第四章风的水平运动课件

*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Page,1,第四章 大气水平运动风,一、,风的形成,三、地方性风,二、风压定理,第四章 大气水平运动风一、风的形成三、地方性风二,较有规律的大范围空气运动,水平,风,(wind),升降,对流,(convection),不规则的小范围涡旋运动,乱流,(turbulence),（或湍流）,由于空气的运动，使得各地区和各高度之间的热量、水汽、杂质等得以输送和交换，从而使大气始终保持一种平衡状态。,一、风的形成,（一）风的表示和测量,风是指空气相对于地面的水平运动。,1,、,方向：,在气象上，风向是指风的来向。以方位或方位角表示。,2,、,风速：,单位时间内空气运动的水平距离。速度单位。,一、风的形成,较有规律的大范围空气运动 水平 风(wind),风的方位和方位角,风向的测量单位用方位来表示。,如陆地上，一般用,16,个方位表示，海上多用,36,个方位表示；,在高空则用角度表示。用角度表示风向，是把圆周分成,360,度，北风,(N),是,0,度,(,即,360,度,),，东风,(E),是,90,度，南风,(S),是,180,度，西风,(W),是,270,度，其余的风向都可以由此计算出来。,1、风向,风的方位和方位角1、风向,2、风速,风速单位的换算关系是：,1,米,/,秒,=3.6,千米,/,小时（,Km/h,）,1,海里,/,小时,1.852,公里,/,小时,0.5,米,/,秒（,m/s,）,节（,knot,）,书写形式之一,(,例,),270/35,风向,270T,风速,35kt,2、风速风速单位的换算关系是：节（knot）书写形式之一(例,3、风的测量,风的测量,仪器探测：,风向风速仪,近地面风,测风气球,高空风,风袋,飞行员观测跑道区风向风速,多普勒测风雷达,机场区域内一定高度风的分布,目视估计：,按,风力等级表,3、风的测量风的测量,3、风的测量,3、风的测量,4、风力等级,风力等级与风速（米,/,秒）之间有如下近似关系：,1 4,级,风速,1.5,风力等级,512,级,风速,3.8,风力等级,10,4、风力等级风力等级与风速（米/秒）之间有如下近似关系：,风力等级表,风力等级,陆地地面物体征象,相当风速,公里时,米秒,0,静，烟直上。,小于,1,0,0,2,1,烟能表示风向。,1,5,0,3,1,5,2,人面感觉有风，树叶微动。,6,11,1,6,3,3,3,树叶及微技摇动不息，旌旗展开。,12,19,3,4,5,4,4,能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动。,20,28,5,5,7,9,5,有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。,29,38,8,0,一,10,7,6,大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难。,39,49,10,8,13.8,7,全树动摇，迎风步行感觉不便。,50,61,13,9,17,l,8,微枝折毁，人向前行感觉阻力甚大。,62,74,17,2,20,7,9,草房遭受破坏，大树枝可折断。,75,88,20,8,24,4,10,树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏。,89,102,24,5,28,4,11,陆上少见，大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏。