4.信風
信風——低層大氣中,從副熱帶高壓區吹向赤道地區的盛行氣流。信風所及的地區,每年隻要到一定季節便會應期而來,故名。在地球自轉偏向力的作用下,北半球盛吹東北信風,南半球盛吹東南信風。隨著冬夏季節的變化,信風帶作南北移動,夏季偏北,冬季偏南。
指的是在低空從副熱帶高壓帶吹向赤道低氣壓帶的風。南、北半球副熱帶高壓近赤道一側的偏東風。在北半球為東北信風,南半球為東南信風。北半球副熱帶高壓中的空氣向南運行時,由於受地球自轉偏向力的影響,空氣運行偏向於氣壓梯度力的右方,形成東北風,即東北信風。南半球反之形成東南信風。在對流層上層盛行與信風方向相反的風,即反信風。信風與反信風在赤道和南北緯20~35°之間構成閉合的垂直環流圈,即哈德萊環流。由於副熱帶高壓在海洋上表現特別明顯,終年存在,在大陸上隻冬季存在。故在熱帶洋麵上終年盛行穩定的信風,大陸上的信風穩定性較差,且隻發生在冬半年。兩個半球的信風在赤道附近彙合,形成熱帶輻合帶。信風是一個非常穩定的係統,但也有明顯的年際變化。有人認為,東太平洋信風崩潰,可能對赤道海溫激烈上升有影響,是厄爾尼諾形成的原因。其增強、減弱是有規律的,厄爾尼諾時信風大為減弱,致使赤道地區的緯向瓦克環流也減弱。反厄爾尼諾時,信風增強,瓦克環流增強並向西擴展。
信風穩定出現,很講信用,大概這是它被稱為“信風”的原因。也就是因為這樣,古代商人們就利用了這個不變的規律,借助信風吹送,往來於海上住行貿易,因此信風又被稱做貿易風。
信風帶:有副熱帶高氣壓帶吹向赤道地區的定向風叫信風。在地球自轉偏向力的作用下,風向發生偏離,北半球形成東北信風;南半球形成東南信風。終年吹著信風的地帶,叫信風帶。
5.太陽風
太陽風
太陽風是一種連續存在,來自太陽並以200~800km/s的速度運動的等離子體流。太陽風從太陽大氣最外層的日冕,向空間持續拋射出來的物質粒子流。這種粒子流是從冕洞中噴射出來的,其主要成分是氫粒子和氦粒子。太陽風有兩種:一種持續不斷地輻射出來,速度較小,粒子含量也較少,被稱為“持續太陽風”;另一種是在太陽活動時輻射出來,速度較大,粒子含量也較多,這種太陽風被稱為“擾動太陽風”。擾動太陽風對地球的影響很大,當它抵達地球時,往往引起很大的磁暴與強烈的極光,同時也產生電離層騷擾。太陽風的存在,給我們研究太陽以及太陽與地球的關係提供了方便。為了能夠清楚的表述太陽風是怎樣形成的,我們先來了解一下太陽大氣的分層情況。
一般情況下,我們把太陽大氣分為六層,由內往外依次命名為:日核,輻射區,對流層,光球,色球,日冕。日核的半徑占太陽半徑的四分之一左右,它集中了太陽質量的大部分,並且是太陽百分之九十九以上的能量的發生地。光球是我們平常所見的明亮的太陽圓麵,太陽的可見光全部是由光球麵發出的。
而日冕位於太陽的最外層,屬於太陽的外層大氣。太陽風就是在這裏形成並發射出去的。通過人造衛星和宇宙空間探測器拍攝的照片,我們可以發現在日冕上長期存在著一些長條形的大尺度的黑暗區域。這些區域的X射線強度比其他區域要低得多,從表觀上看就像日冕上的一些洞,我們形象的稱之為冕洞。
冕洞是太陽磁場的開放區域,這裏的磁力線向宇宙空間擴散,大量的等離子體順著磁力線跑出去,形成高速運動的粒子流。粒子流在冕洞底部速度為每秒16km左右,當到達地球軌道附近時,速度可達每秒800km以上。這種高速運動的等離子體流也就是我們所說的太陽風。
太陽風從冕洞噴發而出後,夾帶著被裹挾在其中的太陽磁場向四周迅速吹散。現在我們肯定,太陽風至少可以吹遍整個太陽係。
