第三节 大气运动和天气系统

只能改变风的方向，而不能 改变风的速度。
3、惯性离心力
◆离心力是指空气作曲线运动时，受到一个 离开曲率中心而沿曲率半径向外的作用力。 这是空气为了保持惯性方向运动而产生的， 所以称为惯性离心力。它的方向与空气运动 2 方向垂直。 V
C
r
◆在一般情况下，空气运动路径的曲率半 C — 离心力；V — 空气运动 速度；r — 曲率半径。 径很大，惯性离心力远小于地转偏向力； 但在空气运动速度很大而曲率半径很小时， 如龙卷风、台风，离心力很大，甚至超过 地转偏向力。
10 6
5
极地高压带
9 3 2 1 7
8
副极地低压带
副热带高压带 4
赤道低压带
极地高压带 上升
副极地低压带
下沉 3
1
副热带高压带 赤道低压带
上升 2
副热带高压带 副极地低压带
极地高压带
上升
4
2、行星风系
定义：不考虑海陆和地形的影响，地面盛行风 的全球形式称为行星风系。 依据气压系统分布状况和风压关系，可以判断 盛行风情况。
带吹向副极地低压带（西风），高空由副极地低压带返回 分布于高纬度约60 °与极地之间地带。地面由极地高压带吹 向副极地低压带（东风），高空由副极地低压带返回（西风）
4.高空西风带的波动和急流
高空西风带还具有波动和次一级蜗旋。西风带中的波动形成大气长波， 高空风不受地面或水面摩擦力的影响，地转偏向力是气流 其波长一般达3000-8000km。命名为罗斯贝波。这种波动形成于极地 与等压线平行。对流层上层，高空西风带环绕极地冰形成巨大 冷气团和热带气团的狭长交汇区内，向赤道一侧形成弯曲低压槽，向 蜗旋。气压向极地地区迅速下降，形成极地低压。 极地一侧形成高压脊，其中有些停留时间较长，冬季尤为明显。当波 动加深最后被分割交错出现孤立的低压中心（切断低压）与高压中心 （阻塞高压）。
• 的风速与水平温度及气层厚度有关， 总之，在自由大气中，随着高度的增加，风总是愈 等温线与等压线平行，气层暖区与高压区重合，冷 等温线与下层等压线垂直，下层空气由冷区流向暖 •来愈趋向于热成风。例如，北半球温度南暖北冷， 其表达式为： 区与低压区重合，热成风方向与下层一致，随高度 区，即冷平流，随着高度的升高热成风方向发生逆 等温线走向基本上呈东西向。由热成风原理可知， 的升高而加大。 时针变化，速度增大。 这种温度场使中纬度西风随高度的增加而增大，直 等温线与等压线平行，气层暖区与低压区重合，冷 等温线与下层等压线垂直，下层空气由暖区流向冷 到对流层顶附近出现西风急流。东风带低层东风随 区与高压区重合，热成风方向与下层相反，随高度 区，即暖平流，随着高度的升高热成风方向发生顺 高度增加而减小，到某一高度减小到0，再往上仍是 的升高而减小至0后再加大。 时针变化，速度增大。 ——热成风风向与等温线平行，在北半球，背热成 西风。所以对流层中上层是显著的西风带。 风而立，高温在右，低温在左，南半球则相反。
V
3 0.836 B 2
Ｂ为蒲福风级数； Ｖ为风速（ m／s ）。
——这是现今普遍采用的 经验公式。
一、大气的水平运动
（一）影响大气水平运动的四种力 气压梯度力（原动力）；
地转偏向力（改变方向）；
惯性离心力（改变方向）； 摩擦力（减速、改变方向）。
1、气压梯度力 ◆当气压梯度存在时，作用于单位质量空气
1020 hPa
地转风方向与水平气压梯度力的方向垂直， 1 p 即平行于等压线。在北半球，背风而立，高 ——地转风出现时，A=G V g 2 sin n 压在右，低压在左，南半球相反，此称为白 贝罗风压定律。
反气旋内存在气压梯度极限值，此值与曲率半径r有 地转风和梯度风的概念只在大尺度运动的范围才有意 2、梯度风 关。如果r很小或气压梯度力很大，地转偏向力不可 义。一些小的漩涡如龙卷风，空气运动速度很大而曲 ◆自由大气中，当空气作曲线运动时，G、A和C三 梯度风的风向也遵从白贝罗风压定律，即在北半球， 能与方向相反的气压梯度力和离心力平衡，就不能 率半径很小，惯性离心力可能等于或超过气压梯度力， 个力达到平衡时的空气水平运动，称为梯度风。 背风而立，高压在右，低压在左，南半球则相反。 维持梯度风。所以反气旋中心区不可能存在很大的 此时风的旋转方向无论是逆时针还是顺时针，中心部 气压梯度。气旋区内则不存在极限值。 ——以北半球气旋和反气旋为例 分都必须是低压。 当空气作直线运动时，C=0，梯度风变为地转风，可 以说地转风湿梯度风的一个特例。梯度风是对天气图 北半球 上圆形气压场所产生的风场的一种近似。当等压线存 V V 在弯曲时，梯度风近似比地转风近似更合理。 G、C A A、C G
气压带断裂成块状，形成季风
（一）全球环流
全球气压带
行星风系
经向三圈环流 高空西风带的波动和急流
1、全球气压带
