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受風力影響的樹木

是大規模的氣體流動現象。在地球上,風是由空氣的大範圍運動形成的。在外太空太陽風是氣體或帶電粒子太陽到太空的流動,而行星風則是星球大氣層的輕分子釋氣作用飄散至太空。風通常可按空間尺度英語scale (spatial)速度、力度、肇因、產生區域及其影響來劃分。在太陽系海王星木星上,曾觀測到迄今為止於星球上產生的最為強烈的風。

氣象學中,經常用風的大小和風的方向來描述風。短期的高速的風的爆發被成為陣風。極短時間內(大約1分鐘)的強風被稱為英語squall。長時間的風可根據它們得平均強度被稱呼不同的名字,比如微風烈風風暴颶風颱風等。風發生的時間範圍很大,有隻持續幾十分鐘的雷暴氣流,有可持續幾小時的因地表加熱而產生的局地微風,也有因地球上不同氣候區內吸收太陽能量不同而產生的全球性的風。大尺度大氣環流產生的兩個主要原因是赤道和極地之間的所受不同的加熱,以及行星的旋轉(科里奧利效應)。在熱帶,熱低壓和高原可以驅動季風環流。在海岸地區,海陸風循環在局地的風中佔主要。在有起伏地形的地區,山谷風在局地風中佔主要。

人類文明歷史中,風引發了神話,影響過歷史,擴展了運輸戰爭的範圍,為機械功娛樂提供了能源。風推動著帆船在地球的大海中航行。熱氣球利用風可作短途旅行,動力飛行可以利用風來增加升力和減少燃料消耗。一些天氣現象引發的風切變區域可以導致航空器處於危險的境況。當風變強時,會毀壞樹木和人造建築。

風還可以通過不同的風成過程英語aeolian processes(比如沃土的形成,黃土的形成)和侵蝕作用改變地表形態。盛行風可以將大沙漠黃沙從源頭帶到很遠的地方;粗糙的地形可以將風加速,因為對當地的影響很大,世界上一些區域的和沙塵暴相關的風都有自己的名字。風可以影響野火的蔓延。 很多種植物的種子是依靠風來散布,這些物種的生存和分布受風影響很大。一些飛行類昆蟲的種群大小也受風影響。當風和低溫同時發生時,對家畜會有不利影響。風還可以影響動物的食物的儲存,以及它們的捕獵和自保的策略。

原因[編輯]

1888年超級暴雪英語Great Blizzard of 1888地面天氣分析圖。圖中等壓線較密集的區域表明有較大的風。

風是由氣壓的差異造成的。當氣壓差異存在時,空氣會從高壓區域向低壓區域移動,從而產生風速大小不同的風。在一個旋轉的星球上,在赤道以外的地方,空氣的流動會受到科里奧利力的影響而產生偏轉。就全球而言,大尺度風(大氣環流)的兩個主要的驅動因子是赤道和極地之間的加熱差異(吸收太陽能量的差異導致了浮力)和星球的旋轉。在赤道之外的不受地面摩擦力影響的高空,大尺度的風傾向於達到地轉平衡。在地球表面,摩擦力會使得風逐漸變慢。地表摩擦力還會使得更多的風被吹入低壓區域[1]。一個新的有爭議的理論認為, 森林引起的水氣凝結導致了對森林從海岸沿線吸引潮濕的空氣過程的一個正反饋循環,從而產生了氣壓梯度。[2]

在解構和分析風廓線時會將風描述為物理的力的平衡。這種分析有助於簡化大氣的運動方程以及構造有關風的水平和垂直的分布的變數。地轉風是科里奧利力與氣壓梯度力平衡的結果。它平行於等壓線流動,在中緯度地區大致流動在大氣邊界層之上。 [3]熱成風英語thermal wind是大氣中兩層地轉風的差分。它僅當大氣有水平溫度梯度之時存在。[4]非地轉風英語ageostrophy是地轉風與真實風之差,它會導致空氣逐漸填滿氣旋[5]梯度風英語gradient wind與地轉風相似,但還包括離心力(或向心加速度)。[6]

