2.1　風的形成

2.1.1　“大氣環流”理想模型

地球從太陽接收約1.7×1014kW的輻射能量，其中有1%～2%的熱能到達地球表面后，轉換成了風能。地球被數千米厚的大氣層包圍，太陽輻射加熱了大氣。地球各緯度的太陽輻射強度不同，使得各地冷熱有差異，造成了大氣運動。

赤道和低緯度地區，太陽高度角大，近似直射，日照時間長，輻射強度大，地面和大氣接受的熱量多，大氣溫度較高；相反，高緯度地區，太陽高度較小，為斜射，日照時間短，地面和大氣接受的熱量少，溫度低。這種高緯度和低緯度之間的溫度差異，形成了地球南北之間的氣壓梯度，使空氣做水平運動，風沿垂直于等壓線的方向從高壓地區吹向低壓地區。使空氣水平運動方向發生偏向的力，稱為地轉偏向力。在地球自轉中，地轉偏向力使北半球氣流向右偏轉，南半球氣流向左偏轉，所以地球大氣運動除了受氣壓梯度力的影響外，還受地球偏轉力的影響。地球周圍大氣層宏觀的真實運動為這兩種力綜合影響的結果，如圖2-1所示。

地球自轉也影響著大氣的運動。接近極地地面的冷空氣由于地轉偏向力的作用而偏向西方，而大氣層上部的暖空氣偏向東方。這引起了北半球圍繞低壓區的反時針方向環流和南半球順時針方向的環流。由于地球不斷自轉，在緯度30°附近，熱空氣在高空一側有空氣流向赤道，由于地轉偏向力的作用，北半球吹東北風，南半球吹東南風，風速穩定但不大，3～4級，這就是所謂的信風。所以，在南北緯度30°之間的地帶被稱為信風帶。在副熱帶高壓向著極地一側，有空氣流向中緯度。在地球自轉的影響下，南北半球都吹偏西風，并且風速較大，稱為盛行西風帶。從基地地面高氣壓流出的空氣，受地轉偏向力趨勢，南北半球均吹偏東風，這樣就在緯度60°～90°之間形成了極地東風帶。上述各部，即熱帶-赤道信風圈、中緯盛行西風圈、極地東風圈組成了地球上三個大氣環流圈，這便是著名的“三圈環流”，如圖2-1所示。空氣在離地面18km高空內的流動情況如圖2-1左側所示。相鄰的環流圈相互間，旋轉方向相反。南北信風帶環流從赤道無風帶彼此分離，又各自在副熱帶高壓區與亞熱帶高壓帶環流分開，而后者又各自與南北極地東風帶環流分開。

但是，“三圈環流”是一種理想的環流模型，反映了大氣環流的宏觀情況。實際上，受到地形和海洋等因素的影響，如海陸分布的不均勻、海洋和大陸受熱溫度變化的不同、大陸地形的多樣性等，實際的環流比理想模型要復雜得多。不過，對于地形比較均勻的南半球，其大氣環流接近于上述理想模型。從微觀上講，距地球表面100m內的風速和風向是變化的，且此高度區域內，山坳和海洋不僅可改變氣流運動的方向，還可使風速加速；而丘陵、山地、森林和建筑物使地表面摩擦力增大，會降低風速；相反孤立的山峰，因海拔高而使風速降低。

2.1.2　氣壓與風

驅使大氣運動的原因錯綜復雜，水平風、垂直升降氣流、不規則的紊流運動都是造成大氣運動的原因。

圖2-2所示為大陸等氣壓分布圖，曲線是等壓線。如果閉合等壓線的氣壓值高于周圍，則稱其為高氣壓區；相反稱為低氣壓區。如同山峰的山脊和山谷，從高氣壓伸展出來的部分稱為高壓脊，從低氣壓伸展出來的部分稱為低壓槽。

一般把單位距離內氣壓的變化值稱為氣壓梯度。等壓線分布有疏有密，等壓線的疏密程度標志著單位距離內氣壓差的大小。等壓線越密集，代表氣壓梯度越大。這種由于氣壓梯度而產生的旁壓力稱為氣壓梯度力，這是推動空氣運動的作用力。氣壓梯度力把兩地間的空氣從高氣壓區域推向低氣壓區域，空氣流動便形成了風。氣壓梯度力越大，空氣流動的速度越快，風速越大。氣壓梯度力的大小可以用下式來表示

從式（2-1）可以看出，氣壓梯度力與氣團的空氣密度成反比，而與氣壓梯度成正比。

但是，風并非直接從高氣壓吹向低氣壓，而是不停地在發生偏轉，偏轉方向可通過左手法則、右手法則進行判別，如圖2-3所示。北半球遵循右手法則，風總是向右偏轉，南半球遵循左手法則，風總是向左偏轉。風之所以發生偏轉，是因為空氣在相對地面運動時承受了另外一種力，這種因地球自轉使空氣水平運動發生偏向的力稱為地轉偏向力。值得注意的是，地轉偏向力在空氣相對地球靜止時為零。地轉偏向力的大小可以用下式來表示

從式（2-2）可以看出，地轉偏向力隨風速增大而增大，且與風向始終垂直。在風速相同的情況下，緯度越高，地轉偏向力越大，在南北極達到最大值，而在赤道為零。在同一緯度，風速越大，地轉偏向力越大。

在地轉偏向力的作用下，風向不斷發生偏轉。直到風向被偏轉到與氣壓梯度力成90°角，此時氣壓梯度力對風的分作用力為零。氣壓梯度力與地轉偏向力正好方向相反，大小相等，達到平衡。在平衡狀態下，風向與氣壓等壓線保持平行，如圖2-4所示。這種平衡規律顯示了氣壓和風的相互關系，即風速與氣壓梯度成正比，風向與等壓線成平行。圖2-4中，L為低壓，H為高壓。

以北半球為例，在高空大氣里，按照氣壓與風的關系分析，風近似地沿著等壓線的閉合環進行流動。在高氣壓區以順時針方向流轉，在低氣壓區以逆時針方向流轉。但在近地面，由于受到摩擦力的影響，在高氣壓區氣流一邊以順時針的方向旋轉，一邊向外擴散；相反在低氣壓區，氣流一邊以逆時針的方向旋轉，一邊向內匯集。兩者均表現為螺旋狀的流動，如圖2-5所示。