周 強(qiáng)

（上海啟牧有限公司北京公司研發(fā)部，北京 101104）

物體的流動(dòng)力在氣象上的應(yīng)用

周 強(qiáng)

（上海啟牧有限公司北京公司研發(fā)部，北京 101104）

通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的大氣流動(dòng)力和水汽飽和質(zhì)量的概念，對(duì)流動(dòng)力的研究，理解物體為什么能漂浮在空中，水汽為什么會(huì)被冷空氣或熱空氣所阻斷，闡述臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)形成的原因以及沒(méi)有森林所導(dǎo)致的各種臺(tái)風(fēng)、暴雨、泥石流以及干旱、沙塵暴等自然災(zāi)害的原因，并對(duì)飽和質(zhì)量的研究提出大氣降雨的條件。

流動(dòng)力；流動(dòng)力差；飽和質(zhì)量；臺(tái)風(fēng)；森林

1 基本概念

1.1 流動(dòng)力

在一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境里，任何物體都會(huì)有流動(dòng)的趨勢(shì)，從高溫流向低溫，從高濃度流向低濃度，從高壓到低壓，那么這個(gè)流動(dòng)趨勢(shì)就存在一個(gè)流動(dòng)的力，把這個(gè)流動(dòng)的力稱(chēng)為流動(dòng)力，用字母F表示：

F=k Tρg/P（注：此公式為原創(chuàng)，未經(jīng)作者同意不得引用）（1）

式中：k——修正系數(shù)，物理量綱為L(zhǎng)^2*T^(-2)*M*N^(-1)*Θ^(-1)；

g——星球?qū)ξ矬w的重力加速度，物理量綱為L(zhǎng)*T^(-2)；

T——此流動(dòng)物質(zhì)溫度，物理量綱為Θ；

ρ——流動(dòng)物質(zhì)的濃度，物理量綱為N*M*L^(-3)。

P——流動(dòng)物質(zhì)所受的壓強(qiáng)，物理量綱為M*T^(-2)*L^(-1)

當(dāng)然，如果把濃度ρ換算成密度ρ，則ρ可以寫(xiě)成nρ，那么公式可以寫(xiě)成：

這里n為此物質(zhì)的量（分子的數(shù)量或摩爾數(shù)），物理量剛為N。ρ為此物質(zhì)的在空間密度，物理量剛為M*L^(-3)。

1.2 流動(dòng)力差

在一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境里，一個(gè)物體從A地流向B地或從B地流向A地時(shí)，必然存在一個(gè)從高溫流向低溫，從高濃度流向低濃度，從高壓到低壓的流動(dòng)過(guò)程，并最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡過(guò)程。

在一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境里，不管什么樣的地表物，它們每時(shí)每刻都在和外界尋找這樣一個(gè)相對(duì)平衡的過(guò)程。那么物體能不能互相流動(dòng)，決定于他們二地的流動(dòng)力的差值，我們把它稱(chēng)為f：

1.3 飽和質(zhì)量和物體的降落

當(dāng)重力大于等于流動(dòng)力差時(shí)，如果此物質(zhì)的氣體狀態(tài)開(kāi)始液化，則此物體在此狀態(tài)下達(dá)到飽和狀態(tài)。此時(shí)的m為此溫度下的飽和質(zhì)量M飽。

當(dāng)物質(zhì)凝聚時(shí)的質(zhì)量m≥M飽時(shí)，物體就會(huì)因?yàn)橹亓Υ笥诘扔诹鲃?dòng)力而降落。

而重力等于流動(dòng)力差時(shí)，剛剛滿(mǎn)足降落條件（此處為計(jì)算方便，省略為流動(dòng)力）。

由（1）式可知：

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 物體為什么能漂浮在空中

由（1）的流動(dòng)力差和物體在星球所受的重力可知：

當(dāng)物體的流動(dòng)力差大于物體的重力時(shí)：

物體就會(huì)飄在空中。

當(dāng)物體的流動(dòng)力差等于物體的重力時(shí)：

物體就會(huì)處于相對(duì)平衡狀態(tài)。

當(dāng)物體的流動(dòng)力差小于物體的重力時(shí)：

物體就會(huì)降落和靜止在地表面上。

2.2 臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)的形成

當(dāng)A地和B地形成巨大的反差時(shí)，如筆者在《臺(tái)風(fēng)的奧秘》所說(shuō)的，一側(cè)水汽暢通，另一側(cè)水汽不暢通，或者二側(cè)冷空氣和熱空氣相遇時(shí)，那么二側(cè)就會(huì)形成巨大的反差，也就是如公式（2）所示，會(huì)形成巨大的力。

