大气运动的驱动力

一、大气运动的驱动力

大气环流形成与维持的基本能源是太阳辐射能。因太阳辐射能在地表的不均匀分布而导致气压的时空分布和变化，尤其是水平气压梯度力的存在和变化是大气运动最根本和最直接的原因。

大气的水平运动是在力的作用下产生的。这些力主要有将大气吸引、浓缩在近地面层，使得大气的密度和压力随高度的增加而减小的重力；由于气压分布不均匀而产生的水平气压梯度力；有空气运动时因地球自转而产生的地转偏向力；有空气作曲线运动时产生的惯性离心力；还有空气层之间，空气与地面之间相对运动时产生的摩擦力。在水平方向上，自由大气中的主要作用力是气压梯度力和地转偏向力。当大气沿曲线运动时，会受到惯性离心力的影响；在地面边界层中，大气还会受到摩擦力的削弱。

1.水平气压梯度力

由于地表受热不均，引起气压的空间分布不均。气压分布的不均匀程度常用气压梯度(G_N)表示。气压梯度是一个向量，它的方向垂直于等压面，由高压指向低压；它的大小等于两等压面间的气压差(Δp)除以其间的垂直距离(ΔN)，即

G_N=－Δp/ΔN

式中：G_N为气压梯度，它有水平梯度和垂直梯度之分，故Δp/ΔN前加负号。由于ΔN是从高压指向低压，故Δp为负值。

存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使空气沿着和气压梯度相同的方向移动，这种力被称为气压梯度力。气压梯度力可分为垂直气压梯度力和水平气压梯度力两部分。垂直气压梯度力有重力与它相平衡。而水平气压梯度力促使空气从高压区流向低压区，它是促使大气从静止到运动的原动力。习惯上，将大气在水平方向上的运动称为风。风向是指风吹来的方向，风速多以km/h或m/s为单位。

2.地转偏向力(科里奥利力)

由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏转。在北半球运动的物体向右偏转，在南半球运动的物体则向左偏转。导致地球表面运动物体方向发生偏转的力，叫做地转偏向力，又叫做科里奥利力。地转偏向力具有以下几个特点：

①这个力只改变运动物体的方向，不改变运动物体的速度。

②这个力的大小与物体运动的线速度成正比。

③这个力的大小与运动物体所在的地理纬度的正弦成正比，在赤道处为零，向两极地区逐步增大。地转偏向力只在空气相对于地表有运动时才产生，并且地转偏向力只改变空气运动方向(风向)，而不改变空气运动速率(风速)。只要大气有运动，就会受到地转偏向力的作用(赤道地区例外)。

地转偏向力对于地球表层环境的形成起到了非常重要的作用。由于地转偏向力的作用，导致了大气运动方向的改变，从而形成了地转风、气旋、反气旋；导致了河流、洋流、潮流等运动轨迹的偏转，从而形成了北半球河流多向右岸侵蚀，洋流、潮流多向右偏转。

3.惯性离心力

离心力是指空气做曲线运动时，受到一个离开曲率中心而沿曲率半径向外的作用力(见图7-9)。

图7-9　惯性离心力

这是空气为了保持惯性方向运动而产生的，因而也叫惯性离心力。离心力的方向与空气运动方向相垂直。对于单位质量空气来说，它的大小可用下式表示：

C=v²

r

式中：C为惯性离心力；v为空气运动速度；r为曲率半径。

实际上在多数情况下，空气运动路径的曲率半径很大，一般从几十千米到上千千米，因此惯性离心力通常很小，比地转偏向力小得多。但在低纬度地区或空气运动速度很大而曲率半径很小时(如龙卷风、台风)，离心力也可达到很大的数值，甚至超过地转偏向力。惯性离心力和地转偏向力一样，只改变空气运动的方向，而不能改变空气运动的速度。

4.摩擦力

地面与空气之间，以及不同运动状况的空气层之间互相作用而产生的阻力，称为摩擦力。运动速度不同的两气层(团)之间产生的摩擦力称为内摩擦力。地面对空气运动的阻力，称外摩擦力(R)。它的方向与空气运动方向相反，大小与空气运动的速度和摩擦系数成正比。

R=－K·v

式中：K为摩擦系数；v为风速；负号表示地面摩擦力的方向与风的方向相反。

一般陆地表面对于空气运动的摩擦力总是大于海洋表面的摩擦力，所以江河湖海区域的风力总是大于同地区的陆地区域。摩擦力随高度升高而减少，因而离开地面愈远，风速愈大。在摩擦力的作用下，空气运动的速度减少，并引起地转偏向力相应减少。摩擦力对运动空气的影响以近地面最为显著，随着高度的增加而逐渐减少，到1～2km高度摩擦力的影响已小到可忽略不计，因此把此高度以下称为摩擦层或行星边界层，以上称为自由大气。

上述四种力，对于空气运动的影响不同。气压梯度力是使空气产生运动的直接动力，其他三种力，只存在于运动着的空气中，使空气运动方向或速度发生改变。