风的起源及特性

风的起源及特性
风的起源
风是最熟悉的自然现象。

要了解风的形成必须了解包围着地球的大气的运动。

大气的流动也像水流一样是从压力高处往压力低处流。

太阳能正是形成大气压差的原因。

由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66．5°的夹角，因此对地球上不同地点，太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年365天中这个角度也是变化的。

地球上某处所接受的太阳辐射能正是与该地点太阳照射角的正弦成正比。

地球南北极接受太阳辐射能少，所以温度低，气压高；而赤道接受热量多，温度高，气压低。

另外地球又绕自转轴每24h旋转一周，温度、气压昼夜变化。

这样由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，以便把热量从热带向两极输送，因此形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。

大洋中的海流也起着类似的作用。

从全球尺度来看，大气中的气流是巨大的能量传输介质，地球的自转以进一步促进了大气中半永久性的行星尺度环流的形成。

下图表示了地球上风的运动方向。

地球上各处的地形地貌也会影响风的形成，如海边，由于海水热容量大，接受太阳辐射能后，表面升温慢，陆地热容量小，升温比较快。

于是在白天，由于陆地空气温度高，空气上升而形成海面吹向陆地的海陆风。

反之在夜晚，海水降温慢，海面空气温度高，空气上升而形成由陆地吹向海面的陆海风（见下图）。

海陆风的形成图
（a）白昼海防风；（b）夜间陆海风
在山区，白天太阳使山上空气温度升高，随着热空气上升，山谷冷空气随之向上运动，形成“谷风”。

相反到夜间，空气中的热量向高处散发，气体密度增加，空气沿山坡向下移动，又形成所谓“山风”（见下图）。

另外局部温度梯度等因素也会使风能分布发生变化。

山谷风形成图
（a）白天“谷风”；（b）夜间“山风”
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风的变化
风向和风速是两个描述风的重要参数。

风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。

风速是表示风移动的速度，即单位时间内空气流动所经过的距离。

显然风向和风速这两个参数都是在变化的。

（1）风随时间的变化
风随时间的变化，包括每日的变化和季节的变化。

通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。

如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。

这个逆转的临界高度约为100～150m。

下图是在日本川口国际广播电台的无线电铁塔上测得的不同高度处，一天内的风速变化。

不同高度处风速的变化图
由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。

因此风向和风的强度也会发生季节性变化。

我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。

当然也有部分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风最强，春季季风最弱。

（2）风随高度的变化
从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域（见下图）。

离地面2m以内的区域称为底层；2—100m的区域称为下部摩擦层，二者总称为地面境界层；从100—1000m的区段称为上部摩擦层，以上三区域总称为摩擦层。

摩擦层之上是自由大气。

大气层的构成图
地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。

各种不同地面情况下，如城市、乡村和海边平地，其风速随高度的变化如下图所示。

不同地面上风速和高度的关系图
关于风速随高度而变化的经验公式很多，通常采用所谓指数公式，即
式中v——距地面高度为h处的风速，m／s；
v1——高度为hi处的风速，m／s；
n——m验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/2～1/8。

对于地面境界层，风速随高度的变化则主要取决于地面粗糙度。

不同地面情况的地面粗糙度α如表48所示。

此时计算近地面不同高度的风速时仍采用上述公式，只是用α代替式中的指数n。

（3）风的随机性变化
如果用自动记录仪来记录风速，就会发现风速是不断变化的，一般所说的风速是指变动部位的平均风速。

通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈变动的紊流相重合的风。

紊乱气流所产生的瞬时高峰风速也叫阵风风速。

下图表示了阵风和平均风速的关系。

阵风和平均风图速
a一阵风振幅；b一阵风的形成时间；C一阵风的最大偏移量；d一阵风消失时间
（4）风玫瑰图
“风玫瑰图”是一个给定地点一段时间内的风向分布图。

通过它可以得知当地的主导风向。

最常见的风玫瑰图是一个圆，圆上引出16条放射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度成正比。

静风的频度放在中间。

有些风玫瑰图上还指示出了各风向的风速范围。

季风的风玫瑰图如下图所示。

风玫瑰图
（a）风向的16个方位；（b）风玫瑰示意图
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风力等级
世界气象组织将风力分为13个等级，如下表所示，在没有风速计时可以根据它来粗略估计风速。

气象风力等级表
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风况曲线
风况曲线是风能利用的基础资料。

它是将全年（8760h）风速在v（m／s）以上的时间作为横坐标，纵坐标则为风速v（见下图），从风况曲线即可知道该地区某种风速以上有多少小时，从而制定相应的风能利用计划。

日本石廊崎等地区的风况曲线图
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参考文献说明。