状况。等压线：同一等高面上各气压相等点的连线。等压线的形态和疏密程度反映着水平方向上气压的分布形势。等压面等压面等压面等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不平的曲面。2、等压面图 等压面是曲面的缘由：下垫面性质的差异、水平方向上温度分布和动力条件的不匀整，所以同一高度上各地的气压不一样(如 海平面)通常用等压面图上的等高线来表示等压面旁边的气压分布。一、气压场的表示方法一、气压场的表示方法（二）位势高度（重力位势）位势高
15、度位势高度：将单位质量的空气从海平面（令其位势等于零）抬升到任一高度Z时，克服重力所作的功所作的功所作的功所作的功，又称为重力位势，以J/kg为单位，简称为位势。1位势米位势米:1空气上升1米时，克服重力作了9.8J的功，也就是获得了9.8J/kg位势能(的高度差)，即：1位势米9.8J/kg位势米和几何米的换算公式位势高度重力加速度几何高度位势米是能量单位，几何米是长度单位什么状况下二者数值相等？什么状况下二者数值相等？二二、气气压压场场的的基基本本型型式式 1 1 1 1、低、低、低、低 气气气气 压压压压等压线闭合，气压自四周向中心递减，气流自四周逆时针向中心辐合的地区。低压又称为气旋气
16、旋。2 2、低压槽、低压槽是是低低压压向向某某一一方方向向延延长长的的部部分分，低低压压槽槽中中等等压压线线曲曲率率最最大大处处各各点点连连线线称称槽槽线线，气气流流自自槽槽线线两两侧侧向向槽槽线线辐合。辐合。低气压低气压 与与 低压槽低压槽 3 3 3 3、高、高、高、高 气气气气 压压压压等压线闭合，气压由中心向四周低，气流自中心向四周顺时针顺时针辐散辐散的地区，高压又称反气旋反气旋。4 4 4 4、高压脊、高压脊、高压脊、高压脊是是是是高高高高压压压压在在在在某某某某一一一一方方方方向向向向的的的的延延延延长长长长部部部部分分分分，高高高高压压压压脊脊脊脊中中中中，等等等等压压压压线线线
17、线曲曲曲曲率率率率最最最最大大大大处处处处各各各各点点点点的的的的连连连连线线线线称称称称脊脊脊脊线线线线，气气气气流流流流自自自自脊脊脊脊线线线线向向向向两两两两侧侧侧侧辐散。辐散。辐散。辐散。高气压高气压 与与 高压脊高压脊5、鞍型场由两两相对排列的高、低压区组成的气压系统，其空间等压面形似马鞍，故得此名。鞍型场两高压区之间是气流的辐合地带。高空常见的气压系统高空气压系统比低空气压系统相对简洁多呈现沿纬向（即东西向）的平直或波状等高线，有时也有闭合系统如切断低压、堵塞高压 三、气压系统的空间结构三、气压系统的空间结构1 1、温压场对称的系统、温压场对称的系统温压场对称的系统指气压系统的高、
18、低压中心与温度场的冷暖中心重合的系统。包括深厚系统和浅薄系统两类。（1 1 1 1）深厚系统）深厚系统）深厚系统）深厚系统有冷低压和暖高压两种系统。有冷低压和暖高压两种系统。有冷低压和暖高压两种系统。有冷低压和暖高压两种系统。冷冷冷冷低低低低压压压压：低低低低压压压压中中中中心心心心与与与与低低低低温温温温中中中中心心心心重重重重合合合合。其其其其空空空空间间间间结结结结构构构构特特特特征征征征为为为为：等等等等压压压压面面面面坡坡坡坡度度度度随随随随高高高高度度度度的的的的增增增增高高高高而而而而增增增增大大大大，冷冷冷冷低低低低压压压压随随随随高度渐渐增加高度渐渐增加高度渐渐增加高度渐渐增
19、加 单位气压的高度差小于四周地区暖高压：高压中心与高温中心重合。其空间结构特征是：等压面坡度随高度的增高而增大，暖高压随高度渐渐增加 单位气压的高度差大于四周地区（2 2 2 2）浅薄系统）浅薄系统）浅薄系统）浅薄系统有暖低压和冷高压两种系统。有暖低压和冷高压两种系统。有暖低压和冷高压两种系统。有暖低压和冷高压两种系统。暖暖暖暖低低低低压压压压：低低低低压压压压中中中中心心心心与与与与高高高高温温温温中中中中心心心心重重重重合合合合。暖暖暖暖低低低低压压压压的的的的空空空空间间间间结结结结构构构构是是是是：随随随随高高高高度度度度的的的的增增增增高高高高等等等等压压压压面面面面坡坡坡坡度度度度
20、减减减减小小小小，低低低低压压压压中中中中心心心心下下下下凹凹凹凹的的的的程程程程度度度度越越越越来来来来越越越越小小小小，到到到到某某某某一一一一高高高高度度度度以以以以上上上上，等等等等压压压压面面面面反反反反而而而而隆隆隆隆起起起起，暖暖暖暖低低低低压压压压随随随随高高高高度度度度减减减减弱弱弱弱，在在在在确确确确定定定定高高高高度度度度以以以以上上上上消消消消逝逝逝逝，而而而而出出出出现现现现暖暖暖暖高压高压高压高压冷冷高高压压：高高压压中中心心与与低低温温中中心心重重合合，冷冷高高压压随随高高度度减弱，在确定高度以上消逝，出现冷低压减弱，在确定高度以上消逝，出现冷低压主要存在于对流层
21、的低空（二）温压场不对称系统（二）温压场不对称系统地面的高、低压中心与温度场的冷暖中心配置不相重合的系统。地面的高、低压中心与温度场的冷暖中心配置不相重合的系统。系统的中心轴线不铅直，而发生倾斜。地面低压中心轴线随系统的中心轴线不铅直，而发生倾斜。地面低压中心轴线随高度上升不断向冷区倾斜，高压中心轴线随高度上升不断向高度上升不断向冷区倾斜，高压中心轴线随高度上升不断向暖区倾斜。暖区倾斜。北半球中高纬度的冷空气多从西北方向移来、因而低压中心轴北半球中高纬度的冷空气多从西北方向移来、因而低压中心轴线常常向西北方向倾斜；高压的西南侧比较温煦，高压中心线常常向西北方向倾斜；高压的西南侧比较温煦，高压中心轴线多向西南方向倾斜。轴线多向西南方向倾斜。