氣象學(xué)與氣候?qū)W：第四章 大氣的運動

第四章大氣的運動大氣時刻不停地運動著，運動的形式和規(guī)模復(fù)雜多樣。既有水平運動，也有垂直運動；既有規(guī)模很大的全球性運動，也有尺度很小的局地性運動。大氣的運動使不同性質(zhì)的空氣得以相互接近、相互作用；使不同地區(qū)、不同高度間的熱量和水分得以傳輸和交換；結(jié)果直接影響天氣、氣候的形成和演變。大氣運動的產(chǎn)生和變化直接決定于大氣壓力的空間分布和變化。一、氣壓隨高度的變化一個地方的氣壓值經(jīng)常有變化，變化的根本原因是其上空大氣柱中空氣質(zhì)量的增多或減少。大氣柱質(zhì)量的增減又往往是大氣柱厚度和密度改變的反映。當(dāng)氣柱增厚、密度增大時，則空氣質(zhì)量增多，氣壓就升高。因而，任何地方的氣壓值總是隨著海拔高度的增高而遞減。確定氣壓隨高度變化的定量關(guān)系，一般是應(yīng)用靜力學(xué)方程和壓高方程。靜力學(xué)方程假設(shè)大氣相對于地面處于靜止狀態(tài)，則某一點的氣壓值等于該點單位面積上所承受鉛直氣柱的重量。在靜力平衡條件下，Z1面上的氣壓P1和Z2面上的氣壓P2間的氣壓差應(yīng)等于這兩個高度間的氣柱重量，即P2-P1=-△P=-ρg（Z2-Z1）=-ρg△Z若△Z趨于無限小，則上式可寫成dP=-ρgdZ

（4.1）即氣象學(xué)上應(yīng)用的大氣靜力學(xué)方程。dP=-ρgdZ方程說明，氣壓隨高度遞減的快慢取決于空氣密度（ρ）和重力加速度（g）的變化。在密度大的氣層里，氣壓隨高遞減得快，反之則遞減得慢。人體暴露在太空中會爆炸嗎?通常科幻片里是這樣演示：當(dāng)飛船失事、不幸的冒險家們被殘酷的暴露在太空時，他們尖叫、痙攣和迅速膨脹，然后爆裂得血液四濺。通?？苹闷锸沁@樣演示的，以我們所了解的外層空間知識，聽起來也合情合理。但是當(dāng)人類探訪大氣層之外以后，一些無意的真空暴露事故開始讓科學(xué)家思考這個問題——如果一個沒有保護的人被暴露在寒冷死寂的真空中，會發(fā)生什么呢？

在60年代美國航天局做過一些低壓測試，以便了解人體對低壓的反應(yīng)。1965年在一次測試中發(fā)生事故，一位技術(shù)員被高度暴露于真空中，破損的防護服無法提供壓力，他在14秒后開始昏迷。令人驚訝的是，在增壓后他蘇醒過來——沒有受傷。在最后的一次事故中，另一位技術(shù)員被困在人工低壓室中達4分鐘之久，他喪失意識，皮膚發(fā)青，幸運的是在死神約見他之前他踢破了那部該死的機器的一個玻璃裝置，然后空氣進入了。這樣看來，事情并非我們想象。當(dāng)人體突然暴露于真空時，的確馬上會產(chǎn)生身體損傷。它們起初不是很明顯的，但是很快生命處于危險中。先是由于外在壓力的減少使肺部的氣體擴散，這時快速呼氣[也許是本能的呼救]能增加他的生存機會，減少肺爆裂和氣體進入血液的可能性。然后因為沒有氣壓，人體的水會變成蒸汽——從遇難者嘴和眼睛了噴出來，某些部位會脹大但不會導(dǎo)致皮膚破裂。

在幾秒鐘內(nèi)，由于壓力的急劇減小會使溶化在血液中的氮氣形成氣泡——這是類似于潛入深水的痛苦體驗。大約十秒以后，這個可憐的人會覺得非常難受，但他還有充足的時間來拯救他自己。十秒以后受害人的視覺和感官判斷力將快速下降，而且由于水的蒸發(fā)導(dǎo)致體溫快速降低——他的嘴和鼻子幾乎會結(jié)冰，然后會抽搐，皮膚變得青紫。這時受害者開始昏迷。但他的大腦沒有受損，他的心臟會繼續(xù)跳動，只要在一份半鐘內(nèi)能夠有壓力和氧氣補給，他就能被補救，并且只是輕傷。但是如果那90秒以后都沒有采取行動的話，他的血壓會快速下降，血液沸騰，心臟停搏。在這個極限之外沒有生還的紀錄。

雖然人體并不能長期生存在外太空，但是它卓越的生存能力竟然可以用分而不是秒來度量，并且能在這么可怕的環(huán)境里呆上近乎兩分鐘而沒有不可挽救的損傷。人體真是一部韌性超強的機器。遺憾的是，我們確實知道人在突然暴露在真空狀態(tài)下能活多長時間。1971年，蘇聯(lián)聯(lián)盟11號飛船在重返地球大氣層前的一刻，一個故障閥門在168公里的高空令飛船突然減壓，造成機上3名宇航員全部遇難。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，聯(lián)盟11號飛船壓力突然降至零，這一情況持續(xù)了11分40秒，直至它重返大氣層。

