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7章 循环的风(2)

夏季风是从东南沿海吹来的,形成湿热多云雨的天气,而冬季风是从西北大陆吹来的造成晴朗、寒冷而干燥的天气。

风的能量

空气流动所形成的动能即为风能,它是太阳能的一种转化形式。太阳辐射造成地球表面受热不均,引起大气层中压力分布不均、空气沿水平方向运动形成风。风的形成乃是空气流动的结果。风能利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。

风能是一种广泛分布的无污染再生能源,但它又是一种低密度的(周期和非周期)变化的能源。不过,在缺少矿物燃料和水能资源而风能资源丰富的地区,风力发电有着良好的应用前景。

根据世界气象组织调查估计,地球陆地表面1.49×108平方千米中27%的面积年平均风速高于5米/秒(距地面10米处),地面平均风速高于5米/秒的陆地的总面积约为3×107平方千米。

人类利用风能历史悠久,几千年前,我国和尼罗河流域利用风力驱动帆船,后来用风车取水灌溉、加工谷物,公元13世纪风车传入欧洲。至20世纪初,丹麦首先利用风力发电,此后世界上许多国家相继研制风力机发电,全球风力机曾达数百万台。此时,由于蒸汽机发电、内燃机发电的发展,大部分风力机被取代。1973年世界上发生能源危机,风能作为一种补充能源重新受到重视。

风力电厂现在许多国家特别是西方工业化国家利用大型风力机发电,有些国家如瑞典、丹麦等风力发电已成为一种重要的能源,美国加利福尼亚州沿海、英国北海沿岸一带分别建造了大片风力机群。美国在2000年风力发电量占总发电量的4%~6%。

我国幅员辽阔,海岸线长,风能资源比较丰富。据国家气象局估计,全国风能密度平均为100瓦/平方米,风能资源储量巨大。特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区,每年风速在3米/秒以上的时间接近4000小时,一些地区年平均风速可达6~7米/秒以上,具有很大的开发利用价值。

内蒙古草原上的风力发电机风能目前主要用于以下4个方面:

风力提水。风力提水从古至今一直得到较普遍的应用。至20世纪下半叶,为解决农村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水以及为了节约能源,风力提水有了很大的发展。现代风力提水根据其用途可以分为两类:一类是高扬程小流量的风力提水机,主要用于草原、牧区,为人畜提供饮水;另一类是低扬程大流量的风力提水机,汲取河水、湖水或海水,主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。

风力发电。利用风力发电已经越来越成为风能利用的主要形式,受到各国的高度重视,而且发展速度最快。风力发电通常有3种运行方式:一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,利用蓄电池蓄能,以保障无风时的用电;二是风力发电与其他发电方式相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电;三是风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。

风帆助航。在机动船舶发展的今天,为节约燃油和提高航速,古老的风帆也得到了发展。现在已经在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航,节油率达15%。

风力制热。随着人们生活水平的提高,家庭用能中热能的需求越来越大,特别是在高纬度地区的欧洲、北美等地,取暖和煮水消耗了大量的热能。为了解决家庭及低品位工业热能的需求,风力制热有了较大的发展。

风的表示方法

风是一个向量,因此需要测量风速和风向两个项目,才能完全地描绘出风的状况。我国是历史悠久的文明古国,很早就根据树枝或植物叶的摆动情况来观察风。如把茅草或鸟翎等物吊在高杆顶端,用以观察风向。到了汉代又发展成测风旗和相风鸟来测定风向。前者是用绸绫之类做成的旗子悬挂在高杆之顶,看旗判断风向;后者是把一个特制的、很轻的鸟形物悬在杆头,鸟的头部所指便是风向。这种方法不仅能测风向,同时还能根据羽毛被举的程度大体判断风速,可以说是雏形风速计。

在国外,直到公元1500年才由意大利的达芬奇发明了风速计。他设计的风速计原理与我国的羽葆法完全一样,可是时间上要晚将近1000年。现在气象台站业务使用的测风仪是电接风向风速计,它由风向标、风杯和电动指示器三部分组成。风向标和风杯安装在室外较空旷的高处,用风向标测定风向,用风杯测定风速,电动指示器安装在室内,能随时反映当时的风向和风速。