,103,117,28,5,32,6,12,陆上绝少，其催毁力极大。,118,133,32,7,36,9,风力等级表风力等级陆地地面物体征象相当风速公里时米秒0静,5、天气图上风力风速的表示,左图为天气图上表示某个台站各物理量的符号，其中的用黄色加亮的符号,-“wind barb”,表示某时刻测到的该台站的地面风向和风速。风向杆所指得方向为风的方向，即指风吹来的方向。如上图所示，风的方向为东南风。,图中风向杆上每一条短划线代表,2m/s,（,5Knot,），每一条长划线代表,4m/s,（,10Knot,），将风向标上所有划线的值加起来就是风速值的大小。,5、天气图上风力风速的表示左图为天气图上表示某个台站各物理量,风产生的根本原因,-,气压分布不均匀。,气压的水平分布的基本型式：,气压场,气压的空间分布,水平气压场,某一平面,(,通常取为海平面,),上的气压分布,气压系统,低压、低压槽、高压、高压脊、鞍型气压区,高压,High,低压,Low,高压脊,Ridge,低压槽,Trough,鞍形场,Col,（二）风的形成,风产生的根本原因-气压分布不均匀。高压 High（二）,水平气压梯度,(horizontal gradient of pressure),表现为等压线的疏密程度，反映出气压在水平方向上变化的快慢。,水平气压梯度是一个向量，它的方向垂直于等压线，从高压指向低压，它的大小等于沿这个方向上单位距离内的气压差，即,G,n,=-,为沿气压梯度方向上两点间的距离，,为这两点间的气压差。,规定气压梯度方向与,方向（从高压指向低压）一致时取正。,P,N,N,P,N,1、形成风的力水平气压梯度力,水平气压梯度(horizontal gradient of,（,1,）水平气压梯度力,（,pressure gradient force,）,G,水平气压梯度引起的作用在单位质量空气上的压力差。,水平气压梯度力的方向与水平气压梯度方向一致，垂直于等压线，从高压指向低压，它的大小与水平气压梯度成正比，与空气密度成反比。即,G=-,同一水平面上空气密度通常变化不大，因此，一般水平气压梯度越大的地方，水平气压梯度力也越大。,P,N,1,1、形成风的力水平气压梯度力,（1）水平气压梯度力（pressure gradient f,水 平 气 压 梯 度 力,1、形成风的力水平气压梯度力,水 平 气 压 梯 度 力1、形成风的力水平气,（,2,）科氏力,Coriolis Force,（地球自转偏向力）,A,由于地球自转所引起的、使相对于地球运动的物体偏离原来运动方向的力。科氏力是一种惯性力，它不改变运动物体速度的大小，而只改变其方向。它是虚力，但具有实力的作用。,转动的圆盘显示地球自转效应,地球自转对空气运动的作用,1、形成风的力地转偏向力,（2）科氏力 Coriolis Force（地球自转偏向力）,北半球地转偏向力,1、形成风的力地转偏向力,北半球地转偏向力1、形成风的力地转偏向力,科氏力,的大小为,A=2Vsin,即,A,的大小与风速及纬度的正弦成正比。科氏力的方向垂直于物体运动的方向，在北半球指向右，在南半球指向左。,转动角速度,sin,北半球风与科氏力的关系,1、形成风的力地转偏向力,科氏力的大小为A=2Vsin即A的大小与风速及纬,（,3,）摩擦力,R,（,friction,）,当空气在近地面运动时，地表对空气运动要产生阻碍作用，即产生摩擦力。,R=-kV,k,为摩擦系数，,V,为空气运动速度。,摩擦力的作用可通过空气分子、微团的运动向上传递，一直到摩擦层顶部。