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樱花树随风吹动约22米/秒(约合49英里/小时)
受风力影响的树木

是大规模的气体流动现象。在地球上,风是由空气的大范围运动形成的。在外层空间太阳风是气体或带电粒子太阳到太空的流动,而行星风则是星球大气层的轻分子释气作用飘散至太空。风通常可按空间尺度英语scale (spatial)速度、力度、肇因、产生区域及其影响来划分。在太阳系海王星木星上,曾观测到迄今为止于星球上产生的最为强烈的风。

气象学中,经常用风的强度和风的方向来描述风。短期的高速的风的爆发被称为阵风。极短时间内(大约1分钟)的强风被称为英语squall。长时间的风可根据它们得平均强度被称呼不同的名字,比如微风烈风风暴飓风台风等。风发生的时间范围很大,有只持续几十分钟的雷暴气流,有可持续几小时的因地表加热而产生的局地微风,也有因地球上不同气候区内吸收太阳能量不同而产生的全球性的风。大尺度大气环流产生的两个主要原因是赤道和极地之间的所受不同的加热,以及行星的旋转(科里奥利效应)。在热带,热低压和高原可以驱动季风环流。在海岸地区,海陆风循环在局地的风中占主要。在有起伏地形的地区,山谷风在局地风中占主要。

人类文明历史中,风引发了神话,影响过历史,扩展了运输战争的范围,为机械功娱乐提供了能源。风推动着帆船在地球的大海中航行。热气球利用风可作短途旅行,动力飞行可以利用风来增加升力和减少燃料消耗。一些天气现象引发的风切变区域可以导致航空器处于危险的境况。当风变强时,会毁坏树木和人造建筑。

风还可以通过不同的风成过程(比如沃土的形成,黄土的形成)和侵蚀作用改变地表形态。盛行风可以将大沙漠黄沙从源头带到很远的地方;粗糙的地形可以将风加速,因为对当地的影响很大,世界上一些区域的和沙尘暴相关的风都有自己的名字。风可以影响野火的蔓延。 很多种植物的种子是依靠风来散布,这些物种的生存和分布受风影响很大。一些飞行类昆虫的种群大小也受风影响。当风和低温同时发生时,对家畜会有不利影响。风还可以影响动物的食物的储存,以及它们的捕猎和自保的策略。

成因

1888年超级暴雪英语Great Blizzard of 1888地面天气分析图。图中等压线较密集的区域表明有较大的风。

风是由气压的差异造成的。当气压差异存在时,空气会从高压区域向低压区域移动,从而产生风速大小不同的风。在一个旋转的星球上,在赤道以外的地方,空气的流动会受到科氏力的影响而产生偏转。就全球而言,大尺度风(大气环流)的两个主要的驱动因子是赤道和极地之间的加热差异(吸收太阳能量的差异导致了浮力)和星球的旋转。在赤道之外的不受地面摩擦力影响的高空,大尺度的风倾向于达到地转平衡。在地球表面,摩擦力会使得风逐渐变慢。地表摩擦力还会使得更多的风被吹入低压区域[1]。一个新的有争议的理论认为, 森林引起的水汽凝结导致了对森林从海岸沿线吸引潮湿的空气过程的一个正反馈循环,从而产生了气压梯度。[2]

在解构和分析风廓线时会将风描述为物理的力的平衡。这种分析有助于简化大气的运动方程以及构造有关风的水平和垂直的分布的变量。地转风是科氏力与气压梯度力平衡的结果。它平行于等压线流动,在中纬度地区大致流动在大气边界层之上。 [3]热成风英语thermal wind是大气中两层地转风的差分。它仅当大气有水平温度梯度之时存在。[4]非地转风英语ageostrophy是地转风与真实风之差,它会导致空气逐渐填满气旋[5]梯度风英语gradient wind与地转风相似,但还包括离心力(或向心加速度)。[6]

