根据长期气象实践,得出了风场与气压水平分布的关系。自由大气中风基本上是沿等压线吹的。在北半球,背风而立,低压在左,高压在右;在南半球则相反。在
摩擦层中,由于风向斜穿等压线流向低压,故在北半球,背风而立,低压在左前方,高压在右后方;南半球则相反。这就是风压定律,又叫
白贝罗定律。
在大气中由于气压的不均匀分布,气压差的存在导致气压梯度力的存在,使空气存在一个由高压向低压运动的趋势。又因为地球自转,惯性运动导致地转偏向力的存在,会使气流在沿气压梯度力方向运动的过程中发生偏转,北半球向右偏,南半球向左偏,因此气流运动是气压梯度力和地转偏向力共同作用的结果。地转偏向力的方向始终与气流运动方向垂直,而气压梯度力一直由高压指向低压。若处在平行的气压场中(如图1),当气流运动方向(V)转至与气压梯度力(fg)垂直,则地转偏向力(fa)与气压梯度力处于同一直线上但方向相反,二力平衡使气流沿等压线方向运动,这样的风就成为地转风。地转风的存在就满足风压定律,通常用于已知地转风方向判断气压梯度力的方向,或者已知气压梯度力的方向判断地转风方向。
大气中的等压线并不都是平直的,有时是具有一定曲率的曲线。这时空气的水平运动不仅要考虑气压梯度力和地转偏向力的作用,还需要考虑惯性离心力(fc)的作用。此处以北半球等压线闭合形成环流的情况来说明,如图2所示。图2(a)为气旋式环流,中心为低压,四周为高压,
气压梯度力由外指向内,
惯性离心力由内指向外,风速在地转偏向力的作用下由沿气压梯度力的方向向右发生偏转,至
地转偏向力与气压梯度力、惯性离心力达到三力平衡,则气流沿等压线方向运动,这时的风称为梯度风。
反气旋式环流(图2(b))原理相同。可见气旋式环流为逆时针方向运动,反气旋式环流为顺时针方向运动,但二者的风向和气压场之间均满足风压定律。
热成风是地转风随高度的改变量。按照热力学的原理,两层等压面之间的厚度与这两层之间的温度成正比,而地转风的大小和等压面的坡度成正比。可见,地转风随高度增大是由于两层等压面间温度分布不均匀造成的,因此称其为热成风。