第6章风-大气的水平运动

1、1第六章第六章 风（风（WindWind） 大气的水平运动大气的水平运动授课人：李杰2 一、风的表示和测量n1 风的表示：风的表示：n风向风向：风的来向（：风的来向（360或或16个方位表示）个方位表示）n风速单位风速单位：米米/秒秒(m/s)，千米，千米/小时小时(km/h)和海里小时和海里小时(nautical mile/h)也称为节也称为节(Knot)。n它们之间的换算关系为：它们之间的换算关系为：n1m/s3.6km/h1.944 kn；n1km/h0.278m/s；n1Kn0.514m/s1.852km/h。32风的测量n仪器探测仪器探测:风向风速计、测风气球风向风速计、测风气球n目

2、力估计目力估计:风力等级表、风袋风力等级表、风袋n测量方法主要有测量方法主要有仪器探测仪器探测和和目视估计目视估计两大类两大类n常用仪器有常用仪器有风向风速仪、测风气球、风袋风向风速仪、测风气球、风袋(windsock)、多普勒测风雷达、多普勒测风雷达等，等，n风向风速仪风向风速仪:是测量近地面风常用的仪器。是测量近地面风常用的仪器。n风袋风袋:为了便于飞行员观测跑道区的风向风速，为了便于飞行员观测跑道区的风向风速，可在跑道旁设置可在跑道旁设置风袋风袋，风袋飘动的方向可指示风，风袋飘动的方向可指示风向，风袋飘起的角度可指示风速向，风袋飘起的角度可指示风速(P 50)。n测风气球测风气球: :高

3、空风可用测风气球进行探测，高空风可用测风气球进行探测，n多普勒测风雷达多普勒测风雷达: :在一些大型机场用来探测机场在一些大型机场用来探测机场区域内一定高度风的分布情况，对飞机起降有很区域内一定高度风的分布情况，对飞机起降有很大帮助大帮助.4风的目视估计主要是按风力等级表进行的。5怎样读天气图上的风？怎样读天气图上的风？n图中风向杆上每一条短划线代表5Knot，每一条长划线代表10Knot，将风向标上所有划线的值加起来就是风速值的大小。右图给出了风向标上每种符号所代表的值的大小。n在这里风速的单位为Knot（哩/小时），其换算关系为：1 Knot = 1.15 英里/小时1 Knot = 1.

4、9 公里/小时6第二节 地转风和梯度风n1.水平气压梯度力。空气运动原动力水平气压梯度力。空气运动原动力n2.水平地转偏向力（科里奥利力）水平地转偏向力（科里奥利力）高纬空气运高纬空气运动影响动影响n3.3.惯性离心力惯性离心力曲线运动曲线运动n4.摩擦力：摩擦层中摩擦力：摩擦层中7一、形成风的几个力n1.1.水平气压梯度力（水平气压梯度力（G G Horizontal Pressure-gradient Horizontal Pressure-gradient ForceForce）n大小： 与水平气压梯度成正比n方向：与水平气压梯度一致n等压线越密，气压梯度力越大；形成风的原动力n2.2.

5、地转偏向力（地转偏向力（A A Deflection Force of Earth RotationDeflection Force of Earth Rotation） n大小：A=2Vsinn方向：垂直与物体的运动方向，在北半球指向右n使运动方向偏右，在赤道为在赤道为0 0NPG18n3.3.惯性离心力（惯性离心力（C C IntertialIntertial Centrifugal Centrifugal ForceForce）n大小：C=mV2/rn方向：与V垂直，由曲率中心指向外缘。n一般较小一般较小，小于地转偏向力n4.4.摩擦力（摩擦力（F F）n大小：F=-KVn方向：与V相反

6、9二、几种力平衡情况下的风二、几种力平衡情况下的风n水平气压梯度力（水平气压梯度力（G G）= =地转偏向力（地转偏向力（A A） 地转风地转风( (GeostrophicGeostrophic wind) wind)10地转风平行于等压线吹，在北半球观察者背风而立，地转风平行于等压线吹，在北半球观察者背风而立，高压在右，低压在左。高压在右，低压在左。而在南半球，观察者背风而立，而在南半球，观察者背风而立，高压在左，低压在右。这就是地转风方向与水平气压高压在左，低压在右。这就是地转风方向与水平气压场之间的关系，即场之间的关系，即白贝罗白贝罗(Buys Bullot) 风压定律。风压定律。(P

