风向和风速教学课件

风向和风速教学课件第一章风的基础知识什么是风？风是地球大气层中空气的水平流动现象当不同区域之间存在气压差时，空气会从高压区域流向低压区域，这种流动就形成了我们感受到的风风的强弱和方向直接影响着我们的日常生活、天气变化和气候特征风的两个最重要的要素是风向和风速风向告诉我们风从哪个方向吹来，而风速则表示风的强度这两个要素共同决定了风对环境和人类活动的影响程度风的成因0102太阳辐射差异空气密度变化太阳光照射地球表面时，由于地形、纬度、季节等因素的影响，不同区域受热的空气密度减小向上上升，而冷空气密度增大向下下沉，这种垂直运接受的热量不同，形成温度差异动打破了大气的平衡状态0304气压梯度形成风的产生由于空气的垂直运动，地面形成高压和低压区域，产生水平气压梯度力，空气在气压梯度力的作用下，从高压区域流向低压区域，形成我们观测到推动空气水平流动的风现象太阳照射与风的形成上图展示了太阳对地球表面的不均匀加热过程由于地球的球形结构和自转运动，赤道地区接受的太阳辐射最强，而极地地区接受的辐射最弱这种差异是形成全球大气环流和各种风系的根本原因赤道地区特点极地地区特点•太阳辐射强度大•太阳辐射强度小•空气受热上升明显•空气冷却下沉•形成低压带风向的定义与表示风向是指风吹来的方向，而不是风吹去的方向这是气象学中一个重要的概念，初学者经常会混淆例如，北风是指从北方吹向南方的风，而不是吹向北方的风北风N东风E0°/360°90°从正北方向吹来从正东方向吹来西风W南风S270°180°从正西方向吹来从正南方向吹来风向测量工具风向标的结构与原理风向标由两个主要部分组成箭头和尾翼箭头较小，尾翼较大当风吹来时，由于尾翼面积大，受风力作用明显，会被风推向下风方向，而箭头则指向风的来向读取方法•箭头指向的方向就是风向•需要结合指北针确定准确方位•观测时应避开建筑物遮挡•记录时间和风向变化情况传统风向标安装在建筑物顶部风速的定义与测量风速是指单位时间内空气移动的距离，是衡量风强弱程度的重要指标在气象学和日常应用中，风速有多种表示单位，需要根据具体情况进行换算常用单位测量工具类型单位换算关系米/秒m/s-国际标准单位杯式风速计-最常见类型1m/s=

3.6km/h公里/小时km/h-日常常用•热线风速计-精密测量1km/h=

0.278m/s•节knot-航海航空专用•超声波风速计-现代化设备1节=

1.852km/h•英里/小时mph-英美国家使用•激光多普勒风速计-高精度1mph=

1.609km/h风速计的工作原理上图展示了杯式风速计的详细结构这是最常用的风速测量设备，其工作原理基于风推动杯体旋转的机械运动杯式风速计原理数据采集过程三个或四个半球形杯子安装在水平轴上，风吹动杯子使其旋转由于杯转轴连接计数装置，记录单位时间内的转数通过标定实验建立转速与子的形状设计，凹面受风阻力大于凸面，产生转动力矩旋转速度与风风速的对应关系，最终计算出准确的风速数值速成正比关系现代风速计通常集成数字显示屏和数据存储功能，可以显示实时风速、平均风速和最大阵风速度第二章风力等级与风速划分系统学习蒲福风级标准，掌握不同风力等级的特征表现，为实际观测和应用奠定基础蒲福风级简介蒲福风级（Beaufort Scale）是由英国海军军官弗朗西斯·蒲福爵士于1805年制定的风力等级标准这个标准最初是为了统一海上风力的观测和记录而设计的，后来逐渐扩展到陆地使用历史发展1805年-蒲福首次制定海上风力等级1830年代-英国海军正式采用1850年代-扩展到陆地现象描述•现代-国际气象组织标准弗朗西斯·蒲福爵士1774-1857风力等级表详解风级名称风速m/s风速km/h陆地现象描述0无风