測量[編輯]

一個風力磨坊式的風速計
一個錮囚的中尺度氣旋龍捲風(俄克拉何馬州,1999年5月)

風向經常被定義為風吹來的方向。比如,北風是從北方吹向南方。[7]風向標被用來指示風向。[8]在機場,風向袋被用來指示風向,它被吹拂的角度也被用來指示風速大小。[9]風速一般用風速計來測量,最常用的有轉杯式和螺旋槳式。當需要頻繁測量風速時(比如研究應用),可以利用超聲波信號的傳播速度或對加熱電線的電阻的通風效應來測量風。[10]另外一種類型的風速計是利用皮託管來測量。皮託管的外管被暴露在風中測量動態壓力,通過外管和內管之間的壓力差可以計算出風速來。 [11]

全球範圍內,各地的離地面10公尺(33英尺)高處的風的測量記錄被平均每10分鐘報告一次。美國熱帶氣旋實行每1分鐘報告一次風的記錄,[12]以及平均每2分鐘 作一次天氣觀測。[13]印度一般平均每3分鐘報告一次風的記錄。[14]知道採樣風的平均時間是很重要的,因為1分鐘持續風的平均風速一般要比10分鐘持續風的平均風速大14%。[15]突然暴發的高速風被定義為陣風。陣風風速的一種技術上的定義為:超過10分鐘間隔內測得的最小風速的最大風速差值,單位為 10節(19公里每小時)。英語squall是指風速超過某一臨界值的兩倍,並且持續至少一分鐘的狂風。

對於高空的風,可以利用無線電探空儀上的GPS無線電導航英語LORAN,或用雷達追蹤探空儀等方式來測量風速。[16]還有一種方法是,使用經緯儀從地面肉眼追蹤搭載探空儀的氣象氣球英語weather balloon[17]可以用來探測風的遙感技術有聲雷達英語SODAR都卜勒雷射雷達和都卜勒雷達輻射計和雷達可以被搭載在飛機和太空來測量海洋的粗糙度。海洋表面的風速可以通過海洋粗糙度來估計。通過計算地球同步衛星圖像中雲移動的距離也可以估算出風速。風工程是研究風對建築環境(包括建築,橋樑和其它人造建築)的效應的。

風的級別[編輯]

蒲福氏風級英國人弗朗西斯·蒲福(Francis Beaufort)於1805年根據風對地面物體或海面的影響程度而定出的風力等級。按風力強弱,將風力劃分為「0」至「12」,共13個等級,即目前世界氣象組織所建議的分級。到了1950年代,因為發展出更完善的測風儀器,在自然界中可以實際測量出的風力便大大地超超了12級的風力等級,於是就把風力等級由「0」至「12」級擴展至最高的「17」級,即共18個等級。