宇航員因缺氧在30到40秒鐘后就已死亡。美宇航局航天飛機任務(wù)前機組成員喬納森-克拉克說：“你需要氧氣和空氣壓力這兩個因素才能將氧氣送入大腦?！辈贿^，如果身在真空環(huán)境下時間更短，還有可能搶救過來。1966年，美宇航局一名技術(shù)人員正在真空室測試太空服，這時，室內(nèi)壓力突然降至我們在3.65萬米高空才遇到的水平。他在12至15秒內(nèi)失去知覺。他所能記起的最后一件事是，舌頭上的唾液汽化了，這是因為水在低壓條件下會蒸發(fā)。27秒鐘時，真空室的壓力重新回到相當(dāng)于4200米高空的水平，那名技術(shù)人員幸運地恢復(fù)了知覺。雖然臉色蒼白，但他的健康沒有遭受任何不利影響。

當(dāng)外部壓力降低，血液中形成氣泡，肺部會在幾分鐘內(nèi)受損。由于氮氣從血液溶出，神經(jīng)系統(tǒng)在數(shù)小時內(nèi)會受損。壓力驟降對人體是致命的：滲入肺部的空氣會在幾秒鐘內(nèi)爆炸。但是，據(jù)克拉克介紹，如果以更適當(dāng)?shù)姆绞竭M入近乎真空的狀態(tài)，且身邊有強化醫(yī)療監(jiān)護服務(wù)團隊，我們有可能會存活最多一分鐘的時間。-dP\dZ稱為鉛直氣壓梯度或單位高度氣壓差，它表示每升高一個單位高度所降低的氣壓值。單位氣壓高度差（h），它表示在鉛直氣柱中氣壓每改變一個單位所對應(yīng)的高度變化值。①在同一氣壓下，氣柱的溫度愈高，密度愈小，氣壓隨高度遞減得愈緩慢，單位氣壓高度差愈大。②在同一氣溫下，氣壓值愈大的地方，空氣密度愈大，氣壓隨高度遞減得愈快，單位氣壓高度差愈小。反之，氣壓愈低的地方單位氣壓高度差愈大。比如愈到高空，空氣愈稀薄，雖然同樣取上下氣壓差一個百帕，而氣柱厚度卻隨高度而迅速增大。二、氣壓隨時間的變化（一）氣壓變化的原因某地氣壓的變化，實質(zhì)上是該地上空空氣柱重量增加或減少的反映，而空氣柱質(zhì)量的變化主要是由熱力和動力因子引起。熱力因子是指溫度的升高或降低引起的體積膨脹或收縮、密度的增大或減小，以及伴隨的氣流輻合或輻散所造成的質(zhì)量增多或減少。動力因子是指大氣運動所引起的氣柱質(zhì)量的變化，根據(jù)空氣運動的狀況可歸納為下列三種情況。1、水平氣流的輻合與輻散空氣運動的方向和速度常不一致，這可能引起空氣質(zhì)量在某些區(qū)域堆聚，而在另一些地區(qū)流散。a、c表示水平氣流輻散現(xiàn)象。b、d表示水平氣流輻合現(xiàn)象。2、不同密度氣團的移動不同性質(zhì)的氣團，密度往往不同。如果移到某地的氣團比原來氣團密度大，則該地上空氣柱中質(zhì)量會增多，氣壓隨之升高。反之該地氣壓就要降低。如冬季大范圍強冷空氣南下，流經(jīng)之地空氣密度相繼增大，地面氣壓隨之明顯上升。夏季時暖濕氣流北上，引起流經(jīng)之處密度減小，地面氣壓下降。3、空氣垂直運動當(dāng)空氣有垂直運動而氣柱內(nèi)質(zhì)量沒有外流時，地面氣壓及氣柱中某一層次氣壓變化情況如何？上層有水平氣流輻合、下層有水平氣流輻散的區(qū)域必然會有空氣從上層向下層補償，從而出現(xiàn)空氣的下沉運動。地面和高空的氣壓如何變化？第二節(jié)氣壓場氣壓的空間分布稱氣壓場。由于各地氣柱質(zhì)量不相同，氣壓的空間分布也不均勻，有的地方氣壓高，有的地方氣壓低，氣壓場呈現(xiàn)出各種不同的氣壓形勢，這些不同的氣壓形勢統(tǒng)稱氣壓系統(tǒng)。一、氣壓場的表示方法氣壓的水平分布形勢通常用等壓線或等壓面來表示。等壓線是同一水平面上各氣壓相等點的連線。等壓線按一定氣壓間隔（如2.5hPa或5hPa）繪出，構(gòu)成一張氣壓水平分布圖，比如海平面氣壓分布圖。等壓線的形狀和疏密程度反映著水平方向上氣壓的分布形勢。等壓面是空間氣壓相等點組成的面。由于下墊面性質(zhì)的差異、水平方向上溫度分布和動力條件的不均勻，以致同一高度上各地的氣壓不可能是一樣的。因而等壓面并不是一個水平面，而像地表形態(tài)一樣，是一個高低起伏的曲面。由于氣壓隨高度遞減，因而在某一等壓面以上各處的氣壓值都小于該等壓面上氣壓值，等壓面以下則相反。等壓面起伏形勢同它附近水平面上的氣壓高低分布有對應(yīng)關(guān)系。