大气运动基本特征

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 g 2 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 a z a Gm r r z a GM g 222*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*0*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。

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。

大气运动的特征参数和动力学方程◆大气运动的特征参数1.气压：气压是由大气各种组分，尤其是水汽所共同形成的压强，也即气压，它可以反映气候、对流等等大气运动的变化。

2.温度：温度可以反映气候、对流强度和大气运动的结构及动力学特征，气温分布是气象形势和大气运动的重要指标。

3.水汽：由于水汽的输送作用是大气动能的重要来源，所以它可以用来反映大气运动的流动特征和影响。

4.风：风是大气运动的重要特征，它可以反映气压分布及对流运动的结构形态。

5.风速：风速衡量了风的强度，它是反映大气运动状态的一个重要指标。

6.密度：气压和温度，进而联合由气体定律来确定大气层面或平均上的空气密度，用来反映大气运动的分布状态。

7.湍流和涡度：湍流和涡度可以衡量大气运动扩散和对流强度，反映大气运动的热力学特征。

◆大气运动的动力学方程1.梯度风强度方程：梯度风强度方程是一个基本的大气运动动力学方程，以探讨任意两个流体单元之间的平面叶片的压强温度、流量速度及其梯度的关系。

2.笛卡尔系统的统计动力学方程：这是一个描述流体动力学中密度、速度及压强分布及其演化情况的方程。

3.湍流动能方程：湍流动能方程是一个描述大气环流中湍流动能的演化过程的基本方程。

4.动量均匀性方程：它用来描述大气环流中的空气的总动量的内在保持，从而捕捉大气环流的运动特征和其他运动属性。

5.质量守恒方程：对大气高层的供气情况及供气的演变状态的基本方程。

6.热力平衡方程：这是反映大气热力学平衡和温度场演化的基本方程，它是大气科学和气象学中应用最广泛的数学模型。

7.耗散函数方程：它用来反映气象环境中大气运动耗散的数学特征，反映大气环流的非稳态特征以及大气湍流的耗散性质。

动力气象学知到章节测试答案智慧树2023年最新南京大学绪论单元测试1.不同于普通流体，地球大气有哪些基本特征?参考答案:受到重力场作用;旋转流体;具有上下边界 ;密度随高度变化2.中纬度大尺度大气运动的特点包括参考答案:准水平无辐散;准地转 ;准静力 ; 准水平3.以下哪种波动的发现及其深入研究，极大地推动了天气预报理论和数值天气预报的发展？参考答案:Rossby波4.动力气象学的发展与数学、物理学及观测技术的发展密不可分。

