【课件】第3章 空气的运动 第1节 空气的水平运动-风

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二、风的形成 之 形成风的力—水平气压梯度力
1、水平气压梯度力(G)
气压梯度力:
1 P G N
式中ρ是空气密度,△P是两等压面间的气压差, △N是两等压面间的垂直距离。
气压梯度力的方向由高压指向低压,其大小与气压 梯度-△P成正比,与空气密度ρ成反比
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三、风的变化 之 摩擦层中风随高度的变化 1、摩擦层中风随高度的变化
若把上部摩擦层中各高度上的风速矢量投影在同一 平面上,则这些矢量端点的连线是符合著名的埃克 曼(Ekman)螺线的。
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三、风的变化 之 摩擦层中风随高度的变化 1、摩擦层中风随高度的变化
海陆风的形成是由于海陆性质的差异而造成的。白天 ,陆上温度高于海面温度,夜间陆上温度低于海面温度
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一、风的表示和测量 之 风的测量
风向风速仪 测风气球 风袋
多普勒测风雷达等
AMDAR
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二、风的形成 之 形成风的力
1、水平气压梯度力(G) 2、地转偏向力(A) 3、摩擦力(R) 4、惯性离心力(C )
二、风的形成 之 自由大气中的 地转风
1、地转风
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。
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 。
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二、风的形成 之 自由大气中的 梯度风
2、梯度风
地转风反映的是自由大气中平直等压线情况下空气的稳定 运动,而在实际应用的天气图上等压线往往是弯曲的,在
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二、风的形成 之 形成风的力—水平气压梯度力
1、水平气压梯度力(G) 单位质量空气在气压场中由于气压分布 不均匀而受到的力称为气压梯度力 。
气压梯度力是引起空气运动的主要的力,空气的水平 运动,主要是在水平气压梯度力的作用下产生的。
水平气压梯度力的大小取决于水平气压梯度和空气密 度的大小,其方向垂直于等压线由高压指向低压。它 的单位为牛顿/千克。
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二、风的形成 之 形成风的力—摩擦力
3、摩擦力( R )
是两个相互接触的物体作相对运动时,接触面之间所
产生的一种阻碍物体运动的力。
R kv
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二、风的形成 之 形成风的力—摩擦力
3、摩擦力( R )
摩擦力的大小在大气中的各个不同高度上是不同的,
以近地面层(地面至30 ~ 50m)最为显著,高度愈高,
作用愈弱,到1 ~ 2km以上,摩擦力的影响可以忽略不 计。所以,把此高度以下的气层称为摩擦层(或行星 边界层),此层以上称为自由大气层。
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二、风的形成 之 形成风的力—惯性离心力
4、惯性离心力( C)
惯性离心力是物体在作曲线运动时所产生的,由运动
而且在高压和低压系统中,力的平衡状况不同, 其梯度风也各不相同。
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二、风的形成 之 自由大气中的 梯度风
Fp为气压梯度力,Fc为科氏力,Fr为离心力
大风区经常出现在低压中心附近和高压边缘。
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二、风的形成 之 自由大气中的 梯度风
的乘积成正比 。
V 2 Cm mrw r
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二、风的形成 之 自由大气中的 地转风
1、地转风
在自由大气中,平直等压线情况下,水平气压梯度力 与水平地转偏向力达到平衡时空气的等速、直线水平 运动称为地转运动,此时的风称为地转风。
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律来解释所观察到的现象而引进的一个假想力。
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二、风的形成 之 形成风的力—地转偏向力
2、地转偏向力(A)
地球不停地绕地轴以角速度ω从西向东自转,生活在地 球上的人和上述圆盘上的人很相似会很自然地以转动 的地表作为衡量物体运动的标准,所不同的是转动的
球体表面更为复杂。 地转偏向力只是在空气相对于地面有运动时才产生, 空气处于静止状态时没有地转偏向力作用。而且地转 偏向力只改变气块运动方向而不能改变其运动速度。
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三、风的变化 之 自由大气中风随高度变化原因
假若等压面在低层是水平的(气压梯度为零),而
由于气柱中平均温度在水平方向上有差别。 到高层以后,等压面就会出现倾斜,暖区一侧等压
面抬起,冷区一侧等压面降低,结果使高层水平面 上的气压值不相等,出现了由暖区指向冷区的气压
不计摩擦力作用的情况下,作曲线运动的空气质点不仅受 水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用,而且还要受惯 性离心力的作用,如果三力达到平衡,则变为稳定运动。
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二、风的形成 之 自由大气中的 梯度风 梯度风就是在自由大气中,不计摩擦力的影响,
水平气压梯度力、水平地转偏向力及惯性离心 力三个力达到平衡时空气的等速、水平、圆周 运动 。 由于作曲线运动的气压系统有高压和低压之分,
梯度力,从而产生了平行于等温线的风。
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三、风的变化 之 自由大气中风随高度变化原因
气层中平均温度梯度愈大,高层出现的风也愈大, 这种由于水平温度梯度的存在而产生的地转风在铅
直方向的速度矢量差,就称为热成风。
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三、风的变化 之 自由大气中的热成风 热成风与平均温度水平梯度的关系是类似于地
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二、风的形成 之 形成风的力—地转偏向力
2、地转偏向力(A)
空气是在转动着的地球上运动着,当运动的空气质点
依其惯性沿着水平气压梯度力方向运动时,对于站在 地球表面的观察者看来,空气质点却受着一个使其偏 离气压梯度力方向的力的作用。 这种因地球绕自身轴转动而产生的非惯性力称为水平
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二、风的形成 之 形成风的力—地转偏向力
2、地转偏向力(A)
在南半球,由于地平面绕地轴按顺时针方向转动,因
而地转偏向力指向运动物体的左方,其大小与北半球
同纬度上的地转偏向力相等 。赤道地转偏向力为0。
A 2V sin
北半球指向右,南半球指向左。
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三、风的变化 之 摩擦层中风的日变化
在边界层中,上部风速通常比下层风速大,风 向比下层向右偏。风也具有明显的日变化。
在靠近地面的气层中,一般是白天风速增大,
风向向右偏,到午后14-15时左右风速达最大,
夜间风速减小,风向向左偏。 在边界层的上层则相反,风速白天减小,而夜 间增大。风速日变化转变的高度,是随季节而 不同的。
掩盖。一般情况下,风的日变化是晴天比阴天大,夏 季比冬季大,陆地比海洋大
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三、风的变化 之 摩擦层中风的阵性
风的阵性是指:风向变动不定、风速忽大忽小的现象。
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三、风的变化 之 自由大气中风的变化
自由大气中风随高度变化的原因
热成风
转风与水平气压梯度的关系。 所以热成风规则和地转风规则类似,在北半球
背热成风而立,高温在右,低温在左。
越往高空,西风越大。上升到一定高度后,就
可以形成西风急流。
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三、风的变化 之 地方性风
观测表明,即使大范围内水平气压场相同,不同地区
的风也可以有很大的差异,这种差异主要是由于不同 地区的地形,或地表性质不同所引起的。
与地方性特点有关的局部地区的风,称为地方性风。 一般来说,地方性风的强度不大,但具有明显的特征
,当有强的气压系统活动时,这种地方性风的特征往 往被掩盖。
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三、风的变化 之 地方性风—海陆风
在海滨地区,白天常有风从海上吹来,称为海风,晚 上常有风从陆地吹向海洋,称为陆风。
2011/9/18
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第三章 空气的运动
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第三章 空气的运动
大气是处于不停的运动状态之中的,大气的运动可分 பைடு நூலகம்水平运动和垂直运动两部份。 空气的水平运动就是通常所说的风。风对于地球上热
量和水份的输送起着重要作用,直接影响着各地区天气 的变化和气候的特征。 本章对空气水平运动和垂直运动的形成及基本规律、
轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用在物体上的力。
这个力是物体为保持沿惯性方向运动而产生的,因而 称惯性离心力。
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二、风的形成 之 形成风的力—惯性离心力
4、惯性离心力( C)
惯性离心力同运动的方向相垂直,自曲率中心指向外
缘,其大小同物体转动的角速度ω的平方和曲率半径r
风速:单位时间内空气移动的距离。 米/秒(m/s)、千米/小时(km/h) 海里/小时(nm/h)也称为节(KT)
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一、风的表示和测量 之 风的表示 在民航地面气象观 测中,统一规定测 量距地面约10米高 度上的风。
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一、风的表示和测量 之 风的表示
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三、风的变化 之 摩擦层中风的日变化
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三、风的变化 之 摩擦层中风的日变化
上层与下层的分界线随季节而有变化,夏季湍流最强, 可达300m,动机湍流最弱,低至20m,平均约 50~100m
风的日变化,当有强的天气系统过境时,将被扰乱和
三、风的变化 之 摩擦层中风的变化
1、摩擦层中风随高度的变化。 2、摩擦层中风的日变化。 3、摩擦层中风的阵性。
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三、风的变化 之 摩擦层中风随高度的变化 1、摩擦层中风随高度的变化
在摩擦层中,由于摩擦力随高度减小, 所以随着高度的增加,风速会逐渐增大。 在上部摩擦层中,如果气压场没有明显 的变化,在北半球风速随高度增加而加大 ,风向随高度增加逐渐向右偏。当高度达 摩擦层顶时,风向逐渐趋于与等压线平行 。风矢量逐渐趋于地转风。
地转偏向力或科里奥利力。
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物理模型——转盘试验
试验设置:O点固定在转盘中心,A位置为转盘外固定点,由O向A抛出小球

