气压系统的运动学与强度变化.DOC

第五章 氣壓系統與風 5.1前言： 在第四章中，對於氣壓、溫度、風三者關係作了分析，加上第三章所討論的反氣旋與氣旋，可知天氣圖上的主角可簡稱之為氣壓系統。其移動與消長，以及所引起之風與天氣變化關係密切。本章即對相關問題之系統性的介紹。 5.2氣壓系統 狹義的氣壓系統，指地面天氣圖上的氣旋與反氣旋，以及伴隨中緯度氣旋的鋒面。亦即以平均海平面為基準，在綜觀觀測時間所測得之氣壓空間分布中的高低壓，以及在冷暖氣團匯合處的鋒面。 海平面氣壓分佈：-----（5.1） =常數之等值線稱為等壓線（Isobar） 天氣圖上常見的天氣系統可概分為： 有封閉中心的高、低壓 圖5-1封閉高低壓 無封閉中心的高、低壓：脊（ridge）與槽（trough） ， ， 實際的槽 圖5-2槽線與脊線 變形場（deformation field）。純變形場亦稱鞍形（saddle，col）場，即兩脊兩槽對稱共存之流場型。加上正或負渦度（vorticity）後變形場的槽脊線就不再互相垂直。下圖A中座標之X、Y軸分別與伸展軸（axis of dialatation），以及收縮軸（axis of contraction）重疊。B、C圖中則並不重疊，亦即伸展軸與收線軸不垂直。 圖5-3 A：純變形場，B：變形與正渦度之合成流場，C：變形與負渦度之合成流場 在鋒面前後之氣壓若分別為p（冷空氣）與（暖空氣），則 根據動力邊界條件（Dynamic boundary condition），p-=0以確保，亦即不會趨於無限大。 則可得： 如設鋒面與x軸平行，亦即以鋒面之切線為x軸，則p=且 圖5-4 分析鋒面時的座標示意圖 式中， 為冷暖空氣之水平溫度 則為兩者柯氏力的差。 ， 5.3由流體靜力平衡與p-z關係求海平面氣壓 如不考慮其他作用力（實際上可略而不計），則由流體靜力方程，與理想氣體狀態方程 -----------------------------（1） -------------（2） 圖5-5 定壓面厚度 （2）代入（1）得 -----（5.3） 當大氣近似乾絕熱，且高度差不大時，可簡寫成 所以流體靜力方程乃測高方程（Altimetry, hypsometry）之一。 當與已知，則，由此可知每有之增減，之改變量如下： / /（gpm） / / 1000/850 4.760 400/300 8.426 850/700 5.687 300/250 5.340 700/600 4.515 250/200 6.536 600/500 5.340 200/150 8.426 500/400 6.536 150/100 11.876 此式亦可用於由測站氣壓推算海平面氣壓： ，式中SL與STN分別代表海平面與測站。 由此可知太大時所求得知誤差較大。 另由流體靜力方程知 （冷空氣一邊）（暖空氣一邊）時 (冷區大於暖區) ，即鋒面兩側之垂直氣壓梯度變化不同，此現象導致“等壓線通過鋒面時會形成彎轉（kink）。彎轉之凸出邊指向高壓，亦即角度小的一邊指向低壓”。 5.4氣壓系統的移動 設以相對於(x, y, z)移動，則 在不考慮因移動而引起之動壓條件下： p=p(x, y, z, t) 圖5-6 固定(x，y，z)與移動座標(，，) 亦即移動系統之局部氣壓趨勢（local pressure tendency of the moving system）為 -----（5.4） 為(x，y)亦即固定系統之平流項，為固定系統之氣壓趨勢(local pressure tendency of the fixed system)，亦即氣壓之局部變化（local change） 這就是說：在移動座標中所觀測到的局部氣壓變化由 平流項，亦即外來氣壓場的貢獻； 固定座標中的局部氣壓趨勢。 如果觀測者以等速度隨著移動系統一起移動，亦即“固定”在某移動性氣壓系統上，且系統之強度與形狀均不變，則；但對固定座標而言，即使，亦會因氣壓系統的相對移動而有。i.e., ，或 p=常數。 ∴等壓線(isobar)之移速 -----（5.5） 如右圖所示，O點所測得之。如為等變壓線，則，則 圖5-7 等壓線的移動 ∴等變壓線之移速 。 如果是槽或脊線以向垂直於脊（槽）線之x方向移動，則由 圖5-8 脊線的移動 但 ∴-----（5.6） i.e.,槽線移向降壓區，脊則相反。 同理，氣旋（反氣旋）中心：-----（5.7） 鞍型場與氣旋與反氣旋同，只是要注意與的正負。 由以上分析可知，氣壓系統就“運動學”（kinematics）而言，其移動主