从物理“力”的角度探索地理中的大气运动问题

发表时间:2020/12/11   来源:《教学与研究》2020年9月25期   作者:周刚
[导读] 由于地面冷热不均不同,如果地面受热多的地方,近地面空气会膨胀上升,这样近地面的空气密度会减小,形成低气压
        周刚
        陕西省西咸新区泾华学校  713700
        由于地面冷热不均不同,如果地面受热多的地方,近地面空气会膨胀上升,这样近地面的空气密度会减小,形成低气压;上升的空气到上空聚集起来,使上空的空气密度增大,在上空形成高气压;如果地面受热少地方,近地面空气会冷却收缩下沉,这样上空的空气密度减少,在上空形成低压;近地面空气由于上空的空气下沉增多,在近地面形成高压;这样同一水平面的气压存在差异,空气就不稳定,于是在同一水平面上气流就从高压区流向低压区,形成大气水平运动风。

        大气既然要运动,从物理角度来理解,肯定会有力的作用。这个力就是水平气压梯度力,地理角度的定义是,水平(同一水平面的气压才能比较大小)气压梯度(单位距离的差值)力就是同一水平面上单位距离间的气压差。
        从物理角度而言,力是使物体发生运动的原因,力的作用效果能改变物体的运动状态(运动速度、方向)。力对物体的作用效果取决于力的大小、方向与作用点。根据力的作用效果我们可知水平气压梯度力的特点:垂直于等压线 ;由高压指向低压(在水平向上,由于气压不同则空气不稳定,由高压向低压有个运动趋势,这个趋势方向上受到了力,在力的作用下才运动的。)。
        一般而言,影响物体运动所受的力有三个水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力。物体所受的力不同,改变物体运动状态不同。其中水平气压梯度力既影响风力大小也影响风向;地转偏向力只影响风向;摩擦力只影响风速。
        下来我们探讨一下在这几个力的作用下大气的运动问题:
一,风力的大小
        风力的大小一般取决于水平气压梯度力的大小,因此,同一幅图中,等压线密集处,水平气压梯度力大,风力大;反之,则风力较小。如右图,风力:A>B。

此外,风力的大小还有摩擦力的影响。从近地面到高空,空气运动所受摩擦力逐渐减小,风向与等压线之间的夹角也逐渐减少,到一定的高度,摩擦力接近于零,风向与等压线也接近于平行;与海洋相比,陆地的摩擦力大于海洋,所以陆地上的风向与等压线之间的夹角比海洋大。
二,风向的确定及画法的:就是先找力再偏转就可以确定风向。
        1,找力(水平气压梯度力)。在各种地图中找高压和低压中心,这个力的方向就是由高压流向低压的趋势方向,在这个趋势方向上画出这个力,按垂直于等压线(垂直于该点等压线的切线)由高压指向低压的原理画出水平气压梯度力。
        2,定地转偏向力和偏转角度。分清图示是哪个半球,面向水平气压梯度力的方向,若是南半球,风向向左偏风向与等压线有一定的角度(偏转30°~45°);若是北半球,风向向右偏,风向与等压线有一定的角度(偏转30°~45°)。
如图所示:北半球近地面的风  

        通过以上方法,可以解决归纳地理中许多问题,例如:东亚冬夏季风的成因,由于海陆热力性质差异,夏季陆地增温快形成低气压,海洋增温慢形成高气压,于是这个力就由海洋吹向陆地,在偏转力的作用下形成东南季风;同理,冬季陆地高气压,海洋低气压,风由陆地吹向海洋偏转后形成西北季风。又如:三圈环流中各风带的形成;气旋和反气旋中水平气流的顺时针或逆时针运动方向的判断(只是气压中心和四周多个运动方向的判断)等。
        综上所述,任何时候任何地方的风向判断方法:先找力再偏转定风向,就是先判断各地气压高低,在高压流向低压的趋势方向上画出水平气压梯度力,然后根据半球判偏转方向定方向。
例如:如图示意

长江中下游地区夏初某时的气压系统,该气压系统以每天120千米的速度自西向东移动。据此完成下题。
1,比较图中A与B 两地风力大小,判断理由?
2,图中M出的风向(  )?
3,24小时后甲地主要吹(  )?
        解析:1,风力的大小取决于力的大小,图中力的大小与等压线的疏密有关,等压线密集,水平气压梯度力大,风大;反之则小。所以图中A地的风力大,理由:等压线密集,水平气压梯度力大风力强劲。2,根据风向的确定方法,首先明确图中的高压和低压中心,画切线找力(垂直于等压线由高压指向低压),然后结合半球进行偏转形成风向,图中M地的风向为东南风。3,据题干信息“该气压系统以每天120千米的速度自西向东移动”,又根据图中的比例尺,24小时后,甲地位于高压系统的西侧,通过绘制风向的方法:先绘制由高气压指向低气压且垂直于等压线的气压梯度力,然后右偏,即可看出此时吹东南风(即甲地位于低压中心的东南侧,风从高压吹向低压,垂直于等压线,北半球向右偏,则可知甲地主要吹东南风)。
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