當(dāng)A地的流動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B地流動(dòng)力，則A地所爆發(fā)出的力威力驚人，水汽就在這股力的爆發(fā)下形成了臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)。

所以當(dāng)冷熱空氣（T變化）相遇或濃度變化（ρ變化：一側(cè)多一側(cè)少）都會(huì)造成臺(tái)風(fēng)或龍卷風(fēng)。

2.3 冷空氣和熱空氣為什么能阻擋水汽輸送

當(dāng) TAρA/PA＝TBρB/PB時(shí)，空氣就相當(dāng)于處于平衡，即使 TB溫度和它的濃度ρB低，如果同時(shí)壓強(qiáng)PB也低時(shí)，那它們的TBρB/PB一樣會(huì)跟水汽濃度較高的A地的TAρA/PA的值很接近，也就是A地和B地處于相對(duì)平衡狀態(tài)，即冷空氣阻攔了水汽前進(jìn)的步伐。

也有很多氣象學(xué)說(shuō)認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題是高山阻擋了水汽通過(guò)，實(shí)際上并不是，而是高山的冷空氣阻擋了水汽的流通。因?yàn)殡S著海拔的升高，溫度及壓強(qiáng)都在降低，那么高山的TBρB/PB一樣可以很接近平原的熱空氣TAρA/PA，讓水汽過(guò)不去（處于相對(duì)平衡狀態(tài)），也就是阻擋了空氣中水汽的流通，那么被阻擋的水汽就容易形成高壓帶。同樣的道理，熱空氣也一樣容易阻斷水汽的流通。

實(shí)驗(yàn)：在太陽(yáng)底下隔著這么大的一塊石碑，測(cè)出16：41左右的數(shù)據(jù)。測(cè)得陰面相對(duì)濕度是32（溫度9），而陽(yáng)面濕度是5（溫度19）。

在一個(gè)很小的空間，他們的流動(dòng)力是接近相等的，壓強(qiáng)也基本相等。從流動(dòng)力F=k Tρg/P可知，只有T和ρ發(fā)生變化(以16:41的測(cè)得數(shù)據(jù)為例），T增大（陽(yáng)光下19度），ρ就減少（陽(yáng)光下濕度為5），T減少（陰面下溫度9），ρ就會(huì)增大（陰面下濕度32）。

這就是熱空氣會(huì)阻礙水汽的原因，也是導(dǎo)致沿海臺(tái)風(fēng)的原因，一旦沿海地區(qū)森林破壞，沿海裸露的地表在陽(yáng)光下，溫度急劇升高，引起沿海大陸的氣流流動(dòng)力接近海洋氣流的流動(dòng)力，導(dǎo)致大量海洋水汽被阻擋在沿海，造成沿海水汽高壓帶，大量海洋水汽被阻的最終結(jié)果就是就地解決形成暴雨，甚至臺(tái)風(fēng)出去或改道。

2.4 水汽的飽和及霧的形成和雨的降落形成

由公式（6）式可知，當(dāng)Tρ/P一定，水汽接近液化濃度時(shí)，水汽處于飽和狀態(tài)，則M飽為此溫度下的飽和質(zhì)量，同時(shí)水汽處于液化狀態(tài)時(shí)，霧就會(huì)形成。

如果凝結(jié)的水汽質(zhì)量m大于M飽飽和質(zhì)量，則降雨就會(huì)容易形成。

當(dāng)重力大于流動(dòng)力差（忽略一地F=k Tρg/P）時(shí)，降雨容易形成，我們從對(duì)流動(dòng)力和飽和質(zhì)量分析知道，降雨有以下3種情況：

第一種：有大量水汽且有一定量凝結(jié)核的暴雨或臺(tái)風(fēng)式降雨（此時(shí)壓強(qiáng)增大，流動(dòng)力減少，重力容易大于流動(dòng)力差而降雨)。

第二種：有足夠的水汽和凝結(jié)核的冷熱空氣交匯式降雨（冷空氣容易使飽和質(zhì)量M降低，暖濕空氣有足夠的水汽，二者相遇，溫度降低，流動(dòng)力減少，降雨條件就滿(mǎn)足了）。

