风向与风速

地球自转和风的偏向及小试验 

  风在气压梯度力的作用下吹起来了。可是出人意料,风一旦起步行走,却并不朝着气压梯度力所指的方向从高压一边直接迈向低压一边,而是不断地偏转它的方向,在北半球向右偏转,在南半球则向左偏转。这是无数次观测早已证明了客观事实。

  可见,一定还有一种什么力量从风的一侧拉着它转向。

  经过人们深入实践和研究,这种力终于找到了。这就是地转偏向力。这个名称的本身就已告诉我们:促使风向发生偏转的力量原来是因为地球自转而引起的。在不停地旋转着的地球上,受地转偏向力作用的不仅是风,一切相对于地面运动着的物体都受到它的作用,不过因为地转偏向力和物体受到的其他力比较起来极为渺小,不为人们觉察罢了。尽管如此,在经历了漫长的岁月以后,地转偏向力还是在地球上某些地方留下了它的痕迹。人们发现,沿着水流的方向,在北半球,河流的右岸往往比左岸陡峭;在南半球,河流的左岸比右岸陡峭。这是地转偏向力存在的一个见证。这种水流对左右岸冲刷作用的差异是微不足道的,但河里的水日夜奔流,一千年,一万年,一亿年,就会显现出来的。
  那末地球自转怎么会产生偏向力的呢?

  要解答这个问题,先来做一个实验:
  用纸板做一个圆盘,把圆盘的中心固定起来,使它能够转动,再准备一支铅笔、一把直尺就行了。把直尺放在圆盘上,随便取什么方向都行。然后让铅笔紧靠直尺的边沿在圆盘上前进。这时候笔尖在圆盘上留下痕迹AB当然是一条直线。这说明在不转动的圆盘上,运动着的笔尖完全遵循你手用力的方向前进,并没有什么偏向力来干扰。

  但如把圆盘转动起来而使直尺仍保持原来的位置固定不动,偏向力就马上显示出它的作用来,你请助手以逆时针的方向来转动圆盘,你仍和刚才一样,让铅笔尖紧挨着直尺边沿前进,前进的方向,按上下左右各个方向都可试一试。当笔尖从直尺边沿的起跑点A跑至B处时,圆盘已转动了一个角度,圆盘上笔尖下的起跑点A转到A′的,结果笔尖在圆盘上留下的痕迹A′B便不是直线,而是一条不断向右偏转的曲线。如果你的助手按照顺时针方向来转动圆盘,那么笔尖在圆盘上留下的足迹是一条不断向左偏转的曲线。

  这时候对直尺来说,笔尖的运动始终呈直线状态,因为它始终没有离开直尺的边沿呀!但是对转动着的圆盘来说,笔尖的运动明明是曲线运动。

  地球一刻不停地自转,人们脚下踩着的大地就好象是一只转动着的大圆盘。从北极上空往下望,这只大圆盘以逆时针方向在运转;从南极上空往下望,这只大圆盘运转的方向则是顺时针的。走在这只大圆盘上的空气―风,之所以发生偏向,就是由于风与转动着的地面发生了相对运动。长年累月的水流,能在两岸显现出偏向力的作用,也正是因为它们与转动着的地面之间产生相对运动的结果。

  这样看来,风偏离气压梯度力的方向,并不是真有一个什么力量在起作用。地转偏向力不过是人们为了便于对这种偏向现象进行研究而假想的一种力。这种假想的力与风向是垂直的,在北半球指向风向的右侧,而在南半球指向风向的左侧。由于它只说明空气和转动着的地面之间存在相对运动,而并不是作用于空气的实际的力,因此只能使风向偏转,而不能使风起动,也不能使已经起动的风改变速率。风的起动和快慢,都取决于气压。如果气压梯度力等于零,风无从产生,也就谈不上与地面之间的相对运动,地转偏向力也不复存在。而有了气压梯度力,也必然会相应地产生风,从而也产生地转偏向力,而且风愈大,产生的地转偏向力也愈大。


  风在气压梯度力作用下被推向低气压一侧,当风一旦起步向前,地转偏向力立刻产生,并把风拉向右边(如左图)。风在气压梯度力的持续推动下加快速度,越吹越大,地转偏向力也跟着加大,使劲地拉着风向右偏转(如右下图)。由于地转偏向力的方向与风向时刻保持垂直,于是在拉转风向的同时,地转偏向力本身也不断向右偏转,也就是越来越转到气压梯度力的反方向去。当风向被拉转到和气压梯度力的方向成90度的角度时,虽然气压梯度力依旧存在,且和先前一样大小,但在风的方向上有效分力已等于零,因而风不再受力的作用速,而靠着惯性等速前进。这时候地转偏向力也正好转到了气压梯度力的背后,矛盾着的双方大小相等,方向相反。从先前的不平衡状态进行平衡状态,于是风向也不再偏转。由图显然看出,在平衡状态下,风向与等压线保持平行。



