第3章 风——空气运动的起动力

为什么会有风？空气在什么力量的推动下才发生运动？这是一个非常复杂的问题，通常有4种力是必须考虑的。这就是气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力和摩擦力。它们对空气运动，即对风的方向和速度都有作用，风是它们综合作用的结果。

（1）气压梯度力是由于气压分布不均匀，空气就从气压高的地方向气压低的地方流动，“水往低处流”，空气也是这样。因为高、低压差，使得它们之间形成一种力，气压差越大，这种力也就越大。就像物体从楼梯上滚下来，楼梯越高越陡，物体就滚得越快。所以，这种力称为气压梯度力。显然，气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比，力的方向是从高压指向低压，在大气温度为0℃、大气压力为1013.25百帕的标准温压条件下，空气密度是1.293千克／立方米。这时候，如果出现100帕／赤道度的气压梯度，就能产生7×104牛顿／千克的气压梯度力。不要小看这个力，只要经过一定时间，就能产生很大的速度。例如，3小时后，就能使风速从零增大到7.6米／秒；持续10小时，就会使风速增大到25米／秒。这就说明，气压梯度力是形成风的原动力。不过在事实上，在空气开始运动后，会有其他动力来与气压梯度力相平衡，以达到空气的常速运动。所以，尽管比较小的气压梯度，也可以引起很大的风速，而各种力的相互平衡作用，能使风速不可能无限地增大。

（2）在我们这个地球上，地球自转速度很快，有464米／秒，自转一圈有40074.25千米，以华里计算为80148.50里，真是名副其实的“日行八万里”。在这样高速自转的影响下，不可避免地要影响地球上物体的运动。在北半球，运动着的物体，常因地球自转作用，产生了使物体在其前进方向往右偏转的力，这个力因地球自转引起，所以称为地转偏向力。在南半球，地转偏向力的作用，则使运动着的物体在前进方向往左偏转。

地转偏向力属于一种惯性力，是由地球自转而产生，所以，只有当物体运动时才能表现出来，而且它的方向永远垂直于物体运动中的瞬时速度的方向。地转偏向力只改变物体运动的方向，而不改变物体运动速度的大小。

产生地转偏向力需要3个条件：①地球自转；②物体运动；③物体运动方向和地球自转有交角。二三个条件缺一不可，只有前两个条件，而无第三个条件，即运动方向与地轴平行时，例如在赤道上的南风和北风，都不会发生偏转。两极地区的垂直运动，也不会发生偏转。

这些条件和特点，对于我们认识地转偏向力的作用很有好处。

（3）地球自转的另一个结果，是物体产生离心力。从物理学可知，离心力永远是在纬圈平面上，方向是沿着纬圈的曲率半径从地轴向外，而力的大小与运动物体的线速度的平方成正比，与曲率半径成反比。离心力与地转偏向力一样，都属于惯性力，只能改变运动的方向，不能改变运动的速度，所以也称为惯性离心力。惯性离心力通常比地转偏向力小。但是，在低纬度地区，或空气运动速度很大，而曲率关系很小时，也可能达到较大的数值，并可能超过地转偏向力。

（4）空气的乱流运动可能在上、下层之间有差异，方向可以不同，速度也可以不一样，这时就可能产生摩擦，称为内摩擦力。乱流作用越强，内摩擦力也就越大。近地层空气运动和地表面之间也会产生摩擦力，称外摩擦力。它是地表面对空气运动的阻力，方向与空气运动方向相反，并偏向一边约35°，大小与空气运动速度及摩擦系数成正比。内摩擦力与外摩擦力总称摩擦力，它使空气运动速度减小，方向往一边偏离。摩擦力越大，偏离也越大。在海洋上偏离角度要小些，约10°。在陆地上偏离角度可达35°左右。摩擦力的大小与高度有关系，在近地层30～50米处摩擦力最大，到1000～2000米已不显著。所以在这个高度以下，称为摩擦层，以上则称为自由大气。

从上述各种力可以看出，只有气压梯度力才可以使空气从静止状态产生运动，是空气运动的起动力。其他力只能改变空气运动的方向或速度，并只有当空气已经运动时才会发生，不是空气运动的起动力。