課程內(nèi)容
《冷熱不均引起大氣運(yùn)動(dòng)》
大氣的受熱過(guò)程
大氣中的一切物理過(guò)程都伴隨著能量的轉(zhuǎn)換,太陽(yáng)輻射能是地球大氣最重要的能量來(lái)源。
投射到地球上的太陽(yáng)輻射能,要穿過(guò)厚厚的大氣,才能到達(dá)地球表面。太陽(yáng)輻射能在傳播過(guò)程中,部分被大氣吸收或反射,大部分到達(dá)地面,并被地面反射和吸收。地面吸收太陽(yáng)輻射能而增溫,同時(shí)又以長(zhǎng)波輻射的形式把熱量傳遞給大氣。這種輻射熱交換是大氣增溫的最重要方式。
從大氣的受熱過(guò)程來(lái)看,地球大氣對(duì)太陽(yáng)短波輻射吸收得較少,大部分太陽(yáng)輻射能夠透過(guò)大氣射到地面;而大氣對(duì)地面長(zhǎng)波輻射吸收得卻比較多,地面輻射放出的絕大部分熱量能夠被大氣截留下列,所以,地面是近地面大氣主要、直接的熱源。
大氣的受熱過(guò)程影響著大氣的熱狀況、溫度分布和變化,制約著大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
熱力環(huán)流
大氣中熱量和水汽的輸送,以及各種天氣變化,都是通過(guò)大氣運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。大氣運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源于太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)輻射能的緯度分布不均,造成高低緯度間的溫度差異,這是引起大氣運(yùn)動(dòng)的根本原因。
由于地面冷熱不均而形成的空氣流,稱為熱力環(huán)流。它是大氣運(yùn)動(dòng)最簡(jiǎn)單的形式。熱力環(huán)流的成因類似于上面的實(shí)驗(yàn)。如圖3.2所示,當(dāng)?shù)孛媸軣崆闆r是均勻的時(shí)候,空氣沒(méi)有上升和下降運(yùn)動(dòng)。如果A地受熱多,B、C兩地受熱少,則A地近地面空氣就會(huì)膨脹上升,到上空聚積起來(lái),使上空的空氣密度增大,形成高氣壓;B、C兩地的空氣就會(huì)冷卻收縮下沉,上空的空氣密度減小,形成低氣壓。于是,在上空,空氣便從氣壓高的A地向氣壓低的B、C兩地?cái)U(kuò)散。在近地面,A地空氣上升后向外流出,使A地近地面的空氣密度減小,形成低氣壓;B、C兩地因有下沉氣流,近地面的空氣密度增大,形成高氣壓。于是,近地面的空氣又從B、C兩地流回A地,以補(bǔ)充A地上升的空氣,從而形成了熱力環(huán)流。
熱力環(huán)流是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。在一定條件下,地表的冷、熱差異會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。例如,在陸地與海洋之間、城市與郊區(qū)之間都可能形成熱力環(huán)流。
大氣的水平運(yùn)動(dòng)
地面受熱不均,導(dǎo)致空氣上升和下沉運(yùn)動(dòng)。這種空氣的垂直運(yùn)動(dòng),使同一水平面上產(chǎn)生了氣壓差異。我們把單位距離間的氣壓差叫做氣壓梯度。只要水平面上存在著氣壓梯度,就產(chǎn)生了促使大氣由高氣壓區(qū)流向低氣壓區(qū)的力,這個(gè)力稱為水平氣壓梯度力。在這個(gè)力的作用下,大氣由高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)作水平運(yùn)動(dòng),形成了風(fēng)。可見(jiàn),水平氣壓梯度力是形成風(fēng)的直接原因。
水平氣壓梯度力垂直于等壓線,指向低壓。如果沒(méi)有其他力的影響,風(fēng)向應(yīng)該與氣壓梯度力的方向一致,即垂直于等壓線。但是,當(dāng)風(fēng)一旦形成,馬上就會(huì)受到地轉(zhuǎn)偏向力的作用,風(fēng)向逐漸偏離氣壓梯度力的方向,北半球向右偏轉(zhuǎn),南半球向左偏轉(zhuǎn)。高空大氣受氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力共同作用,風(fēng)向與等壓線平行。
近地面的風(fēng),還受到摩擦力的影響。摩擦力是指地面與空氣之間,以及運(yùn)動(dòng)狀況不同的空氣層之間互相作用而產(chǎn)生的阻力。摩擦力對(duì)風(fēng)有阻礙作用,可減小風(fēng)速。受氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力與摩擦力的共同作用,近地面大氣中的風(fēng)向與等壓線之間成一夾角。