,1、形成风的力摩擦力,（3）摩擦力R（friction）1、形成风的力摩擦力,1、形成风的力惯性离心力,（,4,）惯性离心力,C,（,inertial centrifugal force,）,当空气在水平方向上相对于地球表面作曲线运动时，还要受到惯性离心力的作用。惯性离心力的方向与速度,V,垂直，由曲率中心指向外缘，其大小为,C=mV,2,/r,V,为空气运动的线速度，,r,为曲率半径，,m,为空气块质量。,惯性离心力,1、形成风的力惯性离心力（4）惯性离心力C（inert,气压梯度力使空气由高压区流向低压区。,一旦空气开始运动，就要受到科氏力的作用，在北半球，科氏力使空气向右偏转，,在高压区形成了顺时针旋转的气流,，,在低压周围气流的方向是逆时针的,。这种偏转一直进行到气压梯度力和地转偏向力达到平衡（两者大小相等、方向相反）。,这种由气压梯度力和地转偏向力两力平衡所形成的风为地转风（,Geostrophic Wind,）。其流向大约与等压线平行。,2、风的形成地转风,气压梯度力使空气由高压区流向低压区。一旦空气开始运动，就要受,梯度风是地转风在一定条件下，转化成另一种大尺度的系统风。当地转风在圆形的气压场中时，风是做等速曲线运动。作曲线运动物体的运动轨道，都有一定长度半径，所以风在运动时，除梯度力、偏向力作用外，还要受到惯性离心力的作用，当三个力作用平衡时，有效分力为零，风沿等压曲线作惯性等速曲线运动，这就是梯度风。,2、风的形成梯度风,梯度风是地转风在一定条件下，转化成另一种大尺度的系统风。当地,摩擦层,(Friction Layer),对流层下层 （离地,1 500m,高度以下,）的空气受,地形扰动,和,地表摩擦,作用最大，气流混乱，称为摩擦层。,自由大气,(Free Atmosphere),：,在,1 500m AGL,以上,，大气几乎不受地表摩擦的影响，称为自由大气。,1 500m AGL,2、风的形成摩擦风,摩擦层(Friction Layer)1 500m AGL2,在气压梯度力,G,和地转偏向力,A,平衡的条件下，风本来沿着等压线方向（,V,），由于摩擦力,R,的拖拽作用，风速减小为,Vr,，地转偏向力由于风速减小也跟着减小为,Ar,，此时气压梯度力的大小超过被削弱了的地转偏向力而把风拉向低气压一侧。这时候地转偏向力为了与风向保持垂直，摩擦力为了与风向保持反向，它们都跟着风向一起向左偏转。虽然摩擦力和地转偏向力不在一个方向上，它们之间始终保持一个直角，它们的合力和气压梯度力相抗，当合力（,R,Ar,）偏转到和气压梯度力大小相等方向相反时，达到平衡状态。这时候风便以稳定的速度和一定的交角，斜穿等压线从高压一侧向低压一侧吹去。,2、风的形成摩擦风,在气压梯度力G和地转偏向力A平衡的条件下，风本来沿着等压线方,水平气压梯度力,风,摩擦力,柯氏力,惯性离心力,G,A,C,R,G+A,地转风,G+A+C,梯度风,G+A+R,摩擦风,作用于空气上的水平力有：水平气压梯度力、地转偏向力（科氏力）、摩擦力和惯性离心力。,这些水平力使空气产生水平运动，形成风。,2、风的形成总结,水平气压梯度力风摩擦力柯氏力惯性离心力GACRG+A,风压定理,白,贝罗定理,(Buys Ballots Law),自由大气中的风压定理,风沿着等压线吹，在北半球背风而立，高压在右，低压在左。等压线越密，风速越大。南半球风的运动方向与北半球相反。,自由大气中风与气压场的关系,二、风压定律,风压定理 白贝罗定理(Buys Ballots La,摩擦层中的风压定理,风斜穿等压线吹,*,，在北半球背风而立，高压在右后方，低压在左前方。等压线越密，风速越大。南半球风的运动方向与北半球相反。,摩擦层中风与气压场的关系,*斜穿角度取决于摩擦力大小，地面越粗糙，风与等压线的交角越大。