  自从发现了这种平衡规律,给气象工作者带来许多方便。气压和风的关系变得这样密切:知道了气压的分布就可以推知风的分布;同样,知道了风的分布也可反过来推知气压的分布。为了便于记忆,人们把气压与风的关系概括成这样的定律:风速与气压梯度成正比;风向与等压线平行,在北半球,背风而立,高气压在右,低气压在左;南半球则相反。

  举例来说,在气压分布中,北京附近等压线呈西南到东北走向,高气压在东南侧,低气压在西北侧,按前面总结的规律,就可以推测北京吹的是西南风,而上海附近等压线呈东西走向,高气压在北侧,低气压在南侧,按规律应该吹东风。再看,上海附近的等压线比北京附近稀疏,因此上海的风应比北京小。又如,北京吹北风而上海吹南风,按规律,两地附近的等压线分布,都应该是南北向的,但在北京附近的气压西侧高于东侧,而上海则相反。又由于上海的风力比北京为大,因此上海附近的气压梯度比北京大,等压线也比北京附近密集。

  大气就象一个自动调节器一样,气压梯度力和地转偏向力间的平衡与不平衡可以自动调整。虽然很难达到绝对的平衡,实际风也很难和等压线保持绝对的平行,但风向始终在等压线两则偏离得不太远。因而理论上的风与实际上的风仍然非常近似,气压与风的关系一直被广大气象台站作为大气运动规律而被利用着。

摩擦力对风的影响 

  在离地面1.5公里的近地面层大气里,风不仅受到气压梯度力和地转偏向力的制约,而且还受到地面摩擦力的干扰。地面摩擦力的影响可以达到1.5公里的高度,因此1.5公里以下的气层就被称为摩擦层。

  在摩擦层里,风走在粗糙不平的地表面,受到摩擦力的作用,风速不得不减小下来。由于地表粗糙程度不一,摩擦力的大小不同,风速减小的程度也就不同。一般来说,陆面摩擦力比海面大;而在陆面上的摩擦力,山地又比平原大,森林又比草原大。摩擦力不仅会削弱风速,同时也干扰了风向,破坏气压梯度力与地转偏向力之间的平衡。


  在气压梯度力G和地转偏向力A平衡的条件下,风本来沿着等压线方向等速前进(V),但摩擦力R从它背后拉一把,风速减小为VR,地转偏向力由于风速减小也跟着减小为AR,于是气压梯度力便超过被削弱了的地转偏向力而把风拉向低气压一侧。这时候地转偏向力为了与风向保持垂直,摩擦力为了与风向保持反向,它们都跟着风向一起向左偏转。虽然摩擦力和地转偏向力不在一个方向上,它们之间始终保持一个直角,但它们仍然联合起来,共同和气压梯度力相抗,当它们的合力(R+AR)偏转到和气压梯度力大小相等方向相反时,矛盾着的双方力量对比又恢复到平衡状态。不过不是简单地重复原先的平衡。而是在出现了新的条件―摩擦力的参与下达到新的平衡了。这时候风便以稳定的速度和一定的交角,斜穿等压线从高压一侧向低压一侧吹去(如图)。



  这种有摩擦力参与,气压梯度力与地转偏向力、摩擦力保持平衡条件下所产生的风称为摩擦风。摩擦力愈大,摩擦风的风速就愈小,向左偏转和等压线之间的交角也愈大。根据调查和统计,这种交角在海洋上为15~20度,在陆上一般达到30~45度,而在崎岖不平的山地区域,甚至比这个角度更大。这样,先前总结的气压与风的关系也得作某些修改了:背摩擦风而立,在北半球,高气压在右后方,低气压在左前方;在南半球,高气压在左后方,低气压在右前方。如果说,在高空自由大气里,风近似地顺着某高度上等压线“河道”流去,那么在地面上,风虽也顺着等压线的“河道”流,但同时又向低气压一侧泛滥开去。



  在高低气压的区域,等压线的“河道”是以高低气压中心为中心,呈环形闭合的。如果是在高空自由大气里,按照气压与风的关系,风近似地沿着闭合等压线的“河道”环行流转,在高气压区以顺时针方向流转,在低气压区以逆时针方向流转。如果是在地面,则按照气压与摩擦风的关系,在高气压区,风一面以顺时针方向流转,一面向周围气压低的地方辐散开来,形成顺时针外流的螺旋式气流;而在低气压区,风一面以逆时针方向流转,一面向低压中心区域汇流辐合进去,形成逆时针内流的螺旋式气流。

 


怎样读天气图上的风向风速?

