少,离地面10km处的气压值只有海平面的25%。海平面大气压力称作标准大气压,为101325Pa或 760mmHg。图2-12为我国不同海拔城市(地区)多年平均大气压力分布,北京海拔为31m,大气压 力为l0lkPa;珠穆朗玛峰海拔为8848m,大气压力为31kPa,数值相差3倍以上 由于空气的密度与温度成反比,因此在陆地上同一位置,冬季大气压力比夏季大气压力高,但变 化范围仅在5%以内。 又珠峰 7654321 玛多 又拉萨 格尔木 兰州 太原 北京 大气压力(kPa) 图2-12我国城市(地区)大气压力随海拔高度变化规律 为了给飞行器的设计和计算、压力高度计校准和气象制图提供基准,根据探测数据和理论计算所 制定出的一种比较接近实际大气平均状况铅直分布特性的大气,称为标准大气,又称参照(考)大气。现 在最具有权威性的模式是1976美国标准大气。该大气描述了中等太阳活动期间,1000km以下中纬度地 区的平均大气结构。据我国有关部门测试统计表明,1976美国标准大气30km以下部分与我国45N附近 30km以下的实际大气平均状态比较接近,取该大气的30km以下部分作为我们国家的标准大气(30km 以下)。根据标准大气压高公式和状态方程可获得气压、密度数据。相应的压高公式为4 p=101325×(1-226×10-H)36 P=22699e-1580(-1bo (2-17) 20~30km p=529×[1+4616×10°(H-20×103)3 (2-18) 式中p的单位为kPa,H为海拔高度,m。图2-13(a)是高度与气压关系的图示
11 少，离地面10 km 处的气压值只有海平面的25%。海平面大气压力称作标准大气压，为101325 Pa 或 760 mmHg。图 2-12 为我国不同海拔城市（地区）多年平均大气压力分布，北京海拔为31m，大气压 力为101kPa；珠穆朗玛峰海拔为8848m，大气压力为31kPa，数值相差3倍以上。 由于空气的密度与温度成反比，因此在陆地上同一位置，冬季大气压力比夏季大气压力高，但变 化范围仅在5％以内。 图2-12 我国城市（地区）大气压力随海拔高度变化规律 为了给飞行器的设计和计算、压力高度计校准和气象制图提供基准，根据探测数据和理论计算所 制定出的一种比较接近实际大气平均状况铅直分布特性的大气，称为标准大气，又称参照(考)大气。现 在最具有权威性的模式是1976美国标准大气。该大气描述了中等太阳活动期间，1000km以下中纬度地 区的平均大气结构。据我国有关部门测试统计表明，1976美国标准大气30km以下部分与我国45ºN附近 30 km以下的实际大气平均状态比较接近，取该大气的30 km 以下部分作为我们国家的标准大气(30 km 以下)。根据标准大气压高公式和状态方程可获得气压、密度数据。相应的压高公式为[4]： 11 km以下： 5 5.26 p H 101.325 (1 2.26 10 ) − = − (2-16) 11～20km： 4 3 1.58 10 ( 11 10 ) 22.699 H p e − − − = (2-17) 20～30km： 6 3 34 p H 5.529 [1 4.616 10 ( 20 10 )] − − = + − (2-18) 式中p的单位为kPa，H为海拔高度，m。图2-13(a)是高度与气压关系的图示
(a)气压随高度的分布[3] (b)平均气压随纬度分布[2] 图213气压与在地球上的位置的关系 气压的多年平均值随纬度分布如图2-13(b)所示。赤道带为低压带,由赤道带往南或往北气压增 高,于30°~50°附近达到最高值,称为副热带高压带。再往高纬度则气压又下降,于60°~70°处气压最 低,南半球球的气压下降尤为显著,极地区域的气压又有所增加 气压有周期性的日变化和年变化,还有非周期性的变化。气压的非周期性变化常和大气环流及天 气系统有联系,而且变化幅度大。气压的日变化在热带表现得很明显(图2-14),一昼夜有两个最高 值(9~10时及21~11时)和两个最低值(3~4时及15~16时)。温带地区气压的日变化平缓一些 热带 100 50 温带 100 150 200 250 468101214161820224小时 图2-14气压日变化[2 气压的年变化由地理状况而定。赤道区年变化不大,高纬区年变化较大。大陆和海洋也有显著的 差别,大陆冬季气压高,夏季最低,而海洋恰好相反