参考答案:对5.大气运动之所以复杂，其中一个原因是其运动具有尺度特征，不同尺度的运动控制因子不同。

参考答案:对第一章测试1.以下关于惯性坐标系，错误的说法是参考答案:惯性坐标系下测得的风速是地球大气相对于旋转地球的相对速度2.关于科里奥利力，以下错误的说法是参考答案:在全球大气的运动中，科里奥利力均使得大气运动方向右偏3.物理量S(x,y,z,t)能够替代z作为垂直坐标需要满足哪些条件参考答案:需要满足一定的数学基础和物理基础;S与z有一一对应关系;要求S在大气中有物理意义4.通过Boussinesq近似方法简化大气运动方程组，可得如下哪些结论参考答案:垂直运动方程中与重力相联系的项要考虑密度扰动作用;连续方程中可不考虑扰动密度的影响，与不可压流体的连续方程形式相同;大气密度的扰动变化，对垂直运动有较大影响5.Rossby数的物理意义包括参考答案:Rossby数的大小可用于划分运动的尺度;表征地球旋转的影响程度;判别相对涡度和牵连涡度的相对重要性第二章测试1.下面哪些变量可以描述大气旋转性特征参考答案:螺旋度;环流;涡度2.在什么情况下，绝对环流是守恒的参考答案:正压无摩擦大气;绝热无摩擦大气3.对于中纬度大气的平均状况而言，从对流层低层向上到平流层，位势涡度会发生怎样的变化参考答案:位涡在对流层顶附近会迅速增加4.对大尺度运动，引起绝对涡度变化的量级最大的项为参考答案:散度项5.通常在大气中，非绝热加热在热源上方和下方分别会产生哪种位涡异常参考答案:负，正第三章测试1.地转偏差随纬度和季节变化的特征有参考答案:夏季比冬季大;在低纬度地区相对较大;在大气低层相对较大2.下列关于地转偏差的表述正确的是参考答案:在北半球与加速度方向垂直;与加速度项成正比3.下面哪项不是地转偏差的组成项参考答案:气压梯度项4.下面关于地转适应和地转演变的说法错误的是参考答案:地转演变可以看成线性过程5.以下正确的说法是参考答案:流场和气压场相互调整，使得大气恢复准地转平衡的过程称作地转适应;纯地转运动是定常运动第四章测试1.浪花云是由两种不同云层的切变不稳定导致，以下说法正确的是参考答案:快速移动且密度较低的云层在速度较慢且密度更高的云层上方2.小扰动法的基本气流一般取为沿纬圈平均的速度场，若考虑斜压切变气流，这一速度场应取为参考答案:y和z的函数3.以下哪些条件可以滤去重力内波参考答案:水平无辐散;中性层结大气;f平面上地转近似4.关于Rossby波的频散强度，以下正确的有参考答案:大槽大脊频散强;低纬频散强5.由一维线性涡度方程∂ζ⁄∂t+βv=0讨论Rossby波的形成，对初始只有v=Vcos(kx)的南北风谐波状扰动，以下不正确的是参考答案:x=0处的运动状态将被其左侧的运动状态代替第五章测试1.如果扰动随时间增长，那我们称这个扰动为参考答案:发展2.斜压不稳定中，扰动发展的能量来自参考答案:有效位能的释放;基本气流的动能3.若采用标准模方法分析稳定性，设扰动方程单波解为，以下哪个参数影响波在x方向上的传播速度。

第一章 大气运动的基本特征1、大气运动受什么定律支配？ P10质量守恒、动量守恒和能量守恒定律2、影响大气运动的真实力有哪几种？气压梯度力、地心引力、摩擦力。

3、影响大气运动的视示力（外观力）有哪几种？惯性离心力、地转偏向力。

4、气压梯度力的方向？气压梯度力的大小与气压梯度和空气密度有什么关系？ 方向指向—▽P 的方向，即由高压指向低压的方向；气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比。

5、地转偏向力的向量表达式？V 2 ⨯Ω-=A6、地转偏向力的几个重要特点？P9（1） 地转偏向力A 与Ω相垂直，而Ω与赤道平面垂直，所以A 在纬圈平面内；（2）地转偏向力A 与V 相垂直，因而地转偏向力对运动气块不作功，它只能改变气块的运动方向，而不能改变其速度大小。

（3）在北半球，地转偏向力A 在V 的右侧，南半球，地转偏向力A 在V 的左侧。

（4） 地转偏向力的大小与相对速度的大小成比例。

当V=0时，地转偏向力消失。

7、连续方程的表达式、定义：P200)(=∙∇+∂∂V tρρ 表示大气质量守恒定律的数学表达式称为连续方程。

其中)(V ρ∙∇称为质量散度。

8、尺度分析是针对某种类型的运动估计基本方程各项量级的一种简便方法。

通过尺度分析，保留大项，略去小项，可以使方程得到简化。

P239、气象学中的静力方程表达式？P27g z p -∂∂-=ρ1010、什么是重力位势？P29单位质量的物体从海平面上升到高度Z 克服重力所做的功。

位势的单位是焦耳/千克。

11、为什么应用等压面图比用等高面图要方便？P32（1）因为在等高面上计算水平气压梯度力时，只知道气压梯度还不够，还必须知道该处的空气密度才能计算，而在等压面上计算时，只要根据等位势线计算位势梯度即可，不必考虑密度的大小，所以用高空各层等压面上的位势梯度就可以比较各层上的水平气压梯度力的大小，而用等高面时，则各层的水平气压梯度力就不能作简单的比较。

