第6章风-大气的水平运动分析

1第六章风（Wind）－大气的水平运动授课人：李杰2一、风的表示和测量1．风的表示：风向：风的来向（360°或16个方位表示）风速单位：米/秒(m/s)，千米/小时(km/h)和海里小时(nauticalmile/h)也称为节(Knot)。它们之间的换算关系为：1m/s＝3.6km/h＝1.944kn；1km/h＝0.278m/s；1Kn＝0.514m/s＝1.852km/h。32．风的测量仪器探测:风向风速计、测风气球目力估计:风力等级表、风袋测量方法主要有仪器探测和目视估计两大类常用仪器有风向风速仪、测风气球、风袋(windsock)、多普勒测风雷达等，风向风速仪:是测量近地面风常用的仪器。风袋:为了便于飞行员观测跑道区的风向风速，可在跑道旁设置风袋，风袋飘动的方向可指示风向，风袋飘起的角度可指示风速(P50)。测风气球:高空风可用测风气球进行探测，多普勒测风雷达:在一些大型机场用来探测机场区域内一定高度风的分布情况，对飞机起降有很大帮助.4风的目视估计主要是按风力等级表进行的。5怎样读天气图上的风？图中风向杆上每一条短划线代表5Knot，每一条长划线代表10Knot，将风向标上所有划线的值加起来就是风速值的大小。右图给出了风向标上每种符号所代表的值的大小。在这里风速的单位为Knot（哩/小时），其换算关系为：1Knot=1.15英里/小时1Knot=1.9公里/小时6第二节地转风和梯度风1.水平气压梯度力。空气运动原动力2.水平地转偏向力（科里奥利力）高纬空气运动影响3.惯性离心力曲线运动4.摩擦力：摩擦层中7一、形成风的几个力1.水平气压梯度力（GHorizontalPressure-gradientForce）大小：与水平气压梯度成正比方向：与水平气压梯度一致等压线越密，气压梯度力越大；形成风的原动力2.地转偏向力（ADeflectionForceofEarthRotation）大小：A=2Vωsinφ方向：垂直与物体的运动方向，在北半球指向右使运动方向偏右，在赤道为0NPG183.惯性离心力（CIntertialCentrifugalForce）大小：C=mV2/r方向：与V垂直，由曲率中心指向外缘。一般较小，小于地转偏向力4.摩擦力（F）大小：F=-KV方向：与V相反9二、几种力平衡情况下的风水平气压梯度力（G）=地转偏向力（A）地转风(Geostrophicwind)10地转风平行于等压线吹，在北半球观察者背风而立，高压在右，低压在左。而在南半球，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(BuysBullot)风压定律。(P51)地转风的风速大小取决于水平气压梯度、空气密度及地转参数。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；若在同一地理纬度，并各高度上水平气压梯度相同时，由于密度的影响、地转风将会随高度的增高而加大。当水平气压梯度和密度不变时，纬度越高，地转风速越小。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。11风压定理的应用注意52页1.根据气压场确定风场根据摩擦层中的风压定理。可以判断图中任一地方的风向和风速的相对大小，如A点处吹SSW风，与B点相比,风速相对较小。2.根据风场确定气压场根据飞行时遇到的风的情况，可判断高、低压位置123.航线上风的判定从图中根据自由大气中的风压定理、可判断航线上风的情况，如AB航段上基本为顺风飞行。13水平气压梯度力（G）＋地转偏向力（A）＋惯性离心力（C）＝0梯度风(Gradientwind)14梯度风的大小与水平气压梯度、地理纬度、空气密度及空气运动的曲率半径有关。并具有以下“特点：1方向．在北半球，地转偏向力总是指向空气运动方向的右方。低压中的风是沿等压线逆时针方向吹。高压中的风是沿等压线顺时针方向吹。南半球相反。2大小．