等壓面下凹部位對應(yīng)著水平面上的低壓區(qū)域，等壓面愈下凹，水平面上氣壓低得愈多。等壓面向上凸起的部位對應(yīng)著水平面上的高壓區(qū)域，等壓面愈上凸，水平面上高壓愈強大。將某一等壓面上各位勢高度點投影到海平面上，就得到一張等位勢高度線（等高線）圖。此圖能表示該等壓面的形勢，故這種圖稱為等壓面圖。與等壓面凸起部位相對應(yīng)的是由一組閉合等高線構(gòu)成的高值區(qū)域，高度值由中心向外遞減；與等壓面下凹部位相對應(yīng)的是由一組團合等高線構(gòu)成的低值區(qū)域，高度值由中心向外遞增。因此，平面圖中等高線的高、低中心即代表氣壓的高低中心，而且等高線的疏密同等壓面的緩陡相對應(yīng)。二、氣壓場的基本型式低氣壓：簡稱低壓，是由閉合等壓線構(gòu)成的低氣壓區(qū)。氣壓值由中心向外逐漸增高。對應(yīng)的空間等壓面向下凹陷。低壓槽：簡稱槽，是低氣壓延伸出來的狹長區(qū)域。在低壓槽中，各等壓線彎曲最大處的連線稱槽線，槽附近的空間等壓面類似地形中狹長的山谷，呈下凹形。高氣壓：簡稱高壓，由閉合等壓線構(gòu)成，中心氣壓高，向四周逐漸降低，空間等壓面類似山丘，呈上凸狀。高壓脊：簡稱脊，是由高壓延伸出來的狹長區(qū)域，在脊中各等壓線彎曲最大處的連線叫脊線，脊附近空間等壓面類似地形中狹長山脊。鞍形氣壓場：簡稱鞍，是兩個高壓和兩個低壓交錯分布的中間區(qū)域。由于愈向高空受地面影響愈小，以致高空氣壓系統(tǒng)比低空系統(tǒng)要相對簡單，大多呈現(xiàn)出沿緯向的平直或波狀等高線，有時也有閉合系統(tǒng)如切斷低壓、阻塞高壓。三、氣壓系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)氣壓系統(tǒng)隨高度的變化同溫度分布密切相關(guān)，因此，氣壓系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)往往由于與溫度場的不同配置狀況而有差異。當(dāng)溫度場與氣壓場配置重合（高溫/低溫中心分別與高壓/低壓中心相重合）時，稱溫壓場對稱系統(tǒng)。當(dāng)溫度場與氣壓場的配置不重合時，稱溫壓場不對稱系統(tǒng)。（一）溫壓場對稱系統(tǒng)該系統(tǒng)中包括暖性高壓、冷性低壓和暖性低壓、冷性高壓。1、暖性高壓高壓中心區(qū)為暖區(qū)，四周為冷區(qū)，等壓線和等溫線基本平行，暖中心與高壓中心基本重合的氣壓系統(tǒng)。由于暖區(qū)單位氣壓高度差大于周圍冷區(qū)，因而高壓的等壓面凸起程度隨高度增加不斷增大，即高壓的強度愈向高空愈增強。2、冷性低壓低壓中心區(qū)為冷區(qū)，四周為暖區(qū)，等溫線與等壓線基本平行，冷中心與低壓中心基本重合的氣壓系統(tǒng)。因為冷區(qū)單位氣壓高度差小于周圍暖區(qū)，因而冷低壓的等壓面凹陷程度隨高度增加而增大，即冷低壓的強度愈向高空愈增強。3、暖性低壓低壓中心為暖區(qū)，暖中心與低壓中心基本重合的氣壓系統(tǒng)。由于暖區(qū)的單位氣壓高度差大于周圍冷區(qū)，所以低壓等壓面凹陷程度隨高度升高而逐漸減小，最后趨于消失。如果溫壓場結(jié)構(gòu)不變，隨高度繼續(xù)增加暖低壓就會變成暖高壓系統(tǒng)。4、冷性高壓高壓中心為冷區(qū)，冷中心與高壓中心基本重合的氣壓系統(tǒng)。因為冷區(qū)單位氣壓高度差小于周圍暖區(qū)，因而高壓等壓面的凸起程度隨高度升高而不斷減小，最后趨于消失。若溫壓場結(jié)構(gòu)不變，隨高度繼續(xù)增加，冷高壓會變成冷低壓系統(tǒng)。暖性高壓和冷性低壓系統(tǒng)不僅存在于對流層低層，還可伸展到對流層高層，而且氣壓強度隨高度增加逐漸增強，這類系統(tǒng)稱為深厚系統(tǒng)。暖性低壓和冷性高壓系統(tǒng)主要存在于對流層低空，稱淺薄系統(tǒng)。（二）溫壓場不對稱系統(tǒng)指地面的高、低壓系統(tǒng)中心同溫度場冷暖中心配置不相重合的系統(tǒng)。這種氣壓系統(tǒng)，中心軸線不是鉛直的，而偏斜的。地面低壓中心軸線隨高度升高不斷向冷區(qū)傾斜;高壓中心軸線隨高度升高不斷向暖區(qū)傾斜。