  左图为天气图上表示某个台站各物理量的符号,其中的用黄色加亮的符号-“wind barb”表示某时刻测到的该台站的地面风向和风速。
  风向杆所指得方向为风的方向,即指风吹来的方向。如右上图所示,风的方向为东北风。
  在这里风速的单位为Knot(哩/小时),其换算关系为:
  1 Knot = 1.15 英里/小时 
  1 Knot = 1.9 公里/小时
  图中风向杆上每一条短划线代表5Knot,每一条长划线代表10Knot,将风向标上所有划线的值加起来就是风速值的大小。右图给出了风向标上每种符号所代表的值的大小。

 

风 向

  气象上把风吹来的方向确定为风的方向。因此,风来自北方叫做北风,风来自南方叫做南风。气象台站预报风时,当风向在某个方位左右摆动不能肯定时,则加以“偏”字,如偏北风。当风力很小时,则采用“风向不定”来说明。



  风向的测量单位,我们用方位来表示。如陆地上,一般用16个方位表示,海上多用36个方位表示;在高空则用角度表示。用角度表示风向,是把圆周分成360度,北风(N)是0度(即360度),东风(E)是90度,南风(S)是180度,西风(W)是270度,其余的风向都可以由此计算出来。如左图所示。
为了表示某个方向的风出现的频率,通常用风向频率这个量,它是指一年(月)内某方向风出现的次数和各方向风出现的总次数的百分比,即

风向频率=某风向出现次数/风向的总观测次数×100%

由计算出来的风向频率,轻型风压器可以知道某一地区哪种风向比较多,哪种风向最少。根据观测发现,我国华北、长江流域、华南及沿海地区的冬季多刮偏北风(北风、东北风、西北风),夏季多刮偏南风(南风、东南风、西南风)。

  测定风向的仪器之一为风向标,它一般离地面10-12米高,如果附近有障碍物,其安置高度至少要高出障碍物6米以上,并且指北的短棒要正对北方。风向箭头指在哪个方向,就表示当时刮什么方向的风。测风器上还有一块长方形的风压板(重型的重800克,轻型的重200克),风压板旁边装一个弧形框子,框上有长短齿。风压板扬起所过长短齿的数目,表示风力大小。现在,气象台站普遍采用得是我国自行设计制造的EIJ型电接风向风速计。

风力等级

  在气象台站发布的天气预报中,我们常会听到这样的说法:风向北转南,风力2到3级。这里的“级”是表示风速大小的。

  风速就是风的前进速度。相邻两地间的气压差愈大,空气流动越快,风速越大,风的力量自然也就大。所以通常都是以风力来表示风的大小。风速的单位用每秒多少米或每小时多少公里来表示。而发布天气预报时,大都用得是风力等级。
风力的级数是怎样定出来的呢?

  一千多年以前的我国唐代,人们除了记载晴阴雨雪等天气现象之外,也有了对风力大小的测定。唐朝初期还没有发明测定风速的精确仪器,但那时已能根据风对物体征状,计算出风的移动速度并订出风力等级。李淳风的《现象玩占》里就有这样的记载:“动叶十里,鸣条百里,摇枝二百里,落叶三百里,折小枝四百里,折大枝五百里,走石千里,拔大根三千里。”这就是根据风对树产生的作用来估计风的速度,“动叶十里”就是说树叶微微飘动,风的速度就是日行十里;“鸣条”就是树叶沙沙作响,这时的风速是日行百里。另外,还根据树的征状定出来的一些风级,如《乙已占》中所说,“一级动叶,二级鸣条,三级摇枝,四级坠叶,五级折小枝,六级折大枝,七级折木,飞沙石,八级拔大树及根”。这八级风,再加上“无风”、“和风”(风来时清凉,温和,尘埃不起,叫和风)两个级,可合十级。这些风的等级与国外传入的等级相比较,相差不大。这可以说是世界上最早的风力等级。

  两百多年以前,风力大小仍没有测量的仪器,也没有统一规定,各国都按自己的方法来表示。当时英国有一个叫蒲福的人,他仔细观察了陆地和海洋上各种物体在大小不同的风里的情况,积累了五十年的经验,才在1805年把风划成了13个等级。后来,又经过研究补充,才把原来的说明解释得更清楚了,并且增添了每级风的速度,便成了现在预报风力的“行话”。有些地方还把风力等级的内容编成了歌谣,以便记忆:

        零级无风炊烟上;一级软风烟稍斜;
        二级轻风树叶响;三级微风树枝晃;
        四级和风灰尘起;五级清风水起波;
        六级强风大树摇;七级疾风步难行;
        八级大风树枝折;九级烈风烟囱毁;
        十级狂风树根拔;十一级暴风陆罕见;
        十二级飓风浪滔天。