當太陽風到達地球附近時,與地球的偶極磁場發生作用,並把地球磁場的磁力線吹得向後彎曲。但是地磁場的磁壓阻滯了等離子體流的運動,使得太陽風不能侵入地球大氣而繞過地磁場繼續向前運動。於是形成一個空腔,地磁場就被包含在這個空腔裏。此時的地磁場外形就像一個一頭大一頭小的蛋狀物。
但是,當太陽出現突發性的劇烈活動時,情況會有所變化。此時太陽風中的高能離子會增多,這些高能離子能夠沿著磁力線侵入地球的極區;並在地球兩極的上層大氣中放電,產生絢麗壯觀的極光。
1850年,一位名叫卡林頓的英國天文學家在觀察太陽黑子時,發現在太陽表麵上出現了一道小小的閃光,它持續了約5分鍾。卡林頓認為自己碰巧看到一顆大隕石落在太陽上。
到了20世紀20年代,由於有了更精致的研究太陽的儀器。人們發現這種“太陽光”是普通的事情,它的出現往往與太陽黑子有關。例如,1899年,美國天文學家霍爾發明了一種“太陽攝譜儀”,能夠用來觀察太陽發出的某一種波長的光。這樣,人們就能夠靠太陽大氣中發光的氫、鈣元素等的光,拍攝到太陽的照片。結果查明,太陽的閃光和什麼隕石毫不相幹,那不過是熾熱的氫的短暫爆炸而已。
小型的閃光是十分普通的事情,在太陽黑子密集的部位,一天能觀察到一百次之多,特別是當黑子在“生長”的過程中更是如此。像卡林頓所看到的那種巨大的閃光是很罕見的,一年隻發生很少幾次。
有時候,閃光正好發生在太陽表麵的中心,這樣,它爆發的方向正衝著地球。在這樣的爆發過後,地球上會一再出現奇怪的事情。一連幾天,極光都會很強烈,有時甚至在溫帶地區都能看到。羅盤的指針也會不安分起來,發狂似地擺動,因此這種效應有時被稱為“磁暴”。隨著科技的進步,極光的奧秘也越來越為我們所知,原來,這美麗的景色是太陽與大氣層合作表演出來的作品。在太陽創造的諸如光和熱等形式的能量中,有一種能量被稱為"太陽風"。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子,是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流。太陽風在地球上空環繞地球流動,以大約每秒400公裏的速度撞擊地球磁場。地球磁場形如漏鬥,尖端對著地球的南北兩個磁極,因此太陽發出的帶電粒子沿著地磁場這個"漏鬥"沉降,進入地球的兩極地區。兩極的高層大氣,受到太陽風的轟擊後會發出光芒,形成極光。在南極地區形成的叫南極光。在北極地區形成的叫北極光。
在本世紀之前,這類情況對人類並沒有發生什麼影響。但是,到了20世紀,人們發現,磁暴會影響無線電接收,各種電子設備也會受到影響。由於人類越來越依賴於這些設備,磁暴也就變得越來越事關重大了。比如說,在磁暴期內,無線電和電視傳播會中斷,雷達也不能工作。
天文學家更加仔細地研究了太陽的閃光,發現在這些爆發中顯然有熾熱的氫被拋得遠遠的,其中有一些會克服太陽的巨大引力射入空間。氫的原子核就是質子,因此太陽的周圍有一層質子雲(還有少量複雜原子核)。1958年,美國物理學家帕克把這種向外湧的質子雲叫做“太陽風”。
向地球方向湧來的質子在抵達地球時,大部分會被地球自身的磁場推開。不過還是有一些會進入大氣層,從而引起極光和各種電現象。向地球方向射來的強大質子雲的一次特大爆發,會產生可以稱為“太陽風暴”的現象,這時,磁暴效應就會出現。
使彗星產生尾巴的也正是太陽風。彗星在靠近太陽時,星體周圍的塵埃和氣體會被太陽風吹到後麵去。這一效應也在人造衛星上得到了證實。像“回聲一號”那樣又大又輕的衛星,就會被太陽風顯著吹離事先計算好的軌道。
6.山穀風
山穀風
由於山穀與其附近空氣之間的熱力差異而引起白天風從山穀吹向山坡,這種風稱“穀風”;到夜晚,風從山坡吹向山穀稱“山風”。山風和穀風總稱為山穀風。
