气象学概论.docx

引起空气微团运动的4种作用力及它们在风的形成过程中所起的作用空气的运动是在力的作用下产生的。作用于空气的力除重力之外，尚有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相对运动而产生的摩擦力，由于空气作曲线运动时产生的惯性离心力。这些力在水平分量之间的不同组合，构成了不同形式的大气水平运动。作用于大气的真实力有气压梯度力、地心引力、摩擦力即基本作用力；视示力有科里奥利力（地转偏向力）、惯性离心力。基本作用力基本作用力是大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，与参考系的选取无关。气压梯度力（Pressure-gradient Force)气压梯度力是空气介质对空气微团的作用力。大气是流体，其气块各面都受周围的气压的作用。当气压分布不均匀的时候，气块就会受一种净压力的作用，作用于单位质量气块上的净压力即气压梯度力。气压梯度是矢量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于两等压面间的气压差（△P）除以其间的垂直距离（△N），用下式表达：式中为气压梯度，由于△N 是从高压指向低压，△P 为负值，故水平气压梯度的单位通常用百帕赤道度表示（ 赤道是赤道上经度相差一度的纬圈长度，其值约为111km）。观测表明，水平气压梯度值很小，一般为1—3hPa/赤道度，而垂直气压梯度在大气低层可达1/10m 左右，即相当于水平气压梯度的10 万倍，因而气压梯度的方向几乎与垂直气压梯度方向一致，等压面近似水平。为便于导出气压梯度力的表达式和物理意义，可将气块是为一个微立方体，取局地直角坐标系，其体积为如图1.1。 z p B A y x图1.1作用于气块上的气压梯度力的x分量 设周围大气作用于B面上的压力为，则作用于A面上的压力应用为，负号表示方向与x方向相反，因此，x方向上的净压力为此两力之和。同理，在y方向和Z方向作用于体积元上的净压力为和。则作用于体积元上的总净压力之和为三者的向量和：设气块的密度为ρ，改体积元所含的大气质量为，因而作用于单位质量气块上的净压力即气压梯度力为：其中是由于气压分布不均匀而引起的气压梯度。由此可见气压梯度力与气压梯度成正比，而不是与气压成正比。气压梯度力的方向指向的方向，即高压指向低压。大小与气压梯度成正比与空气密度成反比。拓展：实际大气中，由于空气密度分布的不均匀，单位体积空气块质量也是不等的。根据牛顿第二定律，在相同的气压梯度力作用下，对于密度不同的空气所产生的运动加速度是不同的，密度小的空气所产生的运动加速度比较大，密度大的空气所产生的运动加速度比较小。因此，用气压梯度难以比较各地空气运动的速度。在气象上讨论空气水平运动时，通常取单位质量的空气作为讨论对象，并把在气压梯度存在时，单位质量空气所受的力称为气压梯度力通常表示为式中ρ是空气密度，△ P 是两等压面间的气压差，△ N 是两等压面间的垂直距离。气压梯度力的方向由高压指向低压，其大小与气压梯度-△P 成正比，与空气密度ρ成反比。由此可分解为水平分力Gn和垂直分力Gz 和 。在大气中气压梯度力垂直分量比水平分量大得多，但是重力与Gz 始终处于平衡状态，因而在垂直方向上一般不会造成强大的垂直加速度。而水平气压梯度力虽小，由于没有其它实质力与它相平衡，在一定条件下却能造成较大的空气水平运动。通常，在同一水平面上，密度随时间、地点变化不很明显，因此水平气压梯度力的大小主要由所决定。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= 1.3×10 -3g / cm3 ，所以Gn = 7×10-4 N / kg。当在这种气压梯度力持续作用3h，可使风速由零增大到7.6m/s。可见气压梯度力是空气产生水平运动的直接原因和动力。地球引力——重力根据万有引力定律，每单位质量的空气微团受到的地球引力（图1.2） M r m 图1.2 地心引力其中G=6.673×10-11Nm2/kg2为引力常数，M=5.988×1024kg为地球质量，r为自地心引出的空气微团位置矢量。若视地球为正球体，a为地球的平均半径（a=6.73×106m），z为海拔高度。则r=a+z所以上式可改写为其中 ，是海平面上的地心引力。实际应用中，由于z值一般仅为数十千米，而地球半径a竟达六千多千米，即，因此常设。摩擦力摩擦力是相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一种阻碍物体运动的力。大气运动中所受到的摩擦力一般分为内摩擦力和外摩擦力。内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变，也称湍流摩擦力。其数