7、51)地转风的风速大小取决于水平气压梯度、空气密度及地转风的风速大小取决于水平气压梯度、空气密度及地转参数。若在同一地理纬度上，并空气密度一样时，地转参数。若在同一地理纬度上，并空气密度一样时，水平面上的水平面上的等压线越密集，地转风速就越大等压线越密集，地转风速就越大；若在同；若在同一地理纬度，并各高度上水平气压梯度相同时，由于一地理纬度，并各高度上水平气压梯度相同时，由于密度的影响、地转风将会随高度的增高而加大。当水密度的影响、地转风将会随高度的增高而加大。当水平气压梯度和密度不变时，平气压梯度和密度不变时，纬度越高，地转风速越小。纬度越高，地转风速越小。在赤道附近，由于地转偏向力很小在赤

8、道附近，由于地转偏向力很小，所以不存在产生，所以不存在产生地转风的条件。地转风的条件。11风压定理的应用风压定理的应用注意注意5252页页 n1.1.根据气压场确定风场根据气压场确定风场n根据摩擦层中的风压定理。根据摩擦层中的风压定理。可以判断图中任一地方的风可以判断图中任一地方的风向和风速的相对大小，如向和风速的相对大小，如A点处吹点处吹SSW风，与风，与B点相比点相比,风速相对较小。风速相对较小。n 2.2.根据风场确定气压场根据风场确定气压场n根据飞行时遇到的风的情况，根据飞行时遇到的风的情况，可判断高、低压位置可判断高、低压位置12n3.航线上风的判定 n从图中根据自由大气中的风压定理

9、、可判断航线上风的情况，如AB航段上基本为顺风飞行。13水平气压梯度力（水平气压梯度力（G G）地转偏向力（）地转偏向力（A A）惯性）惯性离心力（离心力（C C）0 0梯度风梯度风( (Gradient wind)Gradient wind)14n梯度梯度风风的大小与水平气压梯度、地理纬度、空气密度及空的大小与水平气压梯度、地理纬度、空气密度及空气运动的曲率半径有关。并具有以下气运动的曲率半径有关。并具有以下“特点：特点：n1方向方向在北半球，地转偏向力总是指向在北半球，地转偏向力总是指向空气运动方向的右空气运动方向的右方方。低压中的风低压中的风是沿等压线是沿等压线逆时针逆时针方向吹。方向吹

10、。 高压中的风高压中的风是沿等压线是沿等压线顺时针顺时针方向吹。南半球相反。方向吹。南半球相反。n2大小大小当气压梯度力和地理纬度一定，并高低压具有同样当气压梯度力和地理纬度一定，并高低压具有同样的曲率半径时，的曲率半径时，高压中的梯度风比低压中的梯度风速高压中的梯度风比低压中的梯度风速大大，同样纬度和气压梯度力的条件下的地转风速介于两者之间。同样纬度和气压梯度力的条件下的地转风速介于两者之间。n3在高压中水平气压梯度有一极限值。这说明高压附近附在高压中水平气压梯度有一极限值。这说明高压附近附近不可能出现大的气压梯度，也就是说近不可能出现大的气压梯度，也就是说高压中心附近风速高压中心附近风速必

11、是很小必是很小。而在低压中并不存在水平气压梯度的极限值，。而在低压中并不存在水平气压梯度的极限值，所以在所以在低压中心附近风速可以达到很大低压中心附近风速可以达到很大。另外，在赤道地。另外，在赤道地区，水平地转偏向力很小，可出现小范围的旋涡，因曲率区，水平地转偏向力很小，可出现小范围的旋涡，因曲率半径很小，故惯性离心力可以很大，若不计水平地转偏向半径很小，故惯性离心力可以很大，若不计水平地转偏向力的作用，水平气压梯度力和惯性离心力可达平衡，这时力的作用，水平气压梯度力和惯性离心力可达平衡，这时的风称为的风称为旋衡风旋衡风，可以顺转也可以逆转，但中心必须是低，可以顺转也可以逆转，但中心必须是低压

