书城科普读物探索神秘的大自然:有趣的物质循环
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第6章 循环的风(1)

风的定义

风是相对于地球表面的空气运动,通常指它的水平分量,以风向、风速或风力表示。风向指气流的来向,常按16方位记录。风速是空气在单位时间内移动的水平距离,以米/秒为单位。大气中水平风速一般为1.0~10米/秒,台风、龙卷风有时达到102米/秒,而农田中的风速可以小于0.1米/秒。风速的观测资料有瞬时值和平均值两种,一般使用平均值。风的测量多用电接风向风速计、轻便风速表、达因式风向风速计,以及用于测量农田中微风的热球微风仪等仪器进行;也可根据地面物体征象按风力等级表估计。

风是怎样形成的

气压梯度力

风是怎样形成的?为什么有时吹南风?有时吹北风?而且强弱不定?这是因为水平方向上气压分布的不均匀。空气的水平流动如水流一样,水从高处往低处流,这是因为两地存在水位差从而产生了从水位高处指向低处的压力。同理,两地存在着气压差,也会产生一种由高压处指向低压处的压力,使空气从高压处流向低压处两地气压差愈大,空气流动就愈快,风力也愈大。

这种水平方向上气压分布的不均匀情况,主要是由热力条件所造成的。不同的地方受到太阳光照射不同,或者由于地面性质或形状不同,即使是在太阳同样的照射下也会使气温不同。气温的差异,使有的地方空气膨胀,有的地方空气收缩直接影响了空气密度的变化。气压也因而不同,有时某些地方有大量空气流入或流出。如果流入大于流出,可使该地区的气压上升;如果流入小于流出,可使该地区气压下降。使风驱动的原动力是太阳,而太阳赐予地球上的热量分布是参差不齐的。

赤道和低纬度地带比两极单位面积上接受的太阳能多得多,热量分布的不均衡,使大气这部巨大的机器发动起来。赤道上空气受热膨胀热空气上升,向外流去并逐渐冷却,到了南北纬30度附近,向地面下沉。与此相仿,南北两极的冷空气下沉逐渐增温,然后上升又重复循环,在这两组由热力作用所生成的环之间是中纬度环,环内的气流在一侧追赶向上冲的极地环,在另一侧跟随向下沉的热带空气,好像一组反向运转的齿轮装置。在上述过程中逐渐形成固定的天气类型。两极气流下沉,形成稳定的高压区。在南北纬60度附近,气流上升产生低压带。中纬度与热带交接处气流下沉,形成高压带,称为副热带无风带。靠近赤道的热带,气流上升,形成低压区,叫做赤道无风带。

热带空气流向两极,两极空气又流回赤道,然而,由于地球的自转,使空气运动产生了偏转。北半球向右、南半球向左偏转,加上地球上山峦起伏海陆分布不均,对气流又产生了进一步的影响。而在小地形和下垫面的综合作用下,使局地风况变得更为复杂,主要的局地风有:海陆风、山谷风、焚风和峡谷风等。

1.海陆风

海岸附近,在晴朗天气时,白天风由海洋吹向陆地称为海风;夜间风由陆地吹向海洋称为陆风。这种在沿海以日为周期随昼夜交替而改变风向的风,称为海陆风。

热力因素是海陆风形成的基本原因:白天,太阳辐射到达到地面时,由于海陆热力性质不同,陆地增温比海洋强烈,陆地上的空气受热膨胀上升,同时,海上空气温度较低,密度较大,空气下沉,并由低空流向陆地,以补偿陆地上升的空气,形成海风。地面上升的空气,在高空流向海洋,以补充海上的下沉气流,构成一个环流圈。夜间辐射冷却时陆地冷却比海面快,陆地上的空气冷而密度大,海面上空气暖而密度小,海面上空气上升,而陆地上空气下沉,并由低空流向海上,形成陆风。

通常海风强,陆风弱。海风最大风速可达5或6米/秒。影响范围也大一些,可深入陆地50或100千米。陆风一般有1或2米/秒,影响范围小些,深入海洋仅10千米左右。这是因为白天海陆温差大,夜间温差小的缘故。

