第五章 气压与风 (上课)

第五章气压与风

Chapter5AirPressureandWind谢利托里拆利实验760mm（1644年）马德堡半球实验1654年5月8日，德国马德堡市市长奥托·格里克，把两个直径30多厘米的空心铜半球紧贴在一起，用抽气机抽出球内的空气，然后用两队马向相反的方向拉两个半球。最终用16匹马才将它们拉开，当马用尽了全力把两个半球最后拉开的时候，还发出了很大的响声。马德堡半球实验证明了大气压强的存在。（1654年）气压是如何产生的？大气受到重力的作用空气具有流动性——风压什么是风？风有哪些作用？风是指空气的水平运动。风可以调节温、湿度变化；风可以输送水汽、传播花粉；风可以用来发电（风能）；风可以驱动船只；……解落三秋叶，能开二月花。过江千尺浪，入竹万竿斜。李峤《风》

李淳风（602－670），唐代杰出的天文学家、数学家，道家学者，岐州雍人（今陕西省宝鸡市岐山县），精通天文、历算、阴阳之说。李淳风是世界上第一个给风力定级的人。李淳风预言“帝传三世，武代李兴”李淳风选定地面上的树，作为评定风力的主要标志。经过长时间观测，归纳整理，李淳风将风的大小划分为十个等级：一级，叶动；二级，鸣条（风吹枝叶发出的声音）；三级，摇树；四级，堕叶；五级，折小枝；六级，折大枝；七级，折木飞沙石；八级，拔树及根；加上无风、和风（极轻微的风）共十级。李淳风把所定的十级风力的划分，收录与其撰写的《乙己占》中。李淳风也成为有史记载首位为风定级的人。1200年后，《乙己占》传到欧洲。同样有兴趣研究风力的英国海军上将蒲福，以李淳风的风力划分为依据，于1805年把风划成零到十二级共十三个等级。这也是今天天气预报中关于风力划定的雏形。风力等级呼风唤雨、风云变幻、风云突变风雨交加、狂风暴雨、风吹雨打和风细雨、风调雨顺风和日丽、云淡风轻万事俱备，只欠东风山雨欲来风满楼天有不测风云与风有关的成语：本章内容气压和气压场作用于空气的力风气象三要素：气温、湿度和风第一节气压和气压场气压（大气压强）P单位面积上所受到的大气压力。在静力平衡下等于单位面积上空气柱的重量。一、气压的概念和单位P=ρgh思考：哪些因素可影响气压的高低？气温的高低、海拔高度和空气的运动。冷空气，气压高；暖空气，气压低。海拔越高，气压越低。一、气压的概念和单位思考：为什么水的沸点随海拔高度的升高而降低？

高原反应是如何产生的？当水温所对应的饱和水汽压等于气压时，水就沸腾。因此海拔越高，气压越低，水的沸点就越低。海拔高度(km)气压(hPa)沸点(℃)5.5500823700911.58509501000100第一节气压和气压场气压（大气压强）P

高原反应是人到达一定海拔高度后，身体为适应因海拔高度而造成的气压差、含氧量少、空气干燥等的变化，而产生的自然生理反应，海拔高度一般达到2700米左右时，就会有高原反应。国际标准单位：帕（帕斯卡Pa）和百帕（百帕斯卡hPa）

1hPa＝100Pa＝100N／m2气压的大小和单位一、气压的概念和单位第一节气压和气压场标准大气压（0℃，45°N／S，海平面上）

P0＝760mm汞柱＝1013.25hPa二、气压随高度的变化单位截面大气上界P1P2Gz2z1△P＝P2－P1＝﹣G

＝﹣gV

＝﹣g（z2－z1）＝﹣g△z

大气静力学方程第一节气压和气压场大气静力学方程：

dP＝﹣gdz取△z→0气压垂直梯度（单位高度气压差）

二、气压随高度的变化第一节气压和气压场气压随高度增加而递减，递减速度取决于空气密度ρ和重力加速度g，主要决定于空气密度。对流层和热层气压随高度的变化有何差异？单位气压高度差h

二、气压随高度的变化第一节气压和气压场大气状态方程：单位气压高度差是气压降低1hPa时高度升高的距离，单位m/hPa。①温度一定时，气压越高，气压随高度递减越快，反之相反；②气压一定时，空气温度越高，气压随高度递减越慢，反之相反。h大h小暖区冷区单位气压高度差越小，气压随高度递减越快；反之，递减越慢。