12、，例如压，例如龙卷风龙卷风就具有这种性质。就具有这种性质。15三.自由大气中风随高度的变化n热成风热成风(Thermal Wind)：由于水平温度梯度而引起的：由于水平温度梯度而引起的上下气层风的变化上下气层风的变化n规则与地转风规则相似：热成风与平均温度线规则与地转风规则相似：热成风与平均温度线(或等厚或等厚度线度线)平行，平行，背热成风而立，高温在右，低温在左。背热成风而立，高温在右，低温在左。热热成风大小与平均温度梯度和气层厚度成正比，而与地成风大小与平均温度梯度和气层厚度成正比，而与地转参数和气层的平均绝对温度成反比。转参数和气层的平均绝对温度成反比。n根据热成风原理，在北半球上空应吹

13、偏西风，高度越根据热成风原理，在北半球上空应吹偏西风，高度越高，风速越大。上升到一定高度后，就可能形成西风高，风速越大。上升到一定高度后，就可能形成西风急流。急流。 16? 地转风随高度逆转有冷平流地转风随高度逆转有冷平流 地转风随高度顺转有暖平流地转风随高度顺转有暖平流17第三节 摩擦层中的风n摩擦力对空气水平运动的影响18风与气压场的关系n背风而立，高压在右后方，低压在左后方背风而立，高压在右后方，低压在左后方n风向与等压线的交角：地表性质，湍流交风向与等压线的交角：地表性质，湍流交换强度，风速，纬度等有关换强度，风速，纬度等有关n低压是反时针辐合低压是反时针辐合n高压是顺时针辐散高压是顺

14、时针辐散192.摩擦层中风随高度的变化n在北半球，随高度增加，在北半球，随高度增加，风速增大，风向右偏。风速增大，风向右偏。南半球风向变化相反。南半球风向变化相反。20n3.摩擦层中风的日变化n白天白天下层风速下层风速增大，风向向右偏转，增大，风向向右偏转，n 上层风上层风的变化则相反。的变化则相反。n晚上晚上下层风速下层风速减小、风向向左偏转，减小、风向向左偏转，n 上层风速上层风速增大，风向右偏。增大，风向右偏。n晴天晴天 阴天阴天 夏季夏季 冬季冬季 陆上陆上 海洋海洋214.摩擦层中风的阵性n乱流涡旋随大范围基本气流一起运动引起，局地风向不乱流涡旋随大范围基本气流一起运动引起，局地风向

15、不断改变，风速时大时小的现象。断改变，风速时大时小的现象。n近地面风速越大、近地面风速越大、n地表越粗糙，地表越粗糙，n地表性质差异越大。地表性质差异越大。n在近地面在近地面 n风的阵性就越强。最频繁，最显著，风的阵性就越强。最频繁，最显著，n随高度增加，减弱。随高度增加，减弱。n一日之中，风的阵性午后最明显；一日之中，风的阵性午后最明显；n一年之中，夏季最明显。一年之中，夏季最明显。2223风的概括n气压梯度力：空气运动原动力n地转偏向力：高纬空气运动影响n惯性离心力：曲线运动n摩擦力：摩擦层中24第四节 地方性风n1.海陆风海陆风n白天，陆地气温高于海白天，陆地气温高于海面，低层空气将从海

16、上面，低层空气将从海上吹向陆地，形成海风吹向陆地，形成海风(Sea Breeze)n晚上的情形与此相反，晚上的情形与此相反，形成陆风形成陆风 (Land Breeze)25n2.山谷风山谷风n白天，山坡气温高于山谷上同高度气温，白天，山坡气温高于山谷上同高度气温，低层风从谷地吹向山坡，形成谷风低层风从谷地吹向山坡，形成谷风( (Valley Valley windwind) )。n晚上则形成山风晚上则形成山风( (mountain windmountain wind) )。26n3.峡谷风峡谷风n风沿峡谷吹时风速增大风沿峡谷吹时风速增大n在我国的台湾海峡、松辽平原等地，两侧都有在我国的台湾海峡

