第五章氣壓和風氣壓和氣壓場一、氣壓及其變化氣壓1、概念：單位面積上所承受的垂直大氣柱的重量1mb=1hpa=0.75mmHg2、標準大氣壓：指緯度為45的海平面上，空氣溫度為0℃時，大氣所產(chǎn)生的壓力1標準大氣壓=1013.25hPa=760mmHg（二）氣壓的垂直變化氣壓隨高度的增高而急劇減小，用壓高公式表示ΔZ=18400（1+αt）㏒P1/P2（三）氣壓隨時間的變化1、氣壓變化的原因（1）水平氣流的輻合與輻散（2）不同密度氣團的移動（3）空氣垂直運動2、氣壓的時間變化（1）日變化：地面氣壓的日變化有單峰、雙峰和三峰等型式，其中以雙峰型最為普遍，其特點是一天中有一個最高值、一個次高值和一個最低值、一個次低值。一般是清晨氣壓上升，09-10時出現(xiàn)最高值，以后氣壓下降，到15-16時出現(xiàn)最低值，此后又逐漸升高，到21-22時出現(xiàn)次高值，以后再度下降，到次日03-04時出現(xiàn)次低值。（2）年變化：在大陸上，一年中氣壓最高值出現(xiàn)在冬季，最低值出現(xiàn)在夏季，氣壓年變化很大，并由低緯向高緯逐漸增大。海洋上一年中氣壓最高值出現(xiàn)在夏季，最低值出現(xiàn)在冬季，年較差小于同緯度的陸地。高山區(qū)一年中氣壓最高值出現(xiàn)在夏季，是空氣受熱，氣柱膨脹、上升，質(zhì)量增加所致，而最低值出現(xiàn)在冬季，是空氣受冷，氣柱收縮、空氣下沉、高山上空氣質(zhì)量減少的結(jié)果。（3）氣壓的非周期性變化：一個地方的地面氣壓變化總是既包含周期變化，又包含非周期變化，只是中高緯度地區(qū)氣壓的非周期變化比周期性變化明顯得多，而低緯度地區(qū)相反，因而氣壓變化帶有非周期性特征。二、氣壓場的表示方法氣壓在空間的分布稱氣壓場。在氣壓場中所出現(xiàn)的各種氣壓形勢，有的是高壓區(qū)，有的是低壓區(qū)等等，這些氣壓形勢稱為氣壓系統(tǒng)。在氣壓場中，用來表示各種氣壓形勢的方法，在等高面上用等壓線，在等壓面上用等高線。位勢高度相等的空間各點形成等高面，海平面就是被看成零值等高面。等壓線就是在等高面上連結(jié)氣壓相等各點的線，它可以清楚地表示出海平面上氣壓分布的形勢。表示氣壓場的基本形式，即（1）低壓：具有閉合等壓線，中心氣壓低，外圍氣壓高的氣壓區(qū)。（2）高壓：具有閉合等壓線，中心氣壓高，外圍氣壓低的氣壓區(qū)。（3）低壓槽：從低壓區(qū)向外伸出的狹長區(qū)域或一組未閉合的等壓線向氣壓較高的一方突出的部分。低壓槽中，各等壓線彎曲最大處的連線，叫做槽線。（4）高壓脊：從高壓區(qū)向外伸出的狹長區(qū)域或一組未閉合的等壓線向氣壓較低的一方突出的部分。另外，在一張范圍較大的海平面等壓線圖上，?？赏瑫r出現(xiàn)上述各種不同類型的氣壓系統(tǒng)。三、氣壓系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)（一）溫壓場對稱系統(tǒng)1、冷低壓：當溫度場的冷中心和氣壓場的低壓中心基本重合時的溫壓場對稱系統(tǒng)。2、暖高壓：當溫度場的暖中心和氣壓場的高壓中心基本重合時的溫壓場對稱系統(tǒng)。3、冷高壓：當溫度場的冷中心和氣壓場的高壓中心基本重合時的溫壓場對稱系統(tǒng)。4、暖低壓：當溫度場的暖中心和氣壓場的低壓中心基本重合時的溫壓場對稱系統(tǒng)。（二）溫壓場不對稱的氣壓系統(tǒng)：指地面上冷暖中心和高低氣壓中心不重合的溫壓系統(tǒng)。第二節(jié)大氣的運動一、風：空氣的水平運動稱為風。二、風的大小和方向：1、風速是指單位時間內(nèi)空氣水平移動的距離。2、風向是指風的來向。三、作用于空氣質(zhì)點上的力1、水平氣壓梯度力(G)氣壓梯度力是由于空間氣壓分布不均而作用在單位體積空氣上的力。