第三節(jié)大氣的水平運動和垂直運動一、作用于空氣的力空氣的運動是在力的作用下產(chǎn)生的，除重力外，還有：由于氣壓分布不均而產(chǎn)生的氣壓梯度力；由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力；由于空氣層之間、空氣與地面之間存在相對運動而產(chǎn)生的摩擦力；由于空氣作曲線運動時產(chǎn)生的慣性離心力。這些力在水平分量之間的不同組合，構(gòu)成了不同形式的大氣水平運動。（一）氣壓梯度力氣壓梯度是一個向量，它垂直于等壓面，由高壓指向低壓，數(shù)值等于兩等壓面間的氣壓差（△P）除以其間的垂直距離（△N），用下式表達：式中GN為氣壓梯度。－△P/△N可以分解為水平氣壓梯度－△P/△n和垂直氣壓梯度－△P/△Z。水平氣壓梯度值很小，一般為1~3hPa/赤道度（111km）。而垂直氣壓梯度在大氣低層可達1hPa/10m左右，即相當(dāng)于水平氣壓梯度的10萬倍左右。因而氣壓梯度的方向幾乎與垂直氣壓梯度方向一致，等壓面近似水平。氣壓梯度不僅表示氣壓分布的不均勻程度，還表示了由于氣壓分布不均而作用在單位體積空氣上的壓力,即－△P/△N=F/V或F=－△P/△N·V當(dāng)氣壓梯度存在時，單位質(zhì)量空氣所受的力稱為氣壓梯度力：氣壓梯度力的方向由高壓指向低壓，其大小與氣壓梯度-△P/△N成正比，與空氣密度ρ成反比。氣壓梯度力可以分解為水平氣壓梯度力（Gn）和垂直氣壓梯度力（Gz），即：在大氣中氣壓梯度力的垂直分量比水平分量大得多，但是垂直方向上有與Gz方向相反的重力作用，因而在垂直方向上一般不會造成強大的垂直加速度。水平氣壓梯度力雖小，但由于沒有其它實質(zhì)力與它相平衡，在一定條件下卻能造成較大的空氣水平運動。實際大氣中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是：ρ=1.3×10-3g/cm3，－△P/△n=1hPa/赤道度，所以Gn=7×10-4N/kg。當(dāng)這種氣壓梯度力持續(xù)作用3h，可使風(fēng)速由零增大到7.6m/s?？梢姎鈮禾荻攘κ强諝猱a(chǎn)生水平運動的直接原因和動力。（二）地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）任何緯度上作用于運動空氣上的偏向力為：單位質(zhì)量空氣：V為空氣運動的線速度；ω為繞地軸轉(zhuǎn)動的角速度；φ為某地點的緯度；北半球，單位質(zhì)量空氣受到的水平地轉(zhuǎn)偏向力與空氣運動方向垂直，并指向它的右方。地轉(zhuǎn)偏向力只是在空氣相對于地面有運動時才產(chǎn)生，處于靜止狀態(tài)的空氣不受地轉(zhuǎn)偏向力作用。地轉(zhuǎn)偏向力只改變氣塊運動方向而不能改變其運動速度。在風(fēng)速相同情況下它隨緯度減小而減小。（三）慣性離心力慣性離心力是物體在作曲線運動時所產(chǎn)生的，由運動軌跡的曲率中心沿曲率半徑向外作用在物體上的力。慣性離心力同運動方向垂直，自曲率中心指向外緣。慣性離心力C=mω2r單位質(zhì)量空氣C=ω2r將物體轉(zhuǎn)動的線速度V=ωr代入上式得：C=V2/r慣性離心力只改變物體運動的方向，不改變運動的速度。（四）摩擦力兩個相互接觸的物體作相對運動時，接觸面之間所產(chǎn)生的一種阻礙物體運動的力----內(nèi)摩擦力和外摩擦力。內(nèi)摩擦力與外摩擦力的向量和稱摩擦力。內(nèi)摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接觸的兩個空氣層之間產(chǎn)生的一種相互牽制的力，也稱湍流摩擦力。外摩擦力是空氣貼近下墊面運動時，下墊面對空氣運動的阻力。它的方向與空氣運動方向相反，大小與空氣運動的速度和摩擦系數(shù)成正比，其公式為：R=-kV式中R為摩擦力，k為摩擦系數(shù)，V為空氣運動速度。摩擦力的大小在大氣中的各個不同高度上是不同的，以近地面層（地面至30—50m）最為顯著，高度愈高，作用愈弱，到1~2km以上，摩擦力的影響可以忽略不計。因此，把1~2km高度以下的氣層稱為摩擦層（行星邊界層），此層以上稱為自由大氣層。小結(jié)：四個力都是在水平方向上作用于空氣的力，它們對空氣運動的影響是不一樣的。