风与大气运动

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科普驿站  第五十期

主题：风与大气运动

科目：气象

难度：A2

时间：2020.2.25

讲师：水镜

风与大气的关系十分紧密（常规废话开始），而形成风的往往是气压变化。听过我上次科普的人都知道，在各种天气和气候要素中，人们对气压的变化最不敏感，但气压却是影响天气变化非常重要的因素，比如说，气压差值形成风，而风会引起温度与湿度的变化（季风，寒潮，气团等）。除此之外，气压是天气预报中的重要数据，且与其他天气要素存在着密切的联系（我上次讲过了）。至于气压是什么这种傻问题，我就不回答了。好了，废话结束，我们正式开讲。

之前那一次科普我讲了云的形成，那就属于大气的垂直运动。而这次我主要讲大气的水平运动。空气的水平运动现象，我们就称其为风。

先简单讲一下风的形成，说白了，风就是由空气气压在水平方向上的差异所驱动的，而根据浅显的物理知识，我们知道空气会从气压高处向低处流动。风，就是大自然平衡这种气压差的产物。因为地面加热不均产生了气压差，所以说太阳辐射就是大多数地球风的根本力量。现今地球风与风向就是在气压差（水平气压梯度力）、摩擦力、科里奥利力（地转偏向力）综合作用下所形成的。

地面气压的变化是由遍布全球的观测站测量，观测的气压值在地面天气图上用等压线表示。等压线的间隔就是气压梯度。等压线越密集，数值差越大，风就越大，风速就越快。而风向的表示方式，大家都看过天气预报，我就不做讲述。常情况下，用来描述气压分布的等压线在天气图上很少出现平直的或均匀分布的。而原因就是气压梯度力形成的风在运动时会改变速度与方向（天气系统太过复杂）。简而言之（废话有点多），水平气压梯度力是风的根本动力。

下面简单讲一下气旋（其实是复杂的）。我们学过地理的都知道，天气图上最常见的天气特征是气压中心。气旋实际上就是低压中心，反气旋就是高压中心。既然有气压差，那么就会产生风。由于气旋与反气旋是某一差值中心，所以风是流入流出的（气旋风辐合，反气旋风辐散）。在地转偏向力的作用下，北半球的气旋风为逆时针辐合，南半球则是顺时针辐合。由此类推，反气旋的风辐散方向也是如此。

而气旋带来的天气，则比较复杂，我也只简单讲一下。由于气旋是一个低压系统，空气向气旋中心螺旋辐合时，净流入导致空气积聚，即水平辐合。水平辐合会使空气越积越多，空气便会向上运动，同时单个气压分子所占的空间变小（压强变大），进而使得气体的密度变大，但是这里我们貌似得出了一个悖论：如果空气一直辐合堆积，那么气旋很快将因为气压变大而消失。其实这个悖论很好解决。要维持地面的低压，空气必须要向高空运动。而高空的气旋是辐散的，反气旋则是恰好反之。在这种情况下，气旋与反气旋往往是成对存在的（像极了cp）。反气旋在地面流出的空气，被拉到了气旋处，上升再流出，又被拉回到反气旋处。当高空辐散大于地面辐合时，地面流入将会增强，垂直运动会加速。反过来，高空辐散小于地面辐合时，表面流“充满”，气旋强度被削弱。气旋辐合导致的气流上升的速率很慢（不像你们想象的那么快），通常小于1千米/天。而我们知道上升气流会形成云和降水，所以气旋总是与暴风雨、台风有关。反气旋则与气旋相反，会带来晴朗的天气。但有人要问了：气旋空气的上升速度这么慢，是怎么形成暴雨的？其实暴雨是与降水量有关，与速度无关，而降水量取决于是否有充足的水汽及达到凝结温度。

下面我们将要讲的是大气环流。我们都知道风是由地表加热不均导致的气压差所形成的，大气这一传热系统会试图平衡这一差异。由于天气系统太过复杂，这里我只介绍理想化模型。在陆地与海洋表面光滑且不自转的地球上，只有两个对流单元。赤道上的热空气上升到了对流层，然后向两极运动。到达两极后下沉到地面，两极地面的空气则向赤道运动，由此循环。而考虑地球自转时，这个对流系统又要更加复杂化了，于是我们可以进一步细分。赤道附近空气上升，为低气压，我们称为赤道低气压带。当来自赤道的上层气流运动到南北纬20°~30°时，会下降到地表，地表气压升高，即为副热带高气压带。地面气流会从副热带高气压带中心向南北流动，向赤道方向流动的气流受科里奥利力的影响发生偏转，形成了信风带，也就是季风。向极地地区流动的气流则发生偏转形成了西风带。而西风又会流入一个副极地低气压带，与极地东风发生对流形成了极面（多风暴）这便是盛行风的来历。

但是真实的情况是地面气压和风带在地球上并不是连续的带状分布（除了极地气压带）。在大陆与海洋之间的热量差异下，风带气压带模式被打断。随着季节的变化，热量差异也在变化，于是形成了各种各样的季风。大陆上常常会出现高压中心，并打破了大气环流的理想化模型。

关于风带，我只详细讲一下西风带，因为它比较特殊。西风带的环流很复杂，在中高纬度的西风带中，自西向东的气流会被移动的气旋和反气旋打断。在北半球，这种西风环流在全球范围内自西向东运动，并在所影响的区域内形成气旋或反气旋。而对于西风带来说，上层的空气主导了气旋和反气旋的移动。而这种上层气流会发生季节性变化，西风与极地东风都会季节性波动。在冬季，风带平均位置会南移，在夏季则会北移，气旋和反气旋也会发生各种南北移动，对西风带的扰动就会季节性变化，这也就是北方仍会出现大量风暴的原因（并非台风）。至于其他风带与气压带，我不做讲述。

以上的均是全球性的大尺度大气环流，下面我将简单讲一下局地风（小尺度上的风）。在开始之前我们应当记住一点，所有的风都是因地表冷热不均导致的温差形成的。不管是全球性的大气环流也好，还是局地风也好，都是如此。局地风就是由局部气压梯度导致的小规模风，由地表状况差异或地形变化导致的温差和气压差形成。

首先是海陆风，这个大家应该都了解，我不多讲，只讲一下它的时间分布。白天，大都是海风，正午前，海风快速形成，并在下午时风力达到最盛。而晚上则是完全相反，陆地降温快于海洋，因此海风会转为陆风，大约在凌晨陆风达到最盛。

其次是山谷风，这大家也应该都了解，我也只讲时间分布。山谷风的变化过程和海陆风很是类似。白天，山坡上空气升温快于相同高度上的谷地空气，形成谷风（暖空气）；日落后相反，形成山风（冷空气）。但山谷风存在季节性，谷风在暖季最强盛，山风在冷季最强盛。

最后是焚风，这个比较特殊。焚风常在气压梯度很强的情况下形成，焚风就是从一边翻过山脉，在另一边沿山坡下变得干热的风。当空气沿背风坡下降时，会因压缩而形成绝热升温（可见理想气体状态方程）。由于空气在迎风坡爬升时可能会因发生凝结而释放潜伏热（详情可见我的上一次科普），导致空气在背风坡下降时，就会变得比迎风坡同一高度上的空气要干热。这种焚风的影响，可以参见澳大利亚大分水岭西坡的森林大火。

我的科普就到这里，感谢大家捧场！

本文图片均来源于网络

参考引源：

［1］J.T.Houghton，1981，The Physics of Atmospheres，NO.2-4，9-10

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