风减弱,毛毛雨减少,为什么?

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。

风力发电机

  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。

雾霾

  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。中国气象局国家气候中心气候研究开放实验室发布的《近50年中国地面变化气候特征》显示,全国年均风速经历了明显减弱的趋势,2013年《中国气候变化监测公报》指出,1961~2013年,我国从西北到东北以及东南沿海地区平均风速呈显著降低趋势,50年间降幅为3米/秒。从20世纪70年代至今,上海近地风速呈下降趋势,平均每年下降0.031米/秒,北京则每年下降0.014米/秒。
  而且,如果加上季节性影响,例如,在冬季海洋与亚欧大陆的温差减少,形成风的水平气压梯度减小,风速在冬春季节减小则尤为明显。总之,温室效应和高楼大厦等方方面面的原因阻碍了风速,才让城市人明显感到风减少了也减弱了。
  毛毛雨为何也少了?
  城市毛毛雨的减少也与大气污染、温室效应有联系,不过,对关联度的大与小和直接与间接关系有不同的看法。
  要回答城市中的毛毛雨为何减少了,需要从3种物质或现象及其相互之间的关系来说明。这3种物质就是气溶胶、云和降水(主要表现为降雨)。气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体产生作用,并参与各种化学循环,是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾(霭)、微尘和烟雾等,都是大气气溶胶。
  气溶胶分天然和人为的两种。天然气溶胶包括自然的森林燃烧、沙尘暴等产生的烟、霾等。人为气溶胶最常见的是城市中的工业废气、燃煤废气、汽车尾气等。人为气溶胶有些是一次性形成,有些经过物理、化学作用二次形成。如工业排放气体可经太阳光照射形成粒子,成为气溶胶。很多以气体形式排放的污染物,如二氧化硫、二氧化氮等最后都形成气溶胶。大气中包括PM2.5或PM10(直径在2.5微米以下或10微米以下)的微小悬浮粒子,都可以造成雾霾天气。
  雾霾天气又对云和降雨产生不同影响。地球上的降雨形成经过是,太阳照射地面,地面升温,气流经加热变轻,气团上升,随着高度升高,气团又逐渐变冷,不饱和的水汽逐渐相互结合凝结,最终变成细小水滴,由细小水滴所组成的云体称为水成云,水成云内如果具备了细小水滴增大为雨滴的条件,并使雨滴具有一定的下降速度,这时降落下来的就是雨或毛毛雨。
  但是,如果大气中的气溶胶特别多,形成雾霾或严重雾霾,空中的气溶胶就可吸收太阳能,引起大气增温、地面降温,就不容易形成云,也就抑制了降雨。不过,大气中的气溶胶与降雨的关系是,气溶胶过少和过多都不会引起降雨。气溶胶吸附水汽是形成云和降雨的根本要素。大气中没有气溶胶,就不能吸附水汽分子而形成云和降雨。另一方面,大气中气溶胶太多而水汽含量较少的话,气溶胶就要互相竞争水汽,雨滴也长不大,不能形成降雨。
  但是,如果污染特别严重,气溶胶越积越多,云也越来越厚,就会因为大气中的对流性云层越来越厚而引发暴雨。在干燥的地区或季节,气溶胶的增加会进一步抑制降水;而在湿润的地区或季节,气溶胶的增加则会增加降水的频率和强度。这样,在污染较为严重的城市,要么不降水,要么就是暴雨,因此,过去常见的蒙蒙细雨现在已经是稀缺物了。
  一项研究表明,从20世纪60年代至今,国内的毛毛雨每10年减少5天,暴雨天气则每10年增加2天。这种情况与雾霾天气对云层的影响分不开。
  不过,也有研究人员认为,人为的大气污染导致气溶胶增多,从而引起毛毛雨减少的说法还需要进一步的观测才能获得圆满解答。不过,毛毛雨变少的情况在经济发达的大城市最为明显,开始的时间也与中国工业化、城市化时间相吻合,所以可以推测人为因素在毛毛雨减少方面扮演了重要角色。
  但是,人为因素也包括很多,其中城市化造成的热岛效应也可能与毛毛雨减少有关。热岛效应是多重的,除了形成夏季大范围的高温天气外,还会使夏季的降雨发生变化。在热岛效应的影响下,中国长三角地区夏季降雨日数和毛毛雨的日数逐渐减少,但是强降雨的概率增多。这是因为,城市在下风方向出现很强烈的上升气流。在城市热岛效应比较明显时,即便高空形成雨滴并下降,如果高空降下的雨滴较小(毛毛雨),在未到达地面就会蒸发散失,滴状雨滴和毛毛雨就难以形成,所以城市中的毛毛雨也减少了。
  对生活的影响
  风减弱,毛毛雨减少都与人的行为有关,主要是因人的行为产生过多的污染而引发雾霾、热岛效应等,同时这些现象又互为因果对人们的生活产生不良影响。
  雾霾增加让毛毛雨减少,人们可以不要在雨中行走的浪漫,但是,却受不了因雾霾和温室效应诱发的暴雨。
  近几年国内外频频发生的强暴雨已经证明了这一点。产生暴雨的主要物理条件是充足的源源不断的水汽、强盛而持久的气流上升运动和大气层结构的不稳定。暴雨常常是从积雨云中落下的,形成积雨云的条件是大气中要含有充足的水汽,并有强烈的上升运动,把水汽迅速向上输送,云内的水滴受上升运动的影响不断增大,直到上升气流托不住时,就急剧地降落到地面。温室效应加剧南北极冰川的融化速度,冰川融化导致大量水汽上升。大气中气溶胶的增多也促进了这些条件的形成,并让大气中的对流性云层越来越厚,引发暴雨,在污染严重地区暴雨更严重。
  另一方面,人类行为造成大量的温室气体排放减缓了地球上的风速,也不利于吹散雾霾。尽管所有人都知道,要减少雾霾主要是要减少工业排放、燃煤污染、汽车尾气排放,以及减少化石能源的使用和减少城市施工产生的扬尘,但在产业结构调整不能一步到位,能源依赖不能马上离开煤炭,以及在GDP作为衡量发展和政绩的主要标准不变的情况下,从短期内来看,雾霾就基本上要靠风吹走。这种情况在雾霾比较严重的北京、上海、西安等城市尤为明显。
  每到冬春北京雾霾最严重的时期,就需要冷空气活动频繁产生的大风来吹散雾霾。因为,受冷空气的影响,北风比较明显也比较大,所以污染物很快就被吹散了。但是,如果污染持续下去,日益严重,而且温室效应继续增强,也就不可能有更多更大的风来吹散雾霾。
  污染、雾霾、风、雨等相互交织在一起,互相作用,互为因果,影响人们的生活,也危及人的健康。核心的问题还是要治理污染,减少化石能源的使用,控制温室效应。如此,才能形成风、雨、蓝天和阳光的良性循环。
  【责任编辑】张田勘
风减弱,毛毛雨减少,为什么?

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