氣壓梯度力是使空氣產(chǎn)生運動的直接動力，是最基本的力；其它力是在空氣開始運動后產(chǎn)生和起作用的，而且所起的作用視具體情況而有不同。地轉(zhuǎn)偏向力對高緯地區(qū)或大尺度的空氣運動影響較大，而對低緯地區(qū)特別是赤道附近的空氣運動，影響甚小。慣性離心力是在空氣作曲線運動時起作用，而在空氣運動近于直線時，可以忽略不計。摩擦力在摩擦層中起作用，而對自由大氣中的空氣運動也不予考慮。地轉(zhuǎn)偏向力、慣性離心力和摩擦力雖然不能使空氣由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，但卻能影響運動的方向和速度。氣壓梯度力和重力既可改變空氣運動狀態(tài)，又可使空氣由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)。二、自由大氣中的空氣水平運動自由大氣中大尺度空氣水平運動是在氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力及慣性離心力作用下運動著。（一）地轉(zhuǎn)風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)是氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時，空氣作等速、直線的水平運動，其式為地轉(zhuǎn)風(fēng)方向與水平氣壓梯度力的方向垂直，即平行于等壓線。在北半球，若背風(fēng)而立，高壓在其右方；在南半球，高壓在其左方，此稱風(fēng)壓律。由于地轉(zhuǎn)風(fēng)是氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力達到平衡時的空氣水平運動，因而是穩(wěn)定的直線運動，要求：風(fēng)向與等壓線平行；等壓線也是相互平行的；等壓線還應(yīng)平行于緯圈。因為地轉(zhuǎn)偏向力隨緯度有變化，只有等壓線平行于緯線時才能使得各處氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力相平衡，以獲得穩(wěn)定的直線運動。但實際大氣中，這種理想的地轉(zhuǎn)風(fēng)是很少存在的。中高緯度自由大氣中的實際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)十分相近。在低緯度地轉(zhuǎn)偏向力很小，地轉(zhuǎn)風(fēng)的概念已不適用。（二）梯度風(fēng)當(dāng)空氣質(zhì)點作曲線運動時，除受氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力作用，還受慣性離心力的作用，當(dāng)這三個力達到平衡時的風(fēng)，稱為梯度風(fēng)。由于作曲線運動的氣壓系統(tǒng)有高壓和低壓之分，而在高壓和低壓系統(tǒng)中，力的平衡狀況不同，梯度風(fēng)也不相同。低壓內(nèi)氣壓梯度力G指向低壓中心，地轉(zhuǎn)偏向力A和慣性離心力C指向外，達到平衡狀態(tài)時出現(xiàn)的梯度風(fēng)為：G=A+CACGVt低VgAG低高高壓內(nèi)氣壓梯度力G和慣性離心力C指向外，而地轉(zhuǎn)偏向力A指向內(nèi)，三個力達到平衡狀態(tài)時出現(xiàn)的梯度風(fēng)為：G+C=AGCVtA高AGVg低高實際自由大氣中的空氣運動并不完全與地轉(zhuǎn)風(fēng)或梯度風(fēng)相吻合，各個作用力的平衡關(guān)系也只是相對的、暫時的，平衡關(guān)系經(jīng)常會遭到破壞。梯度風(fēng)考慮了空氣運動路徑的曲率影響，它比地轉(zhuǎn)風(fēng)更接近于實際風(fēng)。（三）自由大氣中風(fēng)隨高度的變化自由大氣中風(fēng)隨高度的變化同氣壓場隨高度的變化密切相關(guān)。而氣壓隨高度遞降的快慢又與大氣柱中的溫度場有關(guān)。1、熱成風(fēng)若等壓面在低層是水平的，由于氣柱中平均溫度在水平方向上有差別，到高層以后，等壓面就會出現(xiàn)傾斜，暖區(qū)一側(cè)等壓面抬起，冷區(qū)一側(cè)等壓面相對降低；結(jié)果使高層水平面上的氣壓值不相等，出現(xiàn)了由暖區(qū)指向冷區(qū)的氣壓梯度力，從而產(chǎn)生了平行于等溫線的風(fēng)。