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Chapter 4 The Atmospheric Circulation System. 延伸閱讀 : 風 - 改造大地、生命與歷史的空氣流動 商週出版 Wind: How the Flow of Air Has Shaped Life, Myth and the Land by Jan DeBlieu 颱風 Divine Wind : The History and Science of Hurricanes 天下文化 看雲趣-漫遊雲的科學、神話與趣聞 遠流出版 氣候、天氣與人類:氣候和我們的生活 晨星出版

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    Presentation Transcript
    1. Chapter 4 The Atmospheric Circulation System • 延伸閱讀: • 風 - 改造大地、生命與歷史的空氣流動 商週出版 • Wind: How the Flow of Air Has Shaped Life, Myth and the Land • by Jan DeBlieu • 颱風 Divine Wind:The History and Science of Hurricanes • 天下文化 • 看雲趣-漫遊雲的科學、神話與趣聞 遠流出版 • 氣候、天氣與人類:氣候和我們的生活 晨星出版 • 雲圖鑑 作者:田中達也 譯者:黃郁婷 出版社:晨星 • 大氣:萬物的起源 An Ocean of Air作者:Gabrielle Walker • 譯者:蔡承志 出版社:商周出版 • 台灣氣象傳奇 作者:洪致文 出版社:玉山社

    2. Global Circulatory Subsystem • Atmospheric circulation system • Circulation of the oceans • Circulation of solid Earth

    3. Global Circulatory Subsystem: - maintain the planet in a thermal and chemical balance • Winds and Ocean Current: - redistribute the energy received from the Sun • Motion of Solid Earth: - redistribute carbon and help regulate the CO2 level of the atmosphere

    4. Pumps that keep circulation going • Years to decades: tropical oceans - receive energy from the Sun and drive the motion of the air and the surface ocean • About 1000 years: deep-ocean circulation • Millions of years: radioative decay and the production of heat in Earht’s interior - cause the movement of the continents

    5. 大氣的垂直運動比水平運動大?還是小? Ans. 小很多。 為什麼?

    6. 大氣壓力和空氣密度隨高度變化 (圖片來源:Ahrens,p.8,Fig. 1.7) 垂直運動

    7. ↑ 氣壓梯度力 P = ( P1 – P2 ) A     A:面積 •  ↓ 重力 G = Mg = ρvg   ρ:密度,v:體積 • (P1 – P2) A =ρvg 氣壓梯度力和重力大致平衡

    8. 大氣壓力由下往上遞減 → 下層空氣對上層空氣有一種推力 → 氣壓梯度力 • 在大氣中,此一推力大致與重力互相平衡 → 大氣不太容易作劇烈的垂直運動 → 靜力平衡

    9. 空氣受熱或冷卻(即密度ρ減小或增加),兩種力不再平衡空氣受熱或冷卻(即密度ρ減小或增加),兩種力不再平衡 • 空氣受力開始產生垂直運動 • 空氣受熱時,密度ρ變小(體積膨脹) →則P > G,空氣上升 • 空氣冷卻時,密度ρ變大 → P < G,空氣下降

    10. 大氣對流 • 大氣對流產生的原理上升和熱汽球一樣 • 空氣塊(air parcel)上升時,體積變大溫度下降 →空氣中所含部分水氣可能凝結成小水滴而形成雲 • 一空氣塊下降時,空氣塊壓力比週遭環境氣壓小 →體積因而變小,內部溫度上升

    11. 水平運動 影響空氣水平運動的主要的力有: (一)水平氣壓梯度力 (二)科氏力 (三)摩擦力

    12. 氣壓梯度力類似水的壓力梯度 (圖片來源:Ahrens,p.221,Fig.9.16)

    13. 壓力梯度力示意圖 (圖片來源:Ahrens,p.222,Fig.9.17) 水平氣壓梯度力

    14. 氣壓分佈不均勻 →產生風(空氣的運動!)的主因 →空氣通常從氣壓高處被推向氣壓低處 • 大氣中的加熱(如:日照)、冷卻(如:夜晚損失「長波輻射」)不均勻 →造成氣壓分佈不均勻(主要原因之一)

    15. 太陽輻射與緯度關係示意圖 (圖片來源:Ahrens, p.55, Fig. 3.2)

    16. 不同緯度年平均太陽輻射量收入和長波輻射量支出 (圖片來源:Ahrens, p.60, Figure. 2) 短波輻射 長波輻射

    17. 大氣輻射冷卻 地表輻射加熱,多餘能量以潛熱與可感熱釋出,加熱底層大氣 (圖片來源:龍騰 高中物質科學地球科學篇(下)投影片)

    18. 許多情形下,受熱區的氣壓比周圍氣壓低 --但在受熱區上層,氣壓則比周圍氣壓高 →因此在低層,空氣被推向受熱區 →在高層,空氣則被推離受熱區 • 在受熱區,空氣上升;在冷卻區,則運動方向相反

    19. 水平加熱不均造成熱力環流(圖片來源:Ahrens,p.255,Fig.10.19)水平加熱不均造成熱力環流(圖片來源:Ahrens,p.255,Fig.10.19)

    20. Convergence: 輻合 Divergence: 輻散 George Hadley(1685-1768):英國氣象學家,原來是律師。1735年提出 Hadley circulation的觀念,解釋貿易風,提出類似柯氏力的觀念。但是 他的解釋直到1793年才被注意到。

    21. ?