  风在每秒钟内所移动的距离--风速,其口诀是“从一直到九,乘2各级有”。意思是:从一级到九级风,各级分别乘2,就大致可得出该风的最大速度。譬如一级风的最大速度是每秒2米,2级风是每秒4米,3级风是每秒6米……依此类推。各级风之间还有过渡数字,比如一级风是每秒1-2米,2级风是每秒2-4米,3级风是每秒4-6米,诸此类推。下面是一张风力等级表。

风力等级表

风力等级

海面浪高
()

海面和渔船征象

陆上地面物征象

相当风速
(米
/秒)

一般

最高

范围

中数*

0

-

-

平静

静烟直上

0.0~0.2

0

1

0.1

0.1

有微波

烟能表示风向,树叶略有摇动

0.3~1.5

1

2

0.2

0.3

有小波纹,渔船摇动

人面感觉有风,树叶有微响,旗子开始飘动,高的草和庄稼开始摇动

1.6~3.3

2

3

0.6

1.0

有小浪,渔船渐觉簸动

树叶及小枝摇动不息,旗子展开,高的草和庄稼摇动不息

3.4~5.4

4

4

1.0

1.5

浪顶有些白色泡沫,渔船满帆时,可使船身倾于一侧

能吹起地面灰尘和纸张,树枝摇动,高的草和庄稼波浪起伏

5.5~7.9

7

5

2.0

2.5

浪顶白色泡沫较多,渔船收去帆之一部

树叶及小枝摇摆,内陆的水面有小波,高的草和庄稼波浪起伏明显

8.0~10.7

9

 6

3.0

4.0

白色泡沫开始被风吹离浪顶,渔船缩帆大部分

大树枝摇动,电线呼呼有声,撑伞困难,高的草和庄稼不时倾伏于地

10.8~13.8

12

7

4.0

5.5

白色泡沫离开浪顶,被吹成条纹状

全树摇动,大树枝弯下来,迎风步行感觉不便

13.9~17.1

16

8

5.5

7.5

白色泡沫被吹成明显的条纹状

折毁小树枝,人迎风前行感觉阻力甚力

17.2~20.7

19

9

7.0

10.0

被风吹起的浪花使水平能见度减小,机帆船航行困难

草房遭受破坏,房瓦被掀起,大树枝可折断

20.8~24.4

23

10

9.0

12.5

被风吹起的浪花使水平能见度明显减小,机帆船航行颇危险

树木可被吹倒,一般建筑物遭破坏

24.5~28.4

26

11

11.5

16.0

被风吹起的浪花使水平能见度明显减小,机帆船遇之极危险

大树可被吹例,一般建筑物遭严重破坏

28.5~32.6

31

12

14.0

-

海浪滔天

陆上少见,其摧毁力极大

>32.6

>31

  其实,在自然界,风力有时是会超过12级的。象强台风中心的风力,或龙卷风的风力,都可能比12级大得多,只是12级以上的大风比较少见,一般就不具体规定级数了。

  为了更准确的测量风力大小,人们在野外常用轻便风速表测风。这种轻便风速表,一般由感应部分和计数器所组成(见左图)。感应部分由三个风杯(也有四个风杯)装于十字架上,风杯在轴承上可以自由转动,外用小框保护风杯。中轴下部与计数器相接,风杯转动,也使计数器随之转动。所以计数器是记录风杯转动的转数的。计数器通常有两个或三个记数盘,大指针指示个位和十位数,两个小记数盘上的指针分别指示百位数和个位数。仪器的下部有一开关(启动杆),将它推上去,可使计数器与感应部分接合,计数器开始工作。把启动杆拉下来计数器则与感应部分离开,计数器停止工作。当仪器置于高处,用手直接开动不便时,可用小绳连接开关。观测时拉动小绳即可启闭。轻便风速表一般安置在四周开阔、无高大障碍物的地方,表身垂直。观测前关闭开关,记下指针的示数。等一两分钟后,打开开关,同时开动秒表记录时间。此时,观测员迅速离开风速表,站在仪器的下风方向。开动仪器后将近100秒钟时,观测员迅速走近仪器,在正100秒时关闭开关,记下第二次指针示数。根据前后两次读数算出其差数,此差数表示风速表指针在观测时间内所走的刻度数,记入记录表内。将此差数除以观测时间,就得出风速表每秒钟内所走的刻度数,取一位小数。再根据每秒所走的刻度数,从该风速表的检定证上查出平均风速(单位:米/秒),取一位小数。

  最好连续观测两次,取其平均值,以消除仪器本身及人为的误差。

  有些轻便的测风器,除具有上面讲的风速表的构造性能外,还在轴上装有风向标,用以指示风向,称为风速风向仪。