17、、松辽平原等地，两侧都有山岭，地形像喇叭管。当气流直灌管口时，经山岭，地形像喇叭管。当气流直灌管口时，经常出现大风常出现大风. .27n4.焚风焚风n气流过山后沿着背风坡向下吹的热而干的风，叫做焚风。气流过山后沿着背风坡向下吹的热而干的风，叫做焚风。n当气流越过山脉时，在迎风坡上气温按湿绝热直减率降低，当气流越过山脉时，在迎风坡上气温按湿绝热直减率降低，并有大量水分降落。并有大量水分降落。n过山后沿背风坡下降，通常按干绝热直减率增温，所以到过山后沿背风坡下降，通常按干绝热直减率增温，所以到达背风坡山脚时，空气温度比在山前时高，湿度比在山前达背风坡山脚时，空气温度比在山前时高，湿度比在山前时小。

18、时小。 焚风成因示意圖：(a)无焚风，(b)有焚风 (图片来源：Ahrens，p.262，Fig.10.29)2829四、风对飞行的影响（一）风对飞机起飞着陆的影响n飞机起降时所能承受的最大风速，取决于机型和风与跑道的夹角n逆风起降时所能承受的风速最大，正侧风起降逆风起降时所能承受的风速最大，正侧风起降时所能承受的风速最小。时所能承受的风速最小。30n二）风对飞机航行的影响二）风对飞机航行的影响n顺风飞行会增大地速、缩短飞行时间、减少燃顺风飞行会增大地速、缩短飞行时间、减少燃油消耗、增加航程；油消耗、增加航程；n逆风飞行会减小地速、增加飞行时间、缩短航逆风飞行会减小地速、增加飞行时间、缩短航程

19、；程；n侧风会产生偏流。侧风会产生偏流。n为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应尽量选择有尽量选择有顺风或顺侧风顺风或顺侧风的高度飞行，这对低的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。速飞机尤为重要。3132小结：小结：风对飞行的影响风对飞行的影响 n（一）风对飞机起飞着陆的影响（一）风对飞机起飞着陆的影响n飞机起降时所能承受的最大风速，取决于机型和风与跑道飞机起降时所能承受的最大风速，取决于机型和风与跑道的夹角的夹角n逆风起降时所能承受的风速最大，正侧风起降时所能承受逆风起降时所能承受的风速最大，正侧风起降时所能承受的风速最小。的风速最小。n （二）风对飞机

20、航行的影响（二）风对飞机航行的影响n顺风飞行会增大地速、缩短飞行时间、减少燃油消耗、增顺风飞行会增大地速、缩短飞行时间、减少燃油消耗、增加航程；加航程；n逆风飞行会减小地速、增加飞行时间、缩短航程；逆风飞行会减小地速、增加飞行时间、缩短航程；n侧风会产生偏流。侧风会产生偏流。n为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应尽量选择有为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应尽量选择有顺风或顺侧风顺风或顺侧风的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。332.风对飞行航程的影响n只要有风，其活动半径总比无风时小，而且当风向与只要有风，其活动半径总比无风时小，而且当风向与航线平行时

21、，飞机的活动半径最小，因为飞机飞过同航线平行时，飞机的活动半径最小，因为飞机飞过同样路径时，顺风飞行时间短，而逆风飞行时间长，样路径时，顺风飞行时间短，而逆风飞行时间长，在在顺风飞行中节省的燃料，不足以弥补逆风飞行时多消顺风飞行中节省的燃料，不足以弥补逆风飞行时多消耗的燃料耗的燃料。当风向角和空速不变时，风速增大，飞机。当风向角和空速不变时，风速增大，飞机活动半径减小；反之，风速减小，活动半径增大。当活动半径减小；反之，风速减小，活动半径增大。当风向角和风速不变时，空速增大，活动半径增大，而风向角和风速不变时，空速增大，活动半径增大，而且风速对不同空速的飞机的影响是不同的，高速飞行且风速对不同