蒲福氏風級發明的時候是一種依靠觀察海面現象的分級法。各級數根據海情或浪的狀況來劃分,並沒有定明相關連的風速。

一個區域與另一個區域熱帶旋風風級術語是各有不同的,所以區域性與全球性也不相同‧比對列表如下。

一般風級 熱帶氣旋風級(10分鐘平均風速)
蒲福氏風級[18] 10分鐘平均風速( 一般名稱[19] 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
東北太平洋&
北大西洋
NHC&CPHC
0 <1 無風 低氣壓 熱帶擾動 熱帶低區 熱帶低氣壓 熱帶低氣壓 熱帶低氣壓 熱帶低氣壓
1 1–3 軟風
2 4–6 輕風
3 7–10 微風
4 11–16 和風
5 17–21 清風
6 22–27 強風
7 28–29 疾風 深度低氣壓 熱帶低氣壓
30–33
8 34–40 大風 氣旋風暴 中度熱帶風暴 熱帶氣旋
(一級)
熱帶氣旋
(一級)
熱帶風暴 熱帶風暴 熱帶風暴
9 41–47 烈風
10 48–55 狂風 強烈氣旋風暴 強烈熱帶風暴 熱帶氣旋
(二級)
熱帶氣旋
(二級)
強烈熱帶風暴
11 56–63 暴風
12 64–72 颶風 特強氣旋風暴 熱帶氣旋 熱帶氣旋
(三級)
熱帶氣旋
(三級)
颱風 颱風 颶風
(一級)
13 73–85 颶風
(二級)
14 86–89 熱帶氣旋
(四級)
熱帶氣旋
(四級)
強烈颶風
(三級)
15 90–99 強烈熱帶氣旋
16 100–106 強烈颶風
(四級)
17 107–114 熱帶氣旋
(五級)
熱帶氣旋
(五級)
115–119 特強熱帶氣旋 超級颱風
>120 超級氣旋風暴 強烈颶風
(五級)

類型[編輯]

季候風[編輯]

季候風(又稱季風)是周期性的風,隨著季節變化,並且盛行風向季節切變達120度以上。主要發生在亞洲(東亞地區)、西非幾內亞澳大利亞的北部沿海地帶等地。

暴風[編輯]

根據香港天文台的定義,暴風的定義是指風力達蒲福氏風級10級至11級,即每小時88至117公里,相當於每小時48至63海里或每秒24至33米的風力。較暴風風力低一級的,是烈風,而高一級的則是颶風。

全球氣候學[編輯]

西風帶和貿易風
風作為地球大氣環流的一部分

平均而言,東風在吹過極地的風中佔主要部分。西風則在地球的中緯度地區佔主要。副熱帶高壓脊地區的風大多來自極地方向,赤道地區又是多為東風。

緊接著副熱帶高壓脊之下的是赤道無風帶,或是馬緯度(即副熱帶無風帶)。這些地區風速很小。地球上很多沙漠都是排列在副熱帶高壓脊的平均緯度上,這裡空氣的下沉使得空氣的相對濕度減小。[20]地球上最強的風是在中緯度地區,寒冷的極地氣團與溫暖的熱帶氣團在這裡相遇。

風的應用[編輯]

歷史[編輯]

基本上,關於風的應用早在西元前即有史料記載,其中較為人知的為人們利用風力去提水,並到宋代時發展達到頂峰,並於文藝復興時期之後傳入歐洲,在荷蘭等地勢較低漥的國家相當興盛,通常用途為農事方面。而十八世紀中葉後,英國人瓦特發明蒸汽機後,進入工業時代,而因此使得風的應用在此之後漸漸沒落,但到了二十世紀的1973年爆發石油危機以來,國際社會開始意識到能源的有限性以及生態上的浩劫下;因此,為了保護環境,風的相關應用開始受到各國重視,時至今日仍持續的發展當中,其中又以歐洲地區對於風的發展最為發達。[21]

運輸[編輯]

基本上運輸方面是風較少應用的部分,儘管在以前的帆船時代是不可或缺的,但現代通常是著眼於機翼還有車子類;而機翼的設計在風的吹襲下仍可維持相當穩定的平衡,車的流線形車體則可在風阻較小的情況下,能有較佳的行駛品質與速度。

能源[編輯]

一座在草原上的風力發電機

風能是因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量。空氣流具有的動能稱風能。空氣流速越高,動能越大。人們可以用風車把風的動能轉化為旋轉的動作去推動發電機,以產生電力,方法是透過傳動軸,將轉子(由以空氣動力推動的扇葉組成)的旋轉動力傳送至發電機。到2008年為止,全世界以風力產生的電力約有 94.1 百萬千瓦,供應的電力已超過全世界用量的1%。風能雖然對大多數國家而言還不是主要的能源,但在1999年到2005年之間已經成長了四倍以上。

娛樂[編輯]

