大气运动的基本规律
大气运动规律
大气运动规律
大气运动规律是指大气层里的风、气压、温度等气象要素在时间和空间上展现出的规律性分布和演变。
1. 每个地球区域大气运动都遵循气压与温度的垂直剖面。
即大气压力水平面上气压随高度（海拔）上升而不断降低，气温随高度上升而不断降低。
2. 利用大气循环与地球自转的相互作用，气压梯度力、地转偏向力和离心作用三力所构成的地球大气环流，形成3个气圈，即赤道低压带、副热带高压带和极地低压带。
3. 大气循环中的热带降雨带、风带、反气旋和台风等都有周期性规律，可以预测和掌握。
4. 大气的运动过程中形成的气压、冷暖空气和湿度等逐渐向高空扩散，形成大气层的物理结构。
5. 温度反演、地形障碍和海陆切变等大气环境因素对大气的物理和化学过程都产生很大的影响。
大气运动
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一、大气的水平运动
1 . 地转风随高度的变化－热成风 2 . 摩擦层中风随高度的变化 埃克曼螺线 （P90图3－28风速的分级
（见P91表3－14风力等级）
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二、大气环流
大气环流：指大范围内具有一定稳定性的各种气流运行的综合现象。
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一、大气的水平运动
2 . 梯度风 梯度风是指自由大气中作曲线运动的空气在水平气压梯度力、地转偏向 力、惯性离心力达到平衡时所形成的沿曲线等压线作水平等速运动的风。 梯度风的形成条件同地转风一样，也仅仅出现在高空自由大气中，但它 还要求气流运动的轨道必须是曲线。其运动的方向是沿曲线等压线作曲 线运动，风速随时间也没有变化，呈等速或匀速运动。在等压线闭合的 气压场中，空气会作圆周运动。 梯度风特点： 北半球低气压区的梯度风呈逆时针转动，高气压区的梯度风呈顺时针转 动，南半球则相反。 遵循白贝罗风压定律：北半球背梯度风而立，高压在 右，低压在左，南半球反之。
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二、大气环流
海陆风与东亚季风的相同差异：
相同之点：①海陆风和东亚季风都是由海陆热力差异引起的。 ②风向都有明显改变。
不同之处：①影响范围不同：海陆风仅限于沿海地区，而季风影响范围广大， 可深入陆地很远。 ②风向变化周期不同：海陆风以一天为变化周期而季风以一年为变化周期 。
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（2）考虑A、B----高低纬间热量不均，地转偏向力
----三圈环流
高纬环流
10 6
5
极地高压带 极地东风带
中纬环流
9 3 7
8
副极地低压带 中纬西风带 副热带高压带 4 东北信风带
大气运动规律
地球上的大气【知识归纳】一、大气运动的基本规律分析掌握大气运动的基本规律是分析天气、气候现象的基础，此部分内容涉及知识点很多，在这里我们应重点突破以下知识：1．热力环流的形成原理与应用(1)热力环流的形成原理(2)等压面的判读与应用:热力环流形成过程中，因地面冷热不均，等压面发生弯曲，其特点为：高压区的等压面向上凸，低压区向下凹；近地面气压与高空气压高低值相反，呈轴对称分布，如下图所示：依据上图所示的等压面的弯曲状况，我们可以得出：①判断近地面的冷热分布及气温高低状况：近地面等压面上凸的为受冷地区，气温较低，等压面下凹的为受热地区，气温较高。
②判断水平气流运动方向：气流由等压面上凸的地方流向等压面下凹的地方。
③判断近地面的天气状况：近地面等压面上凸的地方多晴朗天气，等压面下凹的地方多阴雨天气。
常见的热力环流：城郊风由于城市人们的生产、生活释放出大量人为热，使城市气温升高，空气上升，与郊区下沉气流形成城市热力环流，下沉气流又从近地面把郊区污染物带入城市中心，严重污染了城市环境。