山穀風的形成原理跟海陸風類似,白天,山坡接受太陽光熱較多,成為一隻小小的“加熱爐”,空氣增溫較多;而山穀上空,同高度上的空氣因離地較遠,增溫較少。於是山坡上的暖空氣不斷上升,並在上層從山坡流向穀地,穀底的空氣則沿山坡向山頂補充,這樣便在山坡與山穀之間形成一個熱力環流。下層風由穀底吹向山坡,稱為穀風。到了夜間,山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響,“加熱爐”變成了“冷卻器”,空氣降溫較多;而穀地上空,同高度的空氣因離地麵較遠,降溫較少。於是山坡上的冷空氣因密度大,順山坡流入穀地,穀底的空氣因彙合而上升,並從上麵向山頂上空流去,形成與白天相反的熱力環流。下層風由山坡吹向穀地,稱為山風。
穀風的平均速度約每秒2~4米,有時可達每秒7~10米。穀風通過山隘的時候,風速加大。山風比穀風風速小一些,但在峽穀中,風力加強,有時會吹損穀地中的農作物。穀風所達厚度一般約為穀底以上500~1000米,這一厚度還隨氣層不穩定程度的增加而增大,因此,一天之中,以午後的伸展厚度為最大。山風厚度比較薄,通常隻及300米左右。
在晴朗的白天,穀風把溫暖的空氣向山上輸送,使山上氣溫升高,促使山前坡崗區的植物、農作物和果樹早發芽、早開花、早結果、早成熟;冬季可減少寒意。穀風把穀地的水汽帶到上方,使山上空氣濕度增加,穀地的空氣濕度減小,這種現象,在中午幾小時內特別的顯著。如果空氣中有足夠的水汽,夏季穀風常常會凝雲致雨,這對山區樹木和農作物的生長很有利;夜晚,山風把水汽從山上帶入穀地,因而山上的空氣濕度減小,穀地空氣濕度增加。在生長季節裏,山風能降低溫度,對植物體營養物質的積累,塊根、塊莖植物的生長膨大很有好處。
山穀風還可以把清新的空氣輸送到城區和工廠區,把煙塵和漂浮在空氣中的化學物質帶走,有利於改善和保護環境。工廠的建設和布局要考慮有規律性的風向變化問題。山穀風風向變化有規律,風力也比較穩定,可以當作一種動力資源來研究和利用,發揮其有利方麵,控製其不利方麵,為社會主義建設服務。
值得重視的是,我國除山地以外,高原和盆地邊緣也可以出現與山穀風類似的風:風向風速有明顯的日變化。出現在青藏高原邊緣的山穀風,特別是與四川盆地相鄰的地區,對青藏高原邊緣一帶的天氣有著很大的影響。在水汽充足的條件下,白天在山坡上空凝雲致雨,夜間在盆地邊緣造成降水。
7.地轉風
在大氣中水平方向的氣壓梯度力與地球自轉所引起的科裏奧利力平衡時的風。由於水平氣壓梯度力的方向垂直於等壓線且由高壓指向低壓,而科裏奧利力的方向垂直於風,因此兩者平衡形成的地轉風的方向平行於等壓線(或等重力位勢線)。在北半球,若背風而立,高氣壓(或高重力位勢)在右側,低氣壓(或低重力位勢)在左側,在南半球則相反。
地轉風和氣壓場分布的這種規律,是C.H.D.白貝羅於1857年首先提出的,故稱白貝羅定律。地轉風的大小與水平氣壓梯度(或等壓麵上的重力位勢梯度,即等壓麵坡度)的數值成正比,與科裏奧利參數及空氣密度成反比。在離地麵約1.5千米以上的自由大氣中,大尺度運動的鉛直速度比水平速度小得多,而且水平運動的慣性力和湍流摩擦力也比水平氣壓梯度力和科裏奧利力小得多,因此,自由大氣中的大尺度運動,除了具有準水平運動的性質外,還近似地滿足地轉風關係,故又稱為準地轉運動。
