空氣的水平運(yùn)動風(fēng)

1、t基本概念和知識點：基本概念和知識點：風(fēng)的概念；風(fēng)的概念；t重點：重點：風(fēng)的表示方法；各種力的表示方法及其風(fēng)的表示方法；各種力的表示方法及其物理意義；地轉(zhuǎn)風(fēng)；梯度風(fēng)；物理意義；地轉(zhuǎn)風(fēng)；梯度風(fēng)； 一、概述一、概述 定義定義: : 空氣相對于下墊面的水平運(yùn)動，空氣相對于下墊面的水平運(yùn)動，稱為風(fēng)（稱為風(fēng)（Wind) Wind) 。它是矢量，有大小。它是矢量，有大小和方向。和方向。 風(fēng)速風(fēng)速(Wind Speed)(Wind Speed)：風(fēng)速是指單位時風(fēng)速是指單位時間內(nèi)空氣在水平方向上的位移。單位間內(nèi)空氣在水平方向上的位移。單位有：有：m/sm/s、Km/hKm/h、n mile/hn mile/h

2、、KnKn( (節(jié)節(jié)) )等。等。 換算關(guān)系：換算關(guān)系： 1Km/h=0.28m/s 1Km/h=0.28m/s ； 1m/s=3.6Km/h 1m/s=3.6Km/h ； 1Kn=1.852Km/h0.5m/s 1Kn=1.852Km/h0.5m/s ； 1m/s2Kn1m/s2Kn 風(fēng)向（風(fēng)向（Wind DirectionWind Direction）：）：風(fēng)向是指風(fēng)的來向，常用風(fēng)向是指風(fēng)的來向，常用1616個方位個方位(E W S N NE SE NW SW NNE ENE ESE SSE SSW (E W S N NE SE NW SW NNE ENE ESE SSE SSW WSW

3、WNW NNW)WSW WNW NNW)或度數(shù)或度數(shù)(0(0 360360 ) )來表示。來表示。 風(fēng)力風(fēng)力(Wind (Wind Force) )：根據(jù)風(fēng)對地面或海面的影響程度又根據(jù)風(fēng)對地面或海面的影響程度又劃出風(fēng)力等級。國際上采用的風(fēng)力等級從劃出風(fēng)力等級。國際上采用的風(fēng)力等級從0 01212共共1313個等個等級（級（Beaufort Scale of Wind Force）。）。我國現(xiàn)采用從我國現(xiàn)采用從0 01717共共1818個等級。參見個等級。參見P19P19風(fēng)力等級表風(fēng)力等級表。 風(fēng)壓風(fēng)壓(Wind Pressure)(Wind Pressure)：風(fēng)壓是指與風(fēng)向垂直的單位面積風(fēng)壓

4、是指與風(fēng)向垂直的單位面積所受的壓力。近似表示為所受的壓力。近似表示為: P=0.0625V: P=0.0625V2 2。 陣性：陣性：在摩擦層中，由于湍流作用，風(fēng)表現(xiàn)為忽大忽在摩擦層中，由于湍流作用，風(fēng)表現(xiàn)為忽大忽小的陣性。實際上風(fēng)的陣性就是小尺度的湍渦迭加在大小的陣性。實際上風(fēng)的陣性就是小尺度的湍渦迭加在大型流場上造成的結(jié)果。因此在測風(fēng)時，要求取其平均值。型流場上造成的結(jié)果。因此在測風(fēng)時，要求取其平均值。一日內(nèi)陣性最強(qiáng)在午后，一年中陣性最強(qiáng)在夏季。一日內(nèi)陣性最強(qiáng)在午后，一年中陣性最強(qiáng)在夏季。 日變化：日變化：通常在近地面午后風(fēng)速大，夜間清晨風(fēng)速小。通常在近地面午后風(fēng)速大，夜間清晨風(fēng)速小。風(fēng)的

