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

Chapter 4

The Atmospheric Circulation System

Global Circulatory Subsystem

• Atmospheric circulation system

• Circulation of the oceans

• Circulation of solid Earth

• 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

Pumps that keep circulation goingPumps 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

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

為什麼？為什麼？

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

垂直運動垂直運動

• ↑ 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

• 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

• 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

大氣對流大氣對流• 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

水平運動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

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

壓力梯度力示意圖 壓力梯度力示意圖 (( 圖片來源：圖片來源： AhrensAhrens ，， p.222p.222 ，， Fig.9.17)Fig.9.17)

水平氣壓梯度力

•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 )

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

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

短波輻射

長波輻射

( 圖片來源：龍騰 高中物質科學地球科學篇 ( 下 ) 投影片 )

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

大氣輻射冷卻

•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

水平加熱不均造成熱力環流 (( 圖片來源：圖片來源：

AhrensAhrens ，， p.255p.255 ，， Fig.10.19)Fig.10.19)

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。

冷熱

?

貿易風圖

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：圖片來源： AhrensAhrens ，， p.223p.223 ，， Fig.89.20)Fig.89.20)

•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

從外界觀察

在球體上觀察

From http://www.windpower.dk/tour/wres/coriolis.htm

在球體上觀察

從外界觀察

南半球？

往北走：往右偏（角動量守恆）

南半球 : 往左偏

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

南半球

• 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

在北半球空氣塊受氣壓梯度力作用，由靜止開始運動，科科氏力 (CF) 與氣壓梯度力 (PGF) 的關係

( 圖片來源： Ahrens ， p.225 ， Fig.9.23)

南半球

科氏力

氣壓梯度力

風向

L

Jet Stream噴流

摩擦力的影響的影響

• 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

無摩擦力

氣壓梯度力氣壓梯度力 (PGf)(PGf) ，，科科氏力氏力 (CF)(CF) ，摩擦力，摩擦力 (Friction)(Friction)三三者平衡者平衡

(( 圖片來源：圖片來源： AhrensAhrens ，， p.232p.232 ，， Fig.9.30)Fig.9.30)

• 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

在北半球氣旋在北半球氣旋 (( 左左 )) 和反氣旋和反氣旋 (( 右右 )) 中，柯氏力中，柯氏力 (CF)(CF) 與氣壓與氣壓梯度力梯度力 (PGF)(PGF) 的關係 的關係

(( 圖片來源：圖片來源： AhrensAhrens ，， p.229p.229 ，， Fig.9.26)Fig.9.26)

HCF CFPGF PGF

南半球

L

低壓高壓

• 近地面時有摩擦作用→其氣旋、反氣旋運動，氣流穿過等壓線

(( 圖片來源：圖片來源：AhrensAhrens ，， p.232p.232 ，， Fig.9.29)Fig.9.29)

L

因加熱不均勻產生的大氣運動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 )

海陸風海陸風

• 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

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

山風、谷風山風、谷風

• 陸地加熱比空氣大，溫度變化就比空氣的溫度變化大

• 白天，山上的地表溫度高於空氣溫度，改變氣壓分佈，空氣由谷底推向山頂，形成谷風

• 夜晚，土壤降溫很快，因此溫度比空氣溫度低，改變氣壓分佈，空氣由山頂往谷底吹，形成山風

山、谷風成因示意圖山、谷風成因示意圖 (( 圖片來源：圖片來源：

AhrensAhrens ，， p.261p.261 ，， Fig.10.26)Fig.10.26)

地球繞太陽公轉軌道示意圖 地球繞太陽公轉軌道示意圖 (( 圖片來源：圖片來源： Ahrens, p.55, Fig. 3.3)Ahrens, p.55, Fig. 3.3)

季節變化

thermalequator

季節變化的主要特徵？

年溫差 （尋找陸地）

海陸分布 ?

ㄧ月海平面氣壓

七月海平面氣壓 氣壓與溫度的關係？

海平面氣壓

夏季季風前

夏季季風後

水的特性？

延伸閱讀：水的問題，人的問題 許晃雄 ( 刊登於「誠品好讀」） 2002/June/11

http://hsu.as.ntu.edu.tw/peper/hsu_articles/hsu_article18.htm

Continents3%

Ocean97%

Ice Sheets75%

Other 1%

Groundwater24%

Lakes20%

River20%

Air22%

Soil38%

Continents 3%

Other 1%

可用淡水量 （ ground water + other) 0.8%大氣中的水佔其中的 0.35%

水的循環圖

一月

四月 十月

七月

Desert Climate

第四章作業第四章作業• Review Questions: 7, 9, 10, 12

• 根據 1-4 章內容，出一題期中考題• 加分題： Critical Thinking Problem: 2

Due 3/26

熱汽球熱汽球

以熱汽球來了解空氣上升• 熱汽球上升以後，熱汽球內部的壓力比外面大，因此膨脹

→內部溫度也下降• 熱汽球內的溫度如果比週遭環境溫度高，則熱汽球將繼續上升

• 反之，則下降

例子：例子：(1) 由輪胎噴出的空氣，比較冷；(2) 為什麼機艙內必須不時開冷氣？ 假設在 9 km 高，機外空氣溫度 -35oC ，若將空氣抽入機艙加壓至海面氣壓 ( 如1013 mb) ，空氣溫度將升高至 55oC ！！

一月

七月