气象数据

风向

一个风力磨坊式的风速计

风向一般是指风吹来的方向。比如,北风是指从北方吹向南方的风。[7]

风的级别

蒲福风级

蒲福风级英国人弗朗西斯·蒲福(Francis Beaufort)于1805年根据风对地面物体或海面的影响程度而定出的风力等级。按风力强弱,将风力划分为“0”至“12”,共13个等级,即目前世界气象组织所建议的分级。到了1950年代,因为发展出更完善的测风仪器,在自然界中可以实际测量出的风力便大大地超超了12级的风力等级,于是就把风力等级由“0”至“12”级扩展至最高的“17”级,即共18个等级。

蒲福氏风级发明的时候是一种依靠观察海面现象的分级法。各级数根据海情或浪的状况来划分,并没有定明相关连的风速。

一个区域与另一个区域热带旋风风级术语是各有不同的,所以区域性与全球性也不相同。比对列表如下:

一般风级 热带气旋等级(10分钟平均风速)
蒲福风级[8] 10分钟平均风速( 对应术语 北印度洋
IMD
西南印度洋
MF
澳洲
BOM
西南太平洋
FMS
西北太平洋
JMA
西北太平洋
JTWC
东南太平洋&
南大西洋
NHC&CPHC
东北太平洋&
北大西洋
NHC&CPHC
0 <1 无风 低气压 热带扰动 热带低区 热带低气压 热带低气压 热带低气压 热带低气压 热带低气压
1 1–3 软风
2 4–6 轻风
3 7–10 微风
4 11–16 和风
5 17–21 清风
6 22–27 强风
7 28–29 疾风/劲风 深度低气压 热带低气压
30–33
8 34–40 大风 气旋风暴 中度热带风暴 热带气旋
(一级)
热带气旋
(一级)
热带风暴 热带风暴 热带风暴 热带风暴
9 41–47 烈风
10 48–55 狂风 强烈气旋风暴 强烈热带风暴 热带气旋
(二级)
热带气旋
(二级)
强烈热带风暴
11 56–63 暴风
12 64–72 飓风 特强气旋风暴 热带气旋 热带气旋
(三级)
热带气旋
(三级)
台风 台风 飓风
(一级)
飓风
(一级)
13 73–85 飓风
(二级)
飓风
(二级)
14 86–89 热带气旋
(四级)
热带气旋
(四级)
强烈飓风
(三级)
强烈飓风
(三级)
15 90–99 强烈热带气旋
16 100–106 强烈飓风
(四级)
强烈飓风
(四级)
17 107–114 热带气旋
(五级)
热带气旋
(五级)
115–119 特强热带气旋 超级台风
>120 超级气旋风暴 强烈飓风
(五级)
强烈飓风
(五级)

改良藤田级数

改良藤田级数用作分类龙卷风强度等级,在2007年改良自藤田级数,现一般作为加拿大美国等地的龙卷风强度等级系统。级别如下:

级数 风速(估计) 相对发生频率 潜在损害
英里每小时 千米每小时 米每秒
EF0 65–85 105–137 29–37 53.5% 轻微损坏程度。
屋顶和壁板被破坏。树枝被折断,树根下沉,这个类分为龙卷风无损伤报告确认。
EF0级别受灾例子
EF1 86–110 138–178 38–49 31.6% 中等损害程度。
屋顶被掀飞,房车损坏或掀倒。入户门被吹走,窗户玻璃破碎。
EF1级别受灾例子
EF2 111–135 179–218 50–61 10.7% 可观的损害程度。
结构较稳定房子的房顶和墙壁也被破坏,木造房屋地基开始移动,移动住宅被完全破坏,树木从根部被折倒。
EF2级别受灾例子
EF3 136–165 219–266 62-74 3.4% 严重损害程度。
即使结构稳定房子的大部分结构被破坏,商店等比较大的建筑物也遭受严重的损害。列车翻车,被吹跑的树木会从天而降,笨重的车也会脱离地面。地基较差的房屋会被掀起,吹到较远的地方去。
EF3级别受灾例子
EF4 166–200 267–322 75–89 0.7% 极端的损害程度。
结构稳定和所有的木造房屋完全被破坏。车是像小型导弹一样被吹飞。
EF4级别受灾例子
EF5 >200 >322 >90 <0.1% 无法想象的、极其剧烈的损害程度。
极为坚固的建筑物也从地基被摧毁,汽车大小的物体像导弹一样被掀至100米的高空,钢筋混凝土制造的建筑物也遭受到严重的损害,高层建筑的结构会遭受很大的变形。
自2007年2月1日以来,截止于2013年5月底为止,这一阶级的龙卷风全美有10例被确认。造成最大损失的是在2011年5月24日密苏里州乔普林观测到的该级别的龙卷风,造成158人死亡。最近的,2013年5月俄克拉荷马州的首府俄克拉荷马城近郊被该级别的龙卷风袭击,24人死亡。
EF5级别受灾例子

测量

风向标被用来指示风向。[9]在机场,风向袋被用来指示风向,它被吹拂的角度也被用来指示风速大小。[10]风速一般用风速计来测量,最常用的有转杯式和螺旋桨式。当需要频繁测量风速时(比如研究应用),可以利用超声波信号的传播速度或对加热电线的电阻的通风效应来测量风。[11]另外一种类型的风速计是利用皮托管来测量。皮托管的外管被暴露在风中测量动态压力,通过外管和内管之间的压力差可以计算出风速来。 [12]

全球范围内,各地的离地面10米(33英尺)高处的风的测量记录被平均每10分钟报告一次。美国热带气旋实行每1分钟报告一次风的记录,[13]以及平均每2分钟 作一次天气观测。[14]印度一般平均每3分钟报告一次风的记录。[15]知道采样风的平均时间是很重要的,因为1分钟持续风的平均风速一般要比10分钟持续风的平均风速大14%。[16]突然暴发的高速风被定义为阵风。阵风风速的一种技术上的定义为:超过10分钟间隔内测得的最小风速的最大风速差值,单位为 10节(19千米每小时)。英语squall是指风速超过某一临界值的两倍,并且持续至少一分钟的狂风。

对于高空的风,可以利用无线电探空仪上的GPS无线电导航,或用雷达追踪探空仪等方式来测量风速。[17]还有一种方法是,使用经纬仪从地面肉眼追踪搭载探空仪的气象气球[18]可以用来探测风的遥感技术有声雷达英语SODAR多普勒激光雷达和多普勒雷达辐射计和雷达可以被搭载在飞机和太空来测量海洋的粗糙度。海洋表面的风速可以通过海洋粗糙度来估计。通过计算地球同步卫星图像中云移动的距离也可以估算出风速。风工程是研究风对建筑环境(包括建筑,桥梁和其它人造建筑)的效应的。

类型

一个锢囚的中尺度气旋龙卷风俄克拉何马州,1999年5月)
美国龙卷风走廊

龙卷风

龙卷风由快速旋转并造成直立中空管状的气流形成,一般都呈上大下小的漏斗状。超级单体雷暴(Supercell storms)有30%可能性会产生龙卷风。龙卷风内部冷空气下降,外部热空气上升。

季候风

季候风(又称季风)是周期性的风,随着季节变化,并且盛行风向季节切变达120度以上。主要发生在亚洲(东亚地区)、西非几内亚澳大利亚的北部沿海地带等地。

气旋

气旋(cyclone)是指大气中水平气流旋转形成的大型涡旋,北半球逆时针,南半球顺时针。在同高度上,气旋中心的气压比四周低,又称低压。热带气旋是发生在热带、亚热带地区海面上的气旋性环流