5、日變化幅度，晴天比陰天大，夏季比冬季大，陸地風(fēng)的日變化幅度，晴天比陰天大，夏季比冬季大，陸地比海洋大。比海洋大。 年變化：年變化：因地而異。因地而異。一、作用在空氣微團(tuán)上的力一、作用在空氣微團(tuán)上的力重力重力(gravity)(gravity)；大小為大小為g9.8m/sg9.8m/s2 2，方向向下，指向地心。，方向向下，指向地心。水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力(pressure gradient force): (pressure gradient force): 由于作用在單位質(zhì)量空由于作用在單位質(zhì)量空氣上的壓力在水平方向上分布不均勻，引起氣壓梯度力。氣上的壓力在水平方向上分布不均勻，引起氣

6、壓梯度力。GnGn表示表示。 大小為：大小為： ； 方向：方向：垂直等壓線從高壓指向低壓。垂直等壓線從高壓指向低壓。 (1) Gn(1) Gn與與成反比，成反比， GnGn與氣壓梯度與氣壓梯度 成正比。成正比。 (2) (2) 一定時，一定時， 大，等壓線密集，大，等壓線密集， GnGn大。大。 (3) (3) 一定時，一定時，大，空氣濃密，大，空氣濃密，GnGn小。小。 (4) (4) 若若 =0, =0, 兩地沒有氣壓差兩地沒有氣壓差 GnGn=0 =0 無風(fēng)。無風(fēng)。GnGn是使空氣產(chǎn)生水平運(yùn)動的原動力。是使空氣產(chǎn)生水平運(yùn)動的原動力。npGn1npnpnpnp 水平地轉(zhuǎn)偏向力水平地轉(zhuǎn)偏向力

7、(deflection force of earth rotation)(deflection force of earth rotation) 由于地球自轉(zhuǎn)由于地球自轉(zhuǎn), ,作用在運(yùn)動物體上產(chǎn)生使運(yùn)動物體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力，稱作用在運(yùn)動物體上產(chǎn)生使運(yùn)動物體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力，稱地轉(zhuǎn)偏向力，又稱可科利奧里力地轉(zhuǎn)偏向力，又稱可科利奧里力(Coriolis(Coriolis force) force)或科氏力。或科氏力。AnAnt大小為：大小為：A An n = 2Vsin= 2Vsin =7.292 =7.2921010-5-5/s/s : :地轉(zhuǎn)角速度地轉(zhuǎn)角速度 V:V:風(fēng)速風(fēng)速 :緯度緯度t方向方向：北

8、半球，恒垂直于物體運(yùn)動方向的右側(cè)：北半球，恒垂直于物體運(yùn)動方向的右側(cè)9090度，南度，南半球相反半球相反. .t討論討論：(1) A(1) An n是物體相對于地球運(yùn)動才產(chǎn)生的，靜止物體不受其作是物體相對于地球運(yùn)動才產(chǎn)生的，靜止物體不受其作用。用。(2) A(2) An n是虛擬力，是虛擬力， 只改變物體的運(yùn)動方向，不改變速度。只改變物體的運(yùn)動方向，不改變速度。(3) A(3) An n在北半球恒垂直于物體運(yùn)動的右方，南半球相反。在北半球恒垂直于物體運(yùn)動的右方，南半球相反。(4) A(4) An n與與sinsin成正比，兩極最大，赤道上為零成正比，兩極最大，赤道上為零 。 慣性離心力慣性離心

9、力（CenteifugalCenteifugal Force Force） C C 指物體在作曲線運(yùn)動時產(chǎn)生的一種虛擬力。指物體在作曲線運(yùn)動時產(chǎn)生的一種虛擬力。 大?。号c向心力相等大?。号c向心力相等 。 表達(dá)式表達(dá)式：C = VC = V2 2/r/r 方向：與向心力相反。方向：與向心力相反。 r r為曲率半徑為曲率半徑 摩擦力摩擦力（Friction ForceFriction Force） R R 運(yùn)動物體受下墊面摩擦作用所產(chǎn)生的力。運(yùn)動物體受下墊面摩擦作用所產(chǎn)生的力。 表達(dá)式：表達(dá)式： R = -VR = -V 方向與運(yùn)動物體相反。方向與運(yùn)動物體相反。 式中式中V V為物體運(yùn)動速度；為物

