第6章风-大气的水平运动

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1、1,第六章 风（Wind） 大气的水平运动,授课人：李杰,2,一、风的表示和测量,1 风的表示： 风向：风的来向（360或16个方位表示） 风速单位：米/秒(m/s)，千米/小时(km/h) 和海里小时(nautical mile/h)也称为节(Knot)。 它们之间的换算关系为： 1m/s3.6km/h1.944 kn； 1km/h0.278m/s； 1Kn0.514m/s1.852km/h。,3,2风的测量,仪器探测:风向风速计、测风气球 目力估计:风力等级表、风袋 测量方法主要有仪器探测和目视估计两大类 常用仪器有风向风速仪、测风气球、风袋(windsock)、多普勒测风雷达等， 风向风

2、速仪:是测量近地面风常用的仪器。 风袋:为了便于飞行员观测跑道区的风向风速，可在跑道旁设置风袋，风袋飘动的方向可指示风向，风袋飘起的角度可指示风速(P 50)。 测风气球:高空风可用测风气球进行探测， 多普勒测风雷达: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？,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。 在这里风速的单位为Knot（哩/小时），其换算关系为： 1 Knot =

3、 1.15 英里/小时 1 Knot = 1.9 公里/小时,6,第二节 地转风和梯度风,1.水平气压梯度力。空气运动原动力 2.水平地转偏向力（科里奥利力）高纬空气运动影响 3.惯性离心力曲线运动 4.摩擦力：摩擦层中,7,一、形成风的几个力,1.水平气压梯度力（G Horizontal Pressure-gradient Force） 大小： 与水平气压梯度成正比 方向：与水平气压梯度一致 等压线越密，气压梯度力越大；形成风的原动力 2.地转偏向力（A Deflection Force of Earth Rotation） 大小：A=2Vsin 方向：垂直与物体的运动方向，在北半球指向右

4、使运动方向偏右，在赤道为0,8,3.惯性离心力（C Intertial Centrifugal Force） 大小：C=mV2/r 方向：与V垂直，由曲率中心指向外缘。 一般较小，小于地转偏向力 4.摩擦力（F） 大小：F=-KV 方向：与V相反,9,二、几种力平衡情况下的风,水平气压梯度力（G）=地转偏向力（A） 地转风(Geostrophic wind),10,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。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场之间的关系，即白贝罗(Buys Bullot) 风压定律。(P 51) 地转风的风速大小取

5、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，水平面上的等压线越密集，地转风速就越大；若在同一地理纬度，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。当水平气压梯度和密度不变时，纬度越高，地转风速越小。 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。,11,风压定理的应用注意52页,1.根据气压场确定风场 根据摩擦层中的风压定理。可以判断图中任一地方的风向和风速的相对大小，如A点处吹SSW风，与B点相比,风速相对较小。 2.根据风场确定气压场 根据飞行时遇到的风的情况，可判断高、低压位置,12,3.航线上风的判定 从图中

6、根据自由大气中的风压定理、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（G）地转偏向力（A）惯性离心力（C）0 梯度风(Gradient wind),14,梯度风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“特点： 1方向在北半球，地转偏向力总是指向空气运动方向的右方。低压中的风是沿等压线逆时针方向吹。 高压中的风是沿等压线顺时针方向吹。南半球相反。 2大小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，高压中的梯度风比低压中的梯度风速大，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。 3在高压中水平气压梯度有一极限值

7、。这说明高压附近附近不可能出现大的气压梯度，也就是说高压中心附近风速必是很小。而在低压中并不存在水平气压梯度的极限值，所以在低压中心附近风速可以达到很大。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，这时的风称为旋衡风，可以顺转也可以逆转，但中心必须是低压，例如龙卷风就具有这种性质。,15,三.自由大气中风随高度的变化,热成风(Thermal Wind)：由于水平温度梯度而引起的上下气层风的变化 规则与地转风规则相似：热成风与平均温度线(或等厚度线)平行，背热成风而立，高温在右，低