它在水平方向上的分力稱為水平氣壓梯度力，其方向垂直于等壓線，由高壓指向低壓，大小為這個方向上單位距離內(nèi)氣壓的的改變量。公式為G=-△P/ρ△N其中-△P/△N表示水平氣壓梯度2、水平地轉(zhuǎn)偏向力(A)空氣在轉(zhuǎn)動的地球上運動著，當運動的空氣質(zhì)點依其慣性順著氣壓梯度力方向進行時，由于地球轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的使空氣偏離氣壓梯度力方向的力，叫做地轉(zhuǎn)偏向力。公式為A=2υωsinΦ結(jié)論：A只是在物體相對于地面運動時才產(chǎn)生，靜止時，不受A的作用。A方向同物體運動方向垂直，在北半球，它指向運動方向的右方，南半球相反。A只改變物體的運動方向，不改變其相對于地球的運動速度。A同風速和所在緯度的正弦成正比，在風速相同的情況下，隨緯度的增高而增大，赤道上，A等于零。3、慣性離心力(C)在曲線軌道上運動的空氣質(zhì)點，時刻受到一個離開曲率中心向外的力的作用，它是空氣為保持慣性方向運動而產(chǎn)生的。公式為：C=υ2/r結(jié)論：C的方向與向心力的方向相反，都和運動方向垂直，大小與向心力相等。C只改變運動方向，不改變速度。如果空氣直線運動或靜止時，C都不存在。4、摩擦力(R)兩個相互接觸的物體相對運動時，接觸面之間所產(chǎn)生的一種阻礙物體運動的力。摩擦力的方向與空氣運動方向相反，大小與運動速度和摩擦系數(shù)成正比。公式為：R=-kυR隨高度升高，作用減小，到自由大氣層時，可忽略不計四、自由大氣中的風1、地轉(zhuǎn)風：在自由大氣平直等壓線的氣壓場中，當氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時的風。2、梯度風在自由大氣中，當空度作曲線運動時，作用于空氣的力，除了氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力之外，還有慣性離心力。這三個力達到平衡時的風，叫做梯度風。在北半球，高氣壓中的梯度風是沿著等壓線按順時針方向吹，低氣壓中的梯度風則按逆時針方向吹，南半球情況正好相反。白貝羅風壓定律：自由大氣中的風沿等壓線吹，在北半球，背風而立，高壓在右，低壓在左；南半球則相反。五、摩擦層中的風1、在平直等壓線的氣壓場中。由地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力的合力與氣壓梯度力平衡時的風，稱為實際風。2、曲線等壓線的氣壓場中，摩擦層中的風即氣旋與反氣旋。綜上，在摩擦層中，無論是等壓線還是曲線等壓線，受到摩擦力的作用，風速都要減小，風向都是斜穿等壓線，由高壓指向低壓，仍符合白貝羅風壓定律（略修改）即：在北半球，背風而立，高壓在右后方，低壓在左前方，南半球則相反。六、風的變化1、風的日變化：一于中午后的風速最大，清晨的風速最小。這種變化晴天大于陰天，夏季大于冬季，陸地大于海洋2、風的年變化：冬半年風速大于夏半年3、風的空間變化：隨海拔高度的升高，風速增大，同理，海洋上空的風速大于陸地上空的，沿海的風速大于山區(qū)的4、風的陣性：風的陣性山區(qū)比平原地區(qū)明顯，白天比夜間明顯，午后最顯著七、大氣的垂直運動（一）對流運動對流運動是由于某空氣團溫度與周圍空氣不同引起的。（二）系統(tǒng)性垂直運動由于水平氣流的輻合、輻散、暖氣流沿鋒面沿用升以及氣流受山脈的阻滯等動力作用所引起的大范圍、較規(guī)則的上升或下降運動。這種運動垂直速度很小，但范圍很廣，并能維持較長時間，對天氣的形成和演變有重大影響。第三節(jié)大氣環(huán)流大氣中各種氣流的綜合，稱為大氣環(huán)流。一、大氣環(huán)流形成因素太陽輻射因子：大氣環(huán)流形成與維持的基本能源來自太陽輻射的轉(zhuǎn)化。