0.0-

0.21烟直上，空气静止，树叶不动1软风

0.3-

1.51-5烟能指示风向，风向标不动2轻风

1.6-

3.36-11人面感觉有风，树叶微动3微风

3.4-

5.412-19树叶和旗帜轻微摆动6强风

10.8-

13.839-49大树枝摇摆，举伞困难9烈风

20.8-

24.475-88小树可被吹倒，房屋受损12台风

32.7-

36.9117-134摧毁力极大，建筑物普遍受损这个表格展示了从无风到台风的主要等级特征每个等级都有明确的风速范围和对应的自然现象描述，便于实际观测和判断完整风力等级体系0-3级微弱风力日常生活中最常遇到的风力等级，对人类活动影响很小，适合各种户外活动4-6级中等风力开始对日常生活产生一定影响，如行走不稳、尘土飞扬等，需要注意防护7-9级强风等级对交通运输和户外作业产生明显影响，可能造成轻微财产损失，需要采取防护措施10-11级暴风等级极具破坏力，可造成严重灾害，人员应避免外出，加强建筑物和设施的防护12-17级台风等级具有毁灭性破坏力，17级以上称为超级台风，风速超过

61.3m/s，是自然界最强烈的风力现象当风力达到8级以上时，应立即停止户外活动，寻找安全避风场所，避免人员伤亡风力等级的视觉表现上图直观展示了不同风力等级对陆地和海面造成的典型影响从左到右分别显示了无风、微风、大风、强风和台风等级的特征表现陆地现象特征海面现象特征•树木摆动程度是最直观的判断标准•波浪高度和白浪覆盖面积•烟雾和尘土的飘散方向和强度•海水表面的泡沫分布•建筑物和构筑物的受损情况•浪峰形状和破碎程度•人员行走和站立的稳定性•能见度受浪花飞溅的影响风力等级的实际应用天气预报服务航海安全保障气象台在发布天气预报时，使用蒲福风级来描述风力强度，帮助公众了解船舶航行时必须根据海上风力等级制定航线和航速不同等级的风力对各风力对日常生活的影响程度预报员会结合风向和风速信息，为不同行业类船舶的影响不同，船员需要根据实时风力等级调整操作策略，确保航行提供专业的气象服务建议安全航空飞行指导灾害预警系统机场根据风力等级决定飞机起降的可行性强风天气可能导致航班延误或当风力达到一定等级时，气象部门会发布相应的预警信号不同颜色的预取消，飞行员需要根据风力等级和风向信息调整起降程序和飞行路径警对应不同的风力等级，政府和公众据此采取相应的防灾减灾措施第三章风的分类与类型深入了解地球上各种风系的形成机制，掌握全球风带和局地风的基本特征与分布规律全球风系概述地球上的风系是由太阳辐射不均匀和地球自转共同作用形成的全球风系呈现出规律性的带状分布，构成了地球大气环流的基本框架信风带西风带极地东风带位置南北纬30°至赤道之间位置南北纬30°-60°之间位置南北纬60°至极地特征东北信风和东南信风，相对稳定，全特征盛行西南风和西北风，风力较强且不特征盛行东北风和东南风，寒冷干燥年盛行稳定成因极地高压向副极地低压的气流成因副热带高压向赤道低压的气流成因副热带高压向副极地低压的气流科里奥利力是地球自转产