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第2章 风是如何形成的

风常指空气的水平运动分量,包括方向和大小,即风向和风速。但对于飞行来说,还包括垂直运动分量,即所谓垂直或升降气流。阵风(又称突风)则是在短时间内风速发生剧烈变化的风。气象上的风向是指风的来向,航行上的风向是指风的去向。在气象服务中,常用风力等级来表示风速的大小。风和阵风对飞机飞行影响很大。起飞和着陆时必须根据地面的风向和风速选择适宜的起飞、着陆方向;飞行中必须依据空中风向和风速及时修正偏流,以保持一定的航向和计算出标准的飞行时间;修建机场时必须根据风的气候资料确定跑道方位。另外,风对飞机飞行性能也有明显影响,例如飞机逆风飞行时,飞机升力将会增加。阵风则对飞机飞行载荷产生显著的影响,在飞行器的设计中需要给出描述阵风的模型和强度标准。

揭秘风雨雷电相对于地表面的空气运动,通常指它的水平分量,以风向、风速或风力表示。风向指气流的来向,常按16方位记录。风速是空气在单位时间内移动的水平距离,以米/秒为单位。大气中水平风速一般为1.0~10米/秒,台风、龙卷风有时达到102米/秒。而农田中的风速可以小于0.1米/秒。风速的观测资料有瞬时值和平均值2种,一般使用平均值。风的测量多用电接风向风速计、轻便风速表、达因式风向风速计,以及用于测量农田中微风的热球微风仪等仪器进行;也可根据地面物体征象按风力等级表估计。

那么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。

气压梯度与石阶梯的坡度(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。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。知识点电接风向风速计电接风向风速计是一种具有电动装置的测定风向风速的自记仪器。由感应器、指示器和记录器三大部分组成。感应器安装在室外的杆子上,指示器与记录器则放在室内。感应器分风速表和风向标两部分。风速表是一组风杯,风愈大时,风标转动得愈快;风向标是一个流线型的风标,当空气流动时,风标始终指着风的来向,通过电动装置,即可从室内的仪表上读出当时瞬间的和平均的风向、风速。

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