飞行理论图解 · 风

来向 · 四力 · 风压定理

风,从来向吹
背风而立读气压

来向 · 四力 · 风压定理 气象基础

气象上的风向是风的来向,跟日常理解反着来,这是第一个坑。第二个坑是风压定理的两句口诀:自由大气里风沿等压线吹,背风而立,高压在右、低压在左(北半球);摩擦层里风斜穿等压线,高压在右后方、低压在左前方。风怎么形成、怎么变、地方性风四种、对起飞着陆航行的影响,这页按六块过一遍。地转偏向力的三句话也要背:风速越大越大、纬度越高越大、赤道为零。

01 风的定义与测量

来向 · 米/秒 · 风袋

风向 = 风的来向 N 北 0°/360° E 90° S 180° W 270° 西风 = 270° 从西边吹来 南风 = 180° 风速与测量 风速 单位时间内空气微团的水平位移 m/s · km/h · nm/h(节) 测量方法 ① 仪器探测:风向风速仪 · 测风气球   风袋 · 多普勒测风雷达 ② 目视估计 风向袋(跑道旁设置) 袋口对着的方向指示风向 飘起的角度估算风速 角度越大 → 风速越大
风向
气象上的风向是指风的来向,常用 360° 或 16 个方位表示
风速
单位时间内空气微团的水平位移;单位:米/秒(m/s)、千米/时(km/h)、海里/小时(nm/h,节)
测量
仪器探测(风向风速仪、测风气球、风袋、多普勒测风雷达)和目视估计两大类;跑道旁设风向袋便于飞行员观测
风向袋
袋口对着的方向指示风向,飘起的角度估算风速

注 · "风向是来向"是全局性的坑:METAR 里 050 是东北方向吹来的风,不是吹向东北。所有后续章节都用这个定义。

02 形成风的四个力

气压梯度 · 地转偏向 · 摩擦 · 惯性离心

① 水平气压梯度力 由水平气压梯度引起的、作用在单位质量空气上的压力差 风的最初动力:垂直于等压线,从高压指向低压 ② 地转偏向力 地球自转引起,使相对地球运动的物体偏离原来运动方向 风速越大 → 越大 · 纬度越高 → 越大 · 赤道为零 ③ 摩擦力 空气在近地面运动时,地表对空气产生的阻碍作用 ④ 惯性离心力 空气在地球表面上作圆周运动时所受的力 地转偏向力的方向 运动方向 北半球:指向右 南半球:指向左 垂直于物体运动方向
四力
水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力、惯性离心力
气压梯度力
垂直于等压线,从高压指向低压;等压线越密,风越大
地转偏向力
风速越大、纬度越高,地转偏向力越大;赤道附近为零;方向垂直于物体运动方向,北半球指向右、南半球指向左

注 · 地转偏向力三句话是标准多选题选项:赤道为零(所以赤道没有台风)、风速越大越大、纬度越高越大。

03 风压定理

背风而立 · 北半球

自由大气:风沿等压线吹 高压 低压 右:高压 左:低压 风沿等压线吹 等压线越密,风速越大 南半球方向相反 摩擦层:风斜穿等压线 高压 低压 右后方:高压 左前方:低压 风斜穿等压线 北半球 · 背风而立 自由大气:高压在右 · 低压在左 | 摩擦层:高压在右后方 · 低压在左前方 南半球:方向相反 · 等压线越密风速越大
自由大气风压定理
沿等压线吹;北半球背风而立,高压在右、低压在左;等压线越密风速越大;南半球相反
摩擦层风压定理
斜穿等压线吹;北半球背风而立,高压在右后方、低压在左前方;南半球相反

注 · 先有气压梯度力让风从高压吹向低压,地转偏向力把它拉偏到沿等压线;近地面再加摩擦力,就斜穿等压线了。一句话物理链条。

04 风的变化

随高度 · 昼夜 · 阵性

摩擦层 · 随高度变化(北半球) 高度 低层:风速小 高层:风速大 风速增大 风向(向右偏) 摩擦层 · 日变化(北半球) 白天 · 近地面 风速增大 · 风向向右偏 上层风变化相反 晚上 · 下层 风速减小 · 风向向左偏 上层风速增大 · 向右偏 风的阵性 乱流涡旋随基本气流运动,局地风向不断改变、风速时大时小 自由大气 · 随高度变化 风速随高度逐渐增大 · 对流层顶附近达到最大 风向趋于一致 · 中纬度地区风向偏西 南半球:风向变化相反
随高度
北半球随高度增加:风速增大,风向向右偏;南半球相反
日变化
白天近地面风速增大、风向向右偏,上层相反;晚上下层风速减小、风向向左偏,上层风速增大、向右偏
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
自由大气
风速随高度增大,对流层顶附近最大;风向趋于一致,中纬度偏西

注 · 北半球的风永远在"向右偏":随高度右偏、白天右偏、晚上上层右偏。南半球全部反过来。

05 地方性风

海陆 · 山谷 · 峡谷 · 焚风

① 海陆风(白天 → 海风) 低层:海上 → 陆地(海风) 上层:陆地 → 海上(完整热力环流) 白天陆地增热快气温高 · 晚上相反 → 陆风 ② 山谷风(白天 → 谷风) 白天:谷地 → 山坡(谷风) 成因与海陆风相似 晚上 → 山风 ③ 峡谷风 狭窄处 · 流速增大 山口、河谷地区风速较大的风 山区丘陵常见 · 风速变化增大 · 影响山地飞行 ④ 焚风 气流过山 背风坡热干风 气温迅速升高 · 湿度急剧减小
海陆风
白天陆地增热快:陆上空气上升、海上空气下沉,低层风从海上吹向陆地(海风),上层反向,构成完整热力环流;晚上相反(陆风
山谷风
成因与海陆风相似:白天山坡气温高于山谷上同高度气温,底层风从谷地吹向山坡(谷风);晚上形成山风
峡谷风
山口、河谷地区,空气进入狭窄处流速增大,形成风速较大的风;山区丘陵常见,风速变化增大,影响山地飞行
焚风
气流过山后沿背风坡向下吹的热干风:气温迅速升高、湿度急剧减小

注 · 海陆风和山谷风同一套逻辑:白天哪边热风就吹向哪边(海风、谷风),晚上倒过来。峡谷风考"狭窄处流速增大",焚风考"热干"两个字。

06 风对飞行的影响

逆风起降 · 顺风省油

起飞与着陆 通常要求逆风起降 逆风 着陆既要考虑跑道上的风,也要考虑进场区域的风 都是摩擦层中的风 · 受地表面特征影响很大 起飞前制定飞行计划:按机场温度和风计算载重量 风对航行的影响 顺风飞行 减小燃油消耗 · 增加航程 逆风飞行 增加燃油消耗 · 增加飞行时间 · 减小航程 侧风飞行 导致偏离计划航线 · 需修正风的影响 逆风起降:地速小 · 滑跑短 · 方向稳 载重量计算的两个输入:机场温度 + 风 热 + 无风(或顺风)→ 减载
起降
通常要求在逆风条件下进行;着陆时既考虑跑道上的风,也考虑进场区域的风(都是摩擦层中的风,受地表面特征影响很大)
载重
起飞前制定飞行计划时,应根据机场的温度和风进行载重量计算
顺风
减小燃油消耗,增加航程
逆风
增加燃油消耗,增加飞行时间,减小航程
侧风
导致偏离计划航线,需修正风的影响

注 · 看似矛盾其实一致:起降要逆风(要的是空速),巡航喜欢顺风(要的是地速)。