10、體運(yùn)動速度；為摩擦系數(shù)為摩擦系數(shù) 總結(jié)：總結(jié)：t 氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力、慣性離心力和摩擦力都是在氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力、慣性離心力和摩擦力都是在水平方向上作用于空氣的力，其影響各異。水平方向上作用于空氣的力，其影響各異。t GnGn是空氣產(chǎn)生運(yùn)動的原動力，其他力在空氣運(yùn)動后才有。是空氣產(chǎn)生運(yùn)動的原動力，其他力在空氣運(yùn)動后才有。t A A對中高緯度或大尺度空氣運(yùn)動影響較大，低緯赤道附近影對中高緯度或大尺度空氣運(yùn)動影響較大，低緯赤道附近影響小。響小。t C C只在空氣做曲線運(yùn)動時在起作用，一般很小，靜止或直線只在空氣做曲線運(yùn)動時在起作用，一般很小，靜止或直線運(yùn)動時為零。運(yùn)動時為零。t R

11、 R只在摩擦層中起作用，對自由大氣中的空氣運(yùn)動可以忽略只在摩擦層中起作用，對自由大氣中的空氣運(yùn)動可以忽略不計。不計。t A An n 、 C C和和R R不能驅(qū)動大氣運(yùn)動，不能驅(qū)動大氣運(yùn)動， 但卻能影響大但卻能影響大氣運(yùn)動方向和氣運(yùn)動方向和速度。速度。 1.1.地轉(zhuǎn)風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)(Geostrophic(Geostrophic Wind) Wind)在自由大氣中在自由大氣中,當(dāng)水平氣壓梯度力和水平地轉(zhuǎn)當(dāng)水平氣壓梯度力和水平地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)到平衡時偏向力達(dá)到平衡時(G(Gn n+A+An n=0)=0)，空氣沿等壓線作，空氣沿等壓線作無磨擦的等速直線運(yùn)動，稱地轉(zhuǎn)風(fēng)。無磨擦的等速直線運(yùn)動，稱地轉(zhuǎn)風(fēng)。地轉(zhuǎn)風(fēng)地

12、轉(zhuǎn)風(fēng) 地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速公式：地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速公式： G Gn n+A+An n = 0= 0（1 1）VgVg與水平氣壓梯度成正比，即等壓線密集，與水平氣壓梯度成正比，即等壓線密集，VgVg大。大。（2 2）VgVg與空氣密度成反比，氣壓梯度一定時，高空的與空氣密度成反比，氣壓梯度一定時，高空的VgVg大于大于 低空的低空的VgVg。（3 3）VgVg與緯度的正弦成反比，低緯與緯度的正弦成反比，低緯VgVg大于高緯大于高緯VgVg。（4 4）赤道及其附近不遵守地轉(zhuǎn)風(fēng)原則。）赤道及其附近不遵守地轉(zhuǎn)風(fēng)原則。npgvsin21l在北半球自由大氣中，在北半球自由大氣中，風(fēng)沿等壓線吹，測者背風(fēng)沿等壓線吹，測者背風(fēng)而

13、立，高壓在右，低風(fēng)而立，高壓在右，低壓在左。壓在左。l在南半球自由大氣中，在南半球自由大氣中，風(fēng)沿等壓線吹，風(fēng)沿等壓線吹，測者測者背背風(fēng)而立，高壓在左，低風(fēng)而立，高壓在左，低壓在右。壓在右。l它明確地揭示了氣壓它明確地揭示了氣壓場與風(fēng)場之間的關(guān)系。場與風(fēng)場之間的關(guān)系。北半球地轉(zhuǎn)風(fēng)北半球地轉(zhuǎn)風(fēng)南半球地轉(zhuǎn)風(fēng)南半球地轉(zhuǎn)風(fēng) 在海圖上，取一個緯距在海圖上，取一個緯距nn=60 n mile=60 n mile，=1293g/m=1293g/m3 3，=7.29=7.291010-5-5s s-1-1；若??；若取P=1hPaP=1hPa，帶入公式則得：，帶入公式則得： m/sm/s 當(dāng)當(dāng)P1hPaP1hP