第三種：有足夠多凝結(jié)核的森林式降雨（6m≥M飽，所凝結(jié)質(zhì)量很容易大于飽和質(zhì)量，很容易滿(mǎn)足降雨條件）。

2.5 沒(méi)有森林，為什么冷空氣能迅速南下？為什么很難下雨？

當(dāng)TAρA/PA＜TBρB/PB時(shí)，如果本地A也沒(méi)有森林，本地A的水汽濃度ρA也就會(huì)很低，隨著本地溫度TA的降低，B地冷空氣的流動(dòng)力就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A地的，從而造成B地的冷空氣迅速流向A地，同時(shí)也造成沿海C地來(lái)的暖濕水汽被A地冷空氣所阻擋。也就是沒(méi)有森林的情況，冷空氣更容易迅速南下。

同樣的道理，沒(méi)有森林，本地溫度會(huì)迅速升溫，從而也導(dǎo)致上風(fēng)處水汽無(wú)法輸送過(guò)來(lái)，也就是說(shuō)熱空氣一樣會(huì)阻擋水汽的輸送。

如果沒(méi)有森林，相應(yīng)本地的ρ也小，同時(shí)沒(méi)有森林凝結(jié)核也少，水汽凝聚的質(zhì)量m無(wú)法克服重力條件而降落，也即m＜M飽，另外水汽即使達(dá)到飽和條件，它也很難克服重力條件降落。從筆者的《水汽的水分子是如何結(jié)合的》可知，有凝結(jié)核凝結(jié)質(zhì)量相當(dāng)于正常凝結(jié)質(zhì)量的6倍，也就是6m。

所以只要有足夠的水汽和凝結(jié)核，凝結(jié)核所凝結(jié)的水汽質(zhì)量6倍于沒(méi)有凝結(jié)核所凝結(jié)水汽的質(zhì)量，它很容易大于飽和質(zhì)量M飽，而形成降雨。

即6m≥M飽

因此借助凝結(jié)核的作用，水汽凝聚的質(zhì)量可以6倍于沒(méi)有凝結(jié)核的質(zhì)量，即就是6m，這個(gè)6m就很容易超過(guò)飽和質(zhì)量M飽而降落成雨。同時(shí)大量的飽和水汽也隨著降雨的帶動(dòng)一起沾上而下，雨就會(huì)越下越大，這時(shí)即使沒(méi)有凝結(jié)核，飽和水汽也會(huì)傾盤(pán)而下。

當(dāng)然海洋的生物凝結(jié)核是最多的，制造的云（含有凝結(jié)核的水汽凝結(jié)）也是最多的，但它必須不被冷空氣阻斷才可以到達(dá)內(nèi)陸地方。但從我們上面論述可以看到，沒(méi)有森林，冷空氣能迅速流動(dòng)，從而很容易阻斷水汽流動(dòng)和向內(nèi)陸輸送，再加上凝結(jié)核的缺少，水汽很難在內(nèi)陸形成降雨。那么沒(méi)有大量水汽進(jìn)入內(nèi)陸，就導(dǎo)致內(nèi)陸容易出現(xiàn)干旱，甚至沙塵暴。同時(shí)被阻斷的水汽要么改道，要么造成二地極大的濃度反差，這樣就會(huì)造成局部（特別是沿海）暴雨，甚至龍卷風(fēng)和臺(tái)風(fēng)。

3 總結(jié)

從上面分析知道，阻擋水汽主要是熱空氣和冷空氣，而沙塵、干旱、暴雨和臺(tái)風(fēng)最關(guān)鍵的是水，水多就暴雨，水太多就臺(tái)風(fēng)，水少就干旱，水太少就沙塵。而造成這種現(xiàn)象的主要原因是破壞森林所導(dǎo)致。

Application of the Flow Forceof the Object in Meteorological

Zhou Qiang

The conceptof theoriginal largeair powerandwater vapor saturation quality,through convectionmotivation research,understandingof the objectWhy can float in the air,vaporWhy is cold air orhotair,blocking,set forth the reasons for the formation of typhoons and tornadoes and no forestcaused by a variety of typhoons,torrential rains,mudslides and drought,duststormsand other naturaldisasters,the reason,and saturated quality study rainfallconditions.

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P 432

A

1000-8136（2013）02-0146-02

（編輯：胡靜）