农业气象学——气压和风

气压和气压场§1§1§2§2§3§3空气的水平运动大气环流退出退出一二§§11气压和气压场气压和气压场气压及其变化气压场1.气压的概念单位面积上受到的大气压力叫大气压强(Atmosphericpressure)，简称气压。在重力平衡条件下，任何高度上的气压值都等于该高度的单位面积上所承受的大气柱的重量。任何平面上的大气压强与平面的方向无关。气压单位：百帕（hectopascal,hPa），毫米汞柱mmHg，二者的换算关系：1hPa=3/4mmHg标准大气压：在温度为0℃，在纬度45°N(S)的海平面上的大气压。其值为1013.25hPa。一.气压及其变化(1)气压随时间的变化a.气压的周期性变化日变化气压日变化的原因主要有:气温的变化大气潮汐地形影响年变化气压年变化的原因主要受气温影响。b.非周期变化原因是气压系统的移动和演变。2.气压的变化a.气压的垂直变化由右图可以直观地看出，在高度为z处和高度为z+△z处相比，前者上空的大气柱的重量要大一些。因此气压是随高度降低的。(2)气压随空间的变化zZ+△zSW△PPP+△pXZY右图为任一高度的一个薄层空气块，其受力有：向上：PS向下：重力W和（P+△P）S其中：W=S△zρg在静力平衡条件下，应有：（P+△P）S+S△zρg=PS即：△P=-△zρg或：△P/△z=-ρg大气静力学方程zZ+△zSWPP+△pXS△PYZgdzdPρ−=由大气静力学方程可推出气压随高度变化的公式。将气体状态方程ρ=P/（RT）代入静力学方程：压高公式将两边积分gRTPdzdP−=dzRTgPdP−=dzRTgPdPzzPP∫∫−=2121得⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=)(exp1212zzRTgPP或2112lnPPgRTzz=−将气体状态方程ρ=P/（RT）代入静力学方程：变温大气的压高公式令T=T(z)=T0－γz，再将两边积分gRTPdzdP−=dzRTgPdP−=dzzTRgPdPzzPP∫∫−−=2121)(0γ得其中Z1=0m,T1=288K，γ=0.0065℃/m,R=287J/K·kgP1=1013.2hPa。⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−=−gRPPTzzγγ)(112112气压在三维空间的分布叫做气压场。某一平面上的气压分布状况，叫做平面气压场。其表示方法有：1.气压场表示方法(1)等压线(isobaricline)将平面上气压相等的点连成的线。绘制方法：在空白地图上填上气压值，然后将气压相等的点相连，每隔2.5hPa绘一根线。二.气压场(fieldofpressure)等压线示意图(2)等压面(isobaricsurface)：空中气压相等的点所连成的面，它一般为一不规则的曲面。类似起伏不平的地表面。等压面的高度与气压分布的关系：等压面上高度高的地方，其附近水平面上的气压也高，反之亦然。所以只需表示出等压面的形状，就等于知道了气压的分布。等压面高度的表示方法与地理上表示地形的方法相同，都是用等高线表示。等压面的高度的表示方法起伏不平的地形地形与等高线图的对照将等压面上高度相等的点连成线再投影到一个平面上，就是等压面上的等高线图。(3)等压面上的等高线(isohypse)等压面上等高线的高度为位势高度(geopotentialheight)。位势高度：指单位质量的物体从海平面(位势取为零)抬升到Z高度时，克服重力所作的功，又称重力位势，单位是位势米(gpm)。10位势米也称位势什米。1gpm为海平面上单位质量的物体上升1m时克服重力所作的功。1gpm＝9.8J/kg=9.8m2/s2位势高度H和几何高度Z的换算关系：H=gZ/9.8位势高度H和几何高度Z在数值上相近，但两者物理意义完全不同。