为什么风会周期性地改变方向?

Question

图片字幕:风穿过页面，并改变方向

为了澄清，想象一下你坐在湖中央的船上，每分钟记录下风向。你注意到，风向大约每五分钟就会从340°到360°来回改变一次……

在其他日子，两者之间的时间和风移的量(°)可以更大或更小。

我猜想这与陆地上的风有关:

• 众所周知，风在陆地上是有方向偏转的(摩擦效应)。
• 风在大气中越高，受到的阻碍就越小，因此偏转也就越小

我的猜测是，在湖上经历的风是这两种风的交替，尽管它的确切机制超出了我的范围。我将非常感激一个真实的解释。

Answer 1

关于为什么有风的答案，请参见:风从哪里来?

这就确定了驱动风的力量，即:

• 动量的非线性平流
• 压力梯度力(PGF)
• 科里奥利力
• 摩擦

水面上的摩擦比陆地上的摩擦小，所以在地球表面，风会比陆地上的风更倾向于平行于等压线。PGF、科里奥利和摩擦力之间的力平衡很容易概念化:

_{图片来自伊利诺伊大学香槟分校http://ww2010.atmos.uiuc.edu/ (Gh) / abt / aknw / dvlp.rxml}

在这里，我们可以看到风会以低压向左流动，并略微穿过等压线，向低压方向移动。风穿过等压线的角度与摩擦有关。风的方向与等压线的方向和摩擦力有关。风速与等压线之间的间距有关(近=快，远=慢)。

然而，这只解释了平衡状态下的稳态风，这对于理论解释来说很好，但对于真实的大气来说太理想化了。在你对湖的观察中，水流不是稳态的，讨厌的非线性术语在起作用。

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大气的最低层被称为边界层，它从地表延伸到大约1 - 2千米。在白天，这个边界层是“混合良好”的，这意味着它有一个均匀的潜在温度和水分分布，它是湍流的。对于真正的超简单湍流，考虑不同大小的旋转运动。在最大的尺寸下，这些漩涡的大小相当于边界层的深度。在最小的尺寸上，漩涡在毫米的尺度上，在所有的中间尺寸上都有漩涡。

让我们只考虑最大的漩涡。这些漩涡的顶部在边界层的顶部，那里的风通常更快(它可以稍微快一点，或快得多)。这个漩涡会将一些动量混合到表面，在漩涡的底部。这些漩涡也在四处移动，而不是固定在一个地方。在有漩涡的地方，风速会与没有漩涡的地方不同，这取决于风的方向，漩涡和向下混合到地面的动量。如果你站在一个地方，这将给你观察到的效果，风改变方向和/或速度。

现在考虑所有不同大小的涡流都这样做，事情变得一团糟(乱流!)在某些日子里，这种影响很小，你可能只注意到风的细微变化，而在其他日子里，你可能会有强风和“颠簸”的空气。

最后，让我们回到湖上。湖与上面的空气有温度通量和动量通量，这就产生了风的变化。所有这些风都在移动质量，最终的结果是风导致了压力场的演变，这些变化反馈到风中。

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上述影响可以归结为动量方程中的非线性和摩擦项，这就是你对风的观测周期性改变方向的原因。