第3章 空气运动

第三章空气的运动中国民航大学空管学院中国民航大学韩博第一节空气的水平运动——风一、风的表示和测量二、风的形成三、风的变化一、风的表示和测量之风的表示矢量：风向（WindDirection）和风速（WindSpeed）气象风的风向：风的来向地面风：十六方位空中风：用度数表示航行风的风向：风的去向用度数表示气象风与航行风相差180°风速：单位时间内空气移动的距离。一、风的表示和测量之风的表示在民航地面气象观测中，统一规定测量距地面约10米高度上的风。一、风的表示和测量之风的表示一、风的表示和测量之风的测量风向风速仪测风气球风袋风廓线雷达等AMDAR二、风的形成之形成风的力1、水平气压梯度力（G）2、地转偏向力（A）3、摩擦力（）4、惯性离心力（）二、风的形成之形成风的力—水平气压梯度力1、水平气压梯度力（G）单位质量空气在气压场中由于气压分布不均匀而受到的力称为气压梯度力。二、风的形成之形成风的力—水平气压梯度力1、水平气压梯度力（G）气压梯度力：式中ρ是空气密度，△P是两等压面间的气压差，△N是两等压面间的垂直距离。二、风的形成之形成风的力—水平气压梯度力2014.11.25京津雾霾二、风的形成之形成风的力—水平气压梯度力2014.11.30京津大风二、风的形成之形成风的力—地转偏向力2、地转偏向力（A）空气是在转动着的地球上运动着，当运动的空气质点依其惯性沿着水平气压梯度力方向运动时，对于站在地球表面的观察者看来，空气质点却受着一个使其偏离气压梯度力方向的力的作用。物理模型——转盘试验正上方视图试验设置：O点固定在转盘中心，A位置为转盘外固定点，由O向A抛出小球球的飞行路线自转盘外看是直线。但在转盘内看來，由于A的位置也在移动，故不是直线。二、风的形成之形成风的力—地转偏向力二、风的形成之形成风的力—地转偏向力2、地转偏向力（A）事实上并无任何物体作用于小球来产生这个力，只是为了要在一个非惯性系里以牛顿定律来解释所观察到的现象而引进的一个假想力。又称为科氏力。二、风的形成之形成风的力—地转偏向力2、地转偏向力（A）地转偏向力只是在空气相对于地面有运动时才产生，空气处于静止状态时没有地转偏向力作用。而且地转偏向力只改变气块运动方向而不能改变其运动速度。二、风的形成之形成风的力—地转偏向力2、地转偏向力（A）北半球指向右，南半球指向左。赤道地区地转偏向力为零，两极地区最大二、风的形成之形成风的力—摩擦力3、摩擦力（

