第七章-气压与风

第七章气压与风引言风的基本概念第一节气压第二节作用于空气的力第三节风风能使大范围的热量和水汽混合、均衡，调节空气的温度和湿度；能把云雨送到遥远的地方，使地球上的水分循环得以完成。植物的一生都离不开风的帮助。风，又推动风车旋转，使帆船加速行驶……。定义风的基本概念风的基本特性大气中的风速空气相对于地面的运动称为风。一般情况下，风是指空气运动的水平分量。风向是指风吹来的方向，常用十六方位表示。风速是空气在单位时间内移动的水平距离，常用米·秒-1为单位。空气运动时，总是带有乱流性的，在固定的空间位置上，表现出风向和风速的明显变动，此现象称为风的阵性。因此，在风向、风速的仪器测定和资料使用上，就有瞬时值和平均值两种。大气中水平风速一般为10°—102米·秒-1，最大可达百米以上。垂直运动速度比水平风速小两个量级，为10-2—10°米·秒-1，仅在局部范围短时间内才出现每秒几米、十几米的数值。风向通常用16个方位来表示，有的是用方位度(共分360度)。风向方位图风力等级表零级无风炊烟上；一级软风烟稍斜；二级轻风树叶响；三级微风树枝晃；四级和风灰尘起；五级清风水起波；六级强风大树摇；七级疾风步难行；八级大风树枝折；九级烈风烟囱毁；十级狂风树根拔；十一级暴风陆罕见；十二级飓风浪滔天。定义单位大气受到地球引力的作用，具有一定重量。地面上每平方米大约要承受十吨重的大气柱的压力，这个压力、就是大气压力。我们常说某地气压多少，就是指该地的单位面积上大气柱的重量。第一节气压气压随时间的变化气压随高度的变化在通常情况下，早晨气压上升，下午气压下降。冬季气压最高；夏季气压最低。但有时候，如在一次寒潮影响时，气压会很快升高，冷空气一过，气压又慢慢降低。气压的单位用水银柱高度毫米数表示(mmHgh)。气象上常用一种力的单位－毫巴(mb)作为气压单位：1hPa=1毫巴≈0.75毫米水银柱高=3/4毫米水银柱高。气压随高度的变化由于空气层的厚度随高度增加而变薄，同时，气密度也随高度增高而迅速减小，所以，气压随高度的增高而急剧减小。见下表气压随高度的分布(气柱平均温度为0℃)P1—P2＝ρ·g·H－为气柱中空气的平均密度静止大气中：重力加速度气柱厚度所取两点的高度Z1与Z2之差气体膨胀系数，等于1/273拉普拉斯压高公式：Z＝18400(1十at)·lg(P1/P2)－两点之间气柱的平均温度例：已知某山脚处海拔高度为130.0米，在山脚下测得气压为1006毫巴．气温为17．8℃;同时,在山顶测得气压为873毫巴，气温为11．2℃。求该山顶的海拔高度是多少米?解：已知P1＝1006mb，t1＝17.8℃，Z1＝130.0米;P2＝873毫巴，t2＝11.2℃，求Z2＝?先求得两点的平均温度t＝14.5℃，代人公式Z2-130.0＝l8400(1十14.5/273)lg(1006/873)解得Z2=1300米，即该山的海拔高度约为1300米．单位气压高度差单位气压高度差是气压降低1hPa时高度升高的距离，单位为m/hPat)(8000/P)(1h第二节作用于运动空气的力水平气压梯度力水平地转偏向力惯性离心力摩擦力当空气质点作曲线运动时，受到惯性离心力的作用。其大小为：式中C为惯性离心力；V为空气质点的线速度；r为运动轨迹的曲率半径。水平气压梯度是由高压指向低压的方向上(垂直于等压线方向)，单位距离内气压的改变量。其数值为其中Δp为Δn距离内气压的改变量。气压梯度力的数值为：摩擦力(R)的方向和运动方向相反，其大小和运动速度成正比：R＝-KV式中K是摩擦系数，V为运动速度。水平地转偏向力（A）由于地球自转作用而产生的使运动空气偏离气压梯度力方向的力，叫做地转偏向力，水平分力叫水平地转偏向力。见下图地转偏向力示意图方向：水平地转偏向力的方向同物体运动方向相垂直，在北半球，水平地转偏向力指向运动方向的右方。在南半球，则相反。大小：A=2ω·V·sinφ式中ω为地球自转角速度，等于7.292×10-5秒-1;V为风速，φ为纬度。综上所述，水平地转偏向力的特点可归纳为：1、水平地转偏向力只是在物体相对于地面有运动时才产生。静止的物体，不受水平地转偏向力的作用。2、水平地转偏向力的方向同物体运动方向相垂直，它只能改变物体运动的方向，不能改变物体运动速度的大小。3、在北半球，水平地转偏向力指向运动方向的右方，使物体向原来运动方向的右方偏转；在南半球，则相反。4、水平地转偏向力的大小同风速和所在的纬度成正比。在风速相同的情况下，水平地转偏向力随纬度的增高而増大，极地最大，而赤道上的水平地转偏向力等于零。地球表面运动速度为V的物体，所受水平地转偏向力的大小变化于0~2Vω之间。