22、空速的飞机的影响是不同的，高速飞行时受风的影响相对较小。时受风的影响相对较小。n 在实际飞行中，为了增大活动半径，节省燃料，在在实际飞行中，为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应尽量选择有往返途中应尽量选择有顺风或顺侧风顺风或顺侧风的高度飞行，这的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。对低速飞机尤为重要。343.最短时间航线的选择n 沿最短时间航线可以节省的时间与飞行速度有关。空沿最短时间航线可以节省的时间与飞行速度有关。空速小，时间节省得多一些。据计算，两点之间大圆速小，时间节省得多一些。据计算，两点之间大圆(通通过地球球心的圆过地球球心的圆)上的距离为上的距离为6000 km情况下，以空速情况

23、下，以空速370 km/h沿最短时间航线飞行的平均续航时间是沿最短时间航线飞行的平均续航时间是17小小时时48分，而沿大圆上的航线飞行的平均续航时间是分，而沿大圆上的航线飞行的平均续航时间是20小时小时20分，前者比后者约缩短分，前者比后者约缩短2小时小时30分，占沿大圆上分，占沿大圆上的航线飞行时间的的航线飞行时间的12左右。对大速度飞机左右。对大速度飞机(800一一1000 km/h)来说，可节省的飞行时间较少，一般仅占来说，可节省的飞行时间较少，一般仅占沿大圆航线飞行时间的沿大圆航线飞行时间的35，根据具体气象条件根据具体气象条件选择最佳航线，能节省燃料，缩短续航时间和更好地选择最佳航线

24、，能节省燃料，缩短续航时间和更好地利用飞机飞行技术数据。利用飞机飞行技术数据。35n 在远程飞行，尤其是越洋航线飞行中，为了缩在远程飞行，尤其是越洋航线飞行中，为了缩短飞行时间，节省燃料，要求选择最佳航线，短飞行时间，节省燃料，要求选择最佳航线，即选择飞行时间最短的航线。即选择飞行时间最短的航线。n 在飞行速度一定的情况下，要把两点间的飞在飞行速度一定的情况下，要把两点间的飞行时间缩短至最小，唯行时间缩短至最小，唯的途径，是充分利用的途径，是充分利用风的有利影响，风的有利影响，增大地速增大地速。选择最佳航线的方。选择最佳航线的方法就是考虑风对航行的影响而求取应飞的航线法就是考虑风对航行的影响而

25、求取应飞的航线36练习n3031气象上的风向是指气象上的风向是指nA风的去向；风的去向；B风的来向；风的来向；C气压梯度力的方向气压梯度力的方向n3032机场上常用风向袋来估计风速，当风向袋吹平时，风机场上常用风向袋来估计风速，当风向袋吹平时，风速已达速已达nA56米秒；米秒；B610米秒；米秒；C1012米秒米秒n3033机场上吹东风时，飞机起飞着陆的最好方向应是机场上吹东风时，飞机起飞着陆的最好方向应是nA由西向东；由西向东；B由东向西；由东向西；C由北向南由北向南n3035空气在运动时，是什么力阻止了空气直接从高压区流空气在运动时，是什么力阻止了空气直接从高压区流向低压区向低压区nA水平

26、气压梯度力；水平气压梯度力；B地转偏向力；地转偏向力；C地面摩擦力地面摩擦力n3036在赤道地区在赤道地区1000米高空，作水平直线运动的空气质点米高空，作水平直线运动的空气质点所受的水平作用力主要有所受的水平作用力主要有nA水平气压梯度力和惯性离心力；水平气压梯度力和惯性离心力；nB水平气压梯度力和地转偏向力；水平气压梯度力和地转偏向力；nC水平气压梯度力和摩擦力水平气压梯度力和摩擦力37n 西北风可表示为：西北风可表示为： A 135或或 B 300或或 C 315或或 D 340或或n 海上风与陆地风相比，主要区别是：海上风与陆地风相比，主要区别是： A 海上风速大，风向与等压线交角大海