因此，应用等压面图比用等高面图要方便得多。

大气运动基本特征（复习）重点：一、影响大气运动的作用力主要有哪些？气压梯度力（G）、地心引力（g﹡）、摩擦力（F）、地砖偏向力（A）、惯性离心力（C）、重力（g）1.气压梯度力——当气压分布不均匀时，作用于单位质量气块上的净压力。

方向：垂直等压线高→低大小：与气压梯度成正比，与空气密度成反比。

即等压线越密集，气压梯度力越大。

2.地心引力——地球对单位质量空气的引力3.摩擦力（850hpa以下考虑）——单位质量空气块所受到的净粘滞力称为摩擦力。

4.惯性离心力:在转动坐标系中引进的一个视示力，其大小与向心力相等而方向相反。

5.地转偏向力的定义——由于地球自转而使空气运动方向发生偏离的力。

方向与空气运动方向始终是垂直的，只改变空气运动的方向，不改变运动的速度大小，在北半球，背风而立，偏向运动的右方，南半球则偏向左方。

（南左北右）6.重力——地心引力与惯性离心力的合力，称为重力。

（极大赤小）二、大气运动遵循那些定律?答：质量守恒、动量守恒、能量守恒定律。

连续方程（质量守恒定律）质量散度，即单位体积内流体的净流出量。

净流出时散度为正，净流入时散度为负。

速度散度→流体在单位时间内单位体积的变化率。

当速度散度﹥0时，体积增大，辐散；当速度散度﹤0时，体积减小，辐合。

连续方程的意义：空气块在运动过程中体积增大则密度减小；体积缩小则密度增大。

热力学能量方程的意义：系统内能的变化等于加入系统的热量与系统对环境作功之差。

三、个别变化（全导数）和局地变化（偏导数）有何区别和联系？区别个别变化：是气块在运动中温度随时间的变化率，称为温度的个别变化（率）。

局地变化：是固定位置上温度随时间的变化率，称为温度的局地变化（率）。

联系温度的局地变化等于温度的个别变化、平流变化和对流变化的代数和。

四、大气运动系统的分类——根据系统的水平尺度的大小来分地转平衡——是指水平地转偏向力与水平气压梯度力相平衡。

静力平衡——是指垂直方向气压梯度力和重力相平衡。

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⑴热力环流的形成原理⑵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: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。

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。

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。

天气学原理问答题汇编徐文金（南京信息工程大学大气科学学院，210044）本汇编是结合朱乾根等人编著的“天气学原理与方法”(第三版)一书而编，故应结合该书来复习本内容。

第一章 大气运动的基本特征§1.1影响大气运动的作用力问题：大气运动遵守那些定律？大气运动遵守流体力学定律。

它包含有牛顿力学定律，热力学定律，质量守恒定律。

水汽守恒定律，气体实验定律等。

问题：大气运动受到那些力的作用？那些力属于基本力（牛顿力）？那些属于惯性力？受到气压梯度力、地心引力、摩擦力、惯性离心力和地转偏向力等作用。

其中气压梯度力、地心引力、摩擦力是基本力，或称牛顿力。

而惯性离心力和地转偏向力是惯性力，也称为‘视示力’。

问题：气压梯度力的定义及其数学表达式？当气压分布不均匀时，气块就会受到净压力的作用。

我们定义：作用于单位质量气块上的净压力称为气压梯度力。

用符号G 表示之，其数学表达式为：p 1G ∇-=ρ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=k z p j y p i x p 1 ρ （1.1）式中表示气压梯度力是由气压在空间分布不均匀而产生的，与气压梯度成正比，并指向低压方向。

