第2章 来去无影的风(2)

地转偏向力只是在物体相对于地面有运动时才产生。地转偏向力的方向同物体运动的方向相垂直，它只能改变物体运动的方向，不能改变物体运动的速率。

空气作曲线运动时，还要受到惯性离心力的作用。惯性离心力的方向同空气运动的方向相反，并自曲线路径的曲率中心指向外缘，其大小与空气转动角度（w）的平方和曲率半径（r）成正比。对单位质量空气来说，它的表达式为C=w2r。

在实际大气中，运动的空气受到的惯性离心力通常很小。但当空气运动速度很大，而运动路径的曲率半径特别小时，惯性离心力也可以达到很大值，并有可能大于地转偏向力。

摩擦力：两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一种阻碍运动的力，称为摩擦力。

摩擦力分为内摩擦力和外摩擦力。

内摩擦力是指在速度不同或方向不同相互接触的两个空气层之间产生一种相互牵制的力。它主要是通过湍流交换作用使气流速度发生改变的力。

外摩擦力是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空气运动的阻力，它的方向与空气运动的方向相反，大小与空气运动的速度和摩擦系数成正比。

以上的几个力都是水平方向上作用于空气的力。一般来说，气压梯度力是主要的，它是使空气产生运动的直接动力；其他的力，则是空气在运动以后，视具体情况而确定。

2.自由大气中空气的水平运动大量观测表明，自由大气中空气的水平运动比较稳定，由于在自由大气层中，摩擦力对空气运动的作用，一般可以忽略不计，因而空气运动的规模比摩擦层中要简单一些。当自由大气中的空气作直线运动时，只要考虑气压梯度力和地转偏向力的作用就行；而当空气作曲线运动时，除了这两个力之外，还必须考虑惯性离心力的作用。

（1）地转风

气压梯度力和地转偏向力相平衡时的风，称为地转风。地转风是怎样形成的呢？在平直等压线的气压场中，原来静止的单位质量空气，因受气压梯度力的作用，由高压区向低压区运动。首先，当空气质点开始运动时，它就受到地转偏向力的作用，并迫使它向运动方向的右边偏离（在北半球）；其次，在气压梯度力的作用下，它的速率会越来越大，而地转偏向力使它向右偏离的程度也越来越大；最后，当地转偏向力增大到与气压梯度力大小相等，而方向相反时，空气就沿着等压线作匀速直线运动，地转风就形成了。

（2）梯度风

梯度风是由气压梯度力、地转偏向力和惯性离心力三力平衡时的风形成的，这三力是大气中的空气做曲线运动时作用于空气中的。一般情况下，空气做直线运动时，其惯性的离心力等于零，此时梯度风就变成了地转风。据有关调查显示，北半球低压中的梯度风平行于等压线，逆时针旋转绕低压中心。高压中梯度风平行于等压线，顺时针旋转绕高压中心。南半球则相反。

很显然，在一定的纬度带，当地转偏向力相等时，低压梯度风风速小于地转风风速，高压梯度风风速大于地转风风速。即V高>V地>V低。

（3）风的日变化和风的阵性风在近地层中发生规律的日变化。一般来讲，白天风速会增大，午后则会增至最大，夜间风速开始减小，到凌晨时会减到最小。与之相反的是摩擦层上层，白天风速小，夜晚风速大，原因就是摩擦层的上层风速大于下层风速。白天地面受热会使空气变得不稳定，湍流得以发展，上下层间空气动量交换增强，使上层风速大的空气进入下层，造成下层风速增大，风向向右偏转。

同理，下层风速小的空气进入上层，造成上层风速减少，风向向左偏转。

通常情况下，风的日变化，阴天比晴天小，冬季比夏季小，海洋比陆地小。

日变化规律比较稳定，只有在强烈天气过境时才可能发生偏差。

风的阵性是指风向变化不定，风速忽大忽小的现象。它是因为大气中湍流运动引起的。当大气中出现强烈扰动时，空气上下层间交换频繁，这时与空气一起移动的大小涡旋可使局部气流加强、减弱或改变方向。风的阵性在摩擦层中经常出现，特别是山区更甚，随着高度的增高，风的阵性在逐渐减弱，以夏季和午后最为明显。

（4）局地环流

由于局部地区空气受热不均而产生的环流称为局地环流，它包括海陆风、山谷风和焚风等地方性风。

几个重要的气象要素

风、云和降雨等大气物理现象受众多因素的影响，其中主要包括气压、温度、湿度等。

1.气压

气压是大气压强，它是空气分子运动与地球重力场综合作用的结果。静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量，因此它是随高度增加而降低的。地面气压分布一般在940—1040百帕，在热带气旋中心可能低于900百帕。

2.气温

气温是表示空气冷热程度的物理量。气体分子运动的平均动能只与温度有关。因此，当空气获得热量时，它的分子运动平均速度增大，随之平均动能增加，气温也就升高；反之当空气失去热量时。它的分子运动平均速度减小，随之平均动能减少，气温也就降低。