因此，为了减轻城市污染，如何减少化石燃料的使用量及如何布局郊区工业及卫星城市，成为人们普遍关心的问题。
一般将绿化带布局于气流下沉处及下沉距离以内，而将卫星城或污染较重的工厂布局于下沉距离之外。
海陆风白天在太阳照射下，陆地增温快，气温比海上高，空气膨胀上升，高空气压比原来气压升高，空气由大陆流人海洋；近地面陆地形成低气压，而海洋上因气温低，形成高气压，使下层空气由海洋流人大陆，形成海风。
夜间与白天大气的热力作用相反而形成陆风。
山谷风白天因山坡上的空气增温强烈，于是暖空气沿坡上升，形成谷风(如图a)。
夜间山坡上的空气迅速冷却，密度增大，因而沿坡下滑，流人谷地，形成山风(如图b)。
特别说明：城市风环流的方向不随时间而变化，因为市区的气温总是高于郊区。
而海陆风环流和山谷风环流的流向则随昼夜的变化而向相反的方向变化，因为海与陆、山与谷的气压高低随昼夜改变而改变。
大气运动规律
摩擦层中的白贝罗 风压定律：
G
V
北半球：
R A
高压
背风而立， 低压在左前方， 高压在右后方。 南半球相反。
在摩擦层中，风穿越等压线，向低压偏转。
弯曲等压线的气压场中的风 C≠0
空气所受的力：G、A、C、RGA NhomakorabeaD
C R
G
V R V G C
A
风逆时针旋转，向中心辐合。 绝热上升，多阴雨天气
顺时针旋转，向四周辐散 绝热下沉，多晴好天气
三 大气连续方程
大气运动不仅遵循牛顿运动定律， 而且还受质量守衡定律的约束。表 示大气质量守恒定律的数学表达式 称为连续方程。在一个固定的几何 空间内，根据质量守恒原理，其中 流体质量变化取决于流体从四周流 入与流出量之差。
图示 X方向流体净流入量
连续方程 可写为：
V 0 t
北 半 球
地转风的方向与等压线平行，在北
半球，背风而立，高压在右低压在 左；在南半球，背风而立，高压在 左低压在右。 地转风的大小与水平气压梯度成正 比。
地转风大小还与地转参数和空气
密度成反比，因此，赤道地区由 于科氏力为零，地转关系不成立。 地转风抓住了自由大气中风压场 之间的基本关系。除了极地和赤 道附近地区以外，自由大气中的 实际风与地转风相当近似，因此 常用地转风代替实际风。
Frim V
2
湍流应力是由流速不同的流体之 间湍流运动引起的湍流动量交换 而作用在流体界面上的应力 ：
Frit K V
2
大气中分子粘性力很小，通常可 以不考虑。但在行星边界层（以 下），大气经常处于湍流状态， 湍流摩擦力不能忽略。
二 视示力有哪些？
视示力包括同地球旋转有关的惯 性离心力和地转偏向力。
高中地理大气运动知识点
高中地理大气运动知识点高中地理大气运动知识点
一、大气环流
大气环流是指大气高空流动规律的总称，主要分为赤道低压带、副热带高压带、温带低压带、南北极高压带四个环流系统。
其中赤道低压带总体向东风、南北极高压带则总体向西风。
这些环流系统的运动影响着全球的气候和天气。
二、洋流
洋流是指海水的长周期潮汐流动，是海洋的重要运动形式。
主要分为赤道洋流、海洋边缘洋流、温暖海流与寒冷洋流四种大类。
洋流的运动不仅受到地球自转和大气运动的影响，也受到地形、海盆形成、海洋生态系统的影响。
三、风
风是一种气体运动，是自然界中常见的气体输运过程之一。
风是由温度、气压、湿度等因素引起的气体流动，可以分为地表风、高空风、季节风、逆温风等多种类型。
风对天气气候的影响主要表现在气压分布、气温、降水等方面。
四、地球自转
地球自转是地球相对于固定天体（如太阳）的自转运动，使得地球表面的自然物理环境具有了昼夜交替、地理位置、地球椭球度、地球自转偏角和地球自转的平均速度等特点。
五、温室效应
温室效应是指温室气体（如二氧化碳、甲烷、氮氧化物等）在大气中吸收和散射太阳辐射和地球辐射的过程，导致地球低层大气温度升高的现象。
其中二氧化碳是温室气体的代表，而人类活动（如工业、交通等）的发展导致二氧化碳排放大量增加而引起温室效应。
温室效应对全球气候变化、生态系统的平衡等造成了严重的影响。
以上为高中地理大气运动知识点的简要介绍，希望能够帮助同学们理解地球自然环境的复杂性和气象学原理。
