三 動力氣象學(一)

地轉風平衡

在地轉風平衡的狀態──科氏力和氣壓梯度平衡,粒子的速度不變。

DV/Dt = 0

只考慮高度相同的切面,不考慮垂直方向以及摩擦力:

-(1/ρ) Ñp = f k x V

此時,風向會平行於氣壓梯度(即等壓線)。

地轉風用下列算式表示:

經向風: u =-1/(fρ) p/y = -g0/f Z/y

緯向風: v = 1/(fρ) p/x = g0/(f) Z/x

重力位高度: Z = (1/g0)∫g dz

g0=9.807 米/秒二次方

梯度風

梯度風是氣壓在不同位置的變化產生的風。如香港氣壓為1020百帕,香港以南200公里(北緯20度)氣壓為1016百帕,這樣就產生梯度風。

非地轉風

一旦把摩擦力考慮在計算,得出來的風就不再是地轉風。摩擦力使向心力和科氏力不平衡,故空氣傾向從高壓流出,並流入低壓。風向也不再和等壓線平衡,而是指向等壓線中較低位置。由於不斷有空氣從高壓流出,必須有大量空氣從高空下沉(否則地面氣壓會不斷下降直至高壓消失),故高壓通常伴隨從高空下沉的氣流(在高層,空氣流動為氣旋式),而下沉氣流不利對流發展,加上水氣在下沉過程中被蒸發,所以高壓通常伴隨穩定的天氣(如晴朗及乾燥);由於不停有空氣流向低壓,必須有空氣向上升離開低層低壓中心(否則低壓會減弱),故低壓伴隨上升氣流(並在高層轉為反氣旋式氣流),而水氣上升,易在高空凝結,帶來不穩定天氣。

非地轉風也可由氣壓改變造成。如加強中的熱帶氣旋,空氣就會傾向流入中心,使實際風向指向熱帶氣旋中心(如颱風約克在香港東南,大部分地區卻吹西北風);反之,當氣壓上升,空氣就被阻止流入中心,使實際風向指離熱帶氣旋中心。

這種非地轉風叫等變壓風(Isallobaric wind)。它的公式如下:

VI = 1/f k x vg/t

其中 vg是地轉風;k 是指向上的單位向量。

由於地轉風已和f 有反比關係,等變壓風就與f的2次方成反比。f隨緯度上升(在低緯,更是正比例),故變壓風和緯度的關係大致在2次反比。在緯度接近於0的地方,VI 可趨於很大。

因氣壓改變而形成的非地轉風對緯度十分敏感。這種效應在接近赤道位置變得十分明顯,以致少許氣壓變化(如日際氣壓變化),就造成風向的大改變。

非地轉風也可由位於槽內的下風轉變引起。

VD = v/f k x vg/s n + v . vg/(fR) x (-s)

第一項與等壓線之間的距離隨空間變化有關,如兩條等壓線互相接近或互相分開,則造成氣流匯聚或分離,從而話成上升或下沉氣流。第二項和槽脊的曲率有關。故高空西風槽和脊都會出現非地轉風,從而誘生高空輻散(導致地面低壓形成)或高空輻合(地面高壓形成)。槽/脊的形狀愈尖銳(半徑小),這種效應就可以變得很大。

非地轉風也可以由空氣的垂直運動引起。

VV = w/f kx vg/z

因此,垂直風切引致非地轉風。

雖然非地轉風的強度遠弱於地轉風,但地球的天氣現象,實由非地轉風帶動──例如,如果沒有摩擦力,空氣就永遠繞住高/低壓移動,不會流出流入,也無法帶動上升和下沉氣流。雖然氣壓往高空下降的速率甚高,單是這項因素,反而影響不了天氣。

渦度

在高空槽前,氣旋渦度增加;反之,氣旋渦度減少。氣旋渦度增加往往伴隨低壓加強。

南北半球的高低壓及環流

地面高壓系統如在高空疊加低壓系統,下沉氣流就加強(高空輻合增加),反氣旋就加強;反之,如地面和高空都是高壓,缺乏空氣從高空流入,高壓就會減弱。低壓系統如要加強,高空必要有高壓,使上升氣流能在高空向四周逸出,否則低壓將被填塞。