天氣學原理

2024年3月15日發(作者：高二學期個人總結)

天氣學原理基礎

一、大氣運動的基本特征

1、真實力：氣壓梯度力、地心引力、摩擦力

（1）氣壓梯度力：作用于單位質量氣塊上的凈壓力，由于氣壓分布不

均勻而產生

（2）地心引力：地球對單位質量空氣的萬有引力 不變，指向地

心。

（3）摩擦力：單位質量空氣受到的凈粘滯力 一般只在行星邊界層

（摩擦層）考慮摩擦作用，自由大氣中則忽略摩擦作用。

2、視示力：慣性離心力、地轉偏向力

慣性離心力：地球受到了向心力的作用卻不作加速運動，違背牛頓第二

定律，為了解釋這種現象引入慣性離心力，其大小與向心力相等而方向

相反

地轉偏向力(科氏力）：觀測者站在旋轉地球上觀測單位質量空氣塊運

動，發現在北半球有一個向右偏的力，在南半球向左偏的力。稱此力為

地轉偏向力，又名科氏力。由于坐標系的旋轉導致物體沒有受力卻出現

加速度，違背牛頓第二定律，從而引入，以使牛頓運動定律在旋轉參考

系中成立

地轉偏向力的特點：

在緯圈平面內；只改變氣塊運動方向，不改變其速度大小；在北半球，

地轉偏向力指向運動方向右側，在南半球，地轉偏向力指向運動方向左

側；地轉偏向力的大小與相對速度成正比

重力：地心引力與慣性離心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，

極地最大

重力是垂直方向上的，而大氣運動是準水平的； 科氏力始終垂直于速

度方向，故只改變方向 ，不作功； 所以，引起大氣運動的最重要作用

是：由于壓力分布不均勻而產生的壓力梯度力（熱力作用引起的） 。

3、控制大氣運動的基本規律：能量守恒、質量守恒、動量守恒

牛頓第二運動定律——運動方程

質量守恒定律——連續方程

能量守恒定律——熱力學能量方程

氣體實驗定律——氣體狀態方程

4、地轉風

地轉風是自由大氣中水平氣壓梯度力和地轉偏向力相平衡時的空氣的

水平運動。風沿等壓線（等高線、等位勢線）吹，背風而立低壓在左高

壓在右

地轉風性質：

1）地轉關系是在無摩擦，不考慮加速度和垂直方向的地轉偏向力的情

況下近似成立的

赤道上（φ=0）水平地轉偏向力為零，地轉風不存在

2）地轉風的大小與水平氣壓梯度力成正比

3）地轉風與等壓線平行，在北半球，背風而立，低壓在左高壓在右，

南半球，背風而立，低壓在右高壓在左（風壓定律）

4）地轉風速大小與緯度成反比，但在赤道上=0地轉平衡不成立。無科

氏力存在，所以低緯度不能用地轉風近似。

5、梯度風

空氣塊作曲線運動，風沿等壓線或等位勢線吹，在三個力，即水平氣壓

梯度力、水平地轉偏向力、慣性離心力的作用下風呈氣旋性彎曲（逆

時針旋轉）或反氣旋性彎曲（順時針旋轉），這種風稱為梯度風。

（1）適用范圍：北半球中高緯地區，大尺度系統運動，曲線 運動，三

力平衡。

（2）氣壓場風場高壓周圍的風場是順時針旋轉，低壓周圍的風場是逆

時針旋轉。

流線與軌跡：

（1）定義流線：是指在某一固定時刻，處處與風向相切并指向氣流方

向的曲線。軌跡：是指在某一段時間內個別空氣塊運動的路徑。

（2）流線能表現在某一時刻的天氣圖上，而 軌跡卻不能。所以日常

中，等壓線、等高線近似為流線，不能當作軌跡線。

6、熱成風：地轉風隨高度的改變量

（1） 適用范圍：北半球中高緯度地區，自由大氣中大尺度系統。

（2） 大小：a． 與緯度成反比，與等厚度線的疏密成正比b． 與緯度、

等壓面差距、溫度有關（3） 方向熱成風沿氣層的等厚度線（等平均溫

度線）吹，背風而立，厚度（平均溫度）高的在右。

地轉風隨高度順轉有暖平流，地轉風隨高度逆轉有冷平流

正壓大氣：大氣中密度的分布僅僅隨著氣壓而變，等壓面和等密度面

（等溫面）重合，沒有熱成風

斜壓大氣：大氣中密度的分布不僅隨氣壓變化，還隨溫度變化。等壓面

和等密度面（或等溫面）是相交的。等壓面上具有溫度梯度，地轉風隨

高度變化，就有熱成風