同时，也需要注意保护环境，减少温室气体的排放，为地球的未来创造美好的发展前景。
高考地理大气运动
大气运动大气运动理论上是三圈环流，其特点就是全球性的有规律的形式。
单圈环流假设地球表面是均匀一致的，并且没有地球自转运动，即空气的运动既无摩擦力，又无地转偏向力的作用。
那么赤道地区空气受热膨胀上升，极地空气冷却收缩下沉，赤道上空某一高度的气压高于极地上空某一相似高度的气压。
在水平气压梯度力的作用下，赤道高空的空气极地上空流去，赤道上空气柱质量减小，使赤道地面气压降低而形成低气压区，称为赤道低压；极地上空有空气流入，地面气压升高而形成高气压区，称为极地高压。
于是在低层就产生了自极地流向赤道的气流补充了赤道上空流出的空气质量，这样就形成了赤道与极地之间一个闭合的大气环流，这种经圈环流称为单圈环流。
事实上地球时刻不停地自转着，假使地表面是均匀的，但由于空气流动时会受到地转偏向力的作用，环流变得复杂起来。
三圈环流赤道上受热上升的空气自高空流向高纬，起初受地转偏向力的作用很小，空气基本上是顺着气压梯度力的方向沿经圈运行的。
随着纬度的增加，地转偏向力作用逐渐增大，气流就逐渐向纬圈方向偏转，到30°N附近，地转偏向力增大到与气压梯度力相等，这时在北半球的气流几乎成沿纬圈方向的西风，它阻碍气流向极地流动。
故气流在30°N上空堆积并下沉，使低层产生一个高压带，称为副热带高压带，赤道则因空气上升形成赤道低压带，这就导致空气从副热带高压带分别流向赤道和高纬地区。
其中流向赤道的气流，受地转偏向力的影响，在北半球成为东北风，在南半球成为东南风，分别称为东北信风和东南信风。
这两支信风到赤道附近辐合，补偿了赤道上空流出的空气，于是热带地区上下层气流构成了第一环流圈(Ⅰ)，称信风环流圈或热带环流圈。
极地寒冷、空气密度大，地面气压高，形成极地高压带。
在北半球空气从极地高压区流出并向右偏转成为偏东风，副热带高压带流出的气流北上时亦向右偏转，成为中纬度低层的偏西风。
这两支气流在60°N附近汇合，暖空气被冷空气抬升，从高空分别流向极地和副热带。
大气的运动规律
C.美国大平原麦收正忙 D.我国东北地区寒冷干燥
解析 第（1）题，采用画图法判断风向。首先过N点 画箭头指向低压方向的等压线垂线，表示水平气压 梯度力；然后沿箭头方向画向右偏转的风向箭头 （此地位于北半球），据此可以判定方向为东北风 （根据经纬网确定方向，经线指示南北，纬线指示 东西）。第（2）题，出现阴雨天气的原因包括位于 气旋中心、位于冷锋锋后、位于暖锋锋前或者位于 低压槽内等。M、N地位于高压脊上，气流辐散下沉， 天气晴朗；P地位于低压槽内，且大致与槽线重合， 多阴雨天气。第（3）题，M地位于新疆境内，月平 均气压最高值出现在冬季，据此确定正确选项。A项 排除，因为此时巴西高原正值雨季；B项排除，因为 尼罗河的丰水期是6~10月；C项排除，因为小麦的 收获期是夏初;D项正确,我国东北冬季寒冷干燥。 答案 （1）A（2）C（3）D
（3）热力环流原理的应用
白天陆地增温快，气压低，风由海洋吹
常 见
向陆地，为海风；夜晚相反
的海 热陆 力风 环
流
（3）热力环流原理的应用
白天陆地增温快，气压低，风由海洋吹
常 见
向陆地，为海风；夜晚相反
的海 热陆 力风 环
流
白天山坡增温快，气压低，风由山谷吹
常
向山上，为谷风；夜晚相反
见
的山 热谷 力风 环
（2）东亚季风和南亚季风的比较 季风环流以亚洲东部最为典型。东亚地处世界最大的 大陆——亚欧大陆，面临世界最大的海洋——太平洋， 海陆间的热力性质差异最大，其形成的季风环流也最 典型。东亚北部为温带季风，南部为亚热带季风;南亚 为热带季风。东亚、南亚季风的比较见下表：
东亚季风
温带季风、亚热带季风
受地转偏向力影响，风向相对于
高空 水平气压梯度力北半球右偏，南
大气运动规律
一 基本作用力
基本力是大气与地球或大气之间 的相互作用而产生的真实力，它 们的存在与参考系无关。
气压梯度力,地心引力,摩擦力
1. 什么是气压梯度力
