《大自然寻真》

第24章  对各种重要气象问题的本质解释-5

（第24章共分为10部分上传）

（第25～29章的哲学内容已在论坛第二区中的哲学版块上传，请前往阅读和评论）

24.8  对东风带和西风带的形成和本质的解释

       显然，不论动力原因还是热力原因，大气环流的原动力都是促使空气进行经向流动，但实际的大气环流却为什么主要是纬向环流，产生了什么东风带、西风带呢？对此，我们可以做如下的分析。以北半球为例来说，空气由北向南搬运时，向南迁移力的反作用力所引起的软弹力迫使向南气流下沉，所以地面空气只要有向南的倾向，就只能紧贴着地面走。这时，由于地转偏向力（科里奥利力）向西，就会使自转的地球表面与空气之间产生了强烈的相互摩擦和碰撞作用，于是地面只好对这些粘紧了自己的空气源源不断供给能量克服地转偏向力做功，因此空气到了南方后并没有遗留下软弹力能量。这种情况类似于火车从北往南走。相反，空气由南往北搬运时，主要都在高空进行，情况就不同于火车从南往北走了。哪怕偏南气流出现在地面，也会因迁移力的反作用力所形成的软弹力促使了气流上升而使南风逐渐离开了地面。因此可以说，在北半球，对于从南往北搬运的空气，科里奥利力的作用基本不受约束，这就使空气到了中纬度的高空之后，变成了围绕地轴高速旋转的高空西风急流，即储存了大量的软弹力势能。于是，高空大气的纬向环流就比经向流动明显得多了。下面再详细按照纬度高低不同，分别看看北半球的低层情况。

       从低层实际资料看，极圈为东风带。为什么呢？因为这里正是地球两个大离心机的主要区域，多是空气被动地从高纬度紧贴着地面被搬到较低纬度，地球自转提供能量给了大气。这些被地面拖着走的极地空气，主要是先用着落后于地球自转的速度绕着地轴旋转，显示出明显的偏东风，然后才是在离心力作用下逐渐移向低纬度，因此在极圈内所表现出来的就主要是东北风了。具体原理还可以参见23.3。

       低层中纬度是西风带。在这里主要经常发生了高空急流受调整下沉到地面，并主动流回低纬度释放软弹力能量的过程（最强烈的是寒潮暴发）。在这种过程中，空气将部分能量还原给地球自转。彩图24.4是高空气压形势和地面气压形势放在一起的简单的寒潮暴发示意图。结合彩图24.4和图24.8-1～24.8-3，可知漠河由于较多时候处在A区，所以全年统计起来是西北风占主要。哈尔滨较多处在C区，所以西南风占主要。北京较多机会处在B区或C区，因此不是正北风就是西南风。这三地的共同点是都在中纬度，都是冷空气从高空西风急流被抽吸到地面的主要地方，因此主要决定了中纬度低层是西风带。上面所述均属于空气的主动搬运。当然，真正接手从高纬度地面受“离心机”作用而被动流过来的地面空气继续进行往南搬运的成分也还是有的。所以，在中纬度地面，空气由高纬度向低纬度搬运，是主动和被动两种形式互相迭加或者交替进行，情况比较复杂，但主要都体现为偏西风。

    图24.8-1： 漠河地面全年历史平均风向频率图（1959～1980）

           图24.8-2： 哈尔滨地面全年历史平均风向频率图（1951～1980）

                 图24.8-3： 北京地面全年历史平均风向频率图（1951～1980）

       低层低纬度为东风带。一方面是由于这里较多时候处在冷高压系统偏南侧的D区，虽然也是处在冷空气向南倾泻的路上，但较多时候已经转成了东北风。武汉和广州都是这种情况，这就造成了全年总起来是以偏东风为主了。另一方面是夏天多处在副热带高压西南侧的E区，经常吹东南风，广州尤其明显，这就更加大了偏东风分量。东南风实际上是空气重新从南往北搬运。副热带高压环流偏赤道一侧的东风是下沉气流，可以认为这些空气不适应呆在低纬度，尤其低纬度高空，它们下降到地面后，地球自转既供给能量减弱其东风风速，又逐渐引导它们往北拐弯，让它们去寻找与自身的位能互相适应的地方。图24.8-5是广州地面的风向频率图，就是因为这里的夏天处在副热带高压的西或西南侧，经常有副高南侧吹过来的东风在这里逐渐转为东南风而向北流去，所以才有那么大的东南风频率。

           图24.8-4： 武汉地面全年历史平均风向频率图（1951～1980）

必须明白，除了中纬度经常受高空急流强迫下沉释放不稳定能量的影响，从而使情况比较复杂之外，在科里奥利力和流体软弹力的作用下，北半球的北风、东风是下沉气流，所以贴紧了地面吹，因此极圈内占绝对的东北风就很容易理解。由于南风、西风是上升气流，因本身的上浮作用就使这种气流很难在地面层多维持，所以低纬度地面（以图24.8-5的广州地面为例），从冬天北风，到春天东风，再到夏天转东南风是顺时针变化，而西南风却全年几乎缺失的现象，也正是科里奥利力和流体软弹力发挥了作用的具体体现。东南方向是气流不沉不浮的过度方向，这也是广州夏天地面能维持了东南风为最大频率的重要原因。

图24.8-5： 广州地面全年历史平均风向频率图（1951～1990）