上式表明惯性离心力C的大小与运动物体的线速度V的平方成正比,与曲率半径r成反比。
实际上,空气运动路径的曲率半径一般都很大,从几十千米到上千千米,因而空气运动时所受到的惯性离心力一般比较小,往往小于地转偏向力。但是在低纬度地区或空气运动速度很大而曲率半径很小时,也可以达到较大的数值并有可能超过地转偏向力。
(四)摩擦力
是两个相互接触的物体作相对运动时,接触面之间所产生的一种阻碍物体运动的力。大气运动中所受到的摩擦力一般分为内摩擦力和外摩擦力。
内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力,它主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变,也称湍流摩擦力。其数值很小,往往不予考虑。
外摩擦力是空气贴近下垫面运动时,下垫面对空气运动的阻力。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,其公式为
R=-kV
式中R为摩擦力,k为摩擦系数,V为空气运动速度。内摩擦力与外摩擦力的向量和称摩擦力。摩擦力的大小在大气中的各个不同高度上是不同的,以近地面层(地面至30-50m)最为显著,高度愈高,作用愈弱,到1-2km以上,摩擦力的影响可以忽略不计。所以,把此高度以下的气层称为摩擦层(或行星边界层),此层以上称为自由大气层
上述四个力都是在水平方向上作用于空气的力,它们对空气运动的影响是不一样的。一般来说,气压梯度力是使空气产生运动的直接动力,是最基本的力。其它力是在空气开始运动后产生和起作用的,而且所起的作用视具体情况而有不同。地转偏向力对高纬地区或大尺度的空气运动影响较大,而对低纬地区特别是赤道附近的空气运动,影响甚小。惯性离心力是在空气作曲线运动时起作用,而在空气运动近于直线时,可以忽略不计。摩擦力在摩擦层中起作用,而对自由大气中的空气运动也不予考虑。地转偏向力、惯性离心力和摩擦力虽然不能使空气由静止状态转变为运动状态,但却能影响运动的方向和速度。气压梯度力和重力既可改变空气运动状态,又可使空气由静止状态转变为运动状态。
二、自由大气中的风
由于对流层在垂直方向上性质不同,可分为摩擦层(行星边界层)和自由大气层。
观测表明,在自由大气中,除赤道地区外,风向几乎与等压线平行。
(一)地转风
1、定义
在自由大气中,平直等压线的情况下,当水平气压梯度力和水平地转偏向力达到平衡时,空气所作的等速直线运动。
2、地转风和气压场的关系
地转风沿等压线吹,在北半球背风而立,高压在右,低压在左。南半球则相反。
(二)梯度风
1、定义
在自由大气中,弯曲等压线的情况下,当水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力达到平衡时,空气所作的均速曲线运动。
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