气压梯度: 由于大气中气压分布不 均匀所造成的作用于单位体积空 气上的的力．
描述气压场不均匀程度的物理量
气压梯度力: 由于大气中气压分布 不均匀所造成的作用于单位质量 空气上的的力。
dVa 1 p G F
dt
2. 相对运动方程
在相对坐标系中的相对运动方程为： g为重力
dV 1 p 2Ω V g F
dt
对于中纬度大尺度运动，可取主 要项，得到简化方程组：
f
v
1
p x
f
u
1
p y
p
z
g
三 大气连续方程
大气运动不仅遵循牛顿运动定律， 而且还受质量守衡定律的约束。表 示大气质量守恒定律的数学表达式 称为连续方程。在一个固定的几何 空间内，根据质量守恒原理，其中 流体质量变化取决于流体从四周流 入与流出量之差。
-dp=p-(p+dp)
p+dp
dz dz
p
ρgdz
图 3.10 静止大气中垂直方向力的平衡
在静力平衡条件下，薄气柱受的净 压力应与重力相等，于是有：
dp gdz
大气运动方程
在惯性坐标系中，大气运动满足 动量守衡定律其方程可直接用牛 顿第二定律来描述.
1. 绝对运动方程
若不考虑地球的旋转运动，大气 运动方程可直接用牛顿第二定律 来描述，其绝对运动方程可写为： G 为地心引力
三 旋转坐标系中的重力
在随地球一起旋转的坐标系中， 相对地球静止的物体或空气块， 同时受到地心引力和惯性离心力 的作用,二力之和为重力 。
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地面冷高压，高空低压 地面暖低压，高空高压
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万有引力 摩擦力
气压梯度力
施力对象 受力对象
真实力
非惯性坐标系下，情况如何？？
4、惯性离心力 非惯性坐标系下静止的物体：
A点有一小球，随圆盘一起逆 时针旋转. 小球相对转盘静止.
r
A
惯性坐标系（圆盘外的人）：
小球是旋转的，有向心力 2R
垂直于地球自转角速度 和速度 V ；
So，地转偏向力不做功，只改变运动方向。
背风而立，地转偏向力指向运动方向的右边（北半球） 地转偏向力指向运动方向的左边（南半球）
V A
A V
北半球 向右偏
南半球 向左偏
伟大的发现
科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）
生平简介：
主要贡献
空间上的一个点，既有质量又有体积； 每个质点具有稳定的物理量。
流点是一个物理上的点，与数学上的点有区别。
将离散分子构成的实际流体看成由无数个上述流体质点没有 空隙连续分布而构成，这就是连续 介质假设。
二、作用于 “流点” 的力
1、万有引力
Fg
GMm r2
r r
r
M
m
2、摩擦力 外摩擦力：空气与地表之间的摩擦力 内摩擦力：空气之间的相对运动产生的摩擦力
• 1792年5月21日出生于法国巴黎军官家庭 • 1816年，跟随著名数学家柯西在巴黎工艺学校进行数学
辅导 • 1829年成为巴黎中央艺术和制造学校力学教授 • 1830年后接替了柯西的所有工作 • 1836年当选为法兰西科学院力学部院士 • 1843年9月19日在巴黎病逝，享年51岁
• 研究领域：力学、工程数学、摩擦水力学 • 首先提出“功”和“动能”等科学概念 • 1835年，提出了科氏力，解决牛顿第二定律在旋转系的应用问题
两地之间存在气压梯度的话，气压梯 度就会把两地间的空气从气压高的一边 推向气压低的一边，于是空气流动，产 生了风
气压梯度力
30
气压梯度可以从天气图上看出
地面的等压线
500hpa(mb)等压面上的等高线
31
等压面和等高线
32
三维显示等压面和等高线
33
立体显示等压面和等高线
34
等压面上的等高线就好比在山 地表面画等高线
固定点，由O向A抛出小球
v
A
o
正上方视图
o
A t1 t2 t3 t4 t5
t1 t2 tt35t4
A
计划做匀速直线运动的兔子，在非惯性坐标系下 的运动轨迹却是曲线，且偏向于运动方向的右侧。
Why ??
