2013年10月5日 星期六

航海時代與風帶的發現

航海時代與風帶的發現
 貿易風
 人類在航海時代見見發現地球有些地帶己乎全年都吹著同樣風向的風,哥倫布就運用得很好;再發現新大陸前他經驗到低緯度地帶常吹著東風,較高緯度則會吹著西風,所以在尋找新航道發現新大陸的第一次冒險航行,哥倫布自西班牙出航,先南向到西屬加那利群島(N28左右),借東風西行,而自美洲要返回西班牙時先向北駛到亞速爾群島,再由那兒的盛行西風回到歐洲這邊來。
低緯度的東風南北半球都有,不過北半球吹的是東北風,另一半邊則吹的是東南風,在帆船時代從事海外貿易的商人對於這種年復一年都盛行的風向體會及需要尤其深刻,所以稱之為信風,這個區塊謂之信風帶;而又由於這風帶與商人海上貿易的通達密切相關,又稱為貿易風。

馬緯度

歐洲人在那個不斷開發新航路的航海時代裡,還有一個我們現代人看了地圖不明所以的"馬緯度"(horse latitude)。話說美洲被還沒發明蒸汽動力的歐洲人"發現"後,由於移拓者需要畜牲的勞動力農耕與運輸,所以前往美洲搬有運無的商務帆船隊都會運馬去賣。當時,有些船穿越信風帶沿著30度附近航行時,海天一色、一片清朗,對需要風的帆船而言感覺卻是一片死寂,常常一耽誤就10天半個月,牲口缺秣少水,死掉的便被率先給水手們加菜,時間再耗久一點,吃都來不及吃,這時只好把死馬海葬。在南緯30度附近這種不斷給死馬海葬、死等不到風的焦最常發生,船員們久而久之便將將這個緯度區域認作馬的死亡帶、給起了個渾名,"horse latitude"

咆嘯西風

跨過馬緯度,緯度40~50度的海域吹的是穩定、但猛烈的西風,有時甚至到暴風級;阿留申群島和冰島蘇格蘭的捕鮭魚討海人是很辛苦的。有人形容這風帶為"咆嘯西風帶"、學術點的叫"盛行西風帶"
南北極吹的什麼風?
北半球再往北接近到北極前的區域(N60+)又反向變成了吹東-東北風,這風叫極地東風。來自極地極乾冷的極地東風與南邊的西風犬牙交錯、崁攪在60度這一帶,壓力平衡、尤其是溫度梯度的物理條件使這鋒面帶向上形成"副極地低壓帶"(...我必須承認這個攪合著鋒面的低壓帶的形成機制有點怪怪的)


氣象物理的全球風循環系統

以下是氣象物理的解釋,在看解釋之前我們可以了解或記得一個很簡單的tip,北半球的風會向右偏,南半球會向左偏,這個偏移的作用力叫作科氏力(Coriolis force),來源來自於地球是圓的、又會自轉;不明白沒關係,只要記得北半球風會向右偏,下文&上文提到那一大堆亂七八糟風帶的東西南北風風向就很容易搞清楚了。

空氣不但因地球自轉而流動,其自身也受一切氣體的物理特性主宰而作氣體自由運動,這類自由擴散運動追本溯源都是來自太陽光提供的熱能所引發。

赤道無風有雨
赤道日照強,氣溫高,加熱使空氣膨漲、密度變小,於是空氣上升;兩極反是;所以在赤道上空某高度的氣壓高於兩極,高壓必往低壓擴張流動,於是我們可以觀察到該空層空氣會向南北兩頭流動,赤道上空空氣減少的量就由暖熱的地表水表向上補充。赤道地面壓力因得到舒解而相對低壓,此區域風力微弱且不定,稱為赤道無風帶。記得向上二字,因為赤道一帶的熱空氣向上發展,所以無風。而又因為低壓,熱帶性低氣壓無由再向此遷移流動,赤道、南洋是沒颱風的,有的只是垂直發展雲系的午後雷陣雨的發展而已。

高壓帶無風無雨
再回到上空向南北流動的空氣,因受科氏力的影響而漸偏向東,成為偏西風(北半球便是偏西南風囉)到了南北緯30度左右高空空氣不再熱而輕,漸漸沉降下來,使得地表空氣壓力增大。此區域內空氣下沉,風向因而不定且微弱,又因高氣壓的關係,水氣不易蒸發進入空氣中,乾燥少雨(我們可以聯想一下高氣壓與好天氣的連帶關係),是為副熱帶高壓帶。

可以來看看文後的兩張圖了:副熱帶高壓帶的空氣沉降,地表高氣壓促使空氣向高緯度極區及低緯度赤道兩方向排擠。就北半球而言,又如前所述的科氏力使得吹向赤道的北風變成東北風,此所謂的東北信風(trade winds) ,風向恆定;而由南向北吹向極帶的南風也因相同的力作用變成西南風,是為盛行西風(prevailing westerlies)

極地東風
在極區,受到陽光的照拂最少,空氣既冷且重,相對高氣壓是半永久性的,稱為極地高壓帶(polar high) ,地表空氣因而持續向外流動,再受科氏力偏向西而成為極地東風。
來自極地的東北風與中緯度的西南風溫差很大,因此交會處(一般在緯度60度上下)會產生一個停滯持續的鋒面,稱為極地鋒(polar front)

喜歡看圖說故事的讀者可以格外多注意下面兩張圖的各個風向箭頭的走向,再伴隨著北半球風向右的口訣,整個地球的風都在你的掌握當中了!


參考書目
趣味氣象;鍾成,上海辭書出版社
航空氣象學;戚啟勳
大氣科學;戚啟勳

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