陆地大于（约,30,45,0,）水面（约,15,20,0,）。,二、风压定律,摩擦层中的风压定理摩擦层中风与气压场的关系 *斜穿角度取,摩擦层中,在北半球随高度增加，风速增大，风向右偏；,风的阵性：由乱流涡旋运动迭加引起。,自由大气中,热成风：风沿着等温线吹,在北半球背热成风而立,高温在右，低温在左；等温线越密，风速越大。,3.,地方性风,海陆风,(,发生在海边的水、陆间,),山谷风,(,发生在山区的坡、谷间,),峡谷风,(,产生于山口、河谷,),焚 风,(,出现在山脉的背风坡,),气温水平差异产生的风,阵风的形成,三、风的变化,摩擦层中 气温水平差异产生的风阵风的形成三、风的变,海陆风,在海滨地区，只要天气晴朗，白天风总是从海上吹向陆地；到夜里，风则从陆地吹向海上。,从海上吹向陆地的风，叫做海风（左图）；,从陆地吹向海上的风，称为陆风（右图）。,气象上常把两者合称为海陆风。,Sea Breeze,Land Breeze,海陆风在海滨地区，只要天气晴朗，白天风总是从海上吹向陆地；到,海陆风海风,白天，陆地上空气增温迅速，而海面上气温变化很小。这样，温度低的地方空气冷而下沉，接近海面上的气压就高些；温度高的地方空气轻而上浮，陆地上的气压便低些。陆地上的空气上升到一定高度后，它上空的气压比海面上空气压要高些。因为在下层海面气压高于陆地，在上层陆地气压又高于海洋，而空气总是从气压高的地区流到气压低的地区，所以，就在海陆交界地区出现了范围不大的垂直环流。陆地上空气上升，到达一定高度后，从上空流向海洋；在海洋上空，空气下沉，到达海面后，转而流向陆地。这支在下层从海面流向陆地，方向差不多垂直海岸的风，便是海风。,海陆风海风白天，陆地上空气增温迅速，而海面上气温变化很小。,海陆风陆风,夜间，情况变得恰恰相反：陆地上，空气很快冷却，气压升高；海面降温比较迟缓,(,同时深处较温暖的海水和表面降温之后的海水可以交流混合,),，因此比起陆面来仍要温暖得多，这时海面是相对的低气压区。但到一定高度之后，海面气压又高于陆地。因此，在下层的空气从陆地流向海上，在上层的空气便从海上流向陆地。在这种情况下，整个垂直环流的流动方向，也变得和前面海风里的垂直环流完全相反了。在这个完整的垂直环流的下层，从陆地流向海洋，方向大致垂直海岸的气流，便是陆风。,海陆风陆风夜间，情况变得恰恰相反：陆地上，空气很快冷却，气,海陆风特性,一般海风比陆风要强。因为白天海陆温差大，加上陆上气层较不稳定，所以有利于海风的发展。而夜间，海陆温差较小，所波及的气层较薄，陆风也就比较弱些。海风前进的速度，最大可达,5-6,米,/,秒，陆风一般只有,1-2,米,/,秒。滨海一带温差大，海陆风强度也大，随着远离海岸，海陆风便逐渐减弱。,海陆风发展得最强烈的地区，是在温度日变化最大，以及昼夜海陆温度差最大的地区。热带地区，全年都可见到海陆风；中纬地区海陆风较弱，而且大多在夏季才出现；高纬地区，只有夏季无云的日子里，才可以偶尔见到极弱的海陆风。我国沿海的台湾省和青岛等地，海陆风很明显，尤其是夏半年。,海风与陆风的范围小。以水平范围来说，海风深入大陆在温带约为,15-50,公里，热带最远不超过,100,公里，陆风侵入海上最远,20-30,公里，近的只有几公里。以垂直厚度来说，海风在温带约为几百米，热带也只有,1-2,公里；只是上层的反向风常常要更高一些。至于陆风则要比海风浅得多了，最强的陆风，厚度只有,200-300,米，上部反向风仅伸达,800,米。在我国台湾省，海风厚度较大，约为,560,一,700,米，陆风为,250-340,米。,海陆风交替的时间随地方条件及天气情况而不同。