风是怎样形成的

气压差引起风

  大气为什么会运动?是什么力量驱使它运动的呢?原因是错综复杂的。水平的风,垂直的升降气流,不规则的乱流运动,都各有其复杂的成因。这里先就风的成因谈起吧。

  自从十七世纪出现了气压表,指出空气有重量因而有压力这个事实以后,为人们寻找风的奥秘提供了开窍的钥匙。十九世纪初,有人根据各地气压与风的观测资料,画出了第一张气压与风的分布图。这种图不仅显示了风从气压高的区域吹向气压低的区域,而且还指明了风的行进路线并不直接从高气压区吹向低气压区,而是一个向右偏斜的角度。

  一百多年来,人们抓住气压与风的关系这一条从实践中得来的线索,进一步深入探究,总结出一套比较完整的关于风的理论。风朝什么地方吹?为什么风有时候刮起来特别迅猛有劲,而有时候却懒散无力,销声匿迹?这完全是由气压高低、气温冷暖等大气内部矛盾运动的客观规律在支配着的。人们不仅用这种规律来解释风的起因,而且还用这些规律来预测风的行踪。

气压怎样作用于风 

  风为什么从高气压区吹向低气压区?为什么在吹向低气压区的同时会向右偏斜?又为什么风力有时迅猛且强劲,而有时却非常微弱?要弄清这些问题,得先了解一些关于气压分布的知识。  

  上图是一张某一时刻的海平面气压分图。图中画着一条条曲曲弯弯的等压线,顾名思义就可知道凡是同一条等压线经过之处,那里的海平面气压都是相等的。在等压线闭合起来的地区,如果气压高于周围,就称为高气压(图中A处);若气压低于周围,则称为低气压(图中D处)。而从高气压伸展出来的部分称为高压脊(图中B处),从低气压伸展出来的部分称为低压槽(图中C处)。这种气压分布图和表示地势起伏的地形分布图十分想象:高气压和低气压好比山峰和谷底,高压脊和低压槽犹如山脊和山坳,而等压线就象表示海拔高度的地形等高线。

  等压线的分布有疏有密,这种等压线的疏密程度表示了单位距离内气压差的大小,称为气压梯度,等压线愈密集,表示气压梯度愈大。这和地形分布图上地形等高线的疏密分布表示坡度的平陡也有相似之处。

上图所示,地形等高线愈是稀疏,表示那里地势比较平坦,而在地形等高线非常密集的地方,那里一定是个陡坡。如果在斜坡上造起每级高度相等的石阶梯,每一石级相当于一条地形等高线,那么石阶梯的坡度愈大,石级的间隔距离便愈短,地形等高线愈密集,而平坦的石阶梯坡度则相应的地形等高线必愈疏。既然气压分布图上的等压线可以比喻为地形分布图上的等高线,那么气压梯度也就好比石阶梯的坡度了,大概梯度这个名称就是这样比喻出来的吧。

   各地的气压如果发生了高低的差异,也就是说两地之间存在气压梯度的话,气压梯度就会把两地间的空气从气压高的一边推向气压低的一边,于是空气流动起来,风产生了, 气压梯度怎么会产生能推动空气运动的力量呢?这可以拿江河中水流来打比方。水从高处流向低处,是因为高处的水和低处的水存在着水位差(右下图),从而使上下游同一水平面上的两点A和B之间发生了重力差异,上游A处所受水柱重力显然要大于下游B处。于是便产生从上游压向下游的旁压力,水就在这种旁压力的作用下顺着倾斜河床从上游流向下游,从高处流向低处。两地间水位差愈大,A、B间的重力差异也愈大,水就流得愈快。

  在空气的“海洋”里也有“水位差”―气压差,即两地间存在着气压梯度。计量水位差单位用米,而计量气压差则用毫巴为单位。两把尺子不一样,但水和空气都是流体,又都有重量,水平方向上两地的水或空气如果存在重力的差异,就都会产生由重力大的地方指向重力小的地方的旁压力(如下图)。从这个意义上看,情况又都相像:水受到旁压力的作用从高处流向低处,水位差愈大,流速愈快;而空气也在旁压力的推动下,从气压高处流向气压低处,两地间气压差愈大,也即气压梯度愈大,空气流得也愈快,风刮得愈起劲。

