大气平均流场特征
第二章大气运动的基本特征
第二章 大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在时间和空间上具有很宽的尺度谱，天气学所研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
对这些运动，可忽略离散的分子特性，可以视大气为连续的流体介质，表征大气状态的物理变量（如气压、密度、温度）在大气这具有单一的值，这些场变量和它们的导数是空间和时间的连续函数，控制大气运动的流体力学和热力学基本定律可以用场变量作为因变量和空间、时间变量作为自变量的偏微分方程表示。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
§2—1 影响大气运动的作用力一、 基本作用力影响大气运动的基本作用力：是指大气与地球或大气之间的相互作用而产生的真实力，它的存在与参考系无关。
1、 气压梯度力：作用于单位质量的气块上的净压力，称为气压梯度力。
当气压分布不均匀时，气块会受到净压力的作用。
P G ∇-=ρ1（1）其中，ρ为气块密度， k zp j y p i x p P∂∂+∂∂+∂∂=∇称为气压梯度力。
P ∇是由于气压分布不均匀而造成的。
气压梯度力与气压梯度成正比，与密度成反比。
方向指向P ∇-的方向，即由高压指向低压的方向。
2、 地心引力由牛顿万有引力定理说明，宇宙间任何两个物体之间都具有引力：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=r r r GMm F g2所以，地球对单位质量空气的引力（地心引力）为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=r r r GM m F g2 设：地球的半径为a（地心到海平面的距离），海拔高度为z，则()()⎪⎭⎫⎝⎛+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=r r az a Gm r r z a GM g222*112*01⎪⎭⎫⎝⎛+=a z g 在气象学范围内，z 的值一般为数十公里，而地球半径a 竟达6000多公里，故**g g ≈可作为常数。
地心引力始终是作用于大气的真实的力。
3、 摩擦力大气是一种粘性流体，它同任何实际流体一样都受内摩擦的影响。
1 第一讲、大气环流
3、三圈环流
3.1 Hadley （哈得来）环流的形成
赤道上空向北流动的气流， 在柯氏力的作用下向右偏转，在 30ºN左右转为西风，并在此处辐 合，质量堆积，地面气压升高， 并且冷却下沉，下沉气流辐散， 其中向南的一支在柯氏力影响下 右偏，转为东北风，此风系稳定， 称为东北信风，在南半球为东南 信风，两支信风在赤道汇合上升， 从而构成直接环流圈，称为 Hadley环流
2 Fc R
2 重力： g g R a
地转偏向力： C 2 V 由于地球旋转及空气微团相
对于地球有运动而产生。垂直于Ω和V,且在北半球指向运 动的右方。因为垂直于V，所以，Coriolis力对空气微团 不做功，只能改变速度的方向，不能改变速度的大小，故 Coriolis力又有地转偏向力之称。
4.2 平均经向风分量的经向分布
北半球冬季，30°N以南的对流层低层，有较强的平均偏北风， 约最大3.5米/秒，200~300mb之间有明显南风分量中心，最大平 均风速为2.5米/秒。 40 °N以北低层平均为南风，高层平均为北风，但是平均风速都 不足1米/秒。 北 南
南
北
4.2 平均经向风分量的经向分布
假设：地球没有自转、 地表均一，极地赤道间
的经向环流——一圈环
流
3、三圈环流
