大气科学之风从哪里来==风向与风速

风速

风速，简言之即风的速度。单位时间内风移动的距离。风速没有等级，风力才有等级，风速是风力等级划分的依据。一般来讲，风速越大，风力等级越高，风的破坏性越大。

风既有大小，又有方向，因此，风的预报包括风速和风向两项。风速的大小常用几级风来表示。风的级别是根据风对地面物体的影响程度而确定的。在气象上，目前一般按风力大小划分为十二个等级。 　　

在天气预报中，常听到如“北风4到5级”之类的用语，此时所指的风力是平均风力；如听到“阵风7级”之类的用语，其阵风是指风速忽大忽小的风，此时的风力是指大时的风力。

风矢，由风向杆和风羽组成。风向杆指风的来向，公众媒体用8个方位，气象观测记录用16个方位（见右图）。大风的风羽由3或4个短划和三角表示风力，垂直在风向杆末端右侧（北半球）。 　　

其实，在自然界，风力有时是会超过12级的。象强台风中心的风力，或龙卷风的风力，都可能比12级大得多，只是12级以上的大风比较少见，一般就不具体规定级数了。

地球自转和风的偏向及小试验　

　　风在气压梯度力的作用下吹起来了。可是出人意料，风一旦起步行走，却并不朝着气压梯度力所指的方向从高压一边直接迈向低压一边，而是不断地偏转它的方向，在北半球向右偏转，在南半球则向左偏转。这是无数次观测早已证明了客观事实。

　　可见，一定还有一种什么力量从风的一侧拉着它转向。

　　经过人们深入实践和研究，这种力终于找到了。这就是地转偏向力。这个名称的本身就已告诉我们：促使风向发生偏转的力量原来是因为地球自转而引起的。在不停地旋转着的地球上，受地转偏向力作用的不仅是风，一切相对于地面运动着的物体都受到它的作用，不过因为地转偏向力和物体受到的其他力比较起来极为渺小，不为人们觉察罢了。尽管如此，在经历了漫长的岁月以后，地转偏向力还是在地球上某些地方留下了它的痕迹。人们发现，沿着水流的方向，在北半球，河流的右岸往往比左岸陡峭；在南半球，河流的左岸比右岸陡峭。这是地转偏向力存在的一个见证。这种水流对左右岸冲刷作用的差异是微不足道的，但河里的水日夜奔流，一千年，一万年，一亿年，就会显现出来的。

那末地球自转怎么会产生偏向力的呢？

　　要解答这个问题，先来做一个实验：
　　用纸板做一个圆盘，把圆盘的中心固定起来，使它能够转动，再准备一支铅笔、一把直尺就行了。把直尺放在圆盘上，随便取什么方向都行。然后让铅笔紧靠直尺的边沿在圆盘上前进。这时候笔尖在圆盘上留下痕迹AB当然是一条直线。这说明在不转动的圆盘上，运动着的笔尖完全遵循你手用力的方向前进，并没有什么偏向力来干扰。

　　但如把圆盘转动起来而使直尺仍保持原来的位置固定不动，偏向力就马上显示出它的作用来，你请助手以逆时针的方向来转动圆盘，你仍和刚才一样，让铅笔尖紧挨着直尺边沿前进，前进的方向，按上下左右各个方向都可试一试。当笔尖从直尺边沿的起跑点A跑至B处时，圆盘已转动了一个角度，圆盘上笔尖下的起跑点A转到A′的，结果笔尖在圆盘上留下的痕迹A′B便不是直线，而是一条不断向右偏转的曲线。如果你的助手按照顺时针方向来转动圆盘，那么笔尖在圆盘上留下的足迹是一条不断向左偏转的曲线。

　　这时候对直尺来说，笔尖的运动始终呈直线状态，因为它始终没有离开直尺的边沿呀！但是对转动着的圆盘来说，笔尖的运动明明是曲线运动。

地球一刻不停地自转，人们脚下踩着的大地就好象是一只转动着的大圆盘。从北极上空往下望，这只大圆盘以逆时针方向在运转；从南极上空往下望，这只大圆盘运转的方向则是顺时针的。走在这只大圆盘上的空气―风，之所以发生偏向，就是由于风与转动着的地面发生了相对运动。长年累月的水流，能在两岸显现出偏向力的作用，也正是因为它们与转动着的地面之间产生相对运动的结果。

这样看来，风偏离气压梯度力的方向，并不是真有一个什么力量在起作用。地转偏向力不过是人们为了便于对这种偏向现象进行研究而假想的一种力。这种假想的力与风向是垂直的，在北半球指向风向的右侧，而在南半球指向风向的左侧。由于它只说明空气和转动着的地面之间存在相对运动，而并不是作用于空气的实际的力，因此只能使风向偏转，而不能使风起动，也不能使已经起动的风改变速率。风的起动和快慢，都取决于气压。如果气压梯度力等于零，风无从产生，也就谈不上与地面之间的相对运动，地转偏向力也不复存在。而有了气压梯度力，也必然会相应地产生风，从而也产生地转偏向力，而且风愈大，产生的地转偏向力也愈大。

风在气压梯度力作用下被推向低气压一侧，当风一旦起步向前，地转偏向力立刻产生，并把风拉向右边。风在气压梯度力的持续推动下加快速度，越吹越大，地转偏向力也跟着加大，使劲地拉着风向右偏转。由于地转偏向力的方向与风向时刻保持垂直，于是在拉转风向的同时，地转偏向力本身也不断向右偏转，也就是越来越转到气压梯度力的反方向去。当风向被拉转到和气压梯度力的方向成90度的角度时，虽然气压梯度力依旧存在，且和先前一样大小，但在风的方向上有效分力已等于零，因而风不再受力的作用速，而靠着惯性等速前进。这时候地转偏向力也正好转到了气压梯度力的背后，矛盾着的双方大小相等，方向相反。从先前的不平衡状态进行平衡状态，于是风向也不再偏转。由图显然看出，在平衡状态下，风向与等压线保持平行。