27、上风速大，风向与等压线交角大 B 陆地上风速大，风向与等压线交角小陆地上风速大，风向与等压线交角小 C 陆地上风速大，风向与等压线交角陆地上风速大，风向与等压线交角大大 D 海上风速大，风向与等压线交角小海上风速大，风向与等压线交角小n 在北半球在北半球9000米高度，由低压区飞向高压区，则航线上吹：米高度，由低压区飞向高压区，则航线上吹：A 右侧风右侧风B 左侧风左侧风C 逆风逆风 D 顺风顺风An 在北半球自由大气中，如果航线是左侧风，则高压区在航在北半球自由大气中，如果航线是左侧风，则高压区在航线的：线的： A 右侧右侧 B 左侧左侧C 后方后方 D 前方前方 C38n地面风的阵性表现较

28、明显的时间和季节分别是：地面风的阵性表现较明显的时间和季节分别是：A 早晨，冬季早晨，冬季 B 早晨，夏季早晨，夏季 C 午后，冬季午后，冬季 D 午后，夏季午后，夏季n 地面风的阵性表现较明显的地区特点是：地面风的阵性表现较明显的地区特点是： A 地表粗糙，性质差异大地表粗糙，性质差异大 B 地表平坦，性质差异小地表平坦，性质差异小C 地表粗糙，性质差异小地表粗糙，性质差异小 D 地表平坦，性质差异大地表平坦，性质差异大n 海风和山风分别出现在：海风和山风分别出现在： A 白天，晚上白天，晚上 B 晚上，白天晚上，白天 C 白天，白天白天，白天 D 晚上，晚上晚上，晚上 n 自由大气中风随高

29、度变化的主要原因是：自由大气中风随高度变化的主要原因是： A 气温的水平差异气温的水平差异 B 气温随高度的变化气温随高度的变化 C 气压的水平差异气压的水平差异 D 气压随高度的变化气压随高度的变化 n 对流层自由大气中，高度增加，风的一般变化规律是：对流层自由大气中，高度增加，风的一般变化规律是： A 风向趋近于东风，风速增大风向趋近于东风，风速增大 B 风向趋近于西风，风速减小风向趋近于西风，风速减小 C 风向趋近于东风，风速减小风向趋近于东风，风速减小 D 风向趋近于西风，风速增大风向趋近于西风，风速增大39“感觉温度” ，空气流动（风），空气湿度对感觉温度的影响。n如果湿度大、风速小

30、，感觉温度就会大大高于如果湿度大、风速小，感觉温度就会大大高于实际气温。实际气温。n在夏季，当气温在在夏季，当气温在3535以上时，如果湿度在以上时，如果湿度在7070以上，风力在以上，风力在1 1级以下，就一定要做好防暑级以下，就一定要做好防暑降温工作，避免中暑现象的发生。降温工作，避免中暑现象的发生。n冬春季节，温度即使在冬春季节，温度即使在55以上，但有以上，但有3 3级以上级以上的偏北风，外出时就必须注意保暖，以防直接的偏北风，外出时就必须注意保暖，以防直接引起包括感冒在内的上呼吸道疾病。引起包括感冒在内的上呼吸道疾病。40n风在感觉温度中的作用主要有两点：一是增强人体的对流换热，二是加快空气蒸发，从而影响人体排汗的散热效率。这两点影响又由于气温高于或低于皮肤温度，而有所不同。当气温高于皮肤温度时，风的作用一方面由于对流换热而施热于人体，另一方面却增强了蒸发，提高了人体散热效率，所以在夏季，当有热风吹来时，人体感到干热的同时，也有一种清爽的感觉。反之，当冬季气温低于皮肤温度时，风的作用使对流换热加快，散热效率也提高，所以同是零度气温，有风时人会感到很冷（感觉温度较低），无风时则不是太冷（感觉温度较高）。n湿度对感觉温度的影响，主要是它决定着排汗的散热效率。在舒适温度以下时，湿度的影响不是太明显，但在气温偏