全球气候学

西风带和贸易风
风作为地球大气环流的一部分

平均而言,东风在吹过极地的风中占主要部分。西风则在地球的中纬度地区占主要。副热带高压脊地区的风大多来自极地方向,赤道地区又是多为东风。

紧接着副热带高压脊之下的是赤道无风带,或是马纬度(即副热带无风带)。这些地区风速很小。地球上很多沙漠都是排列在副热带高压脊的平均纬度上,这里空气的下沉使得空气的相对湿度减小。[19]地球上最强的风是在中纬度地区,寒冷的极地气团与温暖的热带气团在这里相遇。

风的应用

历史

基本上,关于风的应用早在公元前即有史料记载,其中较为人知的为人们利用风力去提水,并到宋代时发展达到顶峰,并于文艺复兴时期之后传入欧洲,在荷兰等地势较低漥的国家相当兴盛,通常用途为农事方面。而十八世纪中叶后,英国人瓦特发明蒸汽机后,进入工业时代,而因此使得风的应用在此之后渐渐没落,但到了二十世纪的1973年爆发石油危机以来,国际社会开始意识到能源的有限性以及生态上的浩劫下;因此,为了保护环境,风的相关应用开始受到各国重视,时至今日仍持续的发展当中,其中又以欧洲地区对于风的发展最为发达。[20]

运输

海运方面,在帆船时代风对航海是极度重要的动力源,信风的运用为地理大发现带来极大的助力,直到蒸汽船普及后才失去其重要性,但强风对小船的航行仍带来不少危险性,且强风亦会增强海浪危害航行安全,因此回避风带来的危险仍是航海的重点,大型船只也要回避龙卷风与台风等强烈气旋。

空运方面,逆风有助于航空器起降,特别是固定翼飞机,而侧风对起降则最不利,因此多数机场跑道尽可能与盛行风向平行以降低遇上侧风的几率,航空母舰在要进行起降作业时也多半会逆风航行亦此原因。飞机航行中风亦是重要的危险因素,与行进方向不平行的风容易引发乱流造成飞安问题,因此机身设计必须重视减少风干扰保持平衡,长途飞机则多半会飞到平流层巡航亦为减少对流层的垂直风影响。

陆运方面,一些空旷平原或河面常会有强风吹拂,因此这些路段或桥梁会加设挡风板增加行车安全,特别是铁路,一旦因强风造成出轨必成重大事故。车辆本身较少受自然风影响,但高速行驶下产生的相对风便很重要,车身外型是主要的风阻来源,采用流线型的设计可降低风阻系数,提高最高车速并降低油耗,重视性能的跑车赛车还会要求利用相对风在高速行驶时产生下压力(即与飞机的机翼相反的概念),借此确保高速行驶轮胎的抓地力。风对车辆的散热也极为重要,引擎刹车与轮胎等容易产生高温的部件非常需要仰赖风散热。

能源

一座在草原上的风力发电机

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高,动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机,以产生电力,方法是透过传动轴,将转子(由以空气动力推动的扇叶组成)的旋转动力传送至发电机。到2008年为止,全世界以风力产生的电力约有 94.1 百万千瓦,供应的电力已超过全世界用量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源,但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。

娱乐

许多娱乐活动都和风有关,像是悬挂式滑翔、乘热气球、放风筝风筝冲浪滑翔伞帆船航行、滑浪风帆、开滑翔机等。

以滑翔机为例,地面上方的风速梯度会影响滑翔机的起飞及降落阶段,风速梯度会产生一种称为地面发射(ground launch)的效果,但若风速梯度很大,或是有突然的变化,而飞行员保持相同的俯仰姿态,指示空速会增加,可能超过最大速度,因此飞行员需调整俯仰姿态来处理风速梯度的影响[21]