12 (a) 气压随高度的分布[3] (b) 平均气压随纬度分布[2] 图2-13 气压与在地球上的位置的关系 气压的多年平均值随纬度分布如图2-13(b)所示。赤道带为低压带，由赤道带往南或往北气压增 高，于30º～50º附近达到最高值，称为副热带高压带。再往高纬度则气压又下降，于60º～70º处气压最 低，南半球球的气压下降尤为显著，极地区域的气压又有所增加。 气压有周期性的日变化和年变化，还有非周期性的变化。气压的非周期性变化常和大气环流及天 气系统有联系，而且变化幅度大。气压的日变化在热带表现得很明显（图2-14），一昼夜有两个最高 值（9～10时及21～11时）和两个最低值(3～4时及15～16时)。温带地区气压的日变化平缓一些。 图2-14 气压日变化[2] 气压的年变化由地理状况而定。赤道区年变化不大，高纬区年变化较大。大陆和海洋也有显著的 差别，大陆冬季气压高，夏季最低，而海洋恰好相反
232风与大气边界层 风是指由于大气压差所引起的大气水平方向的运动。地表增温不同是引起大气压力差的主要原 因,也是风的主要成因。风可分为大气环流与地方风两大类。由于照射在地球的上的太阳辐射不均 匀,造成赤道和两极间的温差,由此引发大气从赤道到两极和从两极到赤道的经常性活动,叫做大气 环流。它是造成各地气候差异的主要原因之一,见图2-15。地球的自转和公转也影响了大气环流的走 净增益 出射辐射 38°N 盈余区域 过渡区 净损失 辐射增益区 盈余区域D 随纬度基本 能量的转换区域 辐射损失区 占地表面积 短缺区域 占地表面积40%占地表面积36%24% 10°20°30°40°50°60°7080° 纬度 图2-15风的形成和对地球热平衡的影响 地方风是由于地表水陆分布、地势起伏、表面覆盖等地方性条件不同所引起的,如海陆风、季 风、山谷风、庭院风及巷道风等。海陆风与山谷风是由于局部地方昼夜受热不均匀而引起的,所以其 变化以一昼夜为周期,风向产生日夜交替的变化。季风是因为海陆间季节温差而引起的:冬季大陆被 强烈冷却,气压增高,季风从大陆吹向海洋;夏季大陆强烈增温,气压降低,季风由海洋吹向大陆 因此,季风的变化是以年为周期的。我国的东部地区,夏季湿润多雨而冬季干燥,就是受强大季风的 影响。我国的季风大部分来自热带海洋,影响区域基本是东南和东北的大部分区域,夏季多为南和东 南风,冬季多为北风和西北风 从地球表面到500~1000m高的这层空气叫做大气边界层,其厚度主要取决于地表的粗糙度。在平 原地区边界层薄,在城市和山区边界层厚,见图2-16。边界层内风速沿垂直方向存在梯度,其形成的 原因是下垫面对气流有摩擦作用。在摩擦力的作用下,贴近地面处的风速为0,沿高度风速递增,因为 地面摩擦力的影响越往上越小。到达一定高度以后,风速不再增大,人们往往把这个高度称为边界层 高度
13 2.3.2 风与大气边界层 风是指由于大气压差所引起的大气水平方向的运动。地表增温不同是引起大气压力差的主要原 因，也是风的主要成因。风可分为大气环流与地方风两大类。由于照射在地球的上的太阳辐射不均 匀，造成赤道和两极间的温差，由此引发大气从赤道到两极和从两极到赤道的经常性活动，叫做大气 环流。它是造成各地气候差异的主要原因之一，见图2-15。地球的自转和公转也影响了大气环流的走 向。 图2-15 风的形成和对地球热平衡的影响 地方风是由于地表水陆分布、地势起伏、表面覆盖等地方性条件不同所引起的，如海陆风、季 风、山谷风、庭院风及巷道风等。海陆风与山谷风是由于局部地方昼夜受热不均匀而引起的，所以其 变化以一昼夜为周期，风向产生日夜交替的变化。季风是因为海陆间季节温差而引起的：冬季大陆被 强烈冷却，气压增高，季风从大陆吹向海洋；夏季大陆强烈增温，气压降低，季风由海洋吹向大陆。 因此，季风的变化是以年为周期的。我国的东部地区，夏季湿润多雨而冬季干燥，就是受强大季风的 影响。我国的季风大部分来自热带海洋，影响区域基本是东南和东北的大部分区域，夏季多为南和东 南风，冬季多为北风和西北风。 从地球表面到500～1000m高的这层空气叫做大气边界层，其厚度主要取决于地表的粗糙度。在平 原地区边界层薄，在城市和山区边界层厚，见图2-16。边界层内风速沿垂直方向存在梯度，其形成的 原因是下垫面对气流有摩擦作用。在摩擦力的作用下，贴近地面处的风速为0，沿高度风速递增，因为 地面摩擦力的影响越往上越小。到达一定高度以后，风速不再增大，人们往往把这个高度称为边界层 高度