3.湿度

湿度表示大气中水汽量的多少，它是影响多种天气现象的一个重要因素。在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽数量是有限度的，当水汽含量达到一定限度时，空气就呈饱和状态了。水汽和其他气体一样也有压力，大气中由它产生的那部分压力叫水汽压。空气湿度有多种表示方法，其中应用最广泛的是相对湿度，它是空气中的实际水汽压与同温度下饱和水汽压的比值（用百分数来表示），其大小直接反映了空气距离饱和的程度。另外，相对湿度也与温度有关，当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小；反之，气温降低，相对湿度会增大。

气压带和风带

气压带，由于地球表面纬度高低不同，接受太阳辐射的多少不同，于是形成不同的气压区域，这些区域就是气压带。

假设地球表面是平滑、均匀的，气压水平分布表现出纬向带状。地球上的水平气压带有7个，它们是：

1.2个极地高压带：分布在北极和南极地区，是空气受冷收缩、积聚，而高空气流辐合，质量增多，在低空形成的高压带。冬季强度增大，范围扩展；夏季势力减弱，范围收缩。

2.2个副极地低压带：分布在南、北纬60°及其两侧，各约5°。由于来自副热带高气压带的热空气向北移动来自极地高气压带的冷空气南下（北半球）两者相遇热空气被迫抬升地面形成低压而形成的。

3.2个副热带高压带：分布在南、北纬20°—30°的强大高压带，是自低纬高空向极流动的气流在地转偏向力作用下发生质量辐合形成。

它随季节南、北移动达几十个纬度，活动范围约占地球的1/2，是对大气环流影响最大的气压带。

4.1个赤道低压带：分布在赤道附近。由于终年高温，空气受热膨胀上升，到高空向两侧外流，引起气柱质量减少，低空形成低压带。

全球7个纬向气压带排列规则，而且高、低压带交错分布。

气压带可随太阳直射点位置的变化而南北平移。就北半球而言，气压带的位置大致是夏季偏北，冬季偏南。上下移动各约5°。

虽然大气的压力随时都在变化，但是地球大气的压力分布还是有规律的。在地球赤道两侧环绕地球的一个宽带上，接近地面的气压都比较低，叫做赤道低压带。在南、北纬30°附近环绕地球的一个宽带上，气压都比较高，叫做副热带高压带。到了南、北纬60°附近环绕地球的一个宽带上，气压都比较低，叫副极地低压带。到了地球南北两极区，气压较高，叫极地高压带。

接近地面的风向分布也是有规律的。由于有地面的摩擦阻力和地球的自转偏向力，北半球副热带高压带的空气并不是由北向南流向赤道低压带，也就是说不是北风，而是东北风，叫做东北信风带。在北半球，副热带高压带和副极地低压带之间是西南风，叫做西风带。北极是东北风，叫极地东风带。在南半球，赤道低压带和副热带高压带之间是东南信风带，接下来是西风带，是西北风，南极是东南风，也叫极地东风带。

风带共有6个，即极地东风带，中纬西风带和东北（南）信风带，南北半球相似。

其产生原因主要是3圈环流，分别为：0—30°——低纬环流；30°—60°——中纬环流；60°—90°——高纬环流。在简化后（认为大气在均匀地面上运动），在气压梯度力作用下产生大气的3圈环流，形成了赤道低气压带、副热带高气压带、副极地低气压带和极地高气压带。在地转偏向力（北半球向右，南半球向左）作用下，使得0—30°处近地面为东北风，即东北信风。同理，产生了剩余的几个风带。同时，在海陆热力差异和地形因素的影响下，形成了如西伯利亚高压一样的高（低）压中心，随季节变化，出现了季风环流（气压带风带的季节位置移动也是成因之一）。

风的形成

风是由空气水平流动而形成的。

描述风特性的基本指标是风速和风向，其中风速是指单位时间内空气水平运动的距离，它反映了风力的强弱；而风向是指风的来向。风一般是在水平气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、摩擦力等综合作用下形成的，由气压高的地方吹向气压低的地方。

地球上各地气压不但有差异，而且还会随时间变化。高、低气压在多种因素的影响下，交替地控制着陆地和海洋。在山区，白天山坡上日照受热的空气膨胀上升，谷地气压相对较高，于是风就从山谷吹向山坡，这种风被称为“谷风”；到了晚上就会发生相反的情况，山坡上比山谷里的空气降温快，谷地气压相对较低，于是风就从山坡吹向山谷而形成“山风”。