当气压梯度力和地理纬度一定，并高低压具有同样的曲率半径时，高压中的梯度风比低压中的梯度风速大，同样纬度和气压梯度力的条件下的地转风速介于两者之间。3．在高压中水平气压梯度有一极限值。这说明高压附近附近不可能出现大的气压梯度，也就是说高压中心附近风速必是很小。而在低压中并不存在水平气压梯度的极限值，所以在低压中心附近风速可以达到很大。另外，在赤道地区，水平地转偏向力很小，可出现小范围的旋涡，因曲率半径很小，故惯性离心力可以很大，若不计水平地转偏向力的作用，水平气压梯度力和惯性离心力可达平衡，这时的风称为旋衡风，可以顺转也可以逆转，但中心必须是低压，例如龙卷风就具有这种性质。15三.自由大气中风随高度的变化热成风(ThermalWind)：由于水平温度梯度而引起的上下气层风的变化规则与地转风规则相似：热成风与平均温度线(或等厚度线)平行，背热成风而立，高温在右，低温在左。热成风大小与平均温度梯度和气层厚度成正比，而与地转参数和气层的平均绝对温度成反比。根据热成风原理，在北半球上空应吹偏西风，高度越高，风速越大。上升到一定高度后，就可能形成西风急流。16۩地转风随高度逆转有冷平流地转风随高度顺转有暖平流17第三节摩擦层中的风摩擦力对空气水平运动的影响18风与气压场的关系背风而立，高压在右后方，低压在左后方风向与等压线的交角：地表性质，湍流交换强度，风速，纬度等有关低压是反时针辐合高压是顺时针辐散192.摩擦层中风随高度的变化在北半球，随高度增加，风速增大，风向右偏。南半球风向变化相反。203.摩擦层中风的日变化白天下层风速增大，风向向右偏转，上层风的变化则相反。晚上下层风速减小、风向向左偏转，上层风速增大，风向右偏。晴天阴天夏季冬季陆上海洋214.摩擦层中风的阵性乱流涡旋随大范围基本气流一起运动引起，局地风向不断改变，风速时大时小的现象。近地面风速越大、地表越粗糙，地表性质差异越大。在近地面风的阵性就越强。最频繁，最显著，随高度增加，减弱。一日之中，风的阵性午后最明显；一年之中，夏季最明显。2223风的概括气压梯度力：空气运动原动力地转偏向力：高纬空气运动影响惯性离心力：曲线运动摩擦力：摩擦层中24第四节地方性风1.海陆风白天，陆地气温高于海面，低层空气将从海上吹向陆地，形成海风(SeaBreeze)晚上的情形与此相反，形成陆风(LandBreeze)252.山谷风白天，山坡气温高于山谷上同高度气温，低层风从谷地吹向山坡，形成谷风(Valleywind)。晚上则形成山风(mountainwind)。263.峡谷风风沿峡谷吹时风速增大在我国的台湾海峡、松辽平原等地，两侧都有山岭，地形像喇叭管。当气流直灌管口时，经常出现大风.274.焚风气流过山后沿着背风坡向下吹的热而干的风，叫做焚风。当气流越过山脉时，在迎风坡上气温按湿绝热直减率降低，并有大量水分降落。过山后沿背风坡下降，通常按干绝热直减率增温，所以到达背风坡山脚时，空气温度比在山前时高，湿度比在山前时小。焚风成因示意圖：(a)无焚风，(b)有焚风(图片来源：Ahrens，p.262，Fig.10.29)2829四、风对飞行的影响（一）风对飞机起飞着陆的影响飞机起降时所能承受的最大风速，取决于机型和风与跑道的夹角逆风起降时所能承受的风速最大，正侧风起降时所能承受的风速最小。30二）风对飞机航行的影响顺风飞行会增大地速、缩短飞行时间、减少燃油消耗、增加航程；逆风飞行会减小地速、增加飞行时间、缩短航程；侧风会产生偏流。为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应尽量选择有顺风或顺侧风的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。3132小结：风对飞行的影响（一）风对飞机起飞着陆的影响飞机起降时所能承受的最大风速，取决于机型和风与跑道的夹角逆风起降时所能承受的风速最大，正侧风起降时所能承受的风速最小。