一般为下午,2-3,时的海风最强；约在晚上,9-10,时，海陆温差消失，海风停止。从晚上,9-10,时开始出现微弱的陆风；大约夜里,2-3,时左右，温差最大，这时的陆风也最强。天亮后，陆地逐渐变暖，海陆温差变小小，陆风减弱；约在上午,9-10,时左右，海陆温差消失，陆风终止。,海陆风必须在静稳的天气条件下才可以看到，如果有强烈的天气系统，如飑线、风暴一类的天气系统出现时，就看不到海陆风的现象了。如果是阴天，陆风吹刮的时间往往拖延很长，而海风出现的时间便一直推后下去，有时甚至迟到,12,时左右才开始。,海风登陆带来水汽，使陆地上湿度增大，温度明显降低，甚至形成低云和雾。夏季沿海地区比内陆凉爽，冬季比内陆温和，这和海风有关。所以海风可以调节沿海地区的气候。,海陆风特性一般海风比陆风要强。因为白天海陆温差大，加上陆上,山谷风,在山区形成的一种地方性风。,白天风从山谷吹向山坡，这种风叫谷风；,到夜晚，风从山坡吹向山谷，这种风称山风。,山风和谷风总称为山谷风。,山谷风的形成原理跟海陆风类似。,Katabatic Winds,Anabatic Winds,山 风,谷 风,山谷风在山区形成的一种地方性风。Katabatic Wind,山谷风特性,谷风的平均速度约每秒,2-4,米，有时可达每秒,7-10,米。谷风通过山隘的时候，风速加大。山风比谷风风速小一些，但在峡谷中，风力加强，有时会吹损谷地中的农作物。谷风所达厚度一般约为谷底以上,500-1000,米，这一厚度还随气层不稳定程度的增加而增大，因此，一天之中，以午后的伸展厚度为最大。山风厚度比较薄，通常只及,300,米左右。,在晴朗的白天，谷风把温暖的空气向山上输送，使山上气温升高，促使山前坡岗区的植物、农作物和果树早发芽成熟；冬季可减少寒意。谷风把谷地的水汽带到上方，使山上空气湿度增加，谷地的空气湿度减小，这种现象，在中午几小时内特别的显著。如果空气中有足够的水汽，夏季谷风常常会凝云致雨，这对山区树木和农作物的生长很有利；夜晚，山风把水汽从山上带入谷地，因而山上的空气湿度减小，谷地空气湿度增加。在生长季节里，山风能降低温度，对植物体营养物质的积累、生长有好处。,山谷风风向变化有规律，风力也比较稳定。,我国除山地以外，高原和盆地边缘也可以出现与山谷风类似的风：风向风速有明显的日变化。出现在青藏高原边缘的山谷风，特别是与四川盆地相邻的地区，对青藏高原边缘一带的天气有着很大的影响。在水汽充足的条件下，白天在山坡上空凝云致雨，夜间在盆地边缘造成降水。,山谷风特性谷风的平均速度约每秒2-4米，有时可达每秒7-1,峡谷风,定义：在山口、河谷地区常产生风速较大的风。称之为峡谷风。,产生：由于空气的连续性，当其进入狭窄的地方时，流速会增大。,在山区和丘陵地区常出现这种风，因为其风速变化很大，对飞行有一定影响。,Mountain-gap Wind,峡谷风定义：在山口、河谷地区常产生风速较大的风。称之为峡谷风,焚风,当气流跨越山脊时，背风面上容易发生一种热而干燥的风，名叫焚风。这种风不象山风那样经常出现，它是在山岭两面气压不同的条件下发生的。,焚风的害处：它常常使果木和农作物干枯，降低产量，使森林和村镇的火灾蔓延并造成损失。,焚风的益处：焚风能加速冬季积雪的溶化。焚风还丰富了当地的热量资源，象罗纳河谷上游瑞士的玉米和葡萄，就是靠了焚风的热量而成熟的；而焚风影响不到的邻近地区，这些庄稼就难以成熟。,Fhn Wind,焚风当气流跨越山脊时，背风面上容易发生一种热而干燥的风，名叫,焚风的形成,在山岭的一侧是高气压，另一侧是低气压时，空气会从高压区向低压区移动。在空气移动途中遇山受阻，被迫上升，气压降低，空气膨胀，温度也就随之降低。