自然与人—28  对各种重要气象问题的本质解释

李开乐

    在“自然与人—27”已经简单地归纳了形成和维持大气环流的原理新观点，并用了这种新观点阐述了大气环流基本面貌的形成经过。在这一部分，我们将用新观点做更深入的分析，在形成机理和内在本质上，将对大气环流的各种主要系统或天气现象进行逐个解释，从流体力学概念上定性地去认识大气的三维运动状况。内容较多，包含38小节，希望通过这个部分的分析可以让人对新观点有较具体的认识而增强信心。欢迎广大气象专家共同讨论和指正、补充。

自然与人-28.1   一个十分重要的力学新概念——流体软弹力

    摘要：刚体的反作用力称弹力。流体也有弹力称软弹力，它因较抽象而未被认识。在星球尺度的流体运动中，由于球体自转所产生的科里奥利力的反作用力就是明显的软弹力，不过流体不像刚体那样彼此硬性相连接，所以软弹力一般都只能像发条那样蓄能待发。

    在用我们的大气环流原动力的新观点来逐个地解释各种具体的大气环流问题之前，要先介绍一个新的力学概念，它叫做流体软弹力。对于星球尺度的流体运动来说，流体软弹力的作用十分重要。在地球上的海流和大气环流中，流体软弹力就发挥着很重要的作用，以往人们还未认识到有这种力在起作用。
    如图28.1，在北半球若有一团10米直径的相对静止空气从A点的地面随着大气环流被突然搬到了B点的地面（或B点是与A点相同高度的高空）。这团空气在A点时绕地轴转动的绝对线速度 ＝ω•CA， 而B点本身绕地轴转动的绝对线速度是 ＝ω•DB，显然 ＞ 。这就是说，由于这团空气到了B点之后，它会继续保持用 的线速度绕地轴转动，因此就会变成了B点纬圈上的偏西风，我们可以看成空气与地面之间出现了力矩，暂称之为软力矩。

图28.1： 流体软弹力示意图

    刚体在受拉力或压力作用时会产生反作用力，这种反作用力就叫做弹力。若拉力将弹簧拉开，则弹力就会在拉力消失之后将拉开的弹簧缩回原状。上述的气团由于受到向北迁移力和科里奥利力的共同作用，才会从A点被搬到B点，并且变成了相对于地面的偏西风（即具有软力矩）。在此过程中，迁移力和科里奥利力都同时起了作用，而它们的反作用力却都未能发生作用，所以才产生了软力矩。软力矩就是像拉紧的弹簧而弹力又还未释放出来那样，是一种势能。
    地面与空气之间有摩擦力，空气本身又有连续性，所以地面与不同高度各点的空气之间还是相联系在一起的，这就使得这种软力矩虽然不能马上显出作用效果，但迟早也还是可以慢慢发生作用的。软力矩可以通过地气之间摩擦力的媒介作用，一方面将这些空气的向东动能的一部分转换为地球的自转能量，另方面又会迫使空气逐渐离开这里去寻找与自己相互平衡（即相对静止）的位置（应该往低纬度或往高空移动）。显然，能将上述的流体软力矩所隐藏的势能释放出来的后续作用过程也类似于弹力的作用过程，所以我们将这种后续作用的力形象化地称之为流体软弹力。
    在A点相对静止的空气到了B点就变成向东相对运动的流动空气，这显然是向北迁移力和科里奥利力两者所为。所以，流体软弹力有一部分是迁移力的反作用力，另一部分是科里奥利力的反作用力，在此我们暂不将它们再细分。
    显然，10米直径的空气团换成100米，或者换成高空空气，它们与地面的相互联系和作用依然无形的存在着，但空气离地面越远，流体软弹力发生作用就越不容易，只能作为能量暂时储存起来。这就像时钟被上紧的发条一样暂时将能量保存着，然后随着钟摆的摆动才慢慢将弹力势能释放出来。至此，我们可以更具体地下定义：与自转的地球紧密联系在一起的大规模流体（如海水或大气），当它们绕地轴转动的速度与地球自转速度不同步时，就具有了势能，而可以将这些势能释放出来的力就称之为流体软弹力，力的方向是指向流体能够回到与硬质地面保持相对静止的平衡位置的方向。这种势能可称之为软弹力势能。
    其实，上述定义中的“地球”可以代换成“星球”。另外，除了海水和大气是大规模流体之外，地下的岩浆，或者全液态天体（如太阳）的整个球体都是大规模流体。因此可以说：流体软弹力是天体自转流体力学中十分重要的力学概念。