氣層中平均溫度梯度愈大，高層出現(xiàn)的風(fēng)也愈大。這種由于水平溫度梯度的存在而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)風(fēng)在鉛直方向上的速度矢量差，稱為熱成風(fēng)（VT），即VT=V2-V1V2、V1分別是高層與低層的地轉(zhuǎn)風(fēng)。如果低層等壓面是水平的，則V1=0，V2=VT熱成風(fēng)的大小與氣層內(nèi)水平溫度梯度以及氣層的厚度成正比，與科氏參數(shù)（f）成反比，表達式為式中Tm為氣層平均溫度，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，g為重力加速度，Z1、Z2為下、上層的高度。熱成風(fēng)的方向與平均等溫線相平行，在北半球背熱成風(fēng)而立，高溫在右，低溫在左，南半球則反。2、風(fēng)隨高度的變化平衡條件下，自由大氣中風(fēng)隨高度的變化主要與氣層中的氣壓場和溫度場有關(guān)。根據(jù)氣層中水平溫度場與氣壓場的不同配置情況，風(fēng)隨高度的變化形式可分為兩類：1、等溫線與等壓線平行----出現(xiàn)于溫壓場對稱系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)隨高度變化狀況可分為兩種情形：（1）高壓區(qū)與高溫區(qū)相對應(yīng)的系統(tǒng)，其低層風(fēng)向與熱成風(fēng)風(fēng)向一致，因而其風(fēng)速隨高度逐漸增大，風(fēng)向不改變。（2）高壓區(qū)與低溫區(qū)相重合的系統(tǒng)。因高壓區(qū)對應(yīng)冷區(qū)，低層風(fēng)向與熱成風(fēng)方向相反。因而低層風(fēng)速隨高度逐漸減小，風(fēng)向不變，到某一高度風(fēng)速減小到零。再向高空，風(fēng)速隨高度增大，而風(fēng)向則與低層相反，即發(fā)生180°轉(zhuǎn)變，同熱成風(fēng)風(fēng)向一致。冷暖2、等壓線與等溫線相交出現(xiàn)于溫壓場不對稱系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中風(fēng)隨高度的變化狀況也分為兩種情形：（1）等壓線與等溫線相交而有冷平流，即低層風(fēng)從冷區(qū)吹向暖區(qū)。由于V2=V1+VT，所以，在北半球風(fēng)向隨高度逐漸向左轉(zhuǎn)，而且愈到高層，風(fēng)向與熱成風(fēng)風(fēng)向愈接近。（2）等壓線與等溫線相交而有暖平流，低層風(fēng)從暖區(qū)流向冷區(qū)，由于V1+VT=V2

，所以風(fēng)向隨高度逐漸向右轉(zhuǎn)，愈到高層風(fēng)向與熱成風(fēng)愈接近。在自由大氣中，隨著高度增加，不論風(fēng)向如何變化，高層風(fēng)總是愈來愈趨向于熱成風(fēng)，實際情況也是如此。如北半球?qū)α鲗又?，溫度分布大致是南暖北冷，并且在緯?0°附近溫度梯度最大。實際上，對流層上層總是以西風(fēng)為主，并在緯度30°附近上空出現(xiàn)最大的西風(fēng)風(fēng)速區(qū)，即西風(fēng)急流。

熱成風(fēng)VT并不是實際上的空氣水平運動，而是風(fēng)隨高度的改變量，是上層地轉(zhuǎn)風(fēng)與下層地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差。三、摩擦層中空氣的水平運動（一）地面摩擦力對風(fēng)的影響1、當(dāng)?shù)孛鎸拥葔壕€為平行直線時，空氣質(zhì)點受到氣壓梯度力（G）、地轉(zhuǎn)偏向力（A）和地面摩擦力（R）的共同作用。當(dāng)三個力達到平衡時，便出現(xiàn)了穩(wěn)定的地面平衡風(fēng)。由于摩擦力（主要是外摩擦力）對風(fēng)的阻滯作用，使平衡風(fēng)的風(fēng)速比原氣壓場中相應(yīng)的地轉(zhuǎn)風(fēng)的風(fēng)速要減小，進而使地轉(zhuǎn)偏向力也相應(yīng)減小。