空气每上升,100,米，气温就下降,0.6C,，当空气上升到一定高度时，水汽遇冷凝结，形成雨雪落下。空气到达山脊附近后，变得稀薄干燥，然后翻过山脊，顺坡下降，空气在下降过程,中，重又变得紧密，并出现增温的现象。空气每下降,l00,米，气温就会升高,1C,。因此，空气沿着高大的山岭沉降到山麓的时候，气温常会有大幅度的升高。迎风和背风两面的空气，即使高度相同，背风面空气的温度也总是比迎风面的高。每当背风山坡刮炎热干燥的焚风时，迎风山坡却常常下雨或落雪。,焚风的形成在山岭的一侧是高气压，另一侧是低气压时，空气会从高,四、风对飞行的影响,风对起飞着陆的影响,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。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。,近地面风由于受地表的影响，具有明显的阵性，风速越大阵性越强，使飞机受到无规律的影响难以操纵。特别是在侧风条件下起降的飞机要保持正常的下滑道或滑跑非常困难，为克服侧风影响而采取大坡度接地可能导致飞机滚转，加上阵风的影响，会使飞机更加难以控制。,风对飞机航行的影响,飞机在航线飞行时，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；逆风飞行会减少地速、增加飞行时间；侧风会产生偏流，需进行修正以保持正确的航向。,四、风对飞行的影响风对起飞着陆的影响,习题,一、单选题,1,、气块作水平运动和垂直运动时，其温度变化的主要方式分别是（）,A:,绝热变化、非绝热变化,B:,绝热变化、绝热变化,C:,非绝热变化、非绝热变化,D:,非绝热变化、绝热变化,2,、在水平气压场中，水平气压梯度的方向是（）,A:,垂直于等压线，由高向低,B:,垂直于等压线，由低向高,C:,平行于等压线，由高向低,D:,平行于等压线，由低向高,3,、在摩擦层中，引起风斜穿等压线吹的原因是（）,A:,惯性离心力的作用,B:,热力乱流的作用,C:,水平气压梯度力和地转偏向力的作用,D:,摩擦力和地转偏向力的作用,习题一、单选题,习题,4,、在赤道地区,1000,米高空，作水平直线运动的空气质点所受的水平作用力有（）,A:,水平气压梯度力和惯性离心力,B:,水平气压梯度力和摩擦力,C:,水平气压梯度力和地转偏向力,D:,地转偏向力和摩擦力,5,、空气在作水平运动时，是什么力阻止了空气直接从高压区流向低压区（）,A:,水平气压梯度力,B:,惯性离心力,C:,地转偏向力,D:,摩擦力,6,、形成风的原动力是（）,A:,水平地转偏向力,B:,惯性离心力,C:,水平气压梯度力,D:,地球的旋转运动,习题,习题,7,、在北半球,6000,米高度由高压区飞向低压区，航线上应吹（）,A:,顺风,B:,逆风,C:,右侧风,D:,左侧风,8,、在北半球与低压区有关的空气环流是（）,A:,向内、向下和沿反时针方向,B:,向外、向上和沿顺时针方向,C:,向外、向下和沿顺时针方向,D:,向内、向上和沿反时针方向,二、判断正误：,1,、,气温垂直递减率也可以描述为,:,降低单位高度气温的升高值,(),2,、空气块在上升过程中温度降低，是因为周围大气温度是随高度升高而降低的,(),3,、气象上的风向指风的来向，,90,的风，指的是向东吹去的风,(),4,、当空气与地球没有相对运动时，则不会产生地转偏向力,(),习题7、在北半球6000米高度由高压区飞向低压区，航线上应吹,习题答案,一、单选题,1,、,D,2,、,A,3,、,D,4,、,B,5,、,C,6,、,C,7,、,D,8,、,D,二、判断,1,、错,2,、错,3,、错,4,、对,习题答案一、单选题,