g随高度的变化：高度在5000m时g=0.9995g0，高度在10000m时g=0.9990g0，高度在10000m时g=0.9990g0等高线上高度的单位─位势米(geopotentialmeter)气压场都可以划分为以下类型。高压(highpressure)：是中心气压高、向四周气压逐渐降低的闭合等压线区。低压(lowpressure)：是中心气压低、向四周气压逐渐升高的闭合等压线区。高压脊(pressureridge)：是从高压区延伸出来的狭长区域。低压槽(pressuretrough)：是从低压区延伸出来的狭长区域。鞍形气压区(pressuresaddle)：相对的两个高压和两个低压之间气压场。2.气压系统的基本型式等压线与气压场的分布型式鞍形气压场示意图气压系统随高度的变化同温度分布密切相关。气压随高度的升高而降低。但根据大气静力学方程，气压降低的快慢与温度的高低有关，温度愈高，气压随高度的升高而减小愈慢，相差单位气压值的气层愈厚。也就是说，在暖空气中气压随高度的升高而减小得比在冷空气中慢。因此气压系统的空间结构往往由于与温度场的不同配置状况而有差异。3.气压系统的空间结构(1)温压场对称系统暖性高压冷性低压温压场对称系统暖性低压冷性高压冷暖暖GD(2)温压场不对称系统高压低压一二§§22空气的水平运动空气的水平运动作用于空气的力自由大气中空气的水平运动三摩擦层中空气的水平运动空气的运动是在力的作用下形成的，空气受到的力主要有：1.气压梯度力(pressure-gradientforce)由于空间气压分布的不均匀而使空气块受到的力，叫做气压梯度力。一、作用于空气的力NSPP+△PNN+△N设有如右所示的空气块，由于气压分布的不均匀，沿N方向所受到的力为：P•S-（P+△P）S=-△P•S气块所所受到的力：P•S－（P+△P）S=－△P•S单位质量的气块所受到的力:单位质量的气块所受到的力NSPP+△PNN+△NdNdPNPNSSPGρρρ11−=ΔΔ−=⋅Δ⋅⋅Δ−=式中dP/dN叫做气压梯度，这个力与气压梯度成正比，所以叫气压梯度力。在水平方向的气压梯度力为：dndPGnρ1−=2.地转偏向力(Coriolisforce)由于地球自转而使地面上的运动物体偏离原运动方向的力，叫做地转偏向力。首先考察物体在一运动圆盘上的运动。地转偏向力(Coriolisforce)由于地球自转而使地面上的运动物体偏离原运动方向的力，叫做地转偏向力。首先考察物体在一运动圆盘上的运动。地转偏向力(Coriolisforce)由于地球自转而使地面上的运动物体偏离原运动方向的力，叫做地转偏向力。首先考察物体在一运动圆盘上的运动。地转偏向力(Coriolisforce)由于地球自转而使地面上的运动物体偏离原运动方向的力，叫做地转偏向力。首先考察物体在一运动圆盘上的运动。OωBA’ω·ΔtA设在时间Δt内，一物体从O点开始，以速度v沿直线向B运动，由于圆盘在以角速度ω沿逆时钟方向转动，圆盘上的A点经时间Δt后到了A’，而物体运动到了A点。因此在圆盘上的观察者认为物体偏离了一个角度∠AOA’，觉得是受了某种力的作用。现在对物体在运动圆盘上运动的情况作一分析。如果认为这种偏转是因某种力的作用，则在这种力的作用一产生的位移为：OωBA’ω·Δt设a为这种力所产生的加速度，则A221taSΔ=将以上两式联系起来，得a=2ωv根据牛顿第二定律，a应为单位质量的物体所受到的力。因此，上述假想的力的大小为f=2ωvf又称为科里奥利（Coriolis）力。2''tvttvAOAOAAASΔ⋅=Δ⋅Δ=∠⋅==ωω)在地球表面运动的物体与在圆盘上稍有不同，地面近似为球面。φA设在A点，一物体在水平面上以速度v运动，将这个速度分解为与赤道平行和与赤道垂直的两个分量，则物体相当于以速度v’在圆盘上运动。物体受到的科里奥利力（对地面来说称为地转偏向力）的大小就应为：f=2ωv’=2ωv•sinφV’VφOωBA’ω·ΔtA地转偏向力有以下性质：(1)与纬度的正弦成正比；(2)与物体运动速度成正比；(3)与运动方向垂直，在北半球指向运动方向的右方，在南半球指向运动方向的左方；(4)只改变运动方向，不改变速率的大小。