由高峻的山坡、高原上吹下来的剧烈“山风”，由于受重力的影响，非常寒冷，被称为“重力风”。

在海陆交接地区，由于白天海洋上的温度比陆地低，气压比陆地高，所以空气就从海洋流向大陆，形成“海风”；而到了夜间，陆地的散热快于海洋，气温和气压的分布正好与白昼相反，风就反向从陆地吹向海洋，形成“陆风”。而在赤道无风带，几乎长期不变的气温、降水量等水热条件使湿热的气流（与地面不平行的空气流动不能叫风，只能称为气流）上升到高空后，在气压梯度力的作用下将分别向两极流动。对向北流动的这股气流，由于受地转偏向力的作用，在到达北纬25°—30°地区时，已变成为大致与纬圈平行的西风，并阻碍从赤道上空源源不断流来的空气继续北上，再加上气流在北进过程中的辐射冷却，导致气流堆积下沉和地面气压升高而形成“副热带高压带”。

在地球自转的影响下，自这个气压带下流出的空气有南、北两支：向北的一支在地转偏向力作用下变为西南风；向南的一支在地转偏向力作用下变为东北信风，补充了赤道附近的上升气流而构成一个低纬度闭合环流圈。

风对运动的影响

1.风对球类运动的影响为了避免风、雨等不利气象条件的影响，许多正式的球类比赛项目，除足球和棒球外，大多都移到室内进行。但是我国广泛开展的群众性球类运动，许多都还是在露天下进行。这就不得不考虑风对球类运动的影响。

在篮球运动中，顺风、逆风、侧风都会影响投篮的命中率，也会影响传球过大或不到位，甚至造成出界。这时场上的运动员应根据不同的风向风速对自己传球和投篮动作进行必要的修正。在排球运动中，强力发球是争取场上主动权的关键，而在顺风情况下，发球和扣球经常容易出界。

在逆风情况下，发近网球经常容易落网。这时场上运动员也必须对自己的动作进行修正。

即使在运动馆内进行比赛，馆内虽然风速较小，但也是有风的。

这对于小球运动项目如乒乓球、羽毛球运动员的正常发挥也是会有影响的，一些擅长打底线球的羽毛球运动员，由于顺风常会使发球和抽球出界，而擅长打短球的运动员则会因逆风而使球落网。这些都是运动员在临场中需要考虑的因素。

2.风对登山的影响

平常我们在平地上行走，遇上六七级大风就会感到阻力很大，行路困难。当出现八级以上的大风，就要停止一切高空作业，以免发生事故。可是在青藏高原上，尤其在珠穆朗玛峰地区，经常会出现八九级大风，而登山运动员在极端缺氧的情况下，为什么能顶着八九级大风登上海拔8844米高的珠峰呢？

作用于人体上的阻力就是风压。

它不仅与风速有关，还与空气密度有关。在珠峰地区海拔高，空气稀薄，这里的空气密度仅相当于平地的1/2左右。如果同样是八九级大风，在珠峰地区的风压仅相当在平地时的1/2左右，即相当于平地上四五级风时的风压，所以登山运动员才能顶着八九级风登上珠峰。

3.风对投掷铁饼、标枪的影响

在田赛中，一般认为顺风对创造好成绩有利，但是研究表明，投掷铁饼、标枪这两项运动，在适当的逆风条件下往往比顺风条件下更为有利。澳大利亚学者乌格尔的研究认为，当铁饼运动员出手离地面高度为2.1米的情况下，投掷角度为35°时，在5米/秒逆风中投掷成绩为64.6米，而在5米/秒顺风中投掷成绩仅为63.0米。这是因为铁饼的投掷距离与飞行高度有关，在一定的逆风条件下，逆风一方面对铁饼产生阻力，另一方面也使铁饼产生向上的升力。这种升力延长了铁饼在空中的飞行时间，因而能提高成绩。投掷标枪和铁饼相似，逆风可以使标枪飞行弧度增大，飞行距离延长。

因为铅球是球体，没有一个面使其升力增加，逆风只能增加阻力，所以逆风投铅球时成绩将会下降。

4.风与短跑运动

现今，100米短跑的世界纪录在10秒以内。若以100米成绩为10秒计，则在静风时，短跑运动员与空气的相对速度为10米/秒，运动员所受的空气阻力约为28.8牛顿，即运动员要输出5%—8%的功率来克服阻力。若运动员在2米/秒的逆风条件下以原来的速度跑动，则相对风速增大到12米/秒，阻力增大到41.5牛顿，即运动员要输出9%—13%的功率来克服阻力，显然将会使成绩下降。相反，假如运动员在3级（4.4米/秒）顺风下跑动，相对风速减低为5.6米/秒，因而阻力大大减小，只需输出2%—3%的功率来克服阻力，因而短跑成绩可以缩短到9.8秒以内。为了消除不同风速的影响，国际《田径竞赛规则》中规定，凡顺风风速超过2米/秒条件下创造的成绩不予承认。

这一规定不仅适用于100米、200米短跑，也适用于跨栏、跳远等距离径赛项目。国际《田径竞赛规则》

还规定，全能运动员的单项成绩，凡顺风风速超过4米/秒者，全能纪录不予承认。