自从发现了这种平衡规律，给气象工作者带来许多方便。气压和风的关系变得这样密切：知道了气压的分布就可以推知风的分布；同样，知道了风的分布也可反过来推知气压的分布。为了便于记忆，人们把气压与风的关系概括成这样的定律：风速与气压梯度成正比；风向与等压线平行，在北半球，背风而立，高气压在右，低气压在左；南半球则相反。

举例来说，在气压分布中，北京附近等压线呈西南到东北走向，高气压在东南侧，低气压在西北侧，按前面总结的规律，就可以推测北京吹的是西南风，而上海附近等压线呈东西走向，高气压在北侧，低气压在南侧，按规律应该吹东风。再看，上海附近的等压线比北京附近稀疏，因此上海的风应比北京小。又如，北京吹北风而上海吹南风，按规律，两地附近的等压线分布，都应该是南北向的，但在北京附近的气压西侧高于东侧，而上海则相反。又由于上海的风力比北京为大，因此上海附近的气压梯度比北京大，等压线也比北京附近密集。

大气就象一个自动调节器一样，气压梯度力和地转偏向力间的平衡与不平衡可以自动调整。虽然很难达到绝对的平衡，实际风也很难和等压线保持绝对的平行，但风向始终在等压线两则偏离得不太远。因而理论上的风与实际上的风仍然非常近似，气压与风的关系一直被广大气象台站作为大气运动规律而被利用着。

摩擦力对风的影响　

　　在离地面1.5公里的近地面层大气里，风不仅受到气压梯度力和地转偏向力的制约，而且还受到地面摩擦力的干扰。地面摩擦力的影响可以达到1.5公里的高度，因此1.5公里以下的气层就被称为摩擦层。

　　在摩擦层里，风走在粗糙不平的地表面，受到摩擦力的作用，风速不得不减小下来。由于地表粗糙程度不一，摩擦力的大小不同，风速减小的程度也就不同。一般来说，陆面摩擦力比海面大；而在陆面上的摩擦力，山地又比平原大，森林又比草原大。摩擦力不仅会削弱风速，同时也干扰了风向，破坏气压梯度力与地转偏向力之间的平衡。

　　在气压梯度力G和地转偏向力A平衡的条件下，风本来沿着等压线方向等速前进（V），但摩擦力R从它背后拉一把，风速减小为VR，地转偏向力由于风速减小也跟着减小为AR，于是气压梯度力便超过被削弱了的地转偏向力而把风拉向低气压一侧。这时候地转偏向力为了与风向保持垂直，摩擦力为了与风向保持反向，它们都跟着风向一起向左偏转。虽然摩擦力和地转偏向力不在一个方向上，它们之间始终保持一个直角，但它们仍然联合起来，共同和气压梯度力相抗，当它们的合力（R＋AR）偏转到和气压梯度力大小相等方向相反时，矛盾着的双方力量对比又恢复到平衡状态。不过不是简单地重复原先的平衡。而是在出现了新的条件―摩擦力的参与下达到新的平衡了。这时候风便以稳定的速度和一定的交角，斜穿等压线从高压一侧向低压一侧吹去（如右图）。

这种有摩擦力参与，气压梯度力与地转偏向力、摩擦力保持平衡条件下所产生的风称为摩擦风。摩擦力愈大，摩擦风的风速就愈小，向左偏转和等压线之间的交角也愈大。根据调查和统计，这种交角在海洋上为15~20度，在陆上一般达到30~45度，而在崎岖不平的山地区域，甚至比这个角度更大。这样，先前总结的气压与风的关系也得作某些修改了：背摩擦风而立，在北半球，高气压在右后方，低气压在左前方；在南半球，高气压在左后方，低气压在右前方。如果说，在高空自由大气里，风近似地顺着某高度上等压线“河道”流去，那么在地面上，风虽也顺着等压线的“河道”流，但同时又向低气压一侧泛滥开去。

　　在高低气压的区域，等压线的“河道”是以高低气压中心为中心，呈环形闭合的。如果是在高空自由大气里，按照气压与风的关系，风近似地沿着闭合等压线的“河道”环行流转，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。如果是在地面，则按照气压与摩擦风的关系，在高气压区，风一面以顺时针方向流转，一面向周围气压低的地方辐散开来，形成顺时针外流的螺旋式气流；而在低气压区，风一面以逆时针方向流转，一面向低压中心区域汇流辐合进去，形成逆时针内流的螺旋式气流。

怎样读天气图上的风向风速？

　　左图为天气图上表示某个台站各物理量的符号，其中的用黄色加亮的符号-“wind barb”表示某时刻测到的该台站的地面风向和风速。

　　风向杆所指得方向为风的方向，即指风吹来的方向。如右上图所示，风的方向为东北风。

　　在这里风速的单位为Knot（哩/小时），其换算关系为：
　　1 Knot = 1.15 英里/小时　
　　1 Knot = 1.9 公里/小时

　　图中风向杆上每一条短划线代表5Knot，每一条长划线代表10Knot，将风向标上所有划线的值加起来就是风速值的大小。右图给出了风向标上每种符号所代表的值的大小。