在考虑了地球自转的条件下，一圈环流模式将不会 存在，大气环流将变得更复杂一些。 关键：在存在相对于地球运动的时候，产生地转偏向力。 北半球指向右，南半球指向左。 假设：地表均一 缺点：不考虑地形的影响
地转偏向力
惯性离心力：
79
5.1 大气活动中心（1月份）
西伯 利亚 高压
冰岛低压
拉萨（贡嘎）机场气候特征和对航班运行的影响
拉萨（贡嘎）机场气候特征和对航班运行的影响作者/李积富（运控中心签派室）我公司位于青藏高原东缘的四川，对高原机场的开辟飞行将会越来越多。
为了更高效地利用高原天气资源，寻找公司高原航班计划的优化编排方案，寻找最优航线选择依据，寻找航班运行监控工作中气象保障的有效手段和择重点，使我们公司飞行高原机场的航班采用更安全，更经济的程序，使运行监控工作执行得更好，对青藏高原天气影响航班情况开展研究，己经显得非常紧迫了。
1、地理位置和地形将征拉萨（贡嘎）机场位于青藏高原腹地，西藏高原东南部，雅鲁藏布江河谷南侧。
周围地形复杂，南北两侧均为高山，山势陡峭，雅鲁藏布江从两山中间穿过，形成东西长约42KM，南北宽约6—9KM的河谷。
河谷东宽西窄，呈葫芦形。
雅鲁藏布江自西向东流经本场北侧，主河道与本场最近处为0.5KM。
雅鲁藏布江水位随季节变化较大，雨季为洪水期，江面宽阔；干季为枯水期，水量较少。
河床裸露部分一般为干燥的沙土覆盖，往往成为浮尘、扬沙的源地。
拉萨（贡嘎）机场位于北纬29°18′，东经90°55′,在拉萨市的真方位209°，45KM处。
机场标高3569.5米。
机场西北方15公里为拉萨河与雅鲁藏布江交汇处，西南方向约22KM处为羊卓雍湖，羊卓雍湖是西藏高原南部大型淡水湖泊，面积约678平方公里，蓄水量160亿立方米，湖面海拔高度约4400米，雨季为丰水期，干季为枯水期。
羊卓雍湖为机场雨季雷雨提供了大量的水汽资源。
机场净空条件差，半径50KM范围内有许多山峰，海拔高度多在4500米以上，对飞机起飞、降落影响很大。
跑道东端13.9KM处有一鱼背型小山，高出机场18.5米。
跑道西端15.1KM处有一小山，高出机场520.5米。
2、机场设施和运行限制贡嘎机场为4E级机场，有两条跑道，主跑道为水泥质。
跑道方向为89°和269°，长4KM，宽45米，厚0.32至0.34米。
海洋科学导论 第八章_大气与海洋
大气的平流层
平流层：对流层顶向上至50km左右的气层。 特点：底层温度变化不大，上部温度增高 明显。使得大气很稳定，呈现出明显的成层 结构，铅直运动弱，多为平流运动且尺度大。 水汽少，没有各种天气现象。空气尘埃少， 大气的透明度高。
夜光云：高纬度地区黄昏前后，冰晶或尘埃组成。
分子氧和原子氧
地球大气的成分
大气高层：主要为氮、氧，其他气体少。 氧气：占地球大气质量的23%，是动植物赖以生存和繁殖 的必要条件。 臭氧：10～40km高度，极大值在20～25km附近。强烈吸收 太阳紫外辐射0.2～0.3μm的能力。其浓度会对气候变化和 人类生活带来巨大影响。 二氧化碳：0.03%,多在20km以下。主要是有机物燃烧、腐 烂和生物呼吸过程中产生的。吸收长波辐射，放出长波辐射。 “温室效应”。 除上述气体外，还含有水汽及其液态、固态微粒。 湿空气：含水汽的空气。主要来源于海洋表面蒸发。
可变成分：比例随时间、地点而变。其中包 括水汽、二氧化碳、臭氧和一些碳、硫、氮的 化合物。
地球大气的成分
干空气：除水汽以外的纯净大气称为干洁大气， 简称干空气。其中氮、氧、氩三种气体就占了空 气容积的99.66％，如果再加上二氧化碳，则剩下 的次要成分所占的容积是极微小的。
85km以下，大气运动和分子扩散导致混合均匀， 干空气中各成分比例维持常定，相当于摩尔质量 为28.9644g/mol的单一气体。
通常把有天气意义的大气运动，按其水平尺度 而粗略地分为：大尺度系统，中尺度系统，小尺 度系统，微尺度系统。