）二、风的形成之形成风的力—摩擦力3、摩擦力（

）大气摩擦力自由大气摩擦层二、风的形成之形成风的力—惯性离心力4、惯性离心力（

）空气在水平方向相对于地球表面做圆周运动时，会受到惯性离心力的作用。方向与速度方向垂直，由中心指向外缘二、风的形成自由大气中的风等压线平直等压线为曲线摩擦层中的风等压线平直等压线为曲线二、风的形成之自由大气中的地转风在自由大气中，等压线平直水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡时空气的等速、直线水平运动称为地转运动。地转风二、风的形成之自由大气中的地转风地转风风压定律在北半球，观察者背风而立，高压在右，低压在左。在南半球，观察者背风而立，高压在左，低压在右。二、风的形成之自由大气中的地转风地转风若在同一地理纬度上，并空气密度一样时，在赤道附近，由于地转偏向力很小，会出现什么情况？等压线越密集地转风速越大二、风的形成之自由大气中的地转风在赤道附近，由于地转偏向力很小，所以不存在产生地转风的条件。二、风的形成之自由大气中的梯度风Fp为气压梯度力，Fc为科氏力，Fr为离心力在自由大气中，等压线为曲线二、风的形成之自由大气中的梯度风梯度风北半球，低压区空气沿逆时针方向旋转高压区空气沿顺时针方向旋转二、风的形成之自由大气中的梯度风二、风的形成之摩擦层中的风摩擦层中，风是斜穿等压线的。等压线为曲线等压线为曲线平直二、风的形成之摩擦层中的风摩擦层中，风是斜穿等压线的。北半球，背风而立，高压在右后南半球相反摩擦层中的风压定律北半球：低压，逆时针，辐合，上升运动高压，顺时针，辐散，下沉运动摩擦层大气中作曲线运动的空气块二、风的形成之摩擦层中的风三、风的变化之摩擦层中风的变化（1）摩擦层中风随高度的变化（2）摩擦层中风的日变化（3）摩擦层中风的阵性三、风的变化之摩擦层中风随高度的变化在摩擦层上部，如果气压场没有明显的变化，在北半球风速随高度增加而加大，风向随高度增加逐渐向右偏。当高度达摩擦层顶时，风向逐渐趋于与等压线平行。风矢量逐渐趋于地转风。（1）摩擦层中风随高度的变化三、风的变化之摩擦层中风随高度的变化（1）摩擦层中风随高度的变化三、风的变化之摩擦层中风的日变化风的日变化在靠近地面的气层中一般是白天风速增大，风向向右偏；到午后14~15时左右风速达最大；夜间风速减小，风向向左偏。三、风的变化之摩擦层中风的日变化风的日变化，当有强的天气系统过境时，将被扰乱和掩盖。一般情况下，风的日变化是晴天比阴天大，夏季比冬季大，陆地比海洋大。三、风的变化之摩擦层中风的阵性风的阵性：风向变动不定、风速忽大忽小的现象。三、风的变化之自由大气中风的变化自由大气中风随高度变化的原因热成风三、风的变化之自由大气中风随高度变化原因热成风三、风的变化之自由大气中风随高度变化原因气层中水平温度梯度愈大，高层出现的风也愈大。产生原因：水平温度分布不均匀而造成在一定高度上出现气压差水平方向上温度分度不均引起的风称为热成风三、风的变化之自由大气中的热成风在北半球背热成风而立，高温在右，低温在左思考：在北半球的高空，会出现什么情况？热成风风压定律三、风的变化之自由大气中的热成风根据热成风定律，在北半球上空应为西风。在越往高空，西风越大。上升到一定高度后，就可以形成西风急流。西风急流的形成北半球温度分布南高北低，热成风为西风，高度越高，风速越大。上升到一定高度后，就可能形成西风急流。三、风的变化之自由大气中的热成风三、风的变化之地方性风地方性风：与地方性特点有关的局部地区的风。如海陆风、山谷风等一般来说，地方性风的强度不大，但具有明显的特征，当有强的气压系统活动时，这种地方性风的特征往往被掩盖。三、风的变化之地方性风—海陆风三、风的变化之地方性风—海陆风在海滨地区，白天常有风从海上吹来，称为海风，晚上常有风从陆地吹向海洋，称为陆风。海陆风的形成是由于海陆性质的差异而造成的。三、风的变化之地方性风—海陆风在热带地区全年均可观测到海陆风。在中纬度地区，只在夏季才可以观测到。高纬地区，仅在夏季晴朗的日子里才有海陆风出现。温度日变化三、风的变化之地方性风—山谷风三、风的变化之地方性风—峡谷风峡谷风：在山口、河谷地区产生的风速较大的风在山区和丘陵地区常出现这种风，使风速变化增大，对山地飞行带来影响。三、风的变化之地方性风—焚风焚风是指气流过山以后形成的干而暖的地方性风。例1：北半球离地800米上空飞行，如果此时飞机正处于气压系统中并且航线上是顺风，则高压区位于航线的哪个方向？例2：北半球离地10000米上空飞行，如果航线上是正顶风，则低压区位于航线的哪个方向？例3：北半球离地10000米上空飞行，如果飞机遇到左侧风，则飞机正在飞向高压区还是低压区？练习－风压定理的应用已知气压场，判断风场（摩擦层）练习－风压定理的应用已知气压场，判断风场（自由大气）练习－风压定理的应用第一节小结风的形成主要受到4个力的作用：水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力、惯性离心力。水平气压梯度力的方向由高压指向低压，其大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比。地转偏向力是一个假想力，静止的物体不受地转偏向力。运动的物体所受地转偏向力的方向：北半球向右，南半球向左。大气层根据摩擦力的大小分为：摩擦层和自由大气层惯性离心力方向始终向外。第一节小结地转风和梯度风的形成。自由大气和摩擦层中的风压定理。摩擦层中的风的变化。自由大气中风的变化。一些地方性风的形成原理。第二节风对飞行的影响风对飞机起飞和着陆的影响风对飞机航行的影响风对飞行的影响之对起飞着陆的影响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。运-五TB-20运-七波音707-747SP0°1520302545°817171890°6121212机型最大风速侧风角风对飞行的影响之对起飞着陆的影响——顺风飞机顺风起飞、着陆要增长滑跑距离，减少上升率和下滑率，当风速超过规定值时，就有可能冲出跑道或撞击障碍物的危险，特别是单向起降的机场就特别注意。风对飞行的影响之对起飞着陆的影响——逆风逆风起飞由于产生了附加进气量，可增大飞机运动开始时的方向稳定性和操纵性。逆风着陆增大了飞机迎面阻力，使飞机减速加快，也减小了接地速度。逆风可增加升力，故在逆风条件下，根据逆风分量的大小，可以增加飞机的载重量。风对飞行的影响之对起飞着陆的影响——逆风飞机的起飞和着陆应尽量在逆风条件下进行。逆风起落能使离地速度和着陆速度减少，可以缩短滑跑距离。风对飞行的影响之对起飞着陆的影响——侧风飞机接地后，在滑跑过程中，侧风对飞机垂直尾翼的侧压力，会使机头向侧风方向偏转，有可能造成飞机打地转等不良后果风对飞行的影响之对飞机航行的影响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。逆风飞行会减小地速，增加飞行时间，缩短航程。侧风会产生偏流，需要进行适当修正以保持正确航向。风对飞行的影响之对飞机航行的影响—航程最远航程——无风：L0