生的偏向力，使得风向发生偏转北半球向右偏，南半球向左偏这种偏转效应在形成全球风带分布中起到关键作用局地风的形成机制局地风是由于地形、地表性质差异等局部因素形成的小范围风系这些风系虽然范围较小，但对当地气候和人类活动有重要影响海陆风循环白天海风陆地升温快，形成低压，海风吹向陆地夜晚陆风海洋降温慢，陆地降温快，陆风吹向海洋山谷风循环白天谷风山坡受热强烈，谷底空气沿山坡上升夜晚山风山坡降温快，冷空气沿山坡下沉到谷底城市热岛风热岛效应城市温度高于郊区，形成低压中心辐合风郊区空气向城市中心辐合，加剧热岛效应海陆风循环详解上图清晰展示了海陆风的24小时循环过程这种现象在沿海地区特别明显，对当地气候调节和人类活动安排具有重要意义白天海风特征夜晚陆风特征时间上午10时至下午4时最强时间午夜前后最强强度通常3-5级，最强可达6级强度通常比海风弱，多为2-3级影响降低沿海地区温度，带来清凉影响有利于海上航行和捕鱼作业•深入内陆可达20-30公里•影响范围主要限于近海几公里范围渔民和sailors传统上利用这种规律性的风向变化来安排出海和返港时间，这体现了人类对自然规律的巧妙利用风的垂直分布特征大气中的风速和风向随高度变化而变化，这种垂直分布特征对航空、建筑设计和环境监测具有重要意义1地面层0-100m受地面摩擦影响最大，风速随高度快速增加地表粗糙度直接影响风速分布，城市地区风速增长更明显2边界层100m-2km摩擦力影响逐渐减小，风向开始向地转风方向偏转这一层的风速和风向变化对天气预报非常重要3自由大气层2km以上风向接近地转风方向，风速相对稳定这一层的风对长途飞行和全球大气环流影响显著4急流层8-12km存在强大的喷射气流，风速可达50-80m/s急流对天气系统移动和航空飞行路径规划极为重要喷射气流是对流层顶附近的强风带，宽度数百公里，厚度几公里，对全球天气系统具有重要的引导作用第四章风向与风速的测量与记录掌握现代气象观测技术，学会正确使用测风仪器，建立科学的数据记录和分析方法测风仪器的正确使用准确的风向风速测量需要合适的仪器选择、正确的安装位置和规范的操作方法国际气象组织WMO制定了严格的标准来确保测量数据的准确性和可比性123仪器安装标准日常维护要点观测注意事项高度要求距地面10米的标准高度•定期清洁传感器表面，去除灰尘和异物•观测时间应固定，通常为每小时整点水平距离距离障碍物至少10倍障碍物高度•检查轴承润滑状况，确保转动灵活•记录瞬时风向风速和平均值•验证指北针的准确性和稳定性•注意识别和记录阵风现象地面条件选择平坦开阔的代表性地点•校验数据采集系统的时间同步•恶劣天气下加强观测频次•避开建筑物、树木等造成的风场扰动在台风等极端天气条件下，应提前加固测风设备，并准备备用观测方案，确保数据连续性风向风速数据的科学记录科学的数据记录是气象观测工作的基础现代气象站通过自动化设备进行连续观测，但人工观测记录仍然是重要的验证和补充手段数据采集要求单位换算工具风速换算公式参数采集频率记录精度瞬时风向每秒1次1度m/s×