8、温在左。热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。 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，就可能形成西风急流。,16, 地转风随高度逆转有冷平流 地转风随高度顺转有暖平流,17,第三节 摩擦层中的风,摩擦力对空气水平运动的影响,18,风与气压场的关系,背风而立，高压在右后方，低压在左后方 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 低压是反时针辐合 高压是顺时针辐散,19,2.摩擦层中风随高度的变化,在北半球，随高度增加，风速增大，风向右偏。南半球风向变化相反。,20,3.摩擦层中风的日变化 白天

9、下层风速增大，风向向右偏转， 上层风的变化则相反。 晚上下层风速减小、风向向左偏转， 上层风速增大，风向右偏。 晴天阴天 夏季冬季 陆上海洋,21,4.摩擦层中风的阵性,乱流涡旋随大范围基本气流一起运动引起，局地风向不断改变，风速时大时小的现象。 近地面风速越大、 地表越粗糙， 地表性质差异越大。 在近地面 风的阵性就越强。最频繁，最显著， 随高度增加，减弱。 一日之中，风的阵性午后最明显； 一年之中，夏季最明显。,22,23,风的概括,气压梯度力：空气运动原动力 地转偏向力：高纬空气运动影响 惯性离心力：曲线运动 摩擦力：摩擦层中,24,第四节 地方性风,1.海陆风 白天，陆地气温高于海面，

10、低层空气将从海上吹向陆地，形成海风(Sea Breeze) 晚上的情形与此相反，形成陆风 (Land Breeze),25,2.山谷风 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(Valley wind)。 晚上则形成山风(mountain wind)。,26,3.峡谷风 风沿峡谷吹时风速增大 在我国的台湾海峡、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，经常出现大风.,27,4.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。 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。 过山后沿背风坡下降，通常按干绝热直减率增温，所

11、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),28,29,四、风对飞行的影响,（一）风对飞机起飞着陆的影响 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。,30,二）风对飞机航行的影响 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。 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的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。

12、,31,32,小结：风对飞行的影响,（一）风对飞机起飞着陆的影响 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。 （二）风对飞机航行的影响 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。 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的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。,33,2.风对飞行航程的影响,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，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

13、，在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。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，高速飞行时受风的影响相对较小。 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顺风或顺侧风的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。,34,3.最短时间航线的选择,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(通过地球球心的圆)上的距离为6000 km情况下，以空速370 km/h沿最短时间航线飞行的平均续航时间是1

14、7小时48分，而沿大圆上的航线飞行的平均续航时间是20小时20分，前者比后者约缩短2小时30分，占沿大圆上的航线飞行时间的12左右。对大速度飞机(800一1000 km/h)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35，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利用飞机飞行技术数据。,35,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，即选择飞行时间最短的航线。 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，唯的途径，是充分利用风的有利影响，增大地速。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,36,

15、练习,3031气象上的风向是指 A风的去向；B风的来向；C气压梯度力的方向 3032机场上常用风向袋来估计风速，当风向袋吹平时，风速已达 A56米秒；B610米秒；C1012米秒 3033机场上吹东风时，飞机起飞着陆的最好方向应是 A由西向东；B由东向西；C由北向南 3035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 A水平气压梯度力；B地转偏向力；C地面摩擦力 3036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主要有 A水平气压梯度力和惯性离心力； B水平气压梯度力和地转偏向力； C水平气压梯度力和摩擦力,37,西北风可表示为： A 135或 B 300或

16、 C 315或 D 340或 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 B 陆地上风速大，风向与等压线交角小 C 陆地上风速大，风向与等压线交角大 D 海上风速大，风向与等压线交角小 在北半球9000米高度，由低压区飞向高压区，则航线上吹：A 右侧风 B 左侧风 C 逆风 D 顺风 A 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： A 右侧 B 左侧 C 后方 D 前方 C,38,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 B 早晨，夏季 C 午后，冬季 D 午后，夏季 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 B 地表平坦，性质差异小 C 地表粗糙，性质差异小 D 地表平坦，性质差异大 海风和山风分别出现在： A 白天，晚上 B 晚上，白天 C 白天，白天 D 晚上，晚上 自由大气中风随高度变化的主要原因是： A 气温的水