第五章 氣壓與風 (上課)

第五章氣壓與風

Chapter5AirPressureandWind謝利托里拆利實驗760mm（1644年）馬德堡半球實驗1654年5月8日，德國馬德堡市市長奧托·格里克，把兩個直徑30多厘米的空心銅半球緊貼在一起，用抽氣機抽出球內的空氣，然后用兩隊馬向相反的方向拉兩個半球。最終用16匹馬才將它們拉開，當馬用盡了全力把兩個半球最后拉開的時候，還發(fā)出了很大的響聲。馬德堡半球實驗證明了大氣壓強的存在。（1654年）氣壓是如何產生的？大氣受到重力的作用空氣具有流動性——風壓什么是風？風有哪些作用？風是指空氣的水平運動。風可以調節(jié)溫、濕度變化；風可以輸送水汽、傳播花粉；風可以用來發(fā)電（風能）；風可以驅動船只；……解落三秋葉，能開二月花。過江千尺浪，入竹萬竿斜。李嶠《風》

李淳風（602－670），唐代杰出的天文學家、數學家，道家學者，岐州雍人（今陜西省寶雞市岐山縣），精通天文、歷算、陰陽之說。李淳風是世界上第一個給風力定級的人。李淳風預言“帝傳三世，武代李興”李淳風選定地面上的樹，作為評定風力的主要標志。經過長時間觀測，歸納整理，李淳風將風的大小劃分為十個等級：一級，葉動；二級，鳴條（風吹枝葉發(fā)出的聲音）；三級，搖樹；四級，墮葉；五級，折小枝；六級，折大枝；七級，折木飛沙石；八級，拔樹及根；加上無風、和風（極輕微的風）共十級。李淳風把所定的十級風力的劃分，收錄與其撰寫的《乙己占》中。李淳風也成為有史記載首位為風定級的人。1200年后，《乙己占》傳到歐洲。同樣有興趣研究風力的英國海軍上將蒲福，以李淳風的風力劃分為依據，于1805年把風劃成零到十二級共十三個等級。這也是今天天氣預報中關于風力劃定的雛形。風力等級呼風喚雨、風云變幻、風云突變風雨交加、狂風暴雨、風吹雨打和風細雨、風調雨順風和日麗、云淡風輕萬事俱備，只欠東風山雨欲來風滿樓天有不測風云與風有關的成語：本章內容氣壓和氣壓場作用于空氣的力風氣象三要素：氣溫、濕度和風第一節(jié)氣壓和氣壓場氣壓（大氣壓強）P單位面積上所受到的大氣壓力。在靜力平衡下等于單位面積上空氣柱的重量。一、氣壓的概念和單位P=ρgh思考：哪些因素可影響氣壓的高低？氣溫的高低、海拔高度和空氣的運動。冷空氣，氣壓高；暖空氣，氣壓低。海拔越高，氣壓越低。一、氣壓的概念和單位思考：為什么水的沸點隨海拔高度的升高而降低？

高原反應是如何產生的？當水溫所對應的飽和水汽壓等于氣壓時，水就沸騰。因此海拔越高，氣壓越低，水的沸點就越低。海拔高度(km)氣壓(hPa)沸點(℃)5.5500823700911.58509501000100第一節(jié)氣壓和氣壓場氣壓（大氣壓強）P

高原反應是人到達一定海拔高度后，身體為適應因海拔高度而造成的氣壓差、含氧量少、空氣干燥等的變化，而產生的自然生理反應，海拔高度一般達到2700米左右時，就會有高原反應。國際標準單位：帕（帕斯卡Pa）和百帕（百帕斯卡hPa）

1hPa＝100Pa＝100N／m2氣壓的大小和單位一、氣壓的概念和單位第一節(jié)氣壓和氣壓場標準大氣壓（0℃，45°N／S，海平面上）

P0＝760mm汞柱＝1013.25hPa二、氣壓隨高度的變化單位截面大氣上界P1P2Gz2z1△P＝P2－P1＝﹣G

＝﹣gV

＝﹣g（z2－z1）＝﹣g△z

大氣靜力學方程第一節(jié)氣壓和氣壓場大氣靜力學方程：

dP＝﹣gdz取△z→0氣壓垂直梯度（單位高度氣壓差）

二、氣壓隨高度的變化第一節(jié)氣壓和氣壓場氣壓隨高度增加而遞減，遞減速度取決于空氣密度ρ和重力加速度g，主要決定于空氣密度。對流層和熱層氣壓隨高度的變化有何差異？單位氣壓高度差h

二、氣壓隨高度的變化第一節(jié)氣壓和氣壓場大氣狀態(tài)方程：單位氣壓高度差是氣壓降低1hPa時高度升高的距離，單位m/hPa。①溫度一定時，氣壓越高，氣壓隨高度遞減越快，反之相反；②氣壓一定時，空氣溫度越高，氣壓隨高度遞減越慢，反之相反。h大h小暖區(qū)冷區(qū)單位氣壓高度差越小，氣壓隨高度遞減越快；反之，遞減越慢。

