气象学基础第二章

第二章大气静力学第一节大气静力学基本方程静止大气中，对每一薄层大气来说，它所受到的力有重力和垂直方向上的气体压力（气压梯度力）一、重力：是纬度的函数，随纬度增大而增大二、大气静力学方程1、大气静力学问题：大气在垂直方向上的气压分布2、公式推导（静力方程三个形式）3、物理意义：它描述了大气压力、密度和高度之间的联系。高度差为dz的高度桑的压力差应等于两高度之间单位截面积上的空气柱所受的重力。4、三点结论第一、气压随高度增加而减小第二、由于g随高度变化很小，所以气压随高度减小的快慢主要决定于密度。第三、将大气静力学方程从任意高度z积分到大气上界，则（公式）表明任意高度z处的气压P等于从该高度向上到大气上界的单位截面积垂直气柱所受的重力。三、气压垂直梯度就是每升高（或降低）单位距离，气压减小（或增大）的数值，通常用zG表示（公式）四、单位气压高度差是指垂直气柱中，没改变单位气压（通常为1百帕）所需要的上升或下降的高度。单位气压高度差又成气压阶，用h表示，即：（公式）h的大小可以表示气压随高度变化的快慢用途：求海平面气压气压测高法第二节压高公式一、几种大气的压高公式1、均质大气假定大气密度不随高度变化，常数）（z的大气公式推导均质大气在大范围是不存在的，但在炎热的夏天中午前后，在沙漠地区，由于地面受热太甚，在某一高度之下，可以出现暂时的局部均质大气。2、等温大气温度不随高度变化的大气公式推导等温大气的盖度是无限的。在实际工作张，可将大气分成若干个层次，分别求各层次的平均温度，代入公式计算，然后将各层高度累加起来，就可以得到整个气层的压高关系。3、多元大气假设在大气的垂直方向上温度的递减率为一常数，即大气温度是高度的线性函数，具有这样的大气称为多元大气。公式推导：重点均质大气和等温大气是多元大气的两个特例4、标准大气的压高公式人们根据大量高空探测的数据和理论，规定了一种特性随高度平均分布的最接近实际大气的大气模式，称为标准大气。世界气象组织的定义：所谓标准大气，就是能够粗略地反应出周年、中纬度状况的，得到国际上承认的，假定的大气温度、压力和密度的垂直分布。在11千位势米以下，大气温度随高度降低，平均温度垂直梯度值取0.65度/100米11-20千位势米为等温大气二、压高公式的运用，1、气压测高法：根据不同的高度点的气压值和他们之间气柱的平均温度，可求出亮点之间的高度差2、根据站点的海拔高度、气压和平均温度，可求海平面气压另外，为了得到比较精确的数值，必须对温度加以订正，也就是用平均虚温来代替平均温度。第三节重力位势一、重力位势（位势）：1、重力位势：将单位质量空气从海平面沿任意路径S提升到某一高度A，其克服重力所做的功。称为A点的位势，定义海平面上位势等于零。引人目的：为了理论计算和应用方便，数值上与几何高度相近，但是，它是能量单位。2、位势米：重力位势的单位为焦耳/千克，以9.8焦耳/千克定为一个单位，并称之为位势米，它是一个度量等压面高度的能量单位。3、等位势面：在重力场内空间每一点都有某一确定的位势值，位势值相等的点组成的面，称为等位势面。等位势面处处与重力相垂直，等位势面就是通常所说的水平面。相邻位势面间的距离与该纬度上的重力加速度值成反比。所以相邻位势面之间的距离随高度增加而增加。赤道大于极地，高空大于低空二、等压面的位置高度由空间气压相等的各点所组成的曲面称为等压面。位势高度公式（位势气压公式）：绝对位势高度表明1、气柱的平均虚温越高，两等压面之间的厚度越大2、当气柱的平均虚温相同时，高压上空的其他比低压区上同高度的气压高。3、当平均虚温变化1度时，等压面的相对位势的变化为气压越低，改变值越大。4、当气层平均虚温一定时，等压面的绝对位势受海平面上气压改变的影响都是一样的。总的来说，海平面气压越高，气柱的平均虚温越高，则等压面的绝对位势高度越大。平均来说，850百帕对应1500位势米，700百帕对应3000位势米，500百帕对应5500位势米，这是天气分析的一般规律。第四节：气压的空间分布气压场：气压的空间分布称为气压场一、等高面图等高面和等压面在空间交割成许多曲线，这些交线就是等高面图上的等压线。目前气象台在天气预报工作中绘制的地面天气图，就是高度为零的海平面天气图。二、等压面图实际气象工作中，都采用等压面图来表示高空气压分布。应用绘制地形等高线的方法来绘制等压面的等高线，以表示等压面的空间起伏情况。等压面具有以下特点：上层等压面的气压值总是小雨下层等压面的气压值；等压面与登高面不能相交。实际大气中，等压面与等高面并不重合，而是呈倾斜状态。