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摩擦层风

在摩擦层大气内水平气压梯度力、水平地转偏向力、摩擦力(曲线运动时还有惯性离心力)三力达平衡时的空气水平运动。大小和方向空气运动受到的摩擦力()包括地面摩擦力(外摩擦力)与内摩擦力。在北半球的方向在风的相反方向之左侧约35°~40°。在直线等压线情况下,当空气运动速率不变时,水平地转偏向力()、摩擦力()的合力与水平气压梯度力(相平衡(图1)。由于摩擦力的影响

在摩擦层大气内水平气压梯度力、水平地转偏向力摩擦力(曲线运动时还有惯性离心力)三力达平衡时的空气水平运动。

大小和方向

空气运动受到的摩擦力)包括地面摩擦力(外摩擦力)与内摩擦力。在北半球的方向在风的相反方向之左侧约35°~40°。在直线等压线情况下,当空气运动速率不变时,水平地转偏向力)、摩擦力)的合力与水平气压梯度力相平衡(图1)。由于摩擦力的影响,实际风速(V)小于相应的地转风速,风将斜穿等压线从高压吹向低压方向。地面粗糙度越大、大气稳定度越大、纬度越低,则实测风与等压线的交角(α)越大。据统计:在中纬度地区,风向与直线等压线的交角,陆上约为3 5°~4 5°,海上约15°~20°;陆地上地面风风速(即10~12米高度上的风速)约为该气压场相应的地转风风速的35%~45%,在海上约60%~70%。在弯曲等压线情况下,北半球的低压区空气按反时针方向向低压中心辐合,高压区摩擦层风按顺时针方向向外辐散。

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垂直分布

在贴地层(0~2米),因地面摩擦力随高度很快减小,故风速随高度增加最快,2米高以上风速随高度增加变慢(图2)。在近地面层(从地面至高度5 0~1 00米左右),平均情况下风向随高度变化很少,平均风速随高度呈对数分布(中性层结)或指数分布(非中性层结)。不稳定层结有利于层内空气的上下交换,促使层内上下风速差变小;稳定层结能抑制空气的上下交换,致使风速随高度增加要明显些(见大气静力稳定度)。在摩擦层上部(从近地面层顶至摩擦层顶),若水平气压梯度力与湍流系数不随高度改变,将各高度上求得的风速矢量投影在同一平面上,其矢量端点的连线如图3所示,称爱克曼(E km an)螺线。一般把第一个风向和等压线相合的高度作为摩擦层顶高度。由图3可见,在气压场随高度无明显变化条件下,因摩擦力随高度减小,故风速一般随高度增大、风向随高度向右(北半球)或向左(南半球)偏转;高度抵达摩擦层顶附近,风向、风速接近于地转风。若由于热力等原因引起气压场随高度有明显变化时,则还应考虑气压梯度力随高度变化带来的影响,风随高度的变化情况就更复杂。

图2 风速随高度的变化

图3 上部摩擦层中风随高度的变化

日变化

摩擦层中的风具有日变化。白天乱流强,上下空气交换频繁,致使近地面层风速增大、摩擦层上部风速减小;夜里乱流弱,上下空气交换少,故近地面层风速减小,摩擦层上部风速增大。风的正常日变化可被强气压系统过境所扰乱和掩盖。