海陆风转换时间,随地方条件和天气条件而不同。一般海风在上午9或10时开始,13或15时最强,随后减弱。到21或22时转为陆风,在夜间2或3时最强,随后逐渐减弱。到上午9或10时又转向海风,如果是阴天或者有较强的气压系统移来时,海陆风就很不明显。吹海风时,从海上带来大量水汽,使陆上空气湿度增大,温度降低,故夏日滨海地区不十分炎热。在内陆较大的水域附近,例如在湖泊、水库以及大的江河附近,也有类似的水陆风。浙江省新安江水库建成后,在沿水库水平距离5千米以内的水域附近,有水陆风出现,使沿水库附近区域成了夏季避暑胜地,冬季有利于作物的安全越冬。

2.山谷风

在山区出现的随昼夜交替而转换风向的风,昼间风由山谷吹向山顶,称为谷风;夜间风由山顶吹向山谷,称为山风,总称为山谷风。

在晴朗的白天,坡地强烈增暖,坡地上的气温比同高度谷底上空的气温高,坡上空气受热膨胀沿山坡上升,形成谷风;日落后,坡地迅速冷却,坡地上气温比同高度谷底上空的气温低,空气密度大,所以空气顺山坡下滑,流向谷底,成为山风。

一般在日出后2~3小时,开始出现谷风,并随着地面增热,风速逐渐加强,午后达到最大,以后因为温度下降,风速便逐渐减小,在日落前1~2小时,谷风平息,山风渐渐代之而起。山谷风一般夏季较冬季明显,通常谷风比山风强,白天谷风可将谷底的水汽带到山顶附近成云致雾,这就是山坡云雾多的主要原因;夜晚,山风把山上的冷空气带到谷地,引起谷地气温降低,冷空气在谷底堆积,冬季易出现低温、霜冻。

3.焚风

焚风是气流越过山岭时,在背风坡绝热下沉形成的干而热的风。当暖湿的气流越过较高的山脉时,在迎风坡,空气沿着山坡向上爬升上升时空气绝热降温;在未饱和时,先按干绝热递减率降温,每升高100米降温约1℃,到达凝结高度以后,按湿绝热递减率降温,每升高100米,降温0.4℃~0.6℃,并有水汽凝结,且出现降水,越过山顶后,空气顺坡往下滑,按干绝热增温。由于空气中的水汽在迎风坡凝结并降落,相对湿度减小,气温比山前的高,所以在背风坡形成了干燥而又火热的风,即为焚风。

我国许多地区都有焚风,例如当偏西气流越过太行山时,位于太行山东麓的石家庄就会出现焚风。据统计,出现焚风时,石家庄的日平均温度比无焚风时可提高10℃左右。

焚风有弊有利。焚风出现时,在短时间内气温急剧升高,相对湿度迅速下降,蒸腾加快,引起植物脱水甚至枯萎死亡造成农作物减产,甚至无收。另外还可能引起森林火灾,高山雪崩等。但焚风能提高温度,促使初春融雪,提早春耕,有利于作物生长;秋季焚风能使作物早熟,也是有利的一面。

4.峡谷风

当空气由开阔地区进入狭窄谷地时,谷口横截面积小,但空气又不可能在这里产生堆积,于是气流必须加速前进,因而形成了强风,这种风称为峡谷风。在我国台湾海峡、松辽平原等地,两侧都有山岭,地形似喇叭管,当空气直灌窄口时,经常出现大风,就是这个原因。

5.季风

有一种风是由于大气的大范围运动形成的,这种风叫季风。

季风是以年为周期,随季节而改变风向的风,季风形成的主要原因有两种:

一种是由于海陆热力差异产生的,另一种则是由于行星风带随季节移动而引起的。由于海陆的增热和冷却不同,夏季大陆增温较海洋快,气温较高,气压较低,气压梯度由海洋指向大陆,所以风由海洋吹向陆地,形成夏季风;冬季则相反,陆地温度低,气压高,风由陆地吹向海洋,形成冬季风。

由此可见,海陆间热力差异所产生的季风,都发生在海陆交界处,尤其是在副热带和温带地区,海陆间的温度差异,随季节变化大,季风最为显著。如亚洲东部、大洋洲和北美等地。

行星风带位移所引起的季风和海陆间热力差异而形成的季风不同。行星风带分布是很有规律的,但其位置随季节有明显的移动,在两个风带的交接处,往往出现风向随季节而改变的现象。例如亚洲南部、印度及中南半岛,夏季赤道低压北移,南半球的东南信风越过赤道形成西南风;冬季赤道低压南移,恢复为东北信风,这就是南亚季风形成的主要原因。处于亚洲东部的朝鲜、日本和我国的东部地区,濒临广阔的太平洋,位居世界最大的海洋和大陆之间,由于海陆间热力差异明显,所以季风很强盛,为东亚季风。