地转偏向力的表达式：f=2ωv’=2ωv•sinφ式中ω为地球自转角速度。ω=7.2921×10-5s-13.惯性离心力(inertialcentrifugalforce)当空气作曲线运动时，还要受到惯性离心力的作用。其大小为：C=ω2r=v2/r4.摩擦力(frictionforce)空气运动时，要受到空气与地面之间和不同空气块之间的摩擦力的作用。前者称外摩擦力，后者称内摩擦力。前者在数值上要远大于后者。摩擦力的大小与速度成正比，一般与风速的方向相反，其大小为：R=-kv二.自由大气中空气的水平运动G1.地转风设高空的等压线为平行直线，这时惯性离心力和摩擦力都可忽略不计，只需考虑气压梯度力和地转偏向力的作用。下图中直线为等压线，设气压南高北低，P1P2.P5P1P2P3P4GGVAP1P2P3P4P5设高空的等压线为平行直线，这时惯性离心力和摩擦力都可忽略不计，只需考虑气压梯度力和地转偏向力的作用。下图中直线为等压线，设气压南高北低，P1P2.GGVAAGVAP4P1P2P3P5设高空的等压线为平行直线，这时惯性离心力和摩擦力都可忽略不计，只需考虑气压梯度力和地转偏向力的作用。下图中直线为等压线，设气压南高北低，P1P2.GGVAAGVAGVAP4P1P2P3P5设高空的等压线为平行直线，这时惯性离心力和摩擦力都可忽略不计，只需考虑气压梯度力和地转偏向力的作用。下图中直线为等压线，设气压南高北低，P1P2.当气压梯度力与地转偏向力达到平衡时的风叫做地转风(geostrophicwind)。这时就满足：风压定律：在北半球，背风而立，高压在右，低压在左；南半球相反。风速与气压梯度成正比。GGVAAGVAGVAP4P1P2P3P5在高低压中，等压线为曲线，空气只能作曲线运动，这时还要受到惯性离心力的作用。当气压梯度力、地转偏向力和惯性离心力三力达到平衡时的风叫做梯度风。这时风向规律为：在高压中，风沿等压线作顺时针方向旋转。在低压中，风沿等压线作反时针方向旋转。2.自由大气层高低压中的风─梯度风GD高压低压在摩擦层中，由于摩擦力的作用，风速减小，地转偏向力A随之减小，则G和A不再平衡，空气开始由高压向低压方向运动。风压定律：在北半球，背风而立，高压在右后方，低压在左前方。风与等压线成一个角度，摩擦力越大，角度也越大。三、摩擦层中空气的水平运动GVA自由大气GVRA摩擦层在摩擦层的高压中，风沿等压线顺时针方向由里向外吹。在摩擦层的低压中，风沿等压线逆时针方向由外向里吹。摩擦层高低压中的风高压低压摩擦层高低压中的风一二三§§33大气环流大气环流(atmosphericcirculation)(atmosphericcirculation)三圈环流季风环流地方性环流地球上各种规模的大气运动的综合表现，称为大气环流。分析大气环流时要始终记住以下几点：•太阳辐射分布的不均匀引起的温度分布的不均匀，低纬热，高纬冷；•在热的地方空气上升，地面上形成低压，高空中形成高压；而在冷的地方空气下沉，在地面上形成高压，在高空形成低压；因而空气从高压向低压流动；•空气一旦运动，就会产生地转偏向力，北半球向右偏，南半球向左偏。一.三圈环流1.地球无自转时的环流—单圈环流2.地球自转时的环流—三圈环流图1地球自转时的环流—三圈环流图2地球自转时的环流—三圈环流图3地球自转时的环流—三圈环流(1)气压带:北半球自南向北的气压带依次是：赤道低压带副热带高压带副极地低压带极地高压带3.气压带与风带北半球自南向北的行星风带依次是：赤道无风带东北信风带盛行西风带极地东风带(2)行星风带三圈环流模式没有考虑地球表面上物理状况的差异，是在假定地表平坦、性质均一的条件下得出的，它只能表示地球上大气环流的平均状况。由于地表的海陆分布，实际的气压带一般分裂为若干个高低压中心——大气活动中心。•海洋上由于温度变化缓慢，因此海洋上的气压分布与三圈环流模式基本一致，成为半永久活动中心；•陆地上冬夏季温度差异大，气压的差异也大。在冬季，副极地低压带在大陆上被高压割裂；•在夏季，副热带