第1章 来去无影的风(1)
风，来无影去无踪。生活在地球上的我们，在摇曳的草木、翻飞的秀发、飞扬的衣袂上，感受着它的无处不在。它就像个孩子，可以很轻柔地拂过人的面庞，也可以暴虐到瞬间掀翻房屋，摧毁大地上的一切。在肆虐的狂风下，我们人类再一次显出了自己的渺小。在我们认识风灾之前先了解一下大气以及风的形成。
认识大气
大气的成分主要有氮、氧，这两种气体占空气总容积的99.98%。
其中，氮气为主要成分，占空气体积的78%。氮很少呈氮化物状态存在，只有在豆科植物根瘤菌的作用下才能变为能被植物体吸收的化合物，这主要是由于其化学成分不活泼造成的。氮不仅是地球上生命体的重要成分，还是工业、农业化肥的原料。氧气约占空气体积的21%，大多数都是以氧化物形式存在于自然界中，其化学成分活泼。
氧是生命活动的根本，人类的一切生命活动都离不开氧气。
此外，空气中还有水蒸气、氖、氦、氪、氩、氙、臭氧等稀有气体。
二氧化碳在大气中含量甚少，占空气体积的0.03%，它是植物进行光合作用的原料。二氧化碳主要是通过海洋和陆地中有机物的生命活动、土壤中有机体的腐化、分解以及石化燃料的燃烧而进入大气的，它主要集中在大气低层（11—20千米以下）。近年来，由于工业蓬勃发展，石化燃料燃烧量迅速增长，森林覆盖面积减少，二氧化碳在大气中的含量有快速增加的趋势。
臭氧在大气中含量很少，主要集中在15—35千米间的大气层中，尤其以20—30千米处浓度最大，称为臭氧层。大气中臭氧主要来自大气中的氧分子在太阳光的紫外线（0.1—0.24微米波段）照射下发生光解作用，光解的氧原子又同其他氧分子发生化合作用而形成的。
臭氧层能大量吸收太阳辐射中的紫外波段，这不仅增加了高层大气热能，同时也保护了地面的生命免受紫外线辐射伤害，使生物得以繁衍生息。
水汽是大气中含量变化最大的气体，含量很少，仅占大气体积的0—4%，但它却是低层大气中的重要成分。水汽主要来自于地表海洋和江河湖水等其他水体表面蒸发和植物体的蒸腾，通过大气垂直运动输送到大气高层。大气中水汽的含量自地面向高空逐渐减少，到1.5—2千米高度，大气中水汽平均含量仅为地表的一半，到5千米高度，就会减少到地面的1/10，到了10—12千米，水汽成分的含量就更少了。不仅如此，在水平方向上，大气中水汽含量也不尽相同。一般情况下，陆地上的水汽成分少于海洋，高纬少于地纬，干旱、植物稀疏的地表少于湿润、植物茂密的地表。
悬浮在大气中的固态、液态的微粒称为杂质。大气杂质对太阳辐射和地面辐射具有一定的吸收和散射作用，对大气的温度变化有着很重要的影响。杂质主要来源于火山灰尘、植物花粉、有机物燃烧的烟粒、风吹扬起的尘土、宇宙尘埃、海水浪花飞溅起的盐粒、细菌微生物以及工业排放物等，大多都集中在大气底层，其具有吸湿性，因此通常会成为水汽凝结的核心。
地球大气的成分直接影响着人类的生产、生活活动，它与我们的生活息息相关，那么，空气最早是怎么形成的呢？
要想知道空气最早是怎么形成的，首先要了解行星。行星是怎么形成的呢？据天文学家推测，一些巨大的气体和尘埃旋转构成行星，而构成这些气体尘埃的各种元素比例，一般等于它们在宇宙中所占的百分比。在地球形成之前，与其他行星一样，其成分有90%是氦，还有少量的碳、氧和氖等元素。地球雏形即是地球的尘埃在高速旋转中逐渐靠拢形成的一个核心，且在构成之中一些气体也被笼罩在圆体形成物中间。随着堆积物越来越大，其内部的压力也越来越高，致使火山喷发。通过火山喷发，裹在地表以下的气体喷发出来，密度小的氢、氦和氖被燃烧，随之消失不见。而其他的气体由于密度大或者水蒸气的凝结，没有消失，因此形成了大气，在地球的表面存在着。此外，还有水蒸气、氨、甲烷和少量的氩。
海洋的形成就是由于水蒸气凝结降落到地球表面。以上就是原始大气的最早雏形。
一般情况下，地球大气的成分是比较稳定的。但现代大气跟原始大气相比，它们的成分之间有很大的差异，这之间经历了怎样的演变？
原来，阳光中的紫外线就像一把小斧子，它把水蒸气劈成了氢气和氧气：
2H2O→2H2+O2，这就是光解作用。分解出来的氢又逃逸掉了，于是仅剩下氧；氧比较重而且活泼，因此留在了大气层，并与甲烷、氨发生了下列化学反应：
第一个反应：CH4（甲烷）+2O2（氧气）→一氧化碳2（二氧化碳）+2H2O（水）4NH3（甲烷）+（氧气）3O2→2N2（氮气）+6H2O（水）于是，大气的成分也发生了根本的变化，现代大气的主要成分已被氮和氧取代，从而为生命的诞生和孕育作出了极为突出的贡献。
