第四章气压

第四章气压与风（7学时）地球大气始终在不停的运动，其运动形式多种多样。从广义讲，大气的三维运动均称为风，但从狭义角度讲，仅指空气的水平运动。引起大气运动的原因，是气压在空间上分布不均匀，而空气运动又影响气压的分布和变化。因此，研究气压与风的变化规律以及彼此的相互关系，才能掌握大气的变化规律，正确预测天气及其对火灾的发生、蔓延的影响。内容提要:1、气压的定义、单位、变化特点；2、气压场的表示方法；3、风的特性、成因及气压场与风的关系；4、大气环流的形成原理；5、一、二、三级环流的形成与变化规律；6、风与农林生产的关系；重点和难点：1、气压的形成、变化；2、气压与风的关系（白贝逻风压定律）；3、几种环流形成的原理、规律。第一节气压及其变化一、气压的定义及其单位：1、气压：在被测高度上，单位面积所承受的大气压力叫大气压强（atmosphericpressure），简称气压。分析：上面空气运动对它所产生的碰撞力所受的力：上面空气柱压在其上的重力下面空气运动对它所产生的碰撞力上下空气运动所产生的碰撞力相互抵消，剩余只有向下的空气柱的重量。大气压强实质上是单位面积上大气柱的重量。从概念可以看出：在被测高度上------当高度发生变化、压在其上的空气柱的长度也发生变化，且随H↑，空气柱缩短，即气压↓。2、单位：-----常用“毫米水银柱高”(mmHg)。国际上规定，将纬度45°的海平面上，气温为0℃，大气压力为760mmHg称一个标准大气压。在国际单位制中压强单位是帕(Pa)，1Pa＝1N·m-2。则一个标准大气压等于1013.25hPa。即１标准大气压＝1013.25hPa标准状态下，将水银密度ρ，重力加速度g代入得：760mmHg=1013.25hPa∴1mmHg≈4/3hPa1mb=1hPa二、气压随高度的变化从定义可知：随H↑，压在其上的空气柱缩短，气压减小。但减小的幅度大小与什么因素有关，用“静力学方程”和“压高公式”来表达。（一）静力学方程当大气处于静力平衡时，气压与高度的关系为:=－ρg式为大气静力学方程，其中负号表示气压随高度增加而减小。dzdp其中P为气压，m为气块质量，g为重力加速度。当空气块处于静止时，它在水平方向上各面所受的力相互抵消，垂直方向上所受的向上净压力（上下压力差）必为重力所平衡，即F1－F2－mg＝0Pdxdy－（P＋dP）dxdy－mg＝0－dPdxdy－mg＝0设空气的密度为ρ，mg＝ρgdxdydz，故有=－ρgdzdp由式可知：=－ρg为垂直气压梯度，静力平衡方程说明气压随高度增加，气压减小，气压减小的大小取决于空气密度和重力加速度。由于重力加速度随高度变化很小，所以气压随高度的变化主要决定于空气密度，密度较大的气层，气压随高度增加而降低较快（低层大气），密度小的气层，气压随高度增加而降低较慢（高层大气）。dzdp针对某一气块：将PV=nRT代入=－ρg得：=3.42P/TP----气块的气压；T----气块的温度可知：气块气温高，则小，反之则大；（常用）气块气压高，则大，反之则小。dzdpdzdpdzdpdzdp（二）拉普拉斯压高公式将空气状态方程代入=－ρg，再对高度、气压进行积分，得：式中：高度为z1，气温为t1，气压为p1高度为z2，气温为t2，气压为p2。t取气层的平均温度dzdp2112lg)1(18400pptzzTRPd该公式实质上是用气压来测定高度的，如登山用的高度表和航空用的高程表，实际上用的是气压表。由压高公式可知，气层上界和下界的气压若保持不变，气层的厚度与平均温度有关。平均温度高、气层厚；平均温度低，气层薄。二、气压随时间的变化（一）气压变化的原因某地气压的变化，实质上是该地上空空气柱重量增加或减少的反映，而空气柱重量的变化是由热力和动力因子引起的。1、热力因素空气温度的升高与降低引起空气密度的增加与减少。2、动力因素水平气流的辐合与辐散不同密度气团的移动空气的垂直运动一个地方的实际地面气压变化，既包括周期性变化，又包括非周期性变化。