问题：何谓地心引力？根据牛顿万有引力定律，任何两个物体之间都有引力，其大小与两物体的质量乘积成正比，并于两物体之间的距离平方成反比。

地球对单位质量空气的引力称地心引力，它的方向指向地球中心。

地心引力是始终作用于大气的实在的力。

问题：何谓惯性离心力？我们都是站在地球上来观测大气运动，所以应选取随地球一起旋转的坐标系作为参考系。

旋转坐标系是一种非惯性参考系，在这个坐标系中观测到的静止或匀速运动的物体，相对于惯性（绝对）坐标系并不是静止或匀速运动，实际上是作加速运动。

因此只有计入坐标系的加速度才能应用牛顿运动定律。

对于一个匀角速转动的坐标系，只要引入惯性力就可以了。

设Ω为地球自转角速度(1-5107.29-⨯=秒)，R 为空气块垂直于自传轴的距离，惯性离心力C 的数学表达式是R C 2 Ω= (1.5)地表上每一静止的物体都会受到这一惯性离心力的作用。

天气学原理Char1 大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反。

C=Ω2R地转偏向力：由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立。

地转偏向力的特点：A= -2Ω×V（1）地转偏向力A与Ω相垂直，在纬圈平面内（2）地转偏向力A与风速V垂直，只改变气块运动方向，不改变其速度大小（3）在北半球A在水平速度的右侧，在南半球A在水平速度的左侧（4）地转偏向力的大小与相对速度成正比，V=0时，A=0；只有在做相对运动时A才存在重力：地心引力与惯性离心力的合力。

重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。

3、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？水平地转偏向力：大气中垂直运动一般比较小，气块的运动主要受x方向和y方向的影响。

通常情况下w很小，因而近似有Ax=2Ωv和Ay= -2Ωu。

对水平运动而言，北半球Ax、Ay 使运动向左偏，南半球右偏。

地转偏向力：包括垂直运动。

4、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程5、温度平流变化-V·▽h T是气块在温度水平分布不均匀的区域内保持原有的温度作水平运动而对局地温度变化所提供的贡献，称为温度平流变化。

-▽T温度梯度由高温指向低温。

当-V·▽h T<0时，有冷平流，夹角为钝角，风从冷区吹向暖区，使局地温度降低。

当-V·▽h T>0时，有暖平流，夹角为锐角，风从暖区吹向冷区，使局地温度升高。

天气学原理基础一、大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力不变，指向地心。

（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。

2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反地转偏向力(科氏力）：观测者站在旋转地球上观测单位质量空气块运动，发现在北半球有一个向右偏的力，在南半球向左偏的力。

称此力为地转偏向力，又名科氏力。

由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立地转偏向力的特点：在纬圈平面内；只改变气块运动方向，不改变其速度大小；在北半球，地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧；地转偏向力的大小与相对速度成正比重力：地心引力与惯性离心力的合力。

重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大重力是垂直方向上的，而大气运动是准水平的；科氏力始终垂直于速度方向，故只改变方向，不作功；所以，引起大气运动的最重要作用是：由于压力分布不均匀而产生的压力梯度力（热力作用引起的）。

3、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程4、地转风地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。

风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立低压在左高压在右地转风性质：1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的赤道上（φ=0）水平地转偏向力为零，地转风不存在2）地转风的大小与水平气压梯度力成正比3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）4）地转风速大小与纬度成反比，但在赤道上 =0地转平衡不成立。

对流层、平流层的特点是什么？
对流层有三个主要特点
（1）气温随高度的增加而递减。

这主要是因为对流层大气的热量绝大部分直接来自地面因此离地面愈高的大气，受热愈少，气温愈低。

平均每上升100米，气温降低0.6摄氏度。

（2）空气对流运动显著。

对流层上部冷下部热，有利于空气的对流运动。

低纬度地区受热多，对流旺盛，对流层所达高度就高；高纬度地区受热少，对流层高度就低。

（3）天气现象复杂多变。

近地面的水汽和杂质通过对流运动向上空输送，在升过程中随着气温的降低，容易成云致雨。

云、雨、雪等天气现象都发生在这一层。

对流层与人类的关系最为密切。

平流层的特点是：
（1）气温的的垂直分布除下层随高度变化很小外，在30千米以上，气温随高度增加迅速上升。

这是因为平流层中的臭氧大量吸收太阳紫外线而使气温升高。

（2）大气以水平运动为主。

平流层上部热下部冷，大气稳定，不易形成对流。

（3）水汽、杂质含量极少，云、雨现象近于绝迹。

大气平稳天气晴朗，对高空飞行有利。