气象台绘制的高空天气图就是等压面图。三、气压场的基本型式1、高气压：也称为反气旋。由闭合等压线构成，中心的气压比四周高。其空间等压面向上凸起，形如山丘。2、高压脊：由高气压延伸出来的狭长区域，叫高压脊，或简称脊。此外，一组未闭合的等压线向低压的一方突出的部分，也叫高压脊。脊附近的空间等压面形如山脊。高压脊中各等压线曲率最大处的连线，称为脊线。脊线上的气压值比两侧都高。3、低气压：也称为气旋。由闭合等压线构成，中心气压比四周低。其空间等压面向下凹，形如盆地。4、低压槽：从低压槽延伸出来的狭长的区域，叫做低压槽。次外，一组未弥合的等压线向气压较高的一方突出的部分，也叫做低压槽。槽附近空间的等压面形如山谷，低压槽中各条等压线曲率最大的连线，称为槽线，槽线上的气压值比其两侧都低。5、鞍形气压场：两高压和两低压相对组成的中间气压区域，称为鞍形气压场，简称鞍。其空间附近的等压面形如马鞍。以上统称气压系统，预报这些气压系统的移动和演变，是预报天气的重要内容。四、温压场的配置关系：高空气压场的配置便取决于温度场的配置（重点）（1）深厚的堆成高压和低压：此类气压系统是对称的冷低压和暖高压，是温度场的冷（暖）中心与气压场的低（高）中心基本重合在一起的温压场对称系统。由冷低压中心温度低，所以低压中心的气压随高度降低较四周气压降低更快，越到高空气压越强；同样，对称暖高压也是越到高空高压越强。（2）浅薄的对称高压和低压：此类气压系统是对称的暖低压和冷高压，即暖中心和低压中心重合，冷中心和高压中心重合。在地面上低压中心，由于其温度较高，所以气压随高度降低慢，到了一定高度后，低压中心附近的气压反而变得较四周高，称为一个高压系统。相反，在地面的冷高压中心，由于温度低，气压随高度降低得快，所以到了一定高度后，高压就不再存在，称为一个低压中心。（3）温压场不对称的系统：这类气压系统是指在地面图上冷暖中心和高低压中心不重合的系统。引文温压场的不对称，使得气压中心轴线（在不同高度上气压系统中心的连线）发生倾斜。在高压中，由于暖区一侧气压随高度降低比冷区一侧慢，所以高压中心越到高空越向暖中心靠近，即高压的轴线向暖区倾斜。同理，低压轴线向冷区倾斜。这种气压成的不对称分布，使得地面上是闭合的高压、低压系统，到了500百帕等压面上，气压形势呈现为不闭合的槽脊，而且越到高空越呈冷槽、暖脊的稳压结构。由于地面不对称低压常是东暖西冷，不对称的高压常是东冷西暖，因此高压低压的轴线经常是向西倾斜的。掌握稳压场的配置关系，对天气分析和天气预报的重要性气压场和温度场是密切联系着的，对于温度分布不同的气压系统随高度发生各种变化。本来在地面是高（低）压，随着高度增加，有的可使高（低）增强，有的可使高（低）压减弱最后变成低（高）压。五、海平面平均气压分布图：比较1月和7月的平均气压分布图，有以下特点1、南半球气压按纬度分布比北半球有规律2、北半球冬季（1月）等呀先较夏季（7月）密集，说明冬季水平气压梯度力比夏季大。这是由于冬夏季热力分布差异造成的。3、北半球夏季（7月由于太阳辐射直接纬度偏北，因此所以气压系统皆向北移。4、南北半球副热带高压随季节均有变动，对北半球来说冬季偏南，夏季偏北。简述全球1月份海平面平均气压分布：在冬季大陆的冷却作用大于海洋，因而在欧亚大陆上形成强大的西伯利亚高压和蒙古高压。在北美大陆形成了加拿大高压。在还有上则形成了，阿留申低压和冰岛低压。在热带地区，海洋上有两个高压，一个在太平洋上的夏威夷群岛附近，另一个在大西洋的亚速尔群岛附近。南半球的还有上有三个高压，分别位于南太平洋、南大西洋、和印度洋副热带地区。在大陆生则形成几个小低压。简述全球7月份海平面气压平均分布：此时大陆增温程度远大于海洋，因而在欧亚大陆上，形成南亚低压（印度低压），在北美大陆上形成了北美低压。而海洋上的北太平洋高压和被大西洋高压加强。南半球的高压仍然存在，大陆上变为高压与海洋高压几乎连在一起，形成环绕地球的高压带。第五节：气压梯度一、气压梯度：气压梯度为沿空间等压面垂直方向单位距离的气压差。（物理意义）在地面天气图上，则是垂直于等压线上单位距离的气压差，因此，当等压线越密集，级表示水平气压梯度越到。气压梯度表示Np。它垂直于等压面，是一个空间向量，从高压指向低压。从量纲上看，它是单位体积空气上所受到的力。气象上通常用党委质量空气所受的力较为方便即Np1-表示。二、水平气压梯度力：水平气压梯度力的方向为：垂直于等压线，由高压指向低压。第六节气压随时间的变化一、连续方程从流体的物理形式推导连续方程二、辐合，辐散与垂直运动（水平辐散、D、散度）三、气压趋势方程（气压倾向方程）