600r边界层的距高 风速梯度(%) 518m--100 边界层的距离风速梯度(%) 边界层的距离风速梯度(% 1∠ 开农村或海面 图2-16不同下垫面区域的风速分布 对于风速梯度,达芬堡( Davenport)提出了一个按幂函数规律分布的计算公式 其中h和Ⅳ是当地边界层厚度与边界层处的风速,据此可以求出高度为h的某点风速V。由于气象站所 记录的风速都是当地10m高处的风速,使用上式不方便,所以又有研究者提出了可利用气象站风速测量 点高度hm和测量点处的风速m来求出高度为h的某点风速h的公式,该公式被引入了 ASHRAE手册 [10]: (220) 其中: hmet-气象站风速测量点高度, 气象站风速量点处的风速,m/s Cne—气象站当地的大气边界层厚度,m,见表2-2 amet 对应气象站当地的大气层厚度的指数,见表2-2 需要求风速地点的大气边界层厚度,m,见表2-2 对应需要求风速地点大气边界层厚度的指数,见表2-2 如果要求取城市中心的风速,而气象站位于开阔的乡村,则amer、ame的取值为270和0.14,δ、a的 取值为460和0.33 表2-2大气边界层的参数10 序号地形类型描述 指数a边界层厚度6(m) 大城市中心,至少有50%的建筑物高度超过21m:建筑 物范围至少有2km,或者达到迎风方向上的建筑物高度0.33 的10倍以上,二者取高值
14 图2-16 不同下垫面区域的风速分布 对于风速梯度，达芬堡（Davenport）提出了一个按幂函数规律分布的计算公式： ) h h V V ( g h = g （2-19） 其中hg和Vg是当地边界层厚度与边界层处的风速，据此可以求出高度为h的某点风速Vh。由于气象站所 记录的风速都是当地10m高处的风速，使用上式不方便，所以又有研究者提出了可利用气象站风速测量 点高度hmet和测量点处的风速Vmet来求出高度为h的某点风速Vh的公式，该公式被引入了ASHRAE手册 [10]： a a met met h met ) h ) ( h V V ( met = （2-20） 其中： hmet ⎯⎯气象站风速测量点高度，m； Vmet ⎯⎯ 气象站风速量点处的风速，m/s； met ⎯⎯ 气象站当地的大气边界层厚度，m，见表2-2； amet ⎯⎯ 对应气象站当地的大气层厚度的指数，见表2-2； ⎯⎯ 需要求风速地点的大气边界层厚度，m，见表2-2； a ⎯⎯ 对应需要求风速地点大气边界层厚度的指数，见表2-2。 如果要求取城市中心的风速，而气象站位于开阔的乡村，则met、amet的取值为270和0.14，、a的 取值为460和0.33。 表2-2 大气边界层的参数[10] 序号 地 形 类 型 描 述 指数 边界层厚度 (m) 1 大城市中心，至少有50％的建筑物高度超过21 m；建筑 物范围至少有2 km，或者达到迎风方向上的建筑物高度 的10倍以上，二者取高值 0.33 460
市区、近郊、绿化区,稠密的低层住宅区;建筑物范围 2至少有2km,或者达到迎风方向上的建筑物高度的10倍022 以上,二者取高值 平坦开阔地区,有稀疏的10m以下高度的建筑物,包括 3 气象站附近的开阔乡村 0.14 面向1.6km以上水面来流风的开阔无障碍物地带:范 4|围至少有50m,或者陆上构筑物高度的0倍以上, 210 者取高值 风向和风速是描述风特征的两个要素。通常,人们把风吹来的地平方向确定为风的方向,如风来 自西北方称为西北风,如风来自东南方称为东南风,在陆地上常用16个方位表示。风速则为单位时间 风所行进的距离,用m/s来表示。气象台一般以距平坦地面10m高处所测得的风向和风速作为当地的观 察数据。风力的等级用蒲福( Francis beaufort)风力等级来描述,见表2-3。 