△z两点之间的高度差

z1

较低点的海拔高度

z2

较高点的海拔高度

P1

较低点的气压

P2

较高点的气压＝1／273

tm

两点的平均温度，取tm＝（t1＋t2）／2

压高公式二、气压随高度的变化第一节气压和气压场

压高公式二、气压随高度的变化第一节气压和气压场例：

t1=12℃，t2=8℃，P1=1080hpa，P2=920hpa，则Δz为：压高公式可用来求算：

1.两点间的高度差Δz；

2.另一高度上的气压值；

3.海平面气压；

4.两高度间的平均温度tm（气压测高仪）三、气压的水平分布第一节气压和气压场气压的水平分布是不均匀的。气象站气压三、气压的水平分布海平面气压第一节气压和气压场

等压线指在海拔高度相同的平面上，气压相等各点的连线。海平面气压场又称地面气压场。用等压线表示海平面上气压的水平分布。海平面气压场？压高公式等压线

海平面气压场的基本型式（气压系统）低压（低气压、气旋）高压（高气压、反气旋）D中心气压比四周低的闭合等压线区域。G中心气压比四周高的闭合等压线区域。槽（低压槽）脊（高压脊）DG三、气压的水平分布第一节气压和气压场低压向外延伸的狭长区域。高压向外延伸的狭长区域。高空气压的水平分布用等压面上的等高线表示,称为等压面图。常用有500、700、850hPa

等压面图。等高线的单位：1位势什米＝10位势米

等压面等压面是指空间气压相等各点组成的面。三、气压的水平分布第一节气压和气压场

等压面三、气压的水平分布第一节气压和气压场理想状态实际情况等压面是起伏不平的曲面。1mb=1hPa

等压面的起伏与水平气压的关系等高面

Ha＝Hb＝Hc＝HZAa＜0＜ZCcABCabcZAaZCc等压面HP等高面三、气压的水平分布第一节气压和气压场等压面

PA＝PB＝PC＝PHA＜HB＜HC

Pa＜Pb＜Pc比较等高面H上a、b、c三点的气压大小。PA>PaPB=PbPC<Pc

等压面与等高线的关系三、气压的水平分布第一节气压和气压场第二节作用于空气的力西伯利亚的冷空气为什么自西北向东或向东南移动？/video/tqyb/05/508815.shtml第二节作用于空气的力水平方向作用于空气的力：水平气压梯度力G水平地转偏向力A惯性离心力C摩擦力R空气的运动方向（风向）、运动速度（风速）由什么来决定？第二节作用于空气的力一、水平气压梯度力（G）x方向上的净压力：dxdydzABp（p+—

dx）px第二节作用于空气的力气压梯度是垂直于等压线方向上单位距离内气压的改变量。y方向上的净压力:﹣—

dxdydzpyz方向上的净压力:﹣—

dxdydzpzx方向上：气压梯度:A：气压

p

压力

pdydzB：气压

压力总的净压力:第二节作用于空气的力一、水平气压梯度力（G）dxdydz＝V＝m/作用于单位质量空气块上的净压力，即气压梯度力G等于：水平气压梯度力的方向：由高压指向低压。水平气压梯度力：水平气压梯度力是形成风的原始动力。水平气压梯度力：由于水平气压梯度的存在而作用在单位质量空气上的力。即：水平气压梯度力是静止的空气发生运动的基本动力。等压线越密，水平气压梯度力越大，风速越大。二、水平地转偏向力（A）OBxy以圆盘外为参照系第二节作用于空气的力OAx’y’B以圆盘为参照系地转偏向力（科里奥利力，科氏力）：由于地球自转而产生的使物体运动方向发生改变的惯性力。任意纬度的水平地转偏向力：

A＝2Vsin＝7.29×10-5秒-1

静止V＝0A＝0

赤道＝0A＝0

北极＝90°A＝2V

北极地平面上，作用于单位质量物体上的科里奥利力Acossin第二节作用于空气的力

A＝2V二、水平地转偏向力（A）只使物体风向发生偏转，不改变物体风速。

北半球垂直指向物体运动方向的右方，南半球指向左方。

大小与物体运动速度和所在纬度的正弦值成正比。纬度越高，地转力越大，赤道为0；风速越大，地转力越大。第二节作用于空气的力二、水平地转偏向力（A）

只作用于相对地面发生运动的物体，静止物体不受地转偏向力的作用。主要特点：北半球：向右偏转，且始终向右。A第二节作用于空气的力A南半球：向左偏转，且始终向左。二、水平地转偏向力（A）第二节作用于空气的力二、水平地转偏向力（A）地转偏向力的影响？河流、洋流江河的港口多位于河流的哪一侧？第二节作用于空气的力二、水平地转偏向力（A）地转偏向力的影响？弯道跑步顺时针or逆时针？第二节作用于空气的力二、水平地转偏向力（A）地转偏向力的影响？靠左行，靠右行，哪个更安全？