还有一个有趣的反应：3O2（氧气）→2O3（臭氧）其生成物的臭氧具有普通氧气没有的特性：它挡住了阳光中大部分的紫外线。正是由于这些高层大气层中氧气与紫外线作用下的产物，反过来阻止了紫外线的入侵，为水分子的光解作用画了一个关键的休止符，也促使大气的成分维持在一个恰好的水平上。我们今天生活在大气中，是一件很幸福、很偶然的事情。
大气的垂直结构
大气的总质量5.27×1015吨，相当于地球质量的百万分之一。假如地球周围大气分布均匀，那么它分布的高度仅为8千米。但实际上大气的密度随着高度的增加越来越小，所以在平原上生活习惯的人，到高原地区，就感到呼吸困难，实际是高原地区气压降低，氧气的分压也降低的缘故。
从总体上说，5千米以下的空气质量大约占大气总质量的50%，10千米以下的空气质量占到大气总质量的75%，20千米以下的空气质量占到大气总质量的95%，其余5%的空气散布在20千米以上的高空。
地球大气的质量是模糊的，地球大气和星际气体之间并不存在一个截然的上界。为了研究需要，一般根据大气中极光出现的高度定为大气的上界，即1200千米高度称为大气的物理上界。
根据大气在垂直方向上的物理性质差异，可以把大气分为五层。
1.对流层
对流层是大气圈最低的一层，底界是地面。由于其与地面接触，从地面得到热能，使大气温度随高度升高而降低，平均每升高100米气温约降低0.65℃。
对流层内具有强烈的对流作用，但其强度随纬度位置不同而有所不同。一般在低纬度区较强，高纬度区较弱，所以对流层的厚度从赤道向两极逐渐减小，在低纬度区约为17—18千米，中纬度区为10—12千米，高纬度区为8—9千米。
对流层相对于大气圈的总厚度来说是很薄的，但质量却占整个大气质量的75%，主要天气现象（云、雾、雨、雪、雷、电等）都发生在这一层，由于温度和湿度在对流层分布不均匀，使空气发生大规模的水平运动，因此对流层对人类生产、生活的影响最大。大气污染现象（发生、迁移、扩散及转化）也主要发生在这一层中，特别是靠近地面的1—2千米范围之内。
2.平流层
从对流层顶到距地面50—55千米的一层，空气垂直对流运动很弱，主要是水平运动，故称为平流层。
根据温度的分布情况又把平流层分为同温层和暖层，同温层是从对流层顶到30—35千米范围内，气温几乎不变，常年保持在—55℃——50℃；暖层是从35—55千米处，气温随高度的上升而增高，到平流层顶气温升高到—3℃，主要是由于该层中的臭氧能吸收来自太阳的紫外线，同时被分解为原子氧和分子氧，当它们重新化合生成臭氧时，释放出热能，使气温升高。
这一层空气干燥，下面对流层的云和气流不易穿入，所以没有云、雨等天气现象及尘埃，大气能见度很高，是现代超声速飞机飞行的理想场所。但是该层由于空气对流很弱，所以飞机排放的废气很难扩散稀释，废气中的氮氧化物与臭氧迅速反应，消耗臭氧，这样就降低了大气遮蔽波长小于300纳米的紫外线的能力，从而大量紫外线射向地面，使人类皮肤癌发生率增高。
3.中间层
从平流层顶到距地面85千米是温度再一次随着高度上升而下降的中间层。到层顶温度降至—100℃，在这一层又出现较强的垂直对流运动。
4.电离层
从中间层顶到距地面800千米，空气稀薄，仅占大气总质量的0.5%，这一层由于原子氧吸收了太阳紫外线的能量，使该层的温度随高度上升而迅速升高，由于太阳和其他星球射来的各种宇宙射线的作用，使该层大部分空气分子发生电离，成为具有较高密度的带电粒子，故称为电离层。电离层能将电磁波反射回地球，是全球性的无线电通信理想场所。
5.逸散层（外层）
高度800千米以外的大气圈最外层称为逸散层。由于地心引力减弱，大气越来越稀薄，以致一个气体质点被撞出这一层，就很难有机会被上层的气体质点撞回来，而进入宇宙空间去了，空气分子几乎全部电离。该层气温也是随高度增加而升高的。
大气温度变化
说完了大气的构成，下面我们再来看看关于大气温度的一些问题。
1.大气温度的变化
大气温度的变化有周期性变化及非周期性变化。周期性变化主要表现为大气温度的日变化和年变化。大气温度一天中有一个最高值和一个最低值。最高值出现在14—15时，最低值出现在清晨日出前后。由于日出时间随纬度和季节变化而不同，因而各地最低温度出现的时间也不尽相同。