赤道附近，终年受热，温度高，空气膨胀上升 • 如果地表性质均匀，那么地表气压完全 ，到高空向外流散，导致气柱质量减小，低空 取决于纬度。在热力和动力因子作用下， 形成低气压，称赤道低压带；两极地区气温低 气压的水平分布呈现规则的气压带，且 ，空气冷却收缩下沉，积聚在低空，而高空伴 气压带每年随等温线移动几个 高低气压带交互排列。 有空气辐和合，导致气柱质量增加，在低空形 成高压区，称极地高压带。从赤道上空流向两 纬度，对季节性的气候变化有 极地区的气流在地转偏向力的作用下，流向逐 原因：这种分布规律主要由于地表温度随 影响。 渐趋于纬线方向，阻滞来自赤道上空的气流流 纬度分布不均匀造成的。 向高纬，空气质量增加，形成高压带，称副热 带高压带。副热带高压带和极地低压带之间有 一个相对的低压带称为副极地低压带。
与之形成一定的交角。
（二）自由大气中的空气运动
• 在自由大气中，空气运动规律比在摩擦层 中简单得多。当空气作直线运动时，只须 考虑G和A的作用；当空气作曲线运动时， 则考虑G、A、C三者之间的关系。
1、地转风
指自由大气中空气作等速、直线水平运动。
低压
气 压 梯 度 力
1000
1010
地转偏向力 高压
2、摩擦层中风随高度的变化 摩擦层中，风随高度的变 ——它表示北半球 化受摩擦力和气压梯度随 摩擦层中风随高度 高度变化的影响。在气压 呈螺旋分布；地面 梯度不随高度变化的情况 下，离地面愈远，风速愈 摩擦作用随高度减 大，风向与等压线的交角 小，风速随高度增 愈小。把北半球摩擦层中 大，风向不断右偏， 不同高度上风的向量投影 到同一水平面上，可得到 达到摩擦层顶部， 一条风向风速随高度变化 ——在摩擦层中，空气的水平运动因受摩擦力的作用， 最终风向与等压线 的螺旋曲线，称为埃克曼 风速减小，风向改变。如地转风斜穿等压线从高压吹 平行。风速接近地 螺线。 向低压，梯度风斜穿等压线，低压向中心辐合，高压 转风或梯度风 自中心向外辐散。
第三节大气运动和天气系统
★ 风
NW
N
NE
——空气的水平运动称为 W 风；空气的垂直运动称为 上升气流或下沉气流。地 SW 球上大气的运动形式以水 平运动最为广泛和持久。 S ——风是矢量，既有风向，又 有风速。风向指风的来向，以 16个方位或 360°方位角表示。 风速以 m／s 或 km ／h 表示； 根据风速的大小，可将风力划 分为13级（0 —12级）。
4、摩擦力
◆摩擦力指地面与空气之间，不同运动状况的 空气层之间相互作用而产生的阻力。气层之间 的阻力，称为内摩擦力；地面对空气的阻力， 称为外摩擦力。 ◆摩擦力方向与风向相反，使风速减小，导致 地转偏向力也相应减弱。陆地表面摩擦力总是 大于海洋表面。 ◆摩擦力以近地面层最显著，随高度增加而迅 摩擦力存在的结果是气流运动 速减弱，一般到 1 — 2 km 以上就可以忽略不 计了，此高度以上气层称为自由大气。 的方向并不与等压线平行而是
90N
地面高压 高 空 高 压 地低 面压
60N 30N 0
极 地 高 压
副 极 地 低 压
副 热 带 高 压
赤 道 低 压
副 热 带 高 压 W
副 极 地 低 压
极 地 高 压
W
W E W NE
W SE W E
H N
L 65°N
H 30°N
L 0°
H 30°S
L 65°S
H S
信风环流圈（Hadley环流）： 分布于赤道与南北纬 30 °之间。高空由赤道吹向副热 中纬度环流圈（Ferrel环流）： 带高压带（西风），地面由副热带吹向赤道（信风）。 分布于中纬度约 30 °- 65 °地带。地面由副热带高压 极地环流圈：
上的力，称为气压梯度力。气压梯度力可分 为垂直气压梯度力和水平气压梯度力两种。 ◆水平气压梯度力使空气从高压区流向低压 区，是大气水平运动的原动力，其表达式为：
1p G n
G — 水平气压梯度力；ρ— 空气密度； 水平气压梯度力是使空气 Δp —两条等压线之间的气压差； Δn — 两条等压线之间的垂直距离； 空气运动即形成风和决定 Δp ／Δn — 为水平气压梯度； 风向、风速的主导因素。 “ － ” 负号表示方向由高压指向低压。
概 念
二、大气环流
是指大范围内具有一定稳定性的各种气 流运行的综合现象。 形 成
太阳直射点 的南北移动
高低纬间 热量差异
地转 偏向力
海陆热力 性质差异
单圈环流 大气环流构成全球大气运行的基本形势，使 三圈环流 气压带和风带
全球气候特征和大范围形势的主导因素与各 气压带、风带南北移动 种尺度天气系统活动的背景条件。
0° 23°26´S
66°34´S
高低纬间热量不均；地转偏向力；太阳直射点 位置的移动；海陆热力性质差异 ----气压带断裂成单个的高低气压中心
冰岛 低压 冬
阿留申 低压
一月
副 蒙古--西伯利亚高压 带 极 地 低 气 压
60N
大 西 洋