    22. 貿易風圖

    23. 科氏力(Coriolis force) • 科氏力是一種「虛假」力,因為地球旋轉而產生的「錯覺」 (圖片來源:Ahrens,p.223,Fig.89.20)

    24. 在一圓盤上,由邊緣向盤心射出一球 --如果圓盤靜止不動,對一坐在盤中的觀察者,此球走直線且經過盤心 --如果圓盤旋轉(逆時鐘),對在盤外的觀察者而言,此球仍走直線 --但對坐在盤上的觀察者,此球「看起來」循一曲線前進而偏向 • 在北半球,科氏力指向運動方向的右方;在南半球,則偏向左方

    25. 從外界觀察 從外界觀察 在球體上觀察 在球體上觀察 From http://www.windpower.dk/tour/wres/coriolis.htm

    26. 往北走:往右偏 (角動量守恆) 南半球?

    27. 南半球: 往左偏

    28. 在北半球柯氏力(CF)與氣壓梯度力(PGF)平衡時的關係(圖片來源:Ahrens,p.232,Fig.9.30)在北半球柯氏力(CF)與氣壓梯度力(PGF)平衡時的關係(圖片來源:Ahrens,p.232,Fig.9.30)

    29. 南半球

    30. 大部分時候,大氣中科氏力與氣壓梯度力方向相反,大小一樣大部分時候,大氣中科氏力與氣壓梯度力方向相反,大小一樣 • 由於氣壓梯度力由高壓指向低壓,在北半球,高壓在風向的右側,科氏力指向運動方向右方 • 在南半球則相反 • 科氏力的大小與風速成正比,它只改變風向,不改變風速的大小

    31. 在北半球空氣塊受氣壓梯度力作用,由靜止開始運動,科氏力(CF)與氣壓梯度力(PGF)的關係(圖片來源:Ahrens,p.225,Fig.9.23)在北半球空氣塊受氣壓梯度力作用,由靜止開始運動,科氏力(CF)與氣壓梯度力(PGF)的關係(圖片來源:Ahrens,p.225,Fig.9.23)

    32. 南半球 氣壓梯度力 L 風向 科氏力

    33. JetStream 噴流

    34. 摩擦力的影響 無摩擦力 • 接近地面時,由於地面摩擦,風速變小 →風速變小,則科氏力也變小 →造成氣壓梯度大於科氏力,將空氣推向低壓 →氣壓梯度力(P),科氏力(C),摩擦力(F)三者呈現的平衡關係 • 風由高壓斜吹向低壓,風向和等壓線有夾角

    35. 氣壓梯度力(PGf),科氏力(CF),摩擦力(Friction)三者平衡(圖片來源:Ahrens,p.232,Fig.9.30)氣壓梯度力(PGf),科氏力(CF),摩擦力(Friction)三者平衡(圖片來源:Ahrens,p.232,Fig.9.30)

    36. 空氣在高層運動時,無摩擦作用 →其氣旋、反氣旋運動,氣流平行等壓線

    37. 在北半球氣旋(左)和反氣旋(右)中,柯氏力(CF)與氣壓梯度力(PGF)的關係 (圖片來源:Ahrens,p.229,Fig.9.26)

    38. 高壓 低壓 CF PGF PGF CF H L 南半球

    39. (圖片來源:Ahrens,p.232,Fig.9.29) • 近地面時有摩擦作用 →其氣旋、反氣旋運動,氣流穿過等壓線 L

    40. 因加熱不均勻產生的大氣運動 (a)午後雷陣雨 (b)海風、陸風 (c)山風、谷風 (d)季風(夏季)

    41. 海陸風 • 陸地比熱比海水小,只要有一點加熱或冷卻作用,溫度變化比海溫變化大 • 白天,地表溫度高於海水溫度,改變氣壓分佈,空氣由海推向陸,形成海風 • 夜晚,地表降溫很快,因此地表溫度比海洋溫度低,改變氣壓分佈,空氣由陸地往海洋吹,形成陸風

    42. 海、陸風成因示意圖 (圖片來源:Ahrens,p.256,Fig.10.21)