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 k x 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。