1.4--空气的水平运动--风

Gn=0
无风。
• Gn是使空气产生水平运动的原动力。
• 水平地转偏向力(deflection force of earth rotation)
由于地球自转,作用在运动物体上产生使运动物体发生偏转的力，称 地转偏向力，又称可科利奥里力(Coriolis force)或科氏力。An

大小为：An = 2ω Vsinφ
第四节 空气水平运动--风 基本概念和知识点：风的概念；作用于空气
质点上的力；自由大气中的平衡运动；摩擦层中 的大气运动；地形对风的影响。
重点：风的表示方法；各种力的表示方法及其
物理意义；地转风；梯度风；摩擦层中的风；风
压定律。
• 一、概述
• 定义: 空气相对于下垫面的水平运动， 称为风（Wind) 。它是矢量，有大小 和方向。
地转风
• 地转风风速公式：
Gn+An = 0
（1）Vg与水平气压梯度成正比，即等压线密集，Vg大。 （2）Vg与空气密度成反比，气压梯度一定时，高空的Vg大于 低空的Vg。 （3）Vg与纬度的正弦成反比，低纬Vg大于高纬Vg。 （4）赤道及其附近不遵守地转风原则。
风压定律
(Buysballot’s law)
风 （Wind)
• 风速(Wind Speed)：风速是指单位时 间内空气在水平方向上的位移。单位 有：m/s、Km/h、n mile/h、Kn(节) 等。
• 换算关系： 1Km/h=0.28m/s ； 1m/s=3.6Km/h ； 1Kn=1.852Km/h≈0.5m/s ； 1m/s≈2Kn
• 风向（Wind Direction）：风向是指风的来向，常用16 个方位(E W S N NE SE NW SW NNE ENE ESE SSE SSW WSW WNW NNW)或度数(0～360)来表示。 • 风力(Wind Force)：根据风对地面或海面的影响程度又
1 p n
• 大小为：
(1) (2) (3) (4)
Gn
； 方向：垂直等压线从高压指向低压。
p n
Gn与ρ 成反比， Gn与气压梯度
p n n
成正比。
ρ 一定时， p 大，等压线密集， Gn大。 一定时，ρ 大，空气浓密，Gn小。
p n
若
=0, 两地没有气压差
R只在摩擦层中起作用，对自由大气中的空气运动可以忽略 不计。
An 、 C和R不能驱动大气运动， 但却能影响大气运动方向和 速度。
三、自由大气中典型的水平平衡运动
• 1.地转风(GeostrophicLeabharlann BaiduWind)
在自由大气中,当水平气压梯度力和水平地转偏 向力达到平衡时(Gn+An=0)，空气沿等压线作无 磨擦的等速直线运动，称地转风。
ω :地转角速度
ω =7.292×10-5/s
V:风速 φ :纬度

方向：北半球，恒垂直于物体运动方向的右侧90度，南 半球相反. 讨论： 用。

(1) An是物体相对于地球运动才产生的，静止物体不受其作
(2) An是虚拟力， 只改变物体的运动方向，不改变速度。 (3) An在北半球恒垂直于物体运动的右方，南半球相反。 (4) An与sinφ 成正比，两极最大，赤道上为零 。

在自由大气中，空气的水平圆周运动称为梯度 风（Gradient Wind）。梯度风可以看成是水 平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力 三者平衡时的水平运动。 即:
• 惯性离心力（Centeifugal Force） C
指物体在作曲线运动时产生的一种虚拟力。 大小：与向心力相等 。 方向：与向心力相反。 表达式：C = V2/r r为曲率半径
• 摩擦力（Friction Force） R
运动物体受下垫面摩擦作用所产生的力。
表达式： R = -μ V 方向与运动物体相反。 式中V为物体运动速度；μ 为摩擦系数
划出风力等级。国际上采用的风力等级从0～12共13个等
级（Beaufort Scale of Wind Force）。我国现采用从 0～17共18个等级。参见P19《风力等级表》。 • 风压(Wind Pressure)：风压是指与风向垂直的单位面积 所受的压力。近似表示为: P=0.0625V2。
• 总结：
气压梯度力、水平地转偏向力、惯性离心力和摩擦力都是在 水平方向上作用于空气的力，其影响各异。 Gn是空气产生运动的原动力，其他力在空气运动后才有。 A对中高纬度或大尺度空气运动影响较大，低纬赤道附近影 响小。 C只在空气做曲线运动时在起作用，一般很小，静止或直线 运动时为零。
北半球地转风
在北半球自由大气中，
风沿等压线吹，测者背 风而立，高压在右，低 压在左。
在南半球自由大气中，
风沿等压线吹，测者背 风而立，高压在左，低 压在右。
它明确地揭示了气压
场与风场之间的关系。
南半球地转风
地转风速计算方法
v
1 p g 2 sin n
• 在海图上，取一个纬距Δ n=60 n mile，ρ =1293g/m3， ω =7.29×10-5s-1；若取Δ P=1hPa，带入公式则得：
风的阵性和日、年变化
• 阵性：在摩擦层中，由于湍流作用，风表现为忽大忽
小的阵性。实际上风的阵性就是小尺度的湍涡迭加在大
型流场上造成的结果。因此在测风时，要求取其平均值。
一日内阵性最强在午后，一年中阵性最强在夏季。
• 日变化：通常在近地面午后风速大，夜间清晨风速小。
风的日变化幅度，晴天比阴天大，夏季比冬季大，陆地 比海洋大。
Vg 0 4.78 sin
m/s
4.78 p sin
• 当Δ P≠1hPa时， Vg Vg 0 p
（m/s）
2.梯度风 (Gradient
Wind)
• 定义: 在自由大气中，当水平气压梯度力、地 转偏向力和惯性离心力达到平衡时，空气沿等 压线作水平、无摩擦、等速作曲线运动。
• 年变化：因地而异。
二、 作用于大气的力和运动方程
一、作用在空气微团上的力
• 重力(gravity)；大小为g≈9.8m/s2，方向向下，指向地心。
• 水平气压梯度力(pressure gradient force): 由于作用在单位质量空 气上的压力在水平方向上分布不均匀，引起气压梯度力。Gn表示。