水平尺 垂直尺
度
度
水平速 度
垂直速 度
生命史
2、 自由大气的地转平衡运动
自由大气：在1～1.5km以上的大气中，摩擦力很小，可以忽略不计。
大气湍流——精选推荐
⼤⽓湍流⼤⽓湍流胡⾮⾃然界中的流体运动存在着⼆种不同的形式：⼀种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象，例如靠近燃烧着的⾹烟头附近细细的烟流；另⼀种则显得杂乱⽆章，看上去毫⽆规则，例如烟囱⾥冒出来的滚滚浓烟，这就是湍流，也叫紊流，在⽇⽂⽂献中被叫作“乱流,更容易顾名思义。
相对来说层流却是很少见的。
我们⽣活的地球被⼤⽓所包围，⼴义地讲，整个地球⼤⽓系统都可以看作是处在具有宽⼴尺度湍流运动的状态，因此湍流研究具有极为重要的科学意义和实际应⽤价值。
⼤⽓湍流以近地层⼤⽓表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流运动的具体表现。
⼤⽓湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能使⼤⽓中的动量、热量、⽔汽、污染物等产⽣强烈混合和输送，能对建筑物、飞⾏器等产⽣作⽤和影响，还会使⼤⽓折射性质发⽣变化从⽽导⾄电磁波和声波被散射，湍流是⼀种开放的、三维的、⾮定常的、⾮线性的、并具有相⼲结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于⼀⾝。
⾃从1883年Reynolds做了著名的实验以来，⼀百多年⾥⼀直是科学的前沿和挑战性问题之⼀。
历史上，包括von Karman、Kolmogorov、Landau和周培源在内的许多著名科学家对湍流的研究均未获得⼤的成功。
在跨越了两个世纪之后的今天，尽管⼈们对湍流发⽣机理和湍流运动规律的了解有了很⼤的进展，湍流研究在⼯程技术上的应⽤也取得了很⼤的成就，但是就其本质上来说，对湍流的认识还很不全⾯，还有很多基本的问题没有搞清楚。
例如：⽬前为⽌，科学家们还给不出湍流的严格科学定义，也没有找到对湍流的解析和定量描述⽅法；尽管知道了控制流体运动的Navier-Storkes⽅程，但是由于该⽅程是强⾮线性、⾼⾃由度的偏微分动⼒系统，因⽽对其解析求解⼏乎是不可能的；Reynolds平均⽅程则遇到“不封闭”困难；湍流模式理论同样也因为对物理机制缺乏理解⽽并不很成功。
总之，湍流仍然是摆在全世界科技⼯作者⾯前的难题。
天气学原理问答题汇编5
另一方面，地面的辐合气流（按涡度方程）必有正涡度生成，以适应该处地面降压所需要的流场。
通过上述分析可以看出：主要是高空槽前的正涡度平流促使了地面气旋的发展。
也可以说，是上下层涡度平流的差异（地面低压中心涡度平流很弱）促使了地面气旋的发展。
我们称它为气压变化的涡度因子。
从此过程中，还可以看出：气旋发展必然伴有上升运动。
在水汽条件适宜情况下，也必伴有云雨天气。
也可以看出：上升运动在高层辐散和低层辐合，使流场和气压场趋向于新的地转平衡过程中，有着不可缺少的作用。
这是大气中存在着的非常重要的物理过程特点：同样的道理，在高空槽后脊前区，为负涡度平流区，有着与槽前脊后区完全相反的物理过程。
那个地区存在下沉气流，地面高压加强。
问题：请讨论如图3.12所示的温度场位相落后于气压场情况下，温度平流因子对高低系统发展的物理过程。
现在来看看温度平流（我们也称它为热力因子）对高低空气压场变化和流场变化的作用。
我们也来看图3.12中高空槽线上冷平流对槽线发展的作用。
冷平流使气柱温度降低，按静力学原理，等压面之间的厚度必减小，如果地面气压场不变化，则高层等压面必下降，高空槽加深。
这时气压场与流场不适应，在变化的气压梯度力的作用下，高层产生辐合气流。