r rr 引入地转偏向力， A 2 V
地转偏向力的性质：
1、大小：与速度成正比
2、方向：
r
r
t=t1 v=？ s=？
分析步骤：1、建立坐标系 2、分析小方块的受力情况
3、建立方程：F=ma
v0=0
4、求解方程得到t1时刻的v和s
怎么分析大气运动？
分析步骤：1、建立坐标系 2、分析空气的受力情况 3、建立方程 4、求解方程得到t1时刻的v和s
§1、坐标系
运动总是相对的
建立相应的坐标系
Run with Bolt ?
矛盾
非惯性坐标系（圆盘）： 小球是静止的
因此，对于非惯性坐标系（圆盘），小球受向心力， 但又是静止的，这是矛盾的，不满足牛顿运动定律。
引入惯性离心力，大小与向心力相等，方向相反.
r C 2R
5、地转偏向力
t=0
t=1
t=2
t=3
物理模型—转盘试验
试验设置：O点固定在转盘中心，A位置为转盘外
p1dydz ( p1 p dx)dydz p dxdydz
x
x
因此，单位质量的空气微团，
x方向的气压梯度力为：
Px：
p x
dxdydz
1
p
dxdydz x
同理， Py：
1 p
y
Pz：
1 p
z
写成矢量形式：
uur PG
1
(
p
r i
x
p y
r j
p z
r k)
气压梯度力性质：
1、气压梯度力大小：与气压梯度成正比 2、气压梯度力方向：由高压指向低压
气旋风暴把撒哈拉沙尘输送到 北大西洋
3
风欲静 而树不止
风和树
4
气流越过山地后形成的涡旋
5
大气是一种流体
在高中物理的力学部分, 我们学习的主要 是固态物体的运动.大气是一种流体，现在 , 我们从流体力学的观点出发来学习大气 的运动.
6
怎么分析大气运动？
光滑表面
推力F
t=0 v=0 s=0
x
系，其余情况采用局地直角坐标系。
§2、受力分析
Q1：对谁做受力分析？ Q2：受到哪些力？
一、空气微团（流点、质块、质点）与连续介质假设
假设：流点的线尺度为L2
分子的平均间距为L1
L1
流动（运动）范围线尺度为L3
L2
L3
则： L1 << L2 << L3
即：要求流点足够大，包含足够多的气体分子 要求流点足够小，相对于运动范围可看成一个点
地球是旋转的，是非惯性参考系
局地直角坐标系
n s
n
p
s 自然坐标系
球坐标系
x
纽约
北京
x
北京的西风 Vs 纽约的西风
局地直角坐标系：
X方向：与纬圈相切，向东为正 Y方向：与经圈相切，向北为正 Z方向：向上为正
在地球上可随意移动，在地球上的不同地点（X,Y,Z）的方向 是变化的；
在一个不大的范围内，又可以将（X,Y,Z）的方向看成不变； 考虑全球范围或极地地区的大气运动问题时必须采用球坐标
第三章 关于大气运动的 基本规律
为什么要分析大气运动？
大气运动的状态及其变化对发生在大气中的各种物理 化学过程以及相应的天气气候有重要的影响，甚至于 决定性的影响。
1903年，挪威气象学家V.Bjerknes提出：天气预报问 题不过是一组控制大气运动的动力和热力物理方程的初 值问题，天气预报就是这一数学方程组的解。
参考系
要描述一个物体的位置和运动情况， 就应该首先选定其他物体作为标准， 并假定它是静止的，被选作标准的 物体叫做参考系。
惯性坐标系：适用于牛顿运动定律的参考系 相对于恒星是固定的
坐 标
F=ma
系
局地直角坐标系
非惯性坐标系： 球坐标系
柱坐标系
自然坐标系
F≠ma
参考系如何选择，原则上是任意 的。在气象研究中通常都选地球--气压分布不均匀造成
长方体：dx，dy，dz，密度ρ 则：m= ρ dxdydz
z
P1
P2
F1
y
dz
F2=？
dx dy
X
单位长度 气压的增长为：
A
A= p
x
P2 ----- 大小： P1+A*dx
p1 p dx x
方向：与x轴正方向反向
即：
P2
( p1
p x
dx)
因此，x方向的受到的力为：