惯性离心力（C）当空气质点作曲线运动时，时刻受到了一个离开曲率中心向外的作用力，这个作用力叫做惯性离心力。以C表示。见下图惯性离心力示意图方向：惯性离心力的方向与空气运动的方向相垂直，并自曲率中心指向外缘。大小：C=rV2式中C为惯性离心力，V为空气质点的线速度，r为运动轨迹的曲率半径。(四)摩擦力空气运动时因受地面的阻滯和气层的相互牵制作用使运动速度减慢，这种因摩擦而产生的阻力称为摩擦力。方向：与运动速度方向相反。大小：R=-KV自由大气受气压梯度力、地转偏向力和惯性离心力三个力作用。空气运动遵循风压定律：风速与水平气压梯度成正比，风向与等压线平行，在北半球，背风而立，高压在右，低压在左。南半球则相反。根据风压定律，知道了气压的分布就可以推知风的分布，同样，知道了风的分布也可以反过来推知气压的分布。例：北京附近等压线呈西南到东北走向，高气压在东南侧，低气压在西北侧，按风压定律就可以知道北京吹西南风。反过来，如知道北京吹西南风，则可以推知北京的东南侧一定是气压高，而西北侧一定是气压低。一、风的成因(一)形成风的直接原因气压在水平方向上分布不均匀，是形成风的直接原因。所以，我们说，水平气压梯度的存在是产生风的直接原因。(二)形成风的间接原因水平气压梯度，可以是由于温度在水平方向上分布不均匀而产生的。由于地表性质的差异，得到太阳辐射后，增热效应不同，温度有高有低，使水平面上温度分布不均匀，就会产生风。见下图第三节风图4-3静风时的等压面图4-4热力环流形成图4-5风的成因二、自由大气中的风（一）地转风（二）梯度风三、摩擦层中的风二、自由大气(高层大气)的风(一)地转风1、地转风的概念和形成在自由大气中空气作水平运动时会受到水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用，当这两力达到平衡时，空气会作水平等速直线运动，此时的风叫做地转风，以Vg表示。见下图地转风形成示意图2、地转风的方向地转风的方向与水平气压场之间的关系是，在北半球，背风而立，高压在右，低压在左；南半球相反，这个规律称为白贝罗风压定律。3、地转风的大小∵A=G即-npDDr1=2ω·Vg·sinφ∴Vg=-Fsin21wrnPDD地转风的风速与水平气压梯度成正比，与空气密度及地理纬度的正弦成反比。并可得出以下几点结论：①当空气密度和地理纬度一定时，地转风的风速与气压梯度成正比。即地转风的风速随等压线的疏密程度而变，当等压线愈密时，地转风的风速愈大，等压线愈稀疏，地转风的风速愈小。②当空气的密度与气压梯度一定时，地转风的风速与地理纬度的正弦成反比，即低纬度地转风大于高纬度。但由于低纬度气压梯度力很小，地转风也很小。实际上，在赤道附近由于无地转偏向力(A＝0)与气压梯度力相平衡，所以不存在地转风。③当气压梯度和地理纬度不变时，地转风的风速与空气密度成反比。一般高空空气密度小，地转风的风速大，而低层由于空气密度大，地转风风速小。(二)梯度风1、概念在自由大气中，当空气作水平曲线运动时，作用于空气上的力，除了气压梯度和地转偏向力外，还有惯性离心力，三力达到平衡的风，称为梯度风。见下图高压和低压中的梯度风与地转风的比较综上分析，可得出以下结论：(1)梯度风是气压梯度力、惯性离心力和地转偏向力三力达到平衡时的风。北半球，低压区的梯度风按逆时针方向吹，高压区的梯度风按顺时针方向吹；南半球则相反。(2)在等压线为曲线的气压场中，梯度风是平行于等压线作等速运动。(3)北半球，梯度风与水平气压场之间的关系仍为：在北半球，背风而立，高压在右，低压在左；南半球则相反。即遵循白贝罗风压定律。三、摩擦层的风摩擦风：有摩擦力参与，水平气压梯度力与水平地转偏向力，摩擦力保持平衡条件下所产生的风称为摩擦风。见下图摩擦风形成示意图在摩擦层里，运动着的空气质点除受水平气压梯度力，地转偏向力，惯性离心力的作用外，还受摩擦力的作用。风向：在北半球，背摩擦风而立，高气压在右后方，低气压在左前方。南半球相反。摩擦层低压（a）和高压（b）中的气流怎样读天气图上的风向风速？1Knot=1.15英里/小时1Knot=1.9公里/小时地转偏向力（百帕）100010051010（北半球）风向地面摩擦力与空气运动方向相反。请依据图中风向，画出空气运动时的受力情况水平气压梯度力思考题：小结：大气运动原因太阳辐射能量源泉大气运动各纬度加热不均高低纬度间热量差异根本原因引起空气垂直运动产生水平气压差异直接原因空气水平运动（风）水平气压梯度力原动力水平气压梯度力地转偏向力(使风向垂直于等压线)(使北半球风向右偏,南半球风向左偏)地面摩擦力大气作水平运动所受作用力二力平衡,风向平行于等压线三种力共同作用下,风向斜穿等压线（与空气的运动方向相反）空气产生水平运动的原动力