14、a時，時， （m/sm/s）ppVVggsin78. 40sin78.40gVnpgvsin21 定義定義: : 在自由大氣中，當(dāng)水平氣壓梯度力、地在自由大氣中，當(dāng)水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力達(dá)到平衡時，空氣沿等轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力達(dá)到平衡時，空氣沿等壓線作水平、無摩擦、等速作曲線運(yùn)動。壓線作水平、無摩擦、等速作曲線運(yùn)動。t在自由大氣中，空氣的水平圓周運(yùn)動稱為梯度在自由大氣中，空氣的水平圓周運(yùn)動稱為梯度風(fēng)（風(fēng)（Gradient Wind）。梯度風(fēng)可以看成是水）。梯度風(fēng)可以看成是水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力三者平衡時的水平運(yùn)動。三者

15、平衡時的水平運(yùn)動。t即即: : 北半球在低壓區(qū)（氣旋）中風(fēng)繞中心逆時針方向吹，北半球在低壓區(qū)（氣旋）中風(fēng)繞中心逆時針方向吹，氣壓梯度力沿半徑指向中心，地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離氣壓梯度力沿半徑指向中心，地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力都沿半徑指向外緣。三力平衡時心力都沿半徑指向外緣。三力平衡時 t或或rvvnpcc2sin21低壓中梯度風(fēng)低壓中梯度風(fēng)t 則則t式中式中 Vc 表示低壓中的梯度風(fēng)速，解這個以表示低壓中的梯度風(fēng)速，解這個以 Vc 為未知數(shù)的一元二次方程，得：為未知數(shù)的一元二次方程，得：t根號前應(yīng)取正號才有意義。根號前應(yīng)取正號才有意義。0)(sin22nprrvvcc)()sin(rsin2nprrv

16、c 根號前應(yīng)取負(fù)號才有意義。根號前應(yīng)取負(fù)號才有意義。 氣壓梯度和梯度風(fēng)的大小受氣壓梯度和梯度風(fēng)的大小受反氣旋曲率限制。曲率愈大反氣旋曲率限制。曲率愈大（r r愈?。?，氣壓梯度愈小，愈?。瑲鈮禾荻扔?，梯度風(fēng)也小。反之相反。梯度風(fēng)也小。反之相反。)()sin(sin2nprrrva高壓中梯度風(fēng)高壓中梯度風(fēng)0)()sin(2nprr22sinrnp22maxsin)(rnpsinrva氣旋氣旋中中此為此為梯度風(fēng)速的極限值梯度風(fēng)速的極限值 （1 1）最大水平氣壓梯度的分布，高壓邊緣較大，越近）最大水平氣壓梯度的分布，高壓邊緣較大，越近中心越小。曲率小處等壓線密集，曲率大處等壓線稀中心越小。曲率小處

17、等壓線密集，曲率大處等壓線稀疏。疏。 （2）緯度越高，空氣密度越大，水平氣壓梯度最大可）緯度越高，空氣密度越大，水平氣壓梯度最大可能值越大。冬季，中高緯陸上高壓等壓線密。能值越大。冬季，中高緯陸上高壓等壓線密。 （3 3）高壓邊緣風(fēng)速較大，中心風(fēng)速小或無風(fēng)。）高壓邊緣風(fēng)速較大，中心風(fēng)速小或無風(fēng)。 （4）中高緯度）中高緯度高壓風(fēng)速較大，低高壓風(fēng)速較大，低緯度緯度高壓風(fēng)速較小。高壓風(fēng)速較小。 梯度風(fēng)仍遵守風(fēng)壓定律。梯度風(fēng)仍遵守風(fēng)壓定律。 地轉(zhuǎn)風(fēng)：地轉(zhuǎn)風(fēng)： 低壓中的梯度風(fēng)：低壓中的梯度風(fēng)： 高壓中的梯度風(fēng)：高壓中的梯度風(fēng)： 因此，在水平氣壓梯度和曲率半徑相同時，因此，在水平氣壓梯度和曲率半徑相同時，