  人们把在空气的“海洋”里,由于存在气压梯度而产生这种旁压力称为气压梯度力(如下图),气压梯度力是由于大气压力不均匀而作用在空气质点上的压力,其方向由高压指向低压,垂直于等压面,也可以分解成水平气压梯度力和垂直气压梯度力。显然,它的大小和气压梯度成正比。

  现在不难明白风怎样吹起的道理,空气的流动原来是由气压梯度力推动起来的,风刮的猛烈还是微弱也是由气压梯度力的大小来决定的。

 

热极生风

  风为什么吹起?又为什么从高气压斜穿等压线吹向低气压的原因我们在前面基本上已经揭开了。风是由气压分布的差异所引起的,但引起各地气压差异的原因又是什么呢?这里先从“热极生风”说起吧。

  从字面上看,“热极生风”的意思是说:一个地方热得太厉害,不久便会产生大风。夏天雷雨大风之前,空气往往热得出奇;而在冬天天气回暖,热得反常的时候,不久也会有冷空气大风来临。

  热与冷是相比较而存在的,这个地区热得反常了,与别的地区一比较,就会比出冷来了。如果那里原来受冷空气控制,那两个区域之间冷热的差异就更大了。

  在一定条件下各种矛盾运动都可以互相转化。冷热的矛盾也可以转化为气压高低的矛盾:热空气发生膨胀,引起该区空气密度减小,结果使得单位面积上承受的空气柱重量也减小,也就是说,那里的气压降低了;相反的,一个地区冷下来的结果会引起那里气压的升高。可见,两地间如果发生了冷热的差异,就会相应地引起气压的差异,冷热差异越大,气压差异也越大。

  两地间气压差加大,气压梯度力就会增加,风也越刮越有劲。迅猛异常的雷雨大风和冷空气大风,就是因为雷雨地区、冷空气地区与暖区之间发生了很大的温度差,从而引起很大的气压差和很大的气压梯度力而产生的。这样,冷和热的矛盾运动,通过气压高低的矛盾,最后又转化为风的矛盾运动、热运动转化成为风的机械运动。



  然而,这种矛盾运动的转化过程还没有完结:风刮起来以后,川流不息到处奔走,它从南方刮到北方,又从北方刮到南方,从暖的地区刮到冷的地区(气象上称为暖平流,常用高空等压面图上等高线与等温线迭加在一起来进行分析),又从冷的地区刮到暖的地区(气象上称为冷平流),使冷暖空气来来往往,这样风就很自然地成为传送热量的角色。它每走一步就会引起经过之处温度的改变,从而也使各地之间的温度差异发生变化。于是风的机械运动终于又转化为冷与热的矛盾运动。然后,冷与热的矛盾运动又可通过气压高低的矛盾转化为风的机械运动……这种转化过程,一次次地循环,没完没了。

地转风

  地转风是指自由大气中空气的水平等速直线运动,是指无加速度、惯性离心力不起作用情况下的运动。在这种运动中,只有水平气压梯度力和地转偏向力起作用。地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。

  地转风是平衡运动,它受到的合外力等于零,没有加速度。空气运动平行于等压线,人背风而立,高压在右,低压在左。这就是北半球地转风的规则。平时我们说水往低处流,那么空气也应该从高压向低压流动了。但实际上却是平行于等压线流动的,这是地转偏向力影响的结果。因为,当有了气压梯度之后,空气要从高压向低压流,但一有运动,就会受地转偏向力的作用,使运动方向向右偏(北半球),随着运动方向的改变,偏向力的方向也改变,因为偏向力的方向永远垂直于运动方向所指的右方。

梯度风

  梯度风是地转风在一定条件下,转化成另一种大尺度的系统风。当地转风在圆形的气压场中时,风是做等速曲线运动。作曲线运动物体的运动轨道,都有一定长度半径,所以风在运动时,除梯度力、偏向力作用外,还要受到惯性离心力的作用,当三个力作用平衡时,有效分力为零,风沿等压曲线作惯性等速曲线运动,这就是梯度风。


  等压线往往是无规则的曲线。为了典型起见,我们假定等压线是同心圆。在这样的气压场中,空气受到水平气压梯度力的作用,力的方向是垂直于等压线由高压指向低压。