（二）风对飞机航行的影响顺风飞行会增大地速、缩短飞行时间、减少燃油消耗、增加航程；逆风飞行会减小地速、增加飞行时间、缩短航程；侧风会产生偏流。为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应尽量选择有顺风或顺侧风的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。332.风对飞行航程的影响只要有风，其活动半径总比无风时小，而且当风向与航线平行时，飞机的活动半径最小，因为飞机飞过同样路径时，顺风飞行时间短，而逆风飞行时间长，在顺风飞行中节省的燃料，不足以弥补逆风飞行时多消耗的燃料。当风向角和空速不变时，风速增大，飞机活动半径减小；反之，风速减小，活动半径增大。当风向角和风速不变时，空速增大，活动半径增大，而且风速对不同空速的飞机的影响是不同的，高速飞行时受风的影响相对较小。在实际飞行中，为了增大活动半径，节省燃料，在往返途中应尽量选择有顺风或顺侧风的高度飞行，这对低速飞机尤为重要。343.最短时间航线的选择沿最短时间航线可以节省的时间与飞行速度有关。空速小，时间节省得多一些。据计算，两点之间大圆(通过地球球心的圆)上的距离为6000km情况下，以空速370km/h沿最短时间航线飞行的平均续航时间是17小时48分，而沿大圆上的航线飞行的平均续航时间是20小时20分，前者比后者约缩短2小时30分，占沿大圆上的航线飞行时间的12％左右。对大速度飞机(800一1000km/h)来说，可节省的飞行时间较少，一般仅占沿大圆航线飞行时间的3％－5％，根据具体气象条件选择最佳航线，能节省燃料，缩短续航时间和更好地利用飞机飞行技术数据。35在远程飞行，尤其是越洋航线飞行中，为了缩短飞行时间，节省燃料，要求选择最佳航线，即选择飞行时间最短的航线。在飞行速度一定的情况下，要把两点间的飞行时间缩短至最小，唯—的途径，是充分利用风的有利影响，增大地速。选择最佳航线的方法就是考虑风对航行的影响而求取应飞的航线36练习3031．气象上的风向是指A．风的去向；B．风的来向；C．气压梯度力的方向3032．机场上常用风向袋来估计风速，当风向袋吹平时，风速已达A．5～6米／秒；B．6～10米／秒；C．10～12米／秒3033．机场上吹东风时，飞机起飞着陆的最好方向应是A．由西向东；B．由东向西；C．由北向南3035．空气在运动时，是什么力阻止了空气直接从高压区流向低压区A．水平气压梯度力；B．地转偏向力；C．地面摩擦力3036．在赤道地区1000米高空，作水平直线运动的空气质点所受的水平作用力主要有A．水平气压梯度力和惯性离心力；B．水平气压梯度力和地转偏向力；C．水平气压梯度力和摩擦力37西北风可表示为：A135°或ＳＥB300°或ＮＷC315°或ＮＷD340°或ＷＮ海上风与陆地风相比，主要区别是：A海上风速大，风向与等压线交角大B陆地上风速大，风向与等压线交角小C陆地上风速大，风向与等压线交角大D海上风速大，风向与等压线交角小在北半球9000米高度，由低压区飞向高压区，则航线上吹：A右侧风B左侧风C逆风D顺风A在北半球自由大气中，如果航线是左侧风，则高压区在航线的：A右侧B左侧C后方D前方C38地面风的阵性表现较明显的时间和季节分别是：A早晨，冬季B早晨，夏季C午后，冬季D午后，夏季地面风的阵性表现较明显的地区特点是：A地表粗糙，性质差异大B地表平坦，性质差异小C地表粗糙，性质差异小D地表平坦，性质差异大海风和山风分别出现在：A白天，晚上B晚上，白天C白天，白天D晚上，晚上自由大气中风随高度变化的主要原因是：A气温的水平差异B气温随高度的变化C气压的水平差异D气压随高度的变化对流层自由大气中，高度增加，风的一般变化规律是：A风向趋近于东风，风速增大B风向趋近于西风，风速减小C风向趋近于东风，风速减小D风向趋近于西风，风速增大39“感觉温度”，空气流动（风），空气湿度对感觉温度的影响。如果湿度大、风速小，感觉温度就会大大高于实际气温。在夏季，当气温在35℃以上时，如果湿度在70％以上，风力在1级以下，就一定