三、惯性离心力（C）曲率中心曲率半径rCV静止V＝0C＝0直线运动r＝∞C＝0第二节作用于空气的力当空气质点作曲线运动时，时刻受到了一个自曲率中心向外的作用力，这个作用力叫做惯性离心力。以C表示。作用于单位质量物体的惯性离心力：惯性离心力的方向：

与运动方向垂直，由曲率中心指向外缘四、摩擦力（R）摩擦层R≠0自由大气层R＝0第二节作用于空气的力

空气运动时因受地面的阻滯和气层的相互牵制作用使运动速度减慢，这种因摩擦而产生的阻力称为摩擦力。摩擦力的方向：

与运动方向相反R＝－KVK摩擦系数内摩擦力：是在速度不同或方向不同的互相接触的两空气层之间所产生的相互牵制力。外摩擦力：是指下垫面对空气运动的阻力。

外摩擦力>内摩擦力

作用力空气GACR自由大气（直线运动）自由大气（曲线运动）摩擦层（直线运动）摩擦层（曲线运动）小结思考：静止的空气团受到的作用力有哪些？气压梯度力√√√√√√√√√√√√第三节风

空气相对于地面的运动称为风。一般情况下，风是指空气运动的水平分量。风向是指风吹来的方向，常用十六方位表示。风速是空气在单位时间内移动的水平距离，常用m·s-1为单位第三节风

风向方位图风向通常用16个方位来表示，有的是用方位度(共分360度)。第三节风风速（windspeed)：大气中水平风速一般为100～102m·s-1，最大可达百米以上。垂直运动速度比水平风速小两个量级，为10-2～100m·s-1，仅在局部范围短时间内才出现每秒几米、十几米的数值。风力等级（windscale）：简称风级，是风强度（风力）的一种表示方法。国际通用的风力等级是由英国人蒲福于1805年拟定的，故又称“蒲福风力等级”，它最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小分为0-12级，共13个等级。后来，又在原分级的基础上，增加了相应的风速界限。自1946年以来，风力等级又作了扩充，增加到18个等级（0-17级）。蒲福风力等级表风级名称平地上离地10米处的风速陆地地面物象海面波浪平均浪高（米）最高浪高（米）海里/小时米/秒公里/小时0无风＜10.0－0.2＜1静，烟直上平静0.00.01软风1－30.3－1.51－5烟示风向微波峰无飞沫0.10.12轻风4－61.6－3.36－11感觉有风小波峰未破碎0.20.33微风7－103.4－5.412－19旌旗展开小波峰顶破裂0.61.04和风11－165.5－7.920－28吹起尘土小浪白沫波峰1.01.55劲风17－218.0－10.729－38小树摇摆中浪折沫峰群2.02.56强风22－2710.8－13.839－49电线有声大浪白沫离峰3.04.07疾风28－3313.9－17.150－61步行困难破峰白沫成条4.05.58大风34－4017.2－20.762－74折毁树枝浪长高有浪花5.57.59烈风41－4720.8－24.475－88小损房屋浪峰倒卷7.010.010狂风48－5524.5－28.489－102拔起树木海浪翻滚咆哮9.012.511暴风56－6328.5－32.6103－117损毁重大波峰全呈飞沫11.516.012飓风64－7132.7－36.9118－133摧毁极大海浪滔天14.013——72－8037.0－41.4134－149————————14——81－8941.5－46.1150－166————————15——90－9946.2－50.9167－183————————16——100－10851.0－56.0184－201————————17——109－11856.1－61.2202－220————————零级无风炊烟上；一级软风烟稍斜；

二级轻风树叶响；三级微风树枝晃；

四级和风灰尘起；五级清风水起波；

六级强风大树摇；七级疾风步难行；

八级大风树枝折；九级烈风烟囱毁；

十级狂风树根拔；十一级暴风陆罕见；

十二级飓风浪滔天。

平直等压线的气压场中的风C＝0

一、自由大气层中的风（R＝0）空气所受的力：G、A568572576580584低压高压GVAGVAGAV北半球第三节风地转风:A=G，沿等压线做匀速直线运动。