△z兩點之間的高度差

z1

較低點的海拔高度

z2

較高點的海拔高度

P1

較低點的氣壓

P2

較高點的氣壓＝1／273

tm

兩點的平均溫度，取tm＝（t1＋t2）／2

壓高公式二、氣壓隨高度的變化第一節(jié)氣壓和氣壓場

壓高公式二、氣壓隨高度的變化第一節(jié)氣壓和氣壓場例：

t1=12℃，t2=8℃，P1=1080hpa，P2=920hpa，則Δz為：壓高公式可用來求算：

1.兩點間的高度差Δz；

2.另一高度上的氣壓值；

3.海平面氣壓；

4.兩高度間的平均溫度tm（氣壓測高儀）三、氣壓的水平分布第一節(jié)氣壓和氣壓場氣壓的水平分布是不均勻的。氣象站氣壓三、氣壓的水平分布海平面氣壓第一節(jié)氣壓和氣壓場

等壓線指在海拔高度相同的平面上，氣壓相等各點的連線。海平面氣壓場又稱地面氣壓場。用等壓線表示海平面上氣壓的水平分布。海平面氣壓場？壓高公式等壓線

海平面氣壓場的基本型式（氣壓系統(tǒng)）低壓（低氣壓、氣旋）高壓（高氣壓、反氣旋）D中心氣壓比四周低的閉合等壓線區(qū)域。G中心氣壓比四周高的閉合等壓線區(qū)域。槽（低壓槽）脊（高壓脊）DG三、氣壓的水平分布第一節(jié)氣壓和氣壓場低壓向外延伸的狹長區(qū)域。高壓向外延伸的狹長區(qū)域。高空氣壓的水平分布用等壓面上的等高線表示,稱為等壓面圖。常用有500、700、850hPa

等壓面圖。等高線的單位：1位勢什米＝10位勢米

等壓面等壓面是指空間氣壓相等各點組成的面。三、氣壓的水平分布第一節(jié)氣壓和氣壓場

等壓面三、氣壓的水平分布第一節(jié)氣壓和氣壓場理想狀態(tài)實際情況等壓面是起伏不平的曲面。1mb=1hPa

等壓面的起伏與水平氣壓的關系等高面

Ha＝Hb＝Hc＝HZAa＜0＜ZCcABCabcZAaZCc等壓面HP等高面三、氣壓的水平分布第一節(jié)氣壓和氣壓場等壓面

PA＝PB＝PC＝PHA＜HB＜HC

Pa＜Pb＜Pc比較等高面H上a、b、c三點的氣壓大小。PA>PaPB=PbPC<Pc

等壓面與等高線的關系三、氣壓的水平分布第一節(jié)氣壓和氣壓場第二節(jié)作用于空氣的力西伯利亞的冷空氣為什么自西北向東或向東南移動？/video/tqyb/05/508815.shtml第二節(jié)作用于空氣的力水平方向作用于空氣的力：水平氣壓梯度力G水平地轉偏向力A慣性離心力C摩擦力R空氣的運動方向（風向）、運動速度（風速）由什么來決定？第二節(jié)作用于空氣的力一、水平氣壓梯度力（G）x方向上的凈壓力：dxdydzABp（p+—

dx）px第二節(jié)作用于空氣的力氣壓梯度是垂直于等壓線方向上單位距離內氣壓的改變量。y方向上的凈壓力:﹣—

dxdydzpyz方向上的凈壓力:﹣—

dxdydzpzx方向上：氣壓梯度:A：氣壓

p

壓力

pdydzB：氣壓

壓力總的凈壓力:第二節(jié)作用于空氣的力一、水平氣壓梯度力（G）dxdydz＝V＝m/作用于單位質量空氣塊上的凈壓力，即氣壓梯度力G等于：水平氣壓梯度力的方向：由高壓指向低壓。水平氣壓梯度力：水平氣壓梯度力是形成風的原始動力。水平氣壓梯度力：由于水平氣壓梯度的存在而作用在單位質量空氣上的力。即：水平氣壓梯度力是靜止的空氣發(fā)生運動的基本動力。等壓線越密，水平氣壓梯度力越大，風速越大。二、水平地轉偏向力（A）OBxy以圓盤外為參照系第二節(jié)作用于空氣的力OAx’y’B以圓盤為參照系地轉偏向力（科里奧利力，科氏力）：由于地球自轉而產生的使物體運動方向發(fā)生改變的慣性力。任意緯度的水平地轉偏向力：