这个辐合气流：一方面按涡度方程规律产生正涡度流场，以与高层下降的等压面产生地转适应；另一方面使气柱质量增加，地面加压，这样也使地面气压场与流场也不适应了，在加压场的作用下，近地面层产生辐散气流。
这个辐散气流：一方面按涡度方程规律产生负涡度流场，以与地面的加压场产生地转适应；另一方面使气柱质量因辐散流出，使地面加压程度得以减弱。
在高层辐合，低层辐散区，按质量守恒原理，必有下沉运动。
而下沉运动又会绝热增温，部分抵消了冷平流的作用。
使高层减压不致太快，使上述的整个变化过程在缓慢中进行，在近似地转平衡状态下进行。
由此可得结论：冷平流使高层降压，低槽加深；使地面加压，同时必伴有下沉运动。
同理可得结论：暖平流使高层加压，高压脊加强；使地面降压，同时必伴有上升运动。
大气平均流场特征
大气平均流场特征1.大气平均流场的垂直结构：大气平均流场可以被分为不同的垂直层次，包括对流层、平流层和中间层。
在对流层中，垂直气流通常是不稳定的，而在平流层和中间层中，垂直气流是较为稳定的。
这种垂直结构决定了不同层次的风场模式和环流特征。
2.副热带高压带和副热带低压带：在大气平均流场中，副热带高压带和副热带低压带是两个重要的环流系统。
副热带高压带位于赤道向30°纬度之间的区域，其特点是下沉气流，高气压和较为稳定的天气。
副热带低压带位于副热带高压带和极地之间的区域，其特点是上升气流，低气压和多变的天气。
3.东风带和西风带：在大气平均流场中，赤道附近的东风带和副热带的西风带是两个重要的风带。
东风带位于赤道附近的30°纬度以内，其特点是东风持续，传统上也被称为"信风带"。
西风带位于副热带和极地之间的区域，其特点是西风持续，传统上也被称为"逆风带"。
这两个风带在大气平均流场中起到了重要的作用，对于气象和航空领域具有重要的意义。
4.季风环流和季风带：季风环流是大气平均流场中的典型现象，主要出现在亚洲的东南部和南部。
夏季，大陆上升气流形成低压带，海洋上形成高压带，导致从海洋到陆地的气流形成季风。
冬季，情况则相反，陆地变得冷，海洋变得相对暖和，导致从陆地到海洋的气流形成季风。
5.大气环流带：在大气平均流场中，沿经度方向存在着环绕地球的大气环流带。
赤道附近的赤道低压带是大气环流的中心，赤道低压带南北两侧的副热带高压带和极地高压带分别是大气环流的东、西两侧边界。
大气环流带的存在是由于地球自转和辐射加热的不均匀性。
6.季节性变化：大气平均流场在季节间会有显著的变化。
季节性变化主要是由地球轨道的倾角和地球自转引起的。
例如，在夏季，副热带高压带会向北移动，东风带和季风带会形成。
而在冬季，副热带高压带会向南移动，西风带会形成。
综上所述，大气平均流场的特征包括垂直结构、副热带高压带和副热带低压带、东风带和西风带、季风环流和季风带、大气环流带以及季节性变化。
天气学原理和方法--第4章--杨学斌--整理
系统也发生变化叫上游效应，反之称为下游效应。 （3） 对我国而言，在西风带中的上游是乌拉尔山地区，欧洲北大西洋和北美东岸三
个关键地区，下游是北太平洋。 （4） 波束随波长而变的波称为频散波。
10． 阻塞高压与切断低压 （1）阻塞形势：常把阻塞高压出现后的大范围环流形势称为阻塞形势。阻塞形势的基 本特征是有阻塞高压存在并且形势稳定。 （2）阻塞高压： 1）在西风带中长波槽脊的发展演变过程中，在脊不断北伸时，其南部与南方暖空气的 联系会被冷空气所切断，在脊的北边出现闭合环流，形成暖高压中心，叫做阻塞高压。 阻塞高压具备以下三个条件： ①中高纬度高空有闭合暖高压中心存在， 表明南来的强盛 暖空气被孤立于北方高空；②暖高压至少维持三天以上；③在阻塞高压区域内，西风急 流主流显著减弱，同时急流自高压西侧分为南北两支，绕过高压后再会合起来，其分支 点与会合点的范围一般大于 40～50 个经度。 2）阻高的后退有两种情况，一是连续后退，一是不连续后退。 3） （3） 切断低压： 1）在西风带中长波槽脊的发展演变过程中，在槽不断向南加深时，高空冷槽与北方冷 空气的联系被暖空气切断， 在槽的南边形成一个孤立的闭合冷性低压中心， 叫做切断低 压。 2）切断低压的形成过程有两种情况，一种与阻高相伴出现，另一种是西风槽切断，不 伴有阻塞高压。 3）切断低压的消失过程有两种，一是由于本身的摩擦作用，在向西南移动过程中逐渐