18、 VaVaVgVgVcVc實際上低壓中的風(fēng)比高壓大，原因是低壓中實際上低壓中的風(fēng)比高壓大，原因是低壓中 不受不受限制限制, ,風(fēng)可以很大。風(fēng)可以很大。np 在地面天氣圖上，由于地在地面天氣圖上，由于地面的摩擦作用，實際風(fēng)不面的摩擦作用，實際風(fēng)不沿等壓線吹，而與等壓線沿等壓線吹，而與等壓線存在一個交角，并偏向低存在一個交角，并偏向低壓。此時的平衡為壓。此時的平衡為: : 地面實際風(fēng)比地轉(zhuǎn)風(fēng)小，地面實際風(fēng)比地轉(zhuǎn)風(fēng)小，方向偏低壓一側(cè)。方向偏低壓一側(cè)。地轉(zhuǎn)風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)在北半球摩擦層中，風(fēng)斜穿等壓線吹，背風(fēng)而立，高壓在右后方，在北半球摩擦層中，風(fēng)斜穿等壓線吹，背風(fēng)而立，高壓在右后方，低壓在左前方。在南半球高

19、壓在左后方，低壓在右前方。低壓在左前方。在南半球高壓在左后方，低壓在右前方。由于摩擦力的作用，北半球，低壓中風(fēng)斜穿等壓線以逆時針方向由于摩擦力的作用，北半球，低壓中風(fēng)斜穿等壓線以逆時針方向向中心輻合，高壓中的風(fēng)斜穿等壓線以順時針方向向外輻散。向中心輻合，高壓中的風(fēng)斜穿等壓線以順時針方向向外輻散。北半球摩擦層中低壓和高壓的氣流北半球摩擦層中低壓和高壓的氣流l在摩擦層中，地面實際風(fēng)與等壓線的夾角取決于下墊面的粗糙度、大氣在摩擦層中，地面實際風(fēng)與等壓線的夾角取決于下墊面的粗糙度、大氣穩(wěn)定度和緯度。穩(wěn)定度和緯度。通常在中緯度陸地上夾角為通常在中緯度陸地上夾角為35-4535-45 ，海面上為，海面上為

20、10-2010-20 。在。在陸地上實際風(fēng)速約為相應(yīng)地轉(zhuǎn)風(fēng)速的陸地上實際風(fēng)速約為相應(yīng)地轉(zhuǎn)風(fēng)速的1/3-1/2(35-50 1/3-1/2(35-50 ) )，在海上約為地，在海上約為地轉(zhuǎn)風(fēng)速的轉(zhuǎn)風(fēng)速的3/5-2/3(60-70 3/5-2/3(60-70 ) )。l在氣壓梯度不隨高度變化的前提下，風(fēng)隨高度的變化主要取決于摩擦力在氣壓梯度不隨高度變化的前提下，風(fēng)隨高度的變化主要取決于摩擦力隨高度的變化。在北半球，風(fēng)速隨高度增大，風(fēng)向逐漸右偏；在南半球，隨高度的變化。在北半球，風(fēng)速隨高度增大，風(fēng)向逐漸右偏；在南半球，風(fēng)速隨高度增大，風(fēng)向逐漸左偏。風(fēng)速隨高度增大，風(fēng)向逐漸左偏。 風(fēng)隨高度的變化風(fēng)隨高度的變化地轉(zhuǎn)風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)地面風(fēng)地面風(fēng)t當(dāng)氣流遇到孤立的山峰與島嶼時，當(dāng)氣流遇到孤立的山峰與島嶼時，有繞山峰兩側(cè)而過的現(xiàn)象，并且有繞山峰兩側(cè)而過的現(xiàn)象