大氣吸收太陽輻射、地面輻射和地球給予大氣的其它能量，同時大氣也向外輻射能量。這些能量的差額的分布與緯度有關(guān)。赤道和低緯度地區(qū)是輻射源，高緯和極地是輻射匯。太陽輻射分布不均勻是大氣產(chǎn)生大規(guī)模運動的根本原因，大氣在高低緯度間熱量收支不平衡的產(chǎn)生是維持大氣環(huán)流的直接原動力。地球自轉(zhuǎn)的作用因為地球不停地自西向東繞著地軸自轉(zhuǎn)，因此，大規(guī)模的空氣運動必然受到地轉(zhuǎn)偏向力的作用。地轉(zhuǎn)偏向力迫使空氣運動的方向偏離氣壓梯度力的方向，從而單圈環(huán)流不能維持，從而形成理論上的三圈環(huán)流中的三個風帶，由此可見，地球自轉(zhuǎn)是全球大氣環(huán)流形成和維持的重要條件。地球表面海陸分布和地形條件的影響地面摩擦作用二、熱力環(huán)流空氣因受熱不均而產(chǎn)生的環(huán)流。三、單圈環(huán)流如果地表面是均勻的，并且暫不考慮地轉(zhuǎn)偏向力的作用，那么，由于赤道地區(qū)受熱多、氣溫高，空氣膨脹上升，赤道上空的氣壓就會高于上空同一高度上的氣壓。在氣壓梯度力的作用下，赤道上空的空氣就向極地流動，赤道上空由于空氣流出，氣柱質(zhì)量減少，地面氣壓就會降低而形成低壓區(qū)，稱為赤道低壓；極地上空因有空氣流入，地面氣壓就會升高而形成高壓區(qū)，稱為極地高壓。于是在低層就產(chǎn)生了自地流向赤道的氣流，這支氣流在赤道地區(qū)受熱上升，便補償了赤道上空流走的空氣質(zhì)量。這樣，在赤道和極地之間就構(gòu)成了南北向閉合的環(huán)流，稱為單圈環(huán)流。四、三圈環(huán)流當空氣赤道上空向極地流動時，起初因受地轉(zhuǎn)偏向力的作用很小，空氣基本上是順著氣壓梯度力方向沿經(jīng)圈運行的，以后隨著緯度增高，地轉(zhuǎn)偏向力逐漸增大，氣流就逐漸向緯圈方向偏轉(zhuǎn)，到緯度20°～3O°處，已經(jīng)增大到氣壓梯度力相等的程度，空氣運行方向就接近于與緯圈平行了。當氣流在緯度20°～30°處上空轉(zhuǎn)成緯向以后，源源不斷地從赤道上空流到這里來的空氣質(zhì)量就在此處堆積下沉，使近地面層氣壓升高而形成一個高壓帶，這個高壓帶就是副熱帶高壓帶。在副熱帶高壓帶和極地高壓帶之間是一個相對的低壓帶，稱為副極地低壓帶。副熱帶高壓帶出現(xiàn)以后，在副熱帶地區(qū)的近地面層，空氣向赤道和極地兩邊流去。其中向赤道的一支氣流，在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，在北半球成了東北風，在南半球成為東南風，我們分別稱為東北信風和東南信風，這兩支信風到了赤道附近輻合，補償由赤道上空流出的空氣質(zhì)量，于是熱帶地區(qū)的上下層氣流構(gòu)成一個環(huán)流圈，稱為熱帶環(huán)流圈，由副熱帶向極地的一支氣流，則在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，形成中緯度地區(qū)的偏西風。當它到達副極地低壓帶時，遇上由極地高壓區(qū)流來的稱為極地東風的冷空氣，于是在這兩支冷、暖氣流之間，形成一個鋒面（鋒面在下一章介紹），從副熱帶地區(qū)來的暖空氣沿鋒面向極地滑升（在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，為偏西氣流），然后在極地上空冷卻下沉，補償極地地面流向中緯度地區(qū)的空氣質(zhì)量，這樣極地的上下層氣流也構(gòu)成了一個環(huán)流圈，稱為極地環(huán)流圈。中緯度上下層都盛行西風，只是近地層具有南風風速，上層具有北風風速，所以在南北方向上也構(gòu)成一個環(huán)流圈，稱為中緯度環(huán)流圈，它的方向和熱帶環(huán)流圈、極地環(huán)流圈相反。