【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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2
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。
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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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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 。
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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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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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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。
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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
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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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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