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过去,城市人的浪漫生活方式之一是在毛毛雨中散步,可惜的是,现在城市中的毛毛雨成为了稀有之物。同时,北方城市受大风之害的机会也减少了。老北京人都知道,一年两场风,一场刮半年。但现在北京人感叹,北京的风真的小多了。不仅北京,全国的风速都在减弱。这是为什么?
尽管可以把绿化视为城市风速变小的一个原因,但如果结合毛毛雨的减少,就要指向人类的活动,主要是温室气体排放和污染造成了风减弱,毛毛雨稀少。
风的形成
风是水平运动的空气,自然界中风的形成有几个要素。一是水平气压梯度。气压梯度是一个向量,由高压指向低压,数值等于单位距离内的气压差。水平气压梯度的单位通常用百帕(hPa)/赤道度表示(1赤道度等于在赤道上经度相差1度间的距离,约为111千米)。水平气压梯度很小,一般为1百帕/赤道度~3百帕/赤道度。从高压流向低压的气流就形成了风。
风形成的第二个因素是受地球自转偏向力影响。空气在转动的地球表面按水平气压梯度方向运动的同时,会受到地球自转偏向力的影响。地球自转偏向力的方向在北半球指向物体运动的右方,在南半球指向物体运动的左方。地球自转偏向力的大小也能影响风的大小和风速。
此外,风还受惯性离心力的影响。由于地球是圆的,当空气做圆周曲线运动时必然受到惯性离心力的作用。惯性离心力的方向和空气运动方向垂直。地球上各种物体对风会产生摩擦力,也会影响风力和风速。摩擦力分为内摩擦力和外摩擦力。内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力,主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变,也称湍流摩擦力,作用很小。外摩擦力是空气贴近下垫面运动时,下垫面对空气运动的阻力。它的方向与空气运动方向相反。一般海洋上摩擦力小,陆地上摩擦力大,所以海上风大,陆上风小。
显然,风形成的主要原因是水平气压梯度的大小,这是由温差的作用产生的,地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同形成了较大的温差。太阳辐射的大小又以太阳高度角(太阳光的入射方向和地平面之间的夹角)来衡量,太阳高度角愈大,太阳辐射强度愈大。同一束光线,直射时,照射面积最小,单位面积所获得的太阳辐射较多;反之,斜射时,照射面积大,单位面积上获得的太阳辐射较少。
在赤道和低纬度地区,太阳高度角大,日照时间长,太阳辐射强度大,地面和大气接受的热量多,温度较高;而高纬度地区太阳高度角小,日照时间短,地面和大气接受的热量小,温度低。高纬度(南北极)与低纬度(赤道)之间的温度差异便形成了南北之间的气压梯度,使空气产生水平运动,风沿水平气压梯度方向吹,即气流从高压向低压方向移动。
在风形成后,风的大小和速度则主要受摩擦力(主要是外摩擦力)、季节等的影响。如海洋和海峡能改变气流运动的方向,还能使风速增大,而丘陵、山地使风速减少,孤立山峰却因海拔高使风速增大。另外,季节和海陆差异也对风速产生影响。在冬季,大陆比海洋冷,大陆气压比海洋高,风从大陆吹向海洋。夏季相反,大陆比海洋热,风从海洋吹向内陆。因此,这种随季节转换的风也称为季风。
另外,在山区白天风由谷地吹向平原或山坡,称为谷风;在夜间风由平原或山坡吹向谷地,称为山风。这是由于白天山坡受热快,温度高于山谷上方同高度的空气温度,坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方,谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气。夜间,山坡因辐射冷却,其降温速度比同高度的空气快,冷空气沿坡地向下流入山谷。
为何风变小了?
显然,地球上不同地方的温度差造成了水平气压梯度,从寒冷高压地方到温暖的低压地方的空气流动就成为了风。由温差产生的大气环流是信风和季风形成的主要原因,因此,温度的改变也直接影响到风力的大小和风速。从这个原理出发,一些研究人员认为,人类行为造成的温室气体排放减少了风,也减缓了地球上的风速。
多年来,人类使用和消费化石燃料等让全球气温升高,尤其是北极地区温度升高。2010年,美国《科学》杂志发表的一篇论文指出,北极地区的平均温度比理论分析值要高出1.66℃,是近2000年来的最高水平。北极圈的温度升高了,使得北极和赤道之间的温度差减少,风速就变小了。
当然,人类的活动不只是让气温升高,还建造了对风速产生影响的高楼大厦群,从而减弱了风速。地球上的陆地主要集中在北半球,在陆地的沿海地区人们建造了无数比森林高得多的城市高层建筑,人为地阻挡陆海之间的季风循环,这也是北半球最近30年风速减慢的人为原因。同时,陆地密布的高架桥、高速公路、高速铁路等也加大了摩擦力,减慢了内陆风速。还有一个意想不到的原因是,风力发电机利用风能发电,也会减慢风速,这也是风能利用的另一个结果。
法国气候与环境科学实验室的罗伯特·瓦塔德等人分析了欧洲、亚洲、北美的820多个气象观测点的数据后发现,从1979年到2008年,大部分地方的风速都有所下降,风速下降幅度介于5%~15%之间。研究人员认为,风速下降可能有多种原因,比如气候变化可能影响了气流的传统活动模式,导致风速下降。一些地方的森林植被恢复和增长使得地球表面更为“粗糙”,也会起到降低风速的效果。