由上述討論可知，在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，南北半球近地面層中各出現(xiàn)了四個氣壓帶，即赤道低壓帶、副熱帶高壓帶、副極地低壓帶和極地高壓帶。同時相應(yīng)地形成了三個風帶，即東北信風帶、盛行西風帶和極地東風帶（這些風帶被稱為行星風帶）。這些風帶與上空氣流結(jié)合起來，便構(gòu)成了三個環(huán)流圈，即熱帶環(huán)流圈、中緯度環(huán)流圈和極地環(huán)流圈。這樣，就把復(fù)雜的大氣環(huán)流歸納成為一個簡單的模式即通常所謂的大氣環(huán)流三圈模式。五、大氣環(huán)流的平均特征和變化情況（一）實際情況：由于地球表面不是均勻的，大氣環(huán)流情況遠不是上述那樣簡單。在眾多的影響因素中，最大的影響因素是大陸和海洋的分布，例如，在北緯30°～35°地區(qū)，副熱帶高壓帶就是不連續(xù)的。在夏季，陸地強烈增溫，使歐亞大陸成為一個寵大的低壓，即印度低壓。同理也形成北美低壓。而海洋較大陸增熱慢，氣溫較大陸低，形成太平洋上的夏威夷高壓和大西洋上的亞速爾高壓。而到了冬季，陸地冷卻快，在北半球的歐亞在陸形成蒙古高壓，北美大陸形成北美高壓。而海洋上形成太平洋的阿留申低壓和冰島低壓。這種由于海陸熱力差異，割裂了氣壓帶而形成的高、低氣壓中心，對冬、夏季的天氣、氣候有控制性的影響，被稱為大氣活動中心。（二）平均特征1、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，也就是東、西風帶。2、平均經(jīng)圈環(huán)流經(jīng)圈環(huán)流是指沿經(jīng)圈和垂直方向上，由風速的平均南北分量和垂直分量構(gòu)成的平均環(huán)流圈。3、平均水平環(huán)流水平環(huán)流是指緯向氣流受到擾動后發(fā)展起來的槽脊和高、低壓環(huán)流，緯向氣流的擾動主要是受地球表面海陸分布、大地形的作用以及地面摩擦作用引起的。（三）大氣環(huán)流的變化（年變化）1、對流層中上層大氣環(huán)流的年變化在中高緯度，一年中環(huán)流狀態(tài)的季節(jié)轉(zhuǎn)換，一般是以西風帶的槽脊數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式和西風的強弱表現(xiàn)出來。從北半球500hPa多年平均流場來分析，11-4月（冬季）中高緯度西風帶上有三個槽、三個脊，而且槽脊的位置和強度基本穩(wěn)定，6-8月（夏季）西風全年比較長的時間，成為中高緯度高層大氣環(huán)流的基本形態(tài)，并在一年內(nèi)交替出現(xiàn)。環(huán)流在從冬季形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄募拘螒B(tài)中，只通過短暫的春季環(huán)流（5月）過渡階段。同樣，從夏季環(huán)流形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎经h(huán)流形態(tài)時，也只經(jīng)過秋季（9-10月）短促的過渡階段。2、對流層低層大氣環(huán)流的年變化在對流層低層，大氣環(huán)流的年變化主要表現(xiàn)在行星風帶和行星氣壓帶隨季節(jié)的移動和大氣活動中心的季節(jié)性轉(zhuǎn)換上。北半球的行星風帶和行星氣壓帶冬季向南移動，夏季向北移動，冬季，北半球海洋上低壓加深發(fā)展，大陸上的冷高壓不斷增強；夏季北半球海洋上低壓縮小、削弱或以至不明顯，大陸上的冷高壓北移，勢力大大減弱，與此同時，副熱帶高壓不僅在海洋上增強并且西伸北進，侵入到大陸。