（二）地面气压的周期性变化分为日变化和年变化两种。日变化最高值9～10时1、时相21～22时最低值15～16时3～4时最高、最低值出现的时间、变化幅度随纬度、季节、地形而异。2、日较差地面气压日较差的大小与纬度有关，通常低纬度比中纬度大（这与气温日较差随纬度增加而减小的特征是一致的）。在低纬度地区，气压日变化最明显，可达3-5百帕，到纬度50附近，日振幅小于1百帕。我国中纬度地区，气压变化振幅为1-2.5百帕，低纬为2.5-4百帕，而在青藏高原东部的山谷有时可达6.5百帕。（三）年变化常见的气压年变化可分为大陆型、海洋型和高山型。1．大陆型最高值-----冬季，最低值-----夏季，气压年较差较大。我国大陆上绝大部分地区的气压年变化都可归入大陆型，愈深入内陆，大陆型的特点愈明显。2．海洋型最高值----夏季，最低值----冬季，气压年较差不大。3．高山型最高值----温暖季节，最低值----寒冷季节。气压年较差小。气压年较差随纬度↑而↑，（∵T的年变化随纬度↑而↑），而且温度年较差越大的地区，气压年较差也越大，如陆地年较差比海洋大。（四）气压中高纬度的非周期性变化与气压系统的移动和演变有关。气压的非周期性变化，通常在中高纬度比低纬度明显的多（中高纬度气压系统活动频繁，而低纬地区气压系统较为稳定）。以24hr变压为例，高纬可达10百帕，中纬约3-4百帕，低纬一般只有1百帕（除台风过境外）。气压的非周期性变化大于周期性变化，一年中气压的非周期性变化一般在970-1040百帕之间。气压随时间的急剧变化，往往是天气急剧变化的预兆，因此掌握气压随时间的变化与天气变化的关系，是天气分析和预报工作的重要内容。第二节气压的空间分布气压场是指气压的空间分布状况。本节主要讲解气压的水平分布。水平气压场：是指某一水平面上的气压分布。一、气压场的表示方法海平面：等压线图一定高度处：等压面图----气压随高度增加而降低，由于各地热力和动力条件不同，使得距地一定高度的水平面上各处气压值并不相同，所以要表示气压在一定高度处水平方向上的分布，则常用等压面图来表示。1、等压面------高空天气图等压面（isobaricsurface）是空间气压相等的各点所构成的面。因为气压随高度递减，所以高值等压面在下，低值等压面在上。又由于同一高度上，各地气压不等，因此等压面不是等高平面，而是一个曲面，等压面的起伏形势，是和水平面上气压的分布相对应的。地面1500米850hPa＞850hPa＜850hPa△△同高度上气压比四周低的地方，其附近等压面是下凹的。气压愈低，等压面下凹的愈深；同高度上，气压比四周高的地方，附近等压面向上凸起。气压愈高，等压面上凸的愈厉害;同高度上，气压到处相等，则等压面为一水平面。通过等压面图可以看出高空气压在水平方向上的分布。目前，我国气象台站绘制的高空天气图实质上就是等压面图。2、等压线-----地面天气图等压线(isobar)是同一水平面上各气压相等的点的连线。等压线是按一定的气压间隔（2.5hPa）绘制，构成一张气压水平分布图。目前，我国气象台绘制的地面天气图，就是高度为零的海平面气压分布图。它是把同一时刻各测站的海平面气压填在一张空白地图上，并把气压数值相等的各点用平滑的曲线连结起来，就得该时刻的海平面气压分布图，也就是地面天气图，从等压线图即可清楚地看出各地的气压水平分布形势。1015101010051000气压梯度小等压线疏密与气压梯度大小np气压梯度等压线的稀疏可以反映水平方向上气压的变化程度。等压线越密集的区域，水平气压变化越大，相反，等压线越稀疏的地区，则表示水平方向上气压的差异越小。水平方向上气压的变化-----水平气压梯度水平气压梯度大小：水平气压梯度方向：高压-------低压NPNP二、气压场的基本形式由于各地气压高低不同且时刻变化着，故在海平面等压线图上和高空等压面图上反映的气压场形式是多种多样的，但通过仔细分析基本上有以下五种基本形式。1．