日出以后，地面开始积累热量，同时地面将部分热量输送给大气，空气也积累热量，直到14—15时低层大气积累热量达到最多，因而出现了一天的最高温度。15时以后，大气得到的热量少于支出的热量，大气积累的热量开始逐渐减少，直到次日日出前后，大气剩余热量达到最低值，因而出现了一天的最低温度。
一天中，最高气温与最低气温的差值，称为气温的日较差。气温日较差也受纬度、季节、地形、天空云况、下垫面性质等因素的影响。
气温的年变化。气温一年中有一个最高值和一个最低值。陆地上一年中最高气温出现在夏季，即7月；海洋上一年中最高气温出现在8月。
最低气温出现在冬季，大陆上多出现在1月，海洋上多出现在2月。
气温年变化的幅度称为年较差，它是一年内最热月的平均气温与最冷月的平均气温之差。由于太阳辐射的年变化是随纬度增高而增大的，所以气温的年变化也随纬度的增高而增大，在赤道大约为1℃，中纬度约为20℃左右，高纬度可达30℃以上。
2.大气温度的空间分布状况气温的水平分布和垂直分布是气温分布的空间状况。用等温线图表示，等温线即地面上气温相等点的连线称之为水平分布。等温线排列的不同可反映出不同的气温分布特点，例如，等温线稀疏，则表示各地气温相差不大；等温线密集，表示各地气温悬殊；等温线平直，表示影响气温分布的因素较少；等温线弯曲，表示影响气温分布的因素较多；等温线沿东西向平行排列，表示温度随纬度而不同，即以纬度为主要因素；等温线与海岸线平行，表示气温因距离海洋远近而不同。
纬度、海陆和海拔高度是影响气温分布的主要因素。为了消除高度的影响因素，把纬度、海陆及其他影响气温的因素凸显出来，气象工作者在绘制等温线图时常把温度值订正到海平面上。
气温的垂直分布，在对流层中，气温随高度的升高而降低。这是因为大气的主要热源是地面长波辐射，因此越靠近地面，空气获得的热量就越多，温度也越高。
对流层顶的高度以及气温状况与纬度、季节以及天气系统的活动有关。
因此，高纬度地区的对流层顶比低纬度地区低，同一纬度夏季的对流层顶比冬季高，暖气团控制时对流层顶较高，冷气团控制时对流层顶较低。
逆温现象。一般来说，气温直减率越大，大气越不稳定；反之，大气越稳定。逆温现象形成的原因有多种，根据成因，分为以下两种：
辐射逆温。在晴朗无风或微风的夜晚，地表会因辐射失去热量，较高的气层冷却比较缓慢，与地面接近的气层冷却最为强烈。所以，低层大气产生逆温现象，即为辐射逆温。辐射的逆温厚度可以从数十米到数百米。地面温度升高，逆温现象会逐渐消失，这种情况通常发生在日出以后；逆温层较薄，消失快，这主要发生在夏季，因为夜短；逆温层较厚，消失会很慢，主要发生在冬季，夜比较长。
平流逆温。平流逆温是暖空气平流到冷的下垫面上形成的。形成逆温的原因就是暖空气移动到冷地表面上空时，底层空气就会受冷地表面的影响降温，上层空气因离地远，所以降温少。中纬度沿海地区的冬季，海陆温差比较大，平流逆温经常出现。
大气运动
大气时刻不停地运动着，运动的形式和规模复杂多样。既有水平运动，也有垂直运动。大气的运动使不同地区、不同高度的热量和水分得以传输和交换，使不同性质的空气得以相互接近、相互作用，直接影响着天气、气候的形成和演变。
1.大气运动的原因一个地方的气压值经常有变化，主要是其上空大气柱质量发生变化。当气柱增厚、密度增大时，则空气质量增多，气压就升高；反之，气压减小。任何地方的气压值总是随着海拔高度的增高而递减。
根据实测，在近地面层中，高度每升高100米，气压平均降低12.7百帕。空气总是从气压高的地方向气压低的地方运动。气压是推动空气由静止到运动的根本原因。空气是在转动着的地球上运动，运动后要产生地转偏向力。由于地球转动而使在地球上运动的物体发生方向偏转的力，称为地转偏向力。在赤道，地球自转轴与地表面的垂直轴正交，表明赤道上的地平面不随地球自转而旋转，因而赤道上没有水平地转偏向力。在北半球的其他纬度上，地球自转轴与地平面垂直轴的交角小于90°，因而任何一地的地平面都有绕地轴转动的角速度w，单位质量空气的水平地转偏向力为A=2vwsinφ。w为旋转角速度（对于地球来说，它等于15度/小时或7.29×10—5弧度/秒）；φ为地理纬度；v为风速。2vwsinφ称为科氏参数（f）。显然，地转偏向力的大小同风速和所在纬度的正弦成正比。