第七讲.大气运动原理和大气环流.pptVIP

第七讲：大气运动的原理和大气环流 我们在这一章关心两个基本问题: 为什么大气会运动? 驱动大气运动的力有哪些? 地球大气是怎样运动的? (小尺度运动, 局地运动, 全球大气环流) 本章参考书: Meteorology Today, C.D. Ahrens (Chapter 9, 6th or 7th edition), Atmospheric Science: An Introductory Survey, John M. Wallace and P.V. Hobbs (Chapter 8), An Introduction to Dynamic Meteorology, J.R. Holton (Chapter 1 and 2, 3rd edition) 有兴趣的学生可以参考高等教科书: Geophysical Fluid Dynamics, J. Pedlosky (Chapter 1 and 2, 2nd edition), Atmosphere-Ocean Dynamics, A.D. Gill (Chapter 3, 4, and 7) 气旋风暴输送撒哈拉沙尘到北大西洋 风和树 风欲静 而树不止 气流越过山峰 大气是一种流体 在高中物理的力学部分, 我们学习的主要是固体物体的运动. 现在我们从流体力学的观点出发来学习大气的运动. 大气的状态是由3个参数决定的. 为研究大气的运动, 我们假定大气是连续的流体. 气体状态方程: 气体的状态是由3个参数决定的 P=ρRT p:气压，单位：Pa T:温度，单位：K=℃+273.15 ρ:密度，单位：kg/m3 (也可以用体积） R=287 J/kgK 假定流体是连续的 在大气动力学中, 我们常选定一个单位体积的气块作为一个质点并以其作为研究对象. 我们一般假定这个气块的体积与整个大气的体积相比非常小, 但这个气块包含大量的分子数, 个体分子的情况则可以忽略不计. 气块的受力分析: 根据牛顿第二定律, 一个物体的运动(或加速度)是由作用于该物体上的各个力共同决定的. 考虑地球表面放一个气块, 它受哪些力? 考虑地球旋转? 气块受力分析: 2. 离心力 有效地球引力 由于离心力很小,我们一般仍认为地球的重力加速度约等于9.8 ms-2 由于离心力的作用,地球在赤道的半径比极地的半径大21公里. ３．科氏力(Coriolis force) 科氏力的作用 科氏力的作用 科氏力(Coriolis force) f=-2ΩＵsinφ　（f=-2 Ω×U） Ω：地球自传角速度 Ｕ：气块的运动速度 Φ：纬度 在北半球，背风而立，科氏力使风偏向右． 在南半球，背风而立，科氏力使风偏向左． 在赤道，科氏力为０，在两极，科氏力最大． 4. 气压梯度力： 气压梯度力 气压梯度力： 等高面上的等压线和等压面上的等高线 等压面和等高线 气压梯度力和科氏力平衡下的气块运动 高低气压中心的力和风向 5. 边界层摩擦力 在大气边界层(0-1000米), 由于地面的摩擦而产生摩擦力. 近似地, 摩擦力与风速成正比: F=-aV a是摩擦系数,V是速度. 北半球气压梯度力、科氏力和摩擦力的作用下的运动 根据风向判断高压和低压 摩擦力地面风和高空风的差别 北半球和南半球的气旋运动 小结: 我们在本节主要讨论了气块的受力: 重力, 离心力, 科氏力, 气压梯度力和摩擦力. 其中, 重力, 气压梯度力和摩擦力是决定大气运动的基本力, 也称为真实力. 尤其是气压梯度力是驱动大气相对运动的主要动力. 如果我们选定的参照系与地球共同旋转(非惯性坐标系), 我们还需要考虑科氏力和离心力. 大气运动的尺度划分: 小尺度运动 大漠孤烟直 长河落日圆 小尺度运动：下坡卷轴风可以把汽车推向一侧 小尺度运动造成的沙丘和雪丘 高地上被风吹向一边的树 中尺度运动: 海陆风 白天，陆面气温高气压低，水面相反，气压梯度方向由水面指向陆面。观测者感觉到的是向岸风。高层风向相反。陆面一侧形成上升气流，水面一侧形成下沉气流。陆面与水面温差的结果形成了一个区域环流。如空气中水汽较多，可在陆面一侧形成对流云 海陆风: 大尺度运动: 季风 山谷风 越山气流: 弱气流 越山气流: 强气流?焚风(chinook) 全球大气环流(global circulation) 单圈环流假想 (G. Hadley, 1735) 三圈环流 在20世纪20年代人们提出了旋转地球上三圈环流的理论模型 气压，风，雨的全球分布 １和７月相处月地面气压和风场 １和７月500 hPa 等压面上高度场 大气中的急流(Jet Streams) 大气中有两支急流，1个在纬度65°的地方，称为极夜急流，另1个在纬度30°的地方，成为副热带急流。 急流