顺风：Lta

正侧风：Lp

逆风：Lhe风对飞行的影响之对飞机航行的影响—航向飞机航向受风的影响，常通过由空速、地速和风的三个矢量构成的航行速度三角形来讨论。（见《空中导航》）风对飞行的影响之对飞机航行的影响—活动半径飞机一次加满油，扣除备份油量后所能做往返飞行的最大水平距离。第二节小结风对飞行的影响可分为风对飞机起落的影响和风对航行的影响两个方面。近地面风具有阵性，风速越大，阵性越强。阵性对飞机的影响具有无规律性，使飞机操纵困难甚至无法操纵。各种飞机都有允许起降的最大风速限制。第三节空气的垂直运动1、空气垂直运动形成的原因2、空气垂直运动的种类及特点（1）对流（2）系统性垂直运动（3）大气波动（4）大气乱流空气的垂直运动大气运动基本上是准水平的，垂直运动的速度很小，一般仅为水平速度的百分之一，甚至千分之一或更小。然而垂直运动却与大气中云雨的形成和发展及天气变化有着密切关系，对飞机的飞行也有很大影响。1、空气的垂直运动之形成原因空气在垂直方向上受到两个力的作用：

重力和垂直气压梯度力上图为单位体积空气块所受重力和垂直气压梯度力2、空气垂直运动的种类及特点之对流（1）对流的概念和特征（2）对流产生的原因（3）对流冲击力（4）大气稳定度2、空气垂直运动的种类及特点之对流对流―是指由于空气块与周围大气有温度差异而产生的，强烈而比较有规则的升降运动。对流的垂直运动速度是空气各种垂直运动中最大的，一般为1~10m/s，有时可达几十m/s。（1）对流的概念和特征2、空气垂直运动的种类及特点之对流2、空气垂直运动的种类及特点之对流单位体积的空气块所受到的合力F为：（空气块密度为，空气块周围大气密度为）对流产生的原因：2、空气垂直运动的种类及特点之对流根据牛顿第二定律有：结论：当空气块温度高于周围大气温度时,有向上加速度。当空气块温度低于周围大气温度时,有向下加速度。2、空气垂直运动的种类及特点之对流使得原来静止的空气产生垂直运动的作用力，称为对流冲击力。对流对流冲击力（热力和动力）热力对流动力对流对流冲击力：2、空气垂直运动的种类及特点之对流对流冲击力产生了对流，但其能否发展和加强，取决于大气本身的性质。2、空气垂直运动的种类及特点之对流层结大气所具有的这种影响垂直运动的特性称为大气的静力稳定度，也称层结稳定度。大气稳定度：2、空气垂直运动的种类及特点之对流2、空气垂直运动的种类及特点之对流2、空气垂直运动的种类及特点之对流2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度运用气块模型，令气块离开平衡位置作微小的虚拟位移，如果气块到达新位置后有继续移动的趋势，则此气层的大气层结是不稳定的，它表明稍有扰动就会导致垂直运动的发展。如果相反，气块有回到原平衡位置的趋势，则这种大气层结是稳定的。如果气块既不远离平衡位置也无返回原平衡位置的趋势，而是随遇平衡，就是中性的。2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度稳定2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度中性2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度不稳定2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度γ＞γd＞

γm绝对不稳定m2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度γ＜γm

＜γd绝对稳定2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度γ＜γm

＜γd绝对稳定2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度γm＜γ

＜γd条件性不稳定2、空气垂直运动的种类及特点之大气稳定度大气稳定度有明显的日变化和年变化规律。白天的γ值增大，午后最大，大气不稳定，夜间γ值减小，后半夜和清晨最小，大气稳定。一年之中