減小后的地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力的合力與氣壓梯度力相平衡時的風(fēng)，斜穿等壓線，由高壓吹向低壓。其風(fēng)速大小與氣壓梯度力成正比，而與地面摩擦系數(shù)成反比。VgAG低高摩擦層中風(fēng)場與氣壓場的關(guān)系：在北半球背風(fēng)而立，高壓在右后方，低壓在左前方，即白貝羅風(fēng)壓定律。風(fēng)向偏離等壓線的角度（α）和風(fēng)速減小的程度，取決于摩擦力的大小。摩擦力愈大，交角愈大，風(fēng)速減小得愈多。在中緯度地區(qū)，陸地上的地面風(fēng)速（10~12m高度上的風(fēng)速）約為該氣壓場所應(yīng)有地轉(zhuǎn)風(fēng)速的35~45％；在海洋上約為60~70％。風(fēng)向與等壓線的交角，在陸地上約為25°~35°，在海洋上約為10°~20°。2、在等壓線彎曲的氣壓場中，如閉合高壓與低壓中，由于地面摩擦力的作用，（實際）風(fēng)速比該氣壓場中所應(yīng)有的梯度風(fēng)風(fēng)速要小，風(fēng)斜穿等壓線吹向低壓區(qū)。低壓中的空氣是一面旋轉(zhuǎn)、一面向低壓中心輻合。高壓中空氣則是一面旋轉(zhuǎn)、一面從高壓中心向外輻散。GCVtA高GVtAC低（二）摩擦層中風(fēng)隨高度的變化在摩擦層中風(fēng)隨高度的變化，既受摩擦力隨高度變化的影響，又受氣壓梯度力隨高度變化的影響。假若各高度上的氣壓梯度力都相同，由于摩擦力隨高度不斷減小，其風(fēng)速將隨高度增高逐漸增大；風(fēng)向隨高度增高不斷向右偏轉(zhuǎn)（北半球），到摩擦層頂部風(fēng)速接近于地轉(zhuǎn)風(fēng)，風(fēng)向與等壓線平行。（三）風(fēng)的日變化和風(fēng)的陣性1、風(fēng)的日變化近地面層中，風(fēng)存在著有規(guī)律的日變化。白天風(fēng)速增大，午后增至最大；夜間風(fēng)速減小，清晨減至最小。摩擦層上層則相反，白天風(fēng)速小，夜間風(fēng)速大。原因：在摩擦層中，通常是上層風(fēng)速大于下層。白天地面受熱，空氣逐漸變得不穩(wěn)定，湍流得以發(fā)展。上下層間空氣動量交換增強，使上層風(fēng)速大的空氣進入下層，致下層（近地面層）風(fēng)速增大，風(fēng)向向右偏轉(zhuǎn)。下層風(fēng)速小的空氣進入上層，造成上層風(fēng)速減小，風(fēng)向向左偏轉(zhuǎn)。午后湍流發(fā)展旺盛，下層風(fēng)速增至最大值，風(fēng)向右偏最多，上層風(fēng)速減到最小值，風(fēng)向左偏最多，這時上下層風(fēng)的差異最小。夜間湍流減弱，下層風(fēng)速變小、風(fēng)向左偏，上層風(fēng)速增大、風(fēng)向右偏。上層與下層的分界線隨季節(jié)而有變化：夏季湍流最強，可達300m；冬季湍流最弱，低至20m，平均約50~100m。風(fēng)的日變化，晴天比陰天大，夏季比冬季大，陸地比海洋大。2、風(fēng)的陣性指風(fēng)向變動不定、風(fēng)速忽大忽小的現(xiàn)象。它是大氣中湍流運動引起的。當(dāng)大氣中出現(xiàn)強烈擾動時，空氣上下層間交換頻繁，這時與空氣一起移動的大小渦旋可使局部氣流加強、減弱或改變方向。實箭頭表示大范圍氣流的方向，虛箭頭表示水平渦旋中氣流的方向。在A處兩者同向，使風(fēng)速增大；在B處兩者反向，使風(fēng)速減小；在C處和D處兩者垂直，風(fēng)向發(fā)生向左或向右偏轉(zhuǎn)。對于一定地點來說，隨著渦旋的過往，該地的風(fēng)速就會忽大忽小，風(fēng)向有忽左忽右的變化。風(fēng)的陣性在摩擦層中經(jīng)常出現(xiàn)，特別是山區(qū)更甚。隨著高度的增高，風(fēng)的陣性在逐漸減弱。以夏季和午后最為明顯。第四節(jié)大氣環(huán)流大氣環(huán)流是指大范圍的大氣運動狀態(tài)。其水平范圍達數(shù)千公里，垂直尺度在10公里以上，時間尺度在1~2日以上。大氣環(huán)流反映了大氣運動的基本狀態(tài)，并孕育和制約著較小規(guī)模的氣流運動。