自然界中的角色

风侵蚀

风吹袭时,会大量夹带走地表或岩壁上的微小物质,造成地形上的变化。

风会利用夹带的沙粒等坚硬物质做为工具,对沿途的岩石进行撞击与磨损,造出各种奇特的地形。如台湾野柳地质公园的女王头。

沙尘暴/沙漠化

沙尘暴:为风接触到地面不平的突起产生乱流,并夹带沙尘,产生移动。

沙漠化:风大、干旱的地区遭到过量的耕种与畜牧,导致土地枯渴,成为不适合大部分植物生存的沙漠。

对植物的影响

蒲公英、山菊、红桧等植物利用风力传播自身的种子。

当长期接受到风的影响,植物有时发生枝干弯曲;风的强度大时,甚至被连根拔起或是断裂。

对动物的影响

当风对着动物吹袭时,若风力太强,会影响到动物的行动能力,有可能会造成减缓,或者是不平衡等,导致动物自身身体的损害。

适度的风有助于鸟类飞行,特别是需要长途迁徙的候鸟,风的助力十分重要,一旦风力过弱或吹逆风,便会增加耗损的体力,可能增加迁徙途中的死亡率。

风有助于动物散热,在没风、没水且日照过量的地方,多数动物皆很容易引发中暑的危险。

风会影响体感温度,长时间被异于体温的风吹拂很容易引发疾病,没有毛皮的人类长期被冷风吹很容易引起感冒。一些靠空气或飞沫传染的病原体也会利用风扩大传染范围。

外层空间

行星风

行星风也称为大气逃逸,是指星球大气层中因着上层的流体动压,使著一些较轻的分子(像氢气)移动外气层底(就是外气层的底层),当其速度到达终端速度时,就在不影响其他气体粒子的情形下进入外层空间的情形[22]。随着地质年代的变化,此过程可能会使得像地球一様丰含水的行星,会变成类似金星一様的星球[23]。若行星大气下层的温度较高,也会加速氢的流失[24]

太阳风

太阳风是从恒星上层大气射出的超高速等离子(带电粒子)流。在不是太阳的情况下,这种带电粒子流也常称为“恒星风”。

太阳风一词是在1950年代被尤金·派克提出。但是直到1960年代才证实了它的存在。长期观测发现,当太阳存在冕洞时,地球附近就能观测到高速的太阳风。因此天文学家认为高速太阳风的产生与冕洞有密切的关系。太阳表面的磁场及等离子活动对地球有很重要的影响。当太阳发生强烈的活动时,大量的带电粒子随着太阳风吹向地球的两极,就会在两极的电离层引发美丽的极光

在太阳的日冕层的高温(几百万开氏度)下,原子已经被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。这些带电粒子运动速度极快,以致不断有带电的粒子挣脱太阳的重力束缚,射向太阳的外围,形成太阳风。 太阳风的速度一般在200-800km/s。 一般认为在太阳极小期,从太阳的磁场极地附近吹出的是高速太阳风,从太阳的磁场赤道附近吹出的是低速太阳风。太阳的磁场的活动性是会变化的,周期大约为11年。

文化

诗词

  • 唐代诗人杜甫有《茅屋为秋风所破歌》一诗。
  • 唐代诗人白居易有“野火烧不尽,春风吹又生。”一句诗。
  • 宋代词人晏殊有《踏莎行·小径红稀》一词,里面有“春风不解禁杨花,濛濛乱扑行人面。 ”一句。
  • 朱熹有“等闲识得东风面,万紫千红总是春。”一句诗。

文章

相关条目

参考文献

  1. ^ JetStream. Origin of Wind. National Weather Service Southern Region Headquarters. 2008 [2009-02-16]. (原始内容存档于2009-03-24).
  2. ^ Makarieva, Anastassia; V. G. Gorshkov, D. Sheil, A. D. Nobre, B.-L. Li. Where do winds come from? A new theory on how water vapor condensation influences atmospheric pressure and dynamics. Atmospheric Chemistry and Physics. Feb 2013, 13 (2): 1039–1056 [1 February 2013]. Bibcode:2013ACP....13.1039M. doi:10.5194/acp-13-1039-2013.
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延伸阅读

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外部链接


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