2.1　风的形成

2.1.1　“大气环流”理想模型

地球从太阳接收约1.7×1014kW的辐射能量，其中有1%～2%的热能到达地球表面后，转换成了风能。地球被数千米厚的大气层包围，太阳辐射加热了大气。地球各纬度的太阳辐射强度不同，使得各地冷热有差异，造成了大气运动。

赤道和低纬度地区，太阳高度角大，近似直射，日照时间长，辐射强度大，地面和大气接受的热量多，大气温度较高；相反，高纬度地区，太阳高度较小，为斜射，日照时间短，地面和大气接受的热量少，温度低。这种高纬度和低纬度之间的温度差异，形成了地球南北之间的气压梯度，使空气做水平运动，风沿垂直于等压线的方向从高压地区吹向低压地区。使空气水平运动方向发生偏向的力，称为地转偏向力。在地球自转中，地转偏向力使北半球气流向右偏转，南半球气流向左偏转，所以地球大气运动除了受气压梯度力的影响外，还受地球偏转力的影响。地球周围大气层宏观的真实运动为这两种力综合影响的结果，如图2-1所示。

地球自转也影响着大气的运动。接近极地地面的冷空气由于地转偏向力的作用而偏向西方，而大气层上部的暖空气偏向东方。这引起了北半球围绕低压区的反时针方向环流和南半球顺时针方向的环流。由于地球不断自转，在纬度30°附近，热空气在高空一侧有空气流向赤道，由于地转偏向力的作用，北半球吹东北风，南半球吹东南风，风速稳定但不大，3～4级，这就是所谓的信风。所以，在南北纬度30°之间的地带被称为信风带。在副热带高压向着极地一侧，有空气流向中纬度。在地球自转的影响下，南北半球都吹偏西风，并且风速较大，称为盛行西风带。从基地地面高气压流出的空气，受地转偏向力趋势，南北半球均吹偏东风，这样就在纬度60°～90°之间形成了极地东风带。上述各部，即热带-赤道信风圈、中纬盛行西风圈、极地东风圈组成了地球上三个大气环流圈，这便是著名的“三圈环流”，如图2-1所示。空气在离地面18km高空内的流动情况如图2-1左侧所示。相邻的环流圈相互间，旋转方向相反。南北信风带环流从赤道无风带彼此分离，又各自在副热带高压区与亚热带高压带环流分开，而后者又各自与南北极地东风带环流分开。

但是，“三圈环流”是一种理想的环流模型，反映了大气环流的宏观情况。实际上，受到地形和海洋等因素的影响，如海陆分布的不均匀、海洋和大陆受热温度变化的不同、大陆地形的多样性等，实际的环流比理想模型要复杂得多。不过，对于地形比较均匀的南半球，其大气环流接近于上述理想模型。从微观上讲，距地球表面100m内的风速和风向是变化的，且此高度区域内，山坳和海洋不仅可改变气流运动的方向，还可使风速加速；而丘陵、山地、森林和建筑物使地表面摩擦力增大，会降低风速；相反孤立的山峰，因海拔高而使风速降低。

2.1.2　气压与风

驱使大气运动的原因错综复杂，水平风、垂直升降气流、不规则的紊流运动都是造成大气运动的原因。

图2-2所示为大陆等气压分布图，曲线是等压线。如果闭合等压线的气压值高于周围，则称其为高气压区；相反称为低气压区。如同山峰的山脊和山谷，从高气压伸展出来的部分称为高压脊，从低气压伸展出来的部分称为低压槽。

一般把单位距离内气压的变化值称为气压梯度。等压线分布有疏有密，等压线的疏密程度标志着单位距离内气压差的大小。等压线越密集，代表气压梯度越大。这种由于气压梯度而产生的旁压力称为气压梯度力，这是推动空气运动的作用力。气压梯度力把两地间的空气从高气压区域推向低气压区域，空气流动便形成了风。气压梯度力越大，空气流动的速度越快，风速越大。气压梯度力的大小可以用下式来表示

从式（2-1）可以看出，气压梯度力与气团的空气密度成反比，而与气压梯度成正比。

但是，风并非直接从高气压吹向低气压，而是不停地在发生偏转，偏转方向可通过左手法则、右手法则进行判别，如图2-3所示。北半球遵循右手法则，风总是向右偏转，南半球遵循左手法则，风总是向左偏转。风之所以发生偏转，是因为空气在相对地面运动时承受了另外一种力，这种因地球自转使空气水平运动发生偏向的力称为地转偏向力。值得注意的是，地转偏向力在空气相对地球静止时为零。地转偏向力的大小可以用下式来表示

从式（2-2）可以看出，地转偏向力随风速增大而增大，且与风向始终垂直。在风速相同的情况下，纬度越高，地转偏向力越大，在南北极达到最大值，而在赤道为零。在同一纬度，风速越大，地转偏向力越大。

在地转偏向力的作用下，风向不断发生偏转。直到风向被偏转到与气压梯度力成90°角，此时气压梯度力对风的分作用力为零。气压梯度力与地转偏向力正好方向相反，大小相等，达到平衡。在平衡状态下，风向与气压等压线保持平行，如图2-4所示。这种平衡规律显示了气压和风的相互关系，即风速与气压梯度成正比，风向与等压线成平行。图2-4中，L为低压，H为高压。

以北半球为例，在高空大气里，按照气压与风的关系分析，风近似地沿着等压线的闭合环进行流动。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。但在近地面，由于受到摩擦力的影响，在高气压区气流一边以顺时针的方向旋转，一边向外扩散；相反在低气压区，气流一边以逆时针的方向旋转，一边向内汇集。两者均表现为螺旋状的流动，如图2-5所示。