chapter 4 温度、气压及风.docVIP

第四章 溫度、氣壓及風 4.1前言： 就天氣學範疇而言，大氣可視為理想氣體，亦即符合 ------(1) 關係。式中P，，分別為大氣壓力與密度，= ，為乾空氣氣體常數。另 ------(2) 稱為虛溫(Virture Temperature)。式中為混合比(mixing ratio)。 上述關係顯示大氣之壓力，溫度及密度是不可分的要素。再者，當兩地氣壓不同而有氣壓差(梯度)時，就會形成氣壓梯度力(pressure gradient force)，造成空氣移動，相對於地表者稱為風(wind)。本章所討論的就是與上述過程相關的問題。 4.2風的起源 由流體靜力方程可得 同理 i.e.，僅在=0時才為0，但對綜觀尺度而言，所以即使=0，亦不為0。所以大氣一定會運動，亦即風一定會吹。 4.3天氣圖概況及動量守恆 海平面圖分析氣壓；高空圖分析等壓面高度。 由知高低壓中心的垂直結構為 中心溫度較周圍低(高)的冷(暖)心低(高)壓中心隨高度增強，反之則減弱。 同理，地面冷(暖)心低(高)壓中心隨高度偏向冷(暖)區。 北半球副高中心南側盛行東風，北側盛行西風。由於地球自轉速率近似常數，所以大氣之角動量(angular momentum)亦應大致守恆；準此，在信風帶地球自轉所造成之切線速度大氣向東之速度，即地表向東的速率較大氣者大，所以地表有向東的力矩(easterly torque) 傳給大氣，i.e.，地表提供大氣向東的能力有西風角動量通量(A flux of westerly angular momentum)。在中緯度，亦即西風帶內大氣向東速度，即具有與東風相反的作用，i.e.，大氣有向東的角動量傳給地球。 圖4-1a角動量傳輸示意圖 上述角動量傳輸由摩擦作用完成，且保持”低緯地至氣傳送量與高緯氣至地的量”相等(Conservation of angular momentum)。30°N與30°S附近有最大低緯至高緯的通量；45°N與45°S則有最大的渦流輻合。 圖4-1b正渦流動量流線示意圖(Schematic streamlines for positive eddy momentum) 圖中： 如同角動量經向輸送一般，動能(KE)輸送也是(1)低緯靠平均環流項，(2)其他緯度靠渦流通量項完成，所以副熱帶北側西風是靠著渦流(eddy)繞過高壓脊西側將緯向動能帶入所形成。 4-4平衡運動(balanced motion) 作用於大氣之力︰ ；即質量分別為，相距距離為r兩物體間的引力。 地心引力(gravitation) ＆ 與速度無關之力 氣壓梯度力(pressure gradient force)= 圖4-2旋轉地球上，，及關係示意圖 作用力平衡下的大氣運動 兩種力的平衡︰ 地轉風(geostrophic wind)：氣壓梯度力與柯氏力平衡下，亦即（東西向）平直等壓線間所吹的風。 Montgomery streamfunction ----------------------------------- (4.2) 圖4-3氣塊由靜止於地球上達到地轉平衡過程示意圖 在高空圖中，K隨投影法及緯度的變化如下： K Lambert conbermal Polar sterographic 80 70 60 50 40 30 20 1.313 1.154 1.155 1.264 1.509 2.000 3.093 0.954 1.024 1.155 1.380 1.767 2.488 4.064 　　上式中，對某定點而言。只有即兩等直線間距為未知數，因而可繪成為變數之「地轉風標尺」。 旋轉風(cyclostrophic wind)：氣壓梯度力與離心力平衡下的風。 or ----------------------------- (4.3) 阻力風(antitriptic wind)：摩擦力與梯度力平衡下的風。 設摩擦力不但與運動方向相反，且與風速成比例（設比例常數為ｋ），即摩擦力，即受到影響後風速ｕ可寫成 ------------------------------------------------ (4.4) 慣性流(風)(inertial flow) 即柯式力與離心力平衡下的風。 ；此種振動之週期為 ---- (4.5) 三種力的平衡： 梯度風(gradient wind