一、大氣環(huán)流形成的主要因素（一）太陽輻射作用大氣吸收太陽輻射、地面輻射和地球釋放的內(nèi)能，同時大氣本身也向外放射輻射。吸收和放射的差額在大氣中的分布是不均勻的，沿緯圈平均在35°S~35°N之間是輻射差額的正值區(qū)，即凈得能量區(qū)。由35°S向南和由35°N向北是輻射差額的負值區(qū)，即凈失能量區(qū)。從而引起地球上高、低緯度間的大氣熱量收支不平衡---形成了向極的溫度梯度。低緯大氣因凈得熱量不斷增溫并膨脹上升，極地大氣因凈失熱量不斷冷卻并收縮下沉，即形成了赤道低壓帶和極地高壓帶。對流層高層出現(xiàn)向極地的氣壓梯度，低層出現(xiàn)向低緯的氣壓梯度。若地球表面性質(zhì)均一且沒有地轉(zhuǎn)偏向力，則氣壓梯度力的作用將使赤道和極地間構(gòu)成一個大的理想的直接熱力環(huán)流圈。環(huán)流使高低緯度間不同溫度的空氣得以交換，并把低緯度的凈收入熱量向高緯度輸送，以補償高緯熱量的凈支出，從而維持了緯度間的熱量平衡。因此，太陽輻射對大氣系統(tǒng)加熱不均是大氣產(chǎn)生大規(guī)模運動的根本原因。（二）地球自轉(zhuǎn)作用地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力迫使運動空氣的方向偏離氣壓梯度力方向。三個風(fēng)帶的形成（三）地表性質(zhì)作用地球表面是一個性質(zhì)不均勻的復(fù)雜下墊面。海陸間熱力差異所造成的冷熱源分布不均及山脈阻滯作用，都是影響大氣環(huán)流的重要熱力和動力因素。海洋與陸地的熱力性質(zhì)有很大差異。夏季：陸地---相對熱源，海洋---相對冷源；冬季：陸地---相對冷源，海洋---相對熱源。影響：冷熱源分布直接影響到海陸間的氣壓分布，使完整的緯向氣壓帶分裂成一個個閉合的高壓和低壓。同時，冬夏海、陸間的熱力差異引起的氣壓梯度驅(qū)動著海陸間的大氣流動，這種隨季節(jié)而轉(zhuǎn)換的環(huán)流是季風(fēng)形成的重要因素。由于海陸熱力性質(zhì)不同引起的溫度隨高度的變化北半球陸地遼闊，海陸東西相間分布。冬季，大陸是冷源，緯向西風(fēng)氣流流經(jīng)大陸時，氣流溫度逐漸降低，到大陸東岸降到最低；氣流東流入海后，因海洋是熱源，氣溫不斷升溫，直到海洋東緣溫度升到最高，即大陸東岸成為溫度槽，大陸西岸形成溫度脊。夏季，溫度場相反，大陸東岸為溫度脊，大陸西岸為溫度槽。與溫度場相適應(yīng)的高空氣壓場則是：冬季大陸東岸出現(xiàn)低壓槽，西岸出現(xiàn)高壓脊，夏季時相反。地形起伏，尤其是大范圍的高原和高大山脈對大氣環(huán)流的影響非常顯著，其影響包括：1）動力影響當(dāng)大規(guī)模氣流爬越高原和高山時，常常在高山迎風(fēng)側(cè)受阻，造成空氣輻合，形成高壓脊；在高山背風(fēng)側(cè)，則利于空氣輻散，形成低壓槽。東亞沿岸和北美東岸，冬半年經(jīng)常存在的高空大槽，雖然其形成同海陸溫差有關(guān)，但同西風(fēng)氣流爬越巨大青藏高壓和落基山的動力減壓亦有一定關(guān)系。如果地形過于高大或氣流比較淺薄，則運動氣流往往不能爬越高大地形，而在山地迎風(fēng)面發(fā)生繞流或分支現(xiàn)象，在背風(fēng)面發(fā)生氣流匯合現(xiàn)象。2）熱力影響如青藏高原相對于四周自由大氣來說，夏季時高原面是熱源，冬季時是冷源，這種熱力效應(yīng)對南亞和東亞季風(fēng)環(huán)流的形成、發(fā)展和維持有重要影響。夏季極冰的冷源作用改變了太陽總輻射所形成的夏季經(jīng)向輻射梯度，使對流層大氣的夏季熱源仍維持在低緯，冷源維持在高緯極區(qū)。二、大氣環(huán)流平均狀況（一）平均緯向環(huán)流大氣環(huán)流最基本的狀態(tài)是盛行著以極地為中心旋轉(zhuǎn)的緯向環(huán)流，即東風(fēng)帶和西風(fēng)帶。對流層的中上層，除赤道地區(qū)有東風(fēng)外，各緯度幾乎是一致的西風(fēng)，而且西風(fēng)跨越的緯距隨著高度在擴大。近地面層的緯向環(huán)流分布特征：高緯地區(qū)：冬夏季都是一層很淺薄的東風(fēng)帶，即極地東風(fēng)帶。主要分布在北大西洋低壓（冰島低壓）和北太平洋低壓（