3． 北半球的罗斯贝三圈径向环流模式中，从南向北依次是哈得来环流、费雷尔环流、 极地环流。其中哈得来环流、极地环流是直接环流圈，费雷尔环流是间接环流圈。 4． 热带和极地东风带中，地球通过摩擦作用给大气一个向东的转动力矩，即东风带的 大气获得地球给予的西风角动量；在中、高纬度的西风带里，地球通过摩擦作用给大气 一个向西的转动力矩，大气本身也就损耗了西风角动量。 5． 极地和热带东风带中， 山脉的气压力矩作用将使地球获得向西的角动量而减速向东 转动，即大气得到了西风角动量而使东风减弱；在西风带中，山脉的气压力矩作用将使 地球获得了向东的角动量，加速向东转动，西风带的大气也因此损耗了西风角动量，西 风将减小。 ※大气在东风带中通过摩擦作用和山脉作用从地球表面获得西风角动量， 而在西风带又 由于摩擦和山脉作用失去西风角动量。 6． 大气内部角动量的水平输送主要是靠平均径向风角动量的水平输送， 定常挠动和非 定常挠动对 u 角动量的水平输送。 7． 气象学中把能量分为动能、位能和内能三种基本形式。在静力平衡系统中位能和内 能合并称为总位能，其中能够转换为动能的部分约占总位能的 0.5%，称它为有效位能。 平均而言，两极地区有能量净亏损为能汇，而赤道和低纬则有净盈余成为能源。
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大气平均流场特征
大气平均流场特征是描述大气运动模式的统计量，包括平均风速、风向、温度、湿度等。
它们对气候、天气和空气污染等重要气象和环境过程
有着重要影响。
本文将从大气平均流场特征的观测方法、形成机制和影响
因素等方面进行详细探讨。
首先，观测大气平均流场特征的主要方法有地面观测、航空观测和卫
星观测。
地面观测包括气象站和气象雷达等设备，通过观测风速、风向和
温湿度等参数，可以获取地面上的大气平均流场特征。
航空观测通过飞机、无人机等载具携带气象仪器进行，可以获得不同高度上的大气平均流场特征。
卫星观测则通过卫星搭载的遥感仪器，远距离观测地球大气的状态，
可以获得全球尺度上的大气平均流场特征。
其次，大气平均流场特征的形成机制主要有地球自转、地形和地表特征、气候变化和天气系统等因素。
地球自转导致地球表面的大气受到科里
奥利力的影响，形成经纬度方向上的大气旋转，从而形成经向风。
地形和
地表特征则会影响大气的流动，如山脉会产生局地风系，海洋会形成季风
系统等。
气候变化和天气系统则会影响大气平均流场特征的时间和空间变化，如气旋、锋面和高压系统等。
最后，大气平均流场特征受到多种因素的影响，包括大气的密度、温度、湿度、气压等参数，地形和地表特征，海洋和陆地等。
大气的密度、
温度和湿度影响着大气运动的强度和方向，而地形和地表特征则会改变大
气流动的路径和速度。
海洋和陆地的温差会形成季风系统，对大气平均流
场特征产生重要影响。
综上所述，大气平均流场特征是描述大气运动模式的统计量，对气候、天气和空气污染等具有重要影响。
观测大气平均流场特征的方法有地面观测、航空观测和卫星观测。
大气平均流场特征的形成机制涉及地球自转、
地形和地表特征、气候变化和天气系统等因素。
大气平均流场特征的影响
因素包括大气的密度、温度、湿度、气压，地形和地表特征，海洋和陆地等。
深入研究大气平均流场特征对于预测气候变化、天气预报和环境保护
具有重要意义。