A

正上方视图
o
o

t1 t 2 t3 t 4 t5 t1 t 2
t3
t4
A
t5
球的飞行路线自转盘外看是直线。 但在转盘内看來,由于A的位置也在 移动,故不是直线。
对航空运行的影响进行介绍。
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第一节 空气的水平运动——风
一、风的表示和测量 二、风的形成
三、风的变化
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一、风的表示和测量 之 风的表示
矢量:风向(Wind Direction)和风速(Wind Speed)。
气象风的风向:风的来向 地面风:十六方位 空中风:用度数表示 航行风的风向:风的去向 用度数表示 气象风与航行风相差180°
二、风的形成 之 自由大气中的 地转风
1、地转风
上图说明:说明运动方向左侧气压低于右侧,地转风 平行于 等压线吹的。 在北半球,观察者背风而立,高压在右,低压在左。 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 罗风压定律。
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应用
在北半球穿过低压区飞行,先碰到左 侧风,后碰到右侧风。
在北半球穿过高压区飞行,先碰到右
侧风,后碰到左侧风。
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二、风的形成 之 摩擦层中的风
摩擦层中,风是斜穿等压线的。
摩擦层中的风压定理: 背风而立,高压在右后。 南半球相反。
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A
二、风的形成 之 形成风的力—地转偏向力
2、地转偏向力(A)
按牛顿运动定律,这种看来向右偏转。好像是小球在 作直线运动时,时刻受到的一个同它运动方向相垂直 并指向其右方的作用力,就是由于圆盘转动所产生的
偏向力,也就是随圆盘一起转动的观察者所观察到的 力。 这种力是假想的,事实上并无任何物体作用于小球来 产生这个力,只是为了要在一个非惯性系里以牛顿定
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