在大尺度自由大氣中(不考慮摩擦力的作用),空氣質點所受的水平氣壓梯度力(G)和水平地轉偏向力(A)達到平衡時的勻速直線平衡運動,G=A。地轉風的表達式:Vg=(9.8/f)/(H/n)式中f=2ωSinφ是地轉參數,-(H/n)為高度梯度(相當於氣壓梯度)。地轉風方向平行於等壓線,在北半球,背地轉風而立,高壓在右,低壓在左,南半球則相反,地轉風速度大小與水平氣壓梯度成正比,即等壓線越密(疏)地轉風風速越大(小)。地轉風風速還與地球緯度成反比。
在中高緯地區,高空的實際風十分接近地轉風,風壓關係大體遵循上述地轉風原理,這是中高緯地區在分析天氣和預報天氣中應遵循的原則。
8.海陸風
海陸風
因海洋和陸地受熱不均勻而在海岸附近形成的一種有日變化的風係。在基本氣流微弱時,白天風從海上吹向陸地,夜晚風從陸地吹向海洋。前者稱為海風,後者稱為陸風,合稱為海陸風。海陸風的水平範圍可達幾十公裏,鉛直高度達1~2公裏,周期為一晝夜。白天,地表受太陽輻射而增溫,由於陸地土壤熱容量比海水熱容量小得多,陸地升溫比海洋快得多,因此陸地上的氣溫顯著地比附近海洋上的氣溫高。陸地上空氣柱因受熱膨脹,形成了如圖所示的氣溫(T)、氣壓(p)分布,在水平氣壓梯度力的作用下,上空的空氣從陸地流向海洋,然後下沉至低空,又由海麵流向陸地,再度上升,遂形成低層海風和鉛直剖麵上的海風環流。海風從每天上午開始直到傍晚,風力以下午為最強。日落以後,陸地降溫比海洋快;到了夜間,海上氣溫高於陸地,就出現與白天相反的熱力環流而形成低層陸風和鉛直剖麵上的陸風環流。海陸的溫差,白天大於夜晚,所以海風較陸風強。如果海風被迫沿山坡上升,常產生雲層。在較大湖泊的湖陸交界地,也可產生和海陸風環流相似的湖陸風。海風和湖風對沿岸居民都有消暑熱的作用。在較大的海島上,白天的海風由四周向海島輻合,夜間的陸風則由海島向四周輻散。因此,海島上白天多雨,夜間多晴朗。例如中國海南島,降水強度在一天之內的最大值出現在下午海風輻合最強的時刻。
9.季風
季風是由海陸分布、大氣環流、大陸地形等因素造成的,以一年為周期的大範圍對流現象。亞洲地區是世界上最著名的季風區,其季風特征主要表現為存在兩支主要的季風環流,即冬季盛行東北季風和夏季盛行西南季風,並且它們的轉換具有暴發性的突變過程,中間的過渡期實短。一般來說,11月至翌年3月為冬季風時期,6~9月為夏季風時期,4~5月和10月為夏、冬季風轉換的過渡時期。但不同地區的季節差異有所不同,因而季風的劃分也不完全一致。
季風是大範圍盛行的、風向隨季節變化顯著的風係,和風帶一樣同屬行星尺度的環流係統,它的形成是由冬夏季海洋和陸地溫度差異所致。季風在夏季由海洋吹向大陸,在冬季由大陸吹向海洋。
季風活動範圍很廣,它影響著地球上1/4的麵積和1/2人口的生活。西太平洋、南亞、東亞、非洲和澳大利亞北部,都是季風活動明顯的地區,尤以印度季風和東亞季風最為顯著。中美洲的太平洋沿岸也有小範圍季風區,而歐洲和北美洲則沒有明顯的季風區,隻出現一些季風的趨勢和季風現象。
冬季,大陸氣溫比鄰近的海洋氣溫低,大陸上出現冷高壓,海洋上出現相應的低壓,氣流大範圍從大陸吹向海洋,形成冬季季風。冬季季風在北半球盛行北風或東北風,尤其是亞洲東部沿岸,北向季風從中緯度一直延伸到赤道地區,這種季風起源於西伯利亞冷高壓,它在向南爆發的過程中,其東亞及南亞產生很強的北風和東北風。非洲和孟加拉灣地區也有明顯的東北風吹到近赤道地區。東太平洋和南美洲雖有冬季風出現,但不如亞洲地區顯著。
夏季,海洋溫度相對較低,大陸溫度較高,海洋出現高壓或原高壓加強,大陸出現熱低壓;這時北半球盛行西南和東南季風,尤以印度洋和南亞地區最顯著。西南季風大部分源自南印度洋,在非洲東海岸跨過赤道到達南亞和東亞地區,甚至到達我國華中地區和日本;另一部分東南風主要源自西北太平洋,以南或東南風的形式影響我國東部沿海。