建筑工程安全管理ppt:地球物理题

空气的运动是在力的作用下产生的,作用於空气的力除重力之外,尚有:由於气压分布不均而产生的气压梯度力,由於地球自转而产生的科氏力(Coriolis force),空气与地面间因相对运动而产生的摩擦力,空气作曲线运动时产生的惯性离心力.这些水平力的不同组合,构成不同形式的大气水平运动.
如图3-5所示,某地的气压值等於该地单位面积上大气柱的重量.高度愈高,压在其上的空气柱愈短,气压也就愈低.因此,气压总是随著高度的增加而降低的.压力的单位是帕斯卡(Pascal),简称帕(Pa),1Pa=1N/m2,气象部门常采用百帕(hPa)和毫巴(mb)作为气压单位,1hPa=1mb,而1标准大气压=1013.25mb.

大气压力的分布都是不均匀的,两点间的压力差除上距离就是压力梯度(pressure gradient),如果气压梯度不等於零(也就是说两点间气压不相等),就会产生气压梯度力(pressure gradient force),气压梯度力会把两地间的空气从气压高的一边推向气压低的一边(见图3-6),於是空气流动起来,如果在一个静止的平面上风向与压力梯度互相垂直.

因为地球是一个旋转的椭圆体,当压力梯度存在时,气流就开始由高压区往低压区运动,当风一旦起步向前,科氏力立刻产生,科氏力与运动的方向垂直,而且在北半球会将风拉向右边(见图3-7).受到科氏力的影响,风向开始往右偏转,在拉转风向的同时,科氏力本身也不断地向右偏转,也就是越来越转到气压梯度力的反方向去.当风向被拉转到与气压梯度力的方向垂直时,气压梯度力依旧存在,且和先前一样大小,但作用在风的科氏力与气压梯度力大小相等但方向相反,所以合力为零,没有外力作用气流就靠著惯性等速前进,从先前的不平衡状态进行平衡状态,由图3-7可以看出,在平衡状态下,风向与等压线保持平行,如只考虑压力梯度力与地转偏向力平衡,所得到的风称为地转风(geostrophic wind).

当等压线不是直线时,除梯度力,科式力作用外,还要受到惯性离心力的作用,当三个力作用平衡时,有效分力为零,风沿等压曲线作惯性等速曲线运动,这就是梯度风(Gradient wind).
地转风和梯度风都忽略了地面摩擦力的影响,在高空中此一假设并不会产生太大的误差,但在地面附近因为受到地面摩擦和热力的影响,使得风速减慢,摩擦力的影响不可忽略.在地面上1-2km高度通常称为行星边界层 (planetary boundary layer, PBL)或大气边界层(见图3-8),此层摩擦力是不能忽略的,行星边界层以上的大气称为自由大气(free atmosphere),在自由大气中地面摩擦力则可忽略.

在行星边界层内,风不仅受到气压梯度力和科氏力的制约,而且还受到地面摩擦力的作用.由於地表粗糙程度不一,摩擦力的大小不同,风速减小的程度也就不同.一般来说,陆面摩擦力比海面大;而在陆面上的摩擦力,山地又比平原大,森林又比草原大.摩擦力不仅会削弱风速,同时也干扰了风向,破坏气压梯度力与地转偏向力之间的平衡.
行星边界层内各个力量的平衡.如果没有摩擦力,在气压梯度力Fp和科式力Fc平衡的条件下,风本来沿著等压线方向等速前进(V),加入摩擦力的考量之后,因为摩擦力Ff作用的方向与风向相反,因此风速VR会减小,由於风速减小科式力也跟著减小为FCR,於是气压梯度力便超过被削弱了的科氏力,而把风拉向低气压一侧.这时候科氏力为了与风向保持垂直,摩擦力为了与风向保持反向,它们都跟著风向一起向左偏转.当磨擦力和科氏力的合力(FF+FCR)偏转到和气压梯度力大小相等方向相反时,矛盾著的双方力量对比又恢复到平衡状态,这时候风便以稳定的速度和一定的交角,斜穿等压线从高压一侧向低压一侧吹去.

这种有摩擦力参与,气压梯度力与科氏力,摩擦力保持平衡条件下所产生的风称为摩擦风.摩擦力愈大,摩擦风的风速就愈小,向左偏转和等压线之间的交角也愈大.根据调查和统计,这种交角在海洋上为15~20度,在陆上一般达到30~45度,而在崎岖不平的山地区域,甚至比这个角度更大.
在高低气压的区域,等压线以高低气压中心为中心,呈环形闭合的.如果是在高空自由大气裏,按照气压与风的关系,风几乎平行等压线的环旋转,在北半球,高气压区以顺时针方向流转,在低气压区以逆时针方向流转.如果是在地面,则按照气压与摩擦风的关系,在高气压区,风一面以顺时针方向流转,一面向周围气压低的地方辐散开来,形成顺时针外流的螺旋式气流;而在低气压区,风一面以逆时针方向流转,一面向低压中心区域汇流辐合进去,形成逆时针内流的螺旋式气流.