六、大氣環(huán)流在氣候形成中的作用（一）環(huán)流與熱量輸送1、赤道與極地間的熱量輸送2、海陸間的熱量傳輸（二）大氣環(huán)流與水分循環(huán)水分循環(huán)的過程是通過蒸發(fā)、大氣中的水分輸送、降水和徑流四者來實現(xiàn)的。以副熱帶高壓為中心，通過信風和盛行西南風（北半球）將水汽分別向南和向北作經(jīng)向的輸送。七、季風概念：大范圍地區(qū)的盛行風隨季節(jié)而改變風向的現(xiàn)象叫做季風。特點：第一，盛行風向具有明顯的季節(jié)變化，即1月與7月盛行風向的夾角大于120°，1月與7月盛行風向的平均頻率超過40%；第二，這兩種風的性質(zhì)（主要是濕潤程度）有明顯差異；第三，所帶來的天氣現(xiàn)象有明顯差別。3、形成原因：一是海陸熱力差異，二是行星風帶隨季節(jié)移動。由海陸熱力差異而產(chǎn)生季風的過程是夏季大陸增溫比海洋上快，大陸上氣壓比海洋上低，氣壓梯度由海洋指向大陸，所以氣流由海洋流向大陸；冬季相反，大陸上溫度低于海洋，大陸上氣壓比海洋上氣壓高，氣壓梯度從大陸指向海洋，因此，氣流由大陸流向海洋。由海陸熱力差異而產(chǎn)生的季風，大都是發(fā)生在海陸相接的地方，如亞洲東部，澳洲和北美等地。由于溫帶、副熱帶地區(qū)海陸熱力差異最大，這種季風最顯著，所以常稱為溫帶季風或副熱帶季風。由行星風帶隨季節(jié)南、北移動而引起的季風，和海陸熱力差異而產(chǎn)生的季風不同。行星風帶的分布很有規(guī)律，其位置隨季節(jié)有顯著的南、北移動，因此，在兩個行星風帶相接地區(qū)，便會發(fā)生顯著的季節(jié)性改變風向的現(xiàn)象。例如，在太平洋東部，冬季赤道低壓停留在南半球，夏季移到了北半球，因而在赤道至10°N之間的區(qū)域，冬季受北半球信風的控制，吹東北風，夏季卻是受南半球信風的控制，吹西南風。由行星風帶隨季節(jié)南、北移動而引起的季風，可以發(fā)生在沿海和陸地，也可以出現(xiàn)在大洋中央。就緯度來說，多見于赤道和熱帶地區(qū)，所以常稱為赤道季風或熱帶季風。必須指出，上述季風是從成因的主要方面來區(qū)分的。季風是大氣環(huán)流的重要組成部分之一。某一地區(qū)的季風，實際上是所在地區(qū)的行星風帶、海陸、地形等多種因素綜合作用下所產(chǎn)生的現(xiàn)象。例如，溫帶或副熱帶地區(qū)季風的形成，往往會包含著行星風帶隨季節(jié)移動的作用，而赤道或熱帶地區(qū)季風的形成，也往往會包含著海陸熱力的差異的作用，而地形又是改變季風強度和季風方向不可忽視的因素。第四節(jié)地方性風一、海陸風1、概念：沿海地區(qū)，白天風由海上吹向陸地，即海風，夜間風由陸地吹向海洋，即陸風。這種以日為周期隨晝夜交替而改變風向的風稱為海陸風。2、形成原理：當大范圍水平氣壓場比較弱時，白天，太陽照射后，陸地增溫比海上快，因而陸上的氣溫比海上的高。陸地上的暖空氣膨脹上升，到了某高度上，因其上層氣柱質(zhì)量增多，氣壓升高，于是在上層便產(chǎn)生自陸地指向海洋的水平氣壓梯度力，使空氣由陸地流向海洋。這樣一來，陸地上的空氣質(zhì)量減少了，地面氣壓因而下降，而海洋上的氣壓升高，于是在下層便產(chǎn)生了自海洋指向陸地的氣壓梯度力，使下層空氣自海洋流向陸地，這就是海風，并在上下層間形成一個完整的熱力環(huán)流，到了夜間，陸地輻射冷卻比海面快，氣溫也比海上低。陸上空氣冷卻收縮，致使上層氣壓比海面上空同高度上的氣壓低，地面氣壓比海面氣壓高，于是形成了同白天相反的熱力環(huán)流，下層風由陸地吹向海洋，這就是陸風。二、山谷風概念：在山區(qū)，白天地面風由谷地吹向山頂，即谷風，夜間地面風由山頂吹向山谷，即山風，統(tǒng)稱山谷風。形成原理：白天坡上空氣的增熱比同一高