表2-3蒲福风力等级表[ll 风力自由海面状况(浪高) 距地10m高处的 陆地地面征象 等级 般(m)最高(m) 相当风速(m/s) 静,烟直上 01234 烟能表示方向,但风向标不能转动 人面感觉有风,树叶微响,风向标能转动 树叶及微枝摇动不息,旌旗展开 3.4~5.4 能吹起地面灰尘和纸张,树的小枝摇动 5.5~7.9 有叶的小树摇摆,内陆的水面有小江 8.0~10.7 3.0 大树枝摇动,举伞困难 10.8~13.8 全树摇动,迎风步行感觉不便 13.9~17.1 树枝折毁,人向前行,感觉阻力甚大 17.2~20.7 建筑物有小损,烟囱顶部及平屋摇动 20.8~244 5可使树木拔起或使建筑物损坏较重,陆上 24.5~284 少见 1115160陆上很少见,有则必有广泛破坏 28.5~32.6 14.0 陆上绝少见,摧毁力极大 32.7~36.9 为了直观地反映出一个地方的风向和风速,通常用当地的风玫瑰图来表示,见图2-17。风玫瑰图 包括风向频率分布图和风速频率分布图,因图形与玫瑰花相似,故名。风向频率是按照逐时所实测的 各个方向风所出现的次数,分别计算出每个方向风出现的次数占总次数的百分比,并按一定比例在各 方位线上标出,最后连接各点而成。风向频率图可按年、或按月统计,分为年风向频率图或月风向频 率图。图2-17(a)表示了某地全年(实线部分)及7月份(虚线部分)的风向频率,其中,除圆心以外
15 2 市区、近郊、绿化区，稠密的低层住宅区；建筑物范围 至少有2 km，或者达到迎风方向上的建筑物高度的10倍 以上，二者取高值 0.22 370 3 平坦开阔地区，有稀疏的10m以下高度的建筑物，包括 气象站附近的开阔乡村 0.14 270 4 面向1.6 km 以上水面来流风的开阔无障碍物地带；范 围至少有500m，或者陆上构筑物高度的10倍以上，二 者取高值 0.1 210 风向和风速是描述风特征的两个要素。通常，人们把风吹来的地平方向确定为风的方向，如风来 自西北方称为西北风，如风来自东南方称为东南风，在陆地上常用16个方位表示。风速则为单位时间 风所行进的距离，用m/s来表示。气象台一般以距平坦地面10m高处所测得的风向和风速作为当地的观 察数据。风力的等级用蒲福（Francis Beaufort）风力等级来描述，见表2-3。 表2-3 蒲福风力等级表[11] 风力 等级 自由海面状况(浪高) 陆地地面征象 距地10m高处的 一般(m) 最高(m) 相当风速(m/s) 0 － － 静，烟直上 0~0.2 1 0.1 0.1 烟能表示方向，但风向标不能转动 0.3~1.5 2 0.2 0.3 人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动 1.6~3.3 3 0.6 1.0 树叶及微枝摇动不息，旌旗展开 3.4~5.4 4 1.0 1.5 能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动 5.5~7.9 5 2.0 2.5 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波 8.0~10.7 6 3.0 4.0 大树枝摇动，举伞困难 10.8~13.8 7 4.0 5.5 全树摇动，迎风步行感觉不便 13.9~17.1 8 5.5 7.5 树枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大 17.2~20.7 9 7.0 10.0 建筑物有小损，烟囱顶部及平屋摇动 20.8~24.4 10 9.0 12.5 可使树木拔起或使建筑物损坏较重，陆上 少见 24.5~28.4 11 11.5 16.0 陆上很少见，有则必有广泛破坏 28.5~32.6 12 14.0 － 陆上绝少见，摧毁力极大 32.7~36.9 为了直观地反映出一个地方的风向和风速，通常用当地的风玫瑰图来表示，见图2-17。风玫瑰图 包括风向频率分布图和风速频率分布图，因图形与玫瑰花相似，故名。风向频率是按照逐时所实测的 各个方向风所出现的次数，分别计算出每个方向风出现的次数占总次数的百分比，并按一定比例在各 方位线上标出，最后连接各点而成。风向频率图可按年、或按月统计，分为年风向频率图或月风向频 率图。图2-17（a）表示了某地全年（实线部分）及7月份（虚线部分）的风向频率，其中，除圆心以外