风与气温、气压要素不同,它是一个表示空气运动的要素,它不仅具有数值的大小、风速,还具有方向——风向。

风速是指气流前进的速度,风速越大,风的自然力量也越大,所以一般都用风力来表示风速的大小。风速的单位用米/秒、千米/小时表示。根据风对地上物体所引起的影响将风的大小分为13个等级,称为风力等级,简称风级,以0~12等级数字记载:

0无风烟直上平静

1软风烟示风向,微波峰无飞沫

2轻风感觉有风,小波峰未破碎

3微风旌旗展开,小波峰顶破裂

4和风吹起尘土,小浪白沫波峰

5劲风小树摇摆,中浪折沫峰群

6强风电线有声,大浪到个飞沫

7疾风步行困难,破峰白沫成条

8大风折毁树枝,浪长高有浪花

9烈风小损房屋,浪峰倒卷

10狂风拔起树木,海浪翻滚咆哮

11暴风损毁普遍,波峰全呈飞沫

12台风摧毁极大,海浪滔天

风向是指风吹来的方向。例如,风从东北方向吹来便称为东北风,风从西北方向吹来便称为西北风。

风的模式

气旋与反气旋循环因为空气总是寻找低压区域,所以气流会从高压区域向低压区域流动。在北半球,从高压向低压区域流动的空气向右偏转,产生一个绕高压区域的顺时针循环,称之为反气旋循环。低压区域与之相反,向低压区域流动的空气被偏转而产生一个逆时针循环或气旋循环(如右图)。

高压系统影响下的区域一般是干燥稳定的下沉空气的区域。由于这个原因,晴好天气通常和高压系统有关。相反,空气流进低压区域会取代上升的空气,这时空气会趋于不稳定,通常会带来云量和降水量的增加。

对高低压风模式的良好理解在制定飞行计划时有很大的帮助,因为飞行员可以利用有利的顺风。如下图:

飞机航线的选择与高低压风模式的关系

当计划一次从西向东的飞行时,沿高压系统的北边和低压系统的南边将会遇到有利的风向。在返程飞行中,最有利的风向将是同一高压系统的南边或者低压系统的北边。

循环理论和风模式对于大范围大气循环是正确的,然而它没有考虑到循环在局部范围内的变化。局部环境,如地形特征和其他异常等,可以改变接近地表的风向和风速。

对流型气流

不同的地表辐射热量的程度是不同的。耕地、岩石、沙地、荒地会发出大量的热量,水体、树木和其他植被区域趋于吸收和保留热量,结果是空气的不均匀受热产生称为对流气流的小范围内局部循环。

飞机降落时受上升与下降气流的影响

对流气流导致颠簸,在温暖的天气飞行在较低高度有时会遇上湍流空气。低高度飞越不同的地表时,上升气流很可能发生在路面和荒地上空,下沉气流经常发生在水体或者类似成片树林的广阔植被区域之上。一般的,这些湍流环境可以通过飞在更高的高度来避免,甚至是飞在积云层之上(如上图)。

陆地和海洋间在白昼与夜晚不同的气流对流气流在大陆直接和一大片水体相邻的区域特别明显,例如海洋、大的湖泊,或者其他相当的水域。在白天,陆地比水体受热更快,所以陆地之上的空气变得更热,密度更低。它上升且被更冷的来自水面上的稠密空气取代,这导致了一种朝向海岸的风,称为海风。相反地,在夜晚陆地比水体降温更快,相应的空气也是这样,这时,水面上温暖的空气上升被更冷的来自陆地的空气取代,产生一种称为陆风的离岸风。对流气流可以发生在地表不均匀受热的任何地区。知识点纬向环流纬向环流,是指大气中盛行的沿纬圈流动的东西向气流。北半球的平均纬向环流,如极地东风带,厚度和风速均为冬季大于夏季;中纬度从地面向上均为西风,宽度随高度扩大,风速随高度增大,到对流层顶附近达最大值,称为急流;赤道地区亦为东风带,从冬季到夏季,东风带向北移动,范围扩大,强度增强。纬向环流在不同地区有很大差异,特别是在西风带内尚有行星波尺度的平均槽脊存在,使纬圈环流呈波状形式。