許多娛樂活動都和風有關,像是懸掛式滑翔、乘熱氣球、放風箏風箏衝浪滑翔傘帆船航行、滑浪風帆、開滑翔機等。

以滑翔機為例,地面上方的風速梯度會影響滑翔機的起飛及降落階段,風速梯度會產生一種稱為地面發射(ground launch)的效果,但若風速梯度很大,或是有突然的變化,而飛行員保持相同的俯仰姿態,指示空速會增加,可能超過最大速度,因此飛行員需調整俯仰姿態來處理風速梯度的影響[22]

自然界中的角色[編輯]

風侵蝕[編輯]

風吹襲時,會大量夾帶走地表或岩壁上的微小物質,造成地形上的變化。

風會利用夾帶的沙粒等堅硬物質做為工具,對沿途的岩石進行撞擊與磨損,造出各種奇特的地形。如台灣野柳地質公園的女王頭。

沙塵暴/沙漠化[編輯]

沙塵暴:為風接觸到地面不平的突起產生亂流,並夾帶沙塵,產生移動。

沙漠化:風大、乾旱的地區遭到過量的耕種與畜牧,導致土地枯渴,成為不適合大部分植物生存的沙漠。

對植物的影響[編輯]

蒲公英、山菊、紅檜等植物利用風力傳播自身的種子。

當長期接受到風的影響,植物有時發生枝幹彎曲;風的強度大時,甚至被連根拔起或是斷裂。

對動物的影響[編輯]

當風對著動物吹襲時,若風力太強,會影響到動物的行動能力,有可能會造成減緩,或者是不平衡等,導致動物自身身體的損害。

外太空[編輯]

行星風[編輯]

行星風也稱為大氣逃逸,是指星球大氣層中因著上層的流體動壓,使著一些較輕的分子(像氫氣)移動外氣層底(就是外氣層的底層),當其速度到達終端速度時,就在不影響其他氣體粒子的情形下進入外太空的情形[23]。隨著地質年代的變化,此過程可能會使得像地球一様豐含水的行星,會變成類似金星一様的星球[24]。若行星大氣下層的溫度較高,也會加速氫的流失[25]

太陽風[編輯]

太陽風是從恆星上層大氣射出的超高速電漿(帶電粒子)流。在不是太陽的情況下,這種帶電粒子流也常稱爲「恆星風」。

太陽風一詞是在1950年代被尤金·派克提出。但是直到1960年代才證實了它的存在。長期觀測發現,當太陽存在冕洞時,地球附近就能觀測到高速的太陽風。因此天文學家認為高速太陽風的產生與冕洞有密切的關係。太陽表面的磁場及電漿活動對地球有很重要的影響。當太陽發生強烈的活動時,大量的帶電粒子隨著太陽風吹向地球的兩極,就會在兩極的電離層引發美麗的極光

在太陽的日冕層的高溫(幾百萬開氏度)下,原子已經被電離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快,以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的重力束縛,射向太陽的外圍,形成太陽風。 太陽風的速度一般在200-800km/s。 一般認為在太陽極小期,從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風,從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風。太陽的磁場的活動性是會變化的,週期大約為11年。

相關條目[編輯]

參考文獻[編輯]

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  20. ^ Michael A. Mares. Encyclopedia of Deserts. University of Oklahoma Press. 1999: 121 [2009-06-20]. ISBN 978-0-8061-3146-7. 
  21. ^ 風能的利用
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  24. ^ E. Chassefiere. Hydrodynamic escape of hydrogen from a hot water-rich atmosphere: The case of Venus. Journal of geophysical research. 1996, 101 (11): 26039–26056. Bibcode:1996JGR...10126039C. doi:10.1029/96JE01951. 
  25. ^ Rudolf Dvořák. Extrasolar Planets. Wiley-VCH. 2007: 139–140 [2009-05-05]. ISBN 978-3-527-40671-5. 

外部連結[編輯]