3.6=km/hkm/h÷

3.6=m/s节×

1.852=km/hmph×

1.609=km/h瞬时风速每秒1次

0.1m/s2分钟平均风向每分钟1度2分钟平均风速每分钟

0.1m/s数据质量控制最大阵风连续监测

0.1m/s•异常值检测和标记•数据完整性检验•设备校准记录•人工观测对比验证风玫瑰图的应用分析风玫瑰图是展示某地区风向风速统计特征的重要工具上图显示了典型的风玫瑰图结构，不同方向的长度表示该方向风的频率，不同颜色代表不同的风速等级风向分布分析通过风玫瑰图可以快速识别主导风向和次要风向这对于城市规划、建筑设计和环境评估具有重要参考价值风速等级统计不同颜色代表不同风速等级的出现频率，帮助了解该地区的风能资源分布和极端天气出现概率季节变化对比制作不同季节的风玫瑰图，可以分析风向风速的季节性变化规律，为长期规划提供科学依据工程应用价值在机场跑道方向设计、风力发电场布局、污染物扩散分析等方面，风玫瑰图都是不可缺少的分析工具第五章风的实际应用案例探索风在现代社会中的多样化应用，了解风能利用、交通运输和气象预报中的关键作用风能利用与可持续发展风能作为清洁的可再生能源，在全球能源转型中发挥着越来越重要的作用现代风力发电技术已经非常成熟，成为许多国家主要的清洁能源来源风力发电原理风力发电机通过叶片捕获风的动能，转化为旋转机械能，再通过发电机转换为电能现代风机的转换效率可达45-50%风资源评估要素平均风速年平均风速不低于6m/s风能密度衡量风能资源丰富程度湍流强度影响设备安全和寿命•风向稳定性影响发电效率现代化风力发电场15%35%280GW全球占比增长率中国装机风电在全球可再生能源中的比例近年来风电装机容量年均增长率中国风电总装机容量领先全球航海中的风向风速应用自古以来，人类就学会了利用风力进行海上航行现代航海虽然主要依靠机械动力，但对风向风速的准确把握仍然是确保航行安全和提高效率的重要因素传统帆船航行现代船舶导航竞技帆船运动帆船利用风力推进，船员需要根据风向调整帆的角度和航向现代商船利用天气路由系统，综合分析风向风速、海浪、洋流帆船比赛中，对风向风速的精确判断和快速反应是获胜的关逆风航行时采用之字形路线，通过多次转向最终到达目标等要素，选择最优航线，降低燃油消耗和航行时间键运动员需要实时观察风向变化，调整战术策略现代航海气象服务可以提供48-72小时的精确风向风速预报，帮助船舶制定最佳航行计划气象预报中的风向风速分析风向风速是天气预报中的核心要素之一通过对风场的分析，气象学家可以预测天气系统的移动路径、强度变化和影响范围，为公众提供准确的天气预报服务观测数据采集数值模式计算利用地面气象站、探空气球、卫星和雷达等多将观测数据输入大气数值模式，通过超级计算种手段，获取大气中不同高度的风向风速数机计算未来大气运动状态和天气变化趋势据预报产品制作天气图分析结合数值预报结果和天气图分析，制作面向不气象分析员绘制地面和高空天气图，分析气压同用户的天气预报和气象预警产品系统、锋面位置和风场分布特征台风预报中，准确分析风场结构和变化趋势是预测台风路径和强度的关键技术，直接关系到防灾减灾效果课堂互动测风实验实践通过动手制作简易测风仪器和实地观测，可以加深对风向风速概念的理解，培养科学观察和实践能力这是将理论知识转化为实践技能的重要环节0102制作简易风向标制作简易风速计材料准备硬纸板、吸管、图钉、指北针材料准备塑料杯、木棒、轴承、计数器制作步骤剪切箭头和尾翼形状，固定在吸管两端，用图钉固定在支撑杆上，确保可以自由旋转制作步骤将塑料杯固定在十字形支架上，中心安装转轴，连接计数装置，标定转速与风速关系0304实地观测训练数据分析讨论观测要点选择开阔地点，避开建筑物影响数据整理制作观测记录表，计算平均值记录内容观测时间、风向、风速、天气现象、风力等级判断结果讨论分析风向风速变化规律，与天气预报对比验证学生制作简易测风仪器总结与展望通过本课程的学习，我们系统掌握了风向和风速的基本概念、测量方法和实际应用风向风速不仅是气象学的核心要素，更是我们日常生活中需要关注的重要信息知识要点回顾实践能力培养科学素养提升•风的成因和全球风系分布规律•正确使用测风仪器进行观测•培养对自然现象的观察兴趣•蒲福风级标准和风力等级判断•科学记录和分析风向风速数据•建立科学的思维方法和分析能力•风向风速的测量原理和方法•运用风力等级知识判断天气状况•增强环境保护和防灾减灾意识•风在各个领域的实际应用价值•制作简易测风仪器的动手能力•理解人类与自然和谐共生的理念希望同学们在日常生活中多关注天气变化，运用所学知识观察和分析身边的气象现象，培养科学观察能力和探索精神让我们共同关注气候变化，为建设美丽地球贡献自己的力量风，连接着天地万物，承载着自然的奥秘与人类的智慧。