低气压（简称低压）低气压（cyclone）也称为气旋，它是由一组闭合等压线构成的中心气压较低，四周气压较高的区域，其空间等压面的分布向下凹陷，形如盆地。2．高气压（简称高压）高气压(anticyclone)也称反气旋。它是由一组闭合等压线构成的中心气压较高，四周气压较低的区域。其空间等压面向上凸起，形如山丘。3．低压槽（简称槽）由低压延伸出来的狭长区域叫低压槽(trough)。在槽中各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。气压沿槽线向两边递增，槽线附近的空间等压面形似山谷。北半球低压槽一般从北向南伸展，称为“竖槽”，从南向北伸展称为“倒槽”，从东向西伸展称为“横槽”4．高压脊（简称脊）由高压延伸出来的狭长区域叫高压脊(ridge)。在脊中各条等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。气压沿脊线向两边递减，脊线附近的空间等压面形似山脊。5．鞍形气压区由两高压和两低压相对组成的中间区域称为鞍形气压区。鞍型场建立时，区域内风速小，风向多变，气压较稳定，但这种情形维持不久即迅速改变，它预示着剧烈天气发生。上述气压场的几种基本形式，统称为气压系统(pressuresystem)；在不同的天气系统中，天气情况是不同的，预报这些系统的移动与演变，是天气预报的重要内容。三、气压系统垂直结构暖空气中气压随高度减小比冷空气要慢的多，由于温度分布的不均匀，气压形式随高度的变化将发生改变，常见的气压系统的垂直结构归纳为三类。（一）深厚而对称的冷低压和暖高压（二）浅薄而对称的冷高压和暖低压（三）温压场不对称的气压系统第三节空气的运动空气的运动有：水平方向上的运动----平流运动、垂直方向上的运动-----对流运动，无规则性的运动---乱流运动。空气的水平运动能引起空气质量的输送，同时也造成热量、动量以及水汽、二氧化碳等的输送和交换，是天气变化和气候形成的重要因素。一、空气的水平运动---风风的概念：空气在水平方向上的运动叫做风。风是矢量：风向---指风的来向，通常是用八或十六方位来表示NNE------东北偏北风速---单位时间内风的行程，通常用m/s（米/秒）或风级来表示一横表示2级，半横表示一级，大风用八级以上用风的速度和等级之间的换算口诀：二是二来一是一，三级三上加个一，四到九级不难算，级数减二乘个三，十到十二不多见，牢记十级就好办，十级风速二十七，每加四来多一级。如：11级：27+4=31m/s二、风的成因空气运动是由于空气微团受力而产生的。空气的水平运动是空气微团在水平方向上受力的结果。空气在水平方向上受的力有：水平气压梯度力、水平地转偏向力、摩擦力、惯性离心力。这些力之间互相联系，又互相制约。（一）水平气压梯度力（Gn）当水平方向上气压分布不均匀时，就产生了水平气压梯度。水平气压梯度是指在垂直于等压线的方向上，由高压指向低压，单位距离内气压的改变值，记作。水当有水平气压梯度存在时，作用于单位质量空气上的力，称为水平气压梯度力。平气压梯度表示水平方向上气压分布的不均匀程度，我们讨论空气的水平运动时，通常取单位质量的空气作为对象，并把在水平气压梯度存在时，单位质量空气在水平方向上所受的力，称为水平气压梯度力，记作Gn。npnGn1式中ρ为空气密度，负号表示水平气压梯度力的方向是从高压指向低压。空气在水平气压梯度力的作用下，就会由高压区流向低压区，因此，水平方向上气压分布不均是使空气产生水平运动的原始动力。（二）水平地转偏向力（A）指由于地球的自转而使地表上运动的物体发生方向偏转的力。它包括水平和垂直两个分力。其中水平地转偏向力的大小为：sin2mAm：空气质量；v：风速；ω：地球自转角速度；：地理纬度。水平地转偏向力的特点：⑴、A只有空气相对于地面运动时才产生，若ν=0，则A=0；⑵、在北半球，A垂直指向ν的右侧，使空气向右偏转，南半球则相反；⑶、A只改变V的方向，不改变ν的大小；⑷、A的大小还与φ有关，随φ↑而↑。（三）惯性离心力（C）当空气做曲线运动