A＝2Vsin＝7.29×10-5秒-1

靜止V＝0A＝0

赤道＝0A＝0

北極＝90°A＝2V

北極地平面上，作用于單位質量物體上的科里奧利力Acossin第二節(jié)作用于空氣的力

A＝2V二、水平地轉偏向力（A）只使物體風向發(fā)生偏轉，不改變物體風速。

北半球垂直指向物體運動方向的右方，南半球指向左方。

大小與物體運動速度和所在緯度的正弦值成正比。緯度越高，地轉力越大，赤道為0；風速越大，地轉力越大。第二節(jié)作用于空氣的力二、水平地轉偏向力（A）

只作用于相對地面發(fā)生運動的物體，靜止物體不受地轉偏向力的作用。主要特點：北半球：向右偏轉，且始終向右。A第二節(jié)作用于空氣的力A南半球：向左偏轉，且始終向左。二、水平地轉偏向力（A）第二節(jié)作用于空氣的力二、水平地轉偏向力（A）地轉偏向力的影響？河流、洋流江河的港口多位于河流的哪一側？第二節(jié)作用于空氣的力二、水平地轉偏向力（A）地轉偏向力的影響？彎道跑步順時針or逆時針？第二節(jié)作用于空氣的力二、水平地轉偏向力（A）地轉偏向力的影響？靠左行，靠右行，哪個更安全？

三、慣性離心力（C）曲率中心曲率半徑rCV靜止V＝0C＝0直線運動r＝∞C＝0第二節(jié)作用于空氣的力當空氣質點作曲線運動時，時刻受到了一個自曲率中心向外的作用力，這個作用力叫做慣性離心力。以C表示。作用于單位質量物體的慣性離心力：慣性離心力的方向：

與運動方向垂直，由曲率中心指向外緣四、摩擦力（R）摩擦層R≠0自由大氣層R＝0第二節(jié)作用于空氣的力

空氣運動時因受地面的阻滯和氣層的相互牽制作用使運動速度減慢，這種因摩擦而產生的阻力稱為摩擦力。摩擦力的方向：

與運動方向相反R＝－KVK摩擦系數內摩擦力：是在速度不同或方向不同的互相接觸的兩空氣層之間所產生的相互牽制力。外摩擦力：是指下墊面對空氣運動的阻力。

外摩擦力>內摩擦力

作用力空氣GACR自由大氣（直線運動）自由大氣（曲線運動）摩擦層（直線運動）摩擦層（曲線運動）小結思考：靜止的空氣團受到的作用力有哪些？氣壓梯度力√√√√√√√√√√√√第三節(jié)風

空氣相對于地面的運動稱為風。一般情況下，風是指空氣運動的水平分量。風向是指風吹來的方向，常用十六方位表示。風速是空氣在單位時間內移動的水平距離，常用m·s-1為單位第三節(jié)風

風向方位圖風向通常用16個方位來表示，有的是用方位度(共分360度)。第三節(jié)風風速（windspeed)：大氣中水平風速一般為100～102m·s-1，最大可達百米以上。垂直運動速度比水平風速小兩個量級，為10-2～100m·s-1，僅在局部范圍短時間內才出現每秒幾米、十幾米的數值。風力等級（windscale）：簡稱風級，是風強度（風力）的一種表示方法。國際通用的風力等級是由英國人蒲福于1805年擬定的，故又稱“蒲福風力等級”，它最初是根據風對炊煙、沙塵、地物、漁船、漁浪等的影響大小分為0-12級，共13個等級。后來，又在原分級的基礎上，增加了相應的風速界限。自1946年以來，風力等級又作了擴充，增加到18個等級（0-17級）。蒲福風力等級表風級名稱平地上離地10米處的風速陸地地面物象海面波浪平均浪高（米）最高浪高（米）海里/小時米/秒公里/小時0無風＜10.0－0.2＜1靜，煙直上平靜0.00.01軟風1－30.3－1.51－5煙示風向微波峰無飛沫0.10.12輕風4－61.6－3.36－11感覺有風小波峰未破碎0.20.33微風7－103.4－5.412－19旌旗展開小波峰頂破裂0.61.04和風11－165.5－7.920－28吹起塵土小浪白沫波峰1.01.55勁風17－218.0－10.729－38小樹搖擺中浪折沫峰群2.02.56強風22－2710.8－13.839－49電線有聲大浪白沫離峰3.04.07疾風28－3313.9－17.150－61步行困難破峰白沫成條4.05.58大風34－4017.2－20.762－74折毀樹枝浪長高有浪花5.57.59烈風41－4720.8－24.475－88小損房屋浪峰倒卷7.010.010狂風48－5524.5－28.489－102拔起樹木海浪翻滾咆哮9.012.511暴風56－6328.5－32.6103－117損毀重大波峰全呈飛沫11.516.012颶風64－7132.7－36.9118－133摧毀極大海浪滔天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————————零級無風炊煙上；一級軟風煙稍斜；

二級輕風樹葉響；三級微風樹枝晃；

四級和風灰塵起；五級清風水起波；

六級強風大樹搖；七級疾風步難行；

八級大風樹枝折；九級烈風煙囪毀；

十級狂風樹根拔；十一級暴風陸罕見；

十二級颶風浪滔天。

平直等壓線的氣壓場中的風C＝0

一、自由大氣層中的風（R＝0）空氣所受的力：G、A568572576580584低壓高壓GVAGVAGAV北半球第三節(jié)風地轉風:A=G，沿等壓線做勻速直線運動。