風有多長﹖

王寶貫

一連敬了老朋友叔雲幾盞香醇的美酒之後﹐詩人李白開始有些醺醺然了。李白的酒品一向不錯﹐不像有些人一醉就躺在地上耍賴﹐或像晉代的一些狂士醉後又表演脫衣舞又狂呼小叫的。這裡是宣州地界﹐風景本就有名﹐後來的楊萬里曾經把它的山水描寫為﹕

『路入宣城山便奇﹐蒼虯活走綠鸞飛』﹐

足為明證。而這酒樓又是前幾代南齊的大文學家謝眺所建的﹐名城中的赫赫名樓﹐加上如醇酒般的長久友情﹐更使得李白壓抑不住那一直在蹦跳的詩思。正是金風送爽時節﹐窗外一行秋雁在碧空白雲中飛唳而過﹐李白的詩句傾瀉而出﹕

『棄我去者﹐昨日之日不可留﹔

亂我心者﹐今日之日多煩憂。

長風萬里送秋雁﹐

對此可以酣高樓』

《李白　宣州謝眺樓餞別校書叔雲》

李白是大詩人﹐他隨手一寫就冒出『長風萬里』的名詞來。咱們這裡是在討論大氣科學﹐不妨來研究一下﹐到底風有沒有可能萬里長﹖

首先﹐既然叫做長風﹐意思應當是經過長距離也不太改變方向及速度的風才算合格。

不同地方的風向風速變化很大﹐很少有經過一段長距離之後﹐還能夠維持原樣的。不但您從東到西﹐風向風速會一直變﹐就是從南到北也是如此。東漢王充在他的《論衡》中就提到﹕『千里不同風，百里不同雷』﹐確是經過些觀察之言﹐所以他不是李白﹐不會寫下如﹕

『長風幾萬里﹐吹度玉門關』

這樣蒼茫宏闊的句子。詩是文學而不是科學﹐需要加上一些誇張的想像力﹐把現實的境界提昇到可能不是現實的境界﹐因此科學家們倒也沒有必要向詩人們大嚷﹕『此風不可長』。

一般的地面天氣圖則是普通的地圖上繪上『等壓線』。從天氣圖上﹐您可以讀出每一地點的氣壓值來。這種天氣圖的特點是﹐受過訓練的氣象學家一眼就可判斷出天氣概況及風向風速來。以我們正討論的風來說﹐等壓線密集的地方表示風速大﹐稀疏的地方表示風速小。風向則多半接近等壓線的走向﹐雖則兩者並不真的平行。以北半球而言﹐在高壓中心附近﹐風向以順時針方向旋轉﹐在低壓中心附近則以反時針方向旋轉。在南半球則正好相反。

●旋風偃岳而常靜

在地面觀測風﹐經常產生的印象是﹕當風速非常大的時候﹐似乎風向很難得是直的﹐而常常是以『旋轉』的方式出現。所以當有『旋風』這種名詞出現的時候﹐我們的印象是一些很強的風。

旋風中最有名的﹐當推『龍捲風』及『颱風』。龍捲風的尺度小﹐只有一公里左右﹐但是風速卻是不得了﹐常超過每秒100公尺。強風所過﹐當者披靡﹔遇樹樹拔﹐遇牆牆摧﹐連重機械如耕耘機或大巴士也可能被捲走。

颱風則是在台灣人人所熟悉的。它的風速不如龍捲風之大﹐大約每秒數十公尺左右﹐但已經比日常的強風要大多了﹐也可能損壞一些較不堅固的建築物。它的範圍比龍捲風大得多﹐可達數百公里。它的最大損害往往來自它所挾帶的豪雨﹐造成洪水或土石流。

它們的共同點則是﹕兩者都是『旋風』。

●暴風之王─龍捲風

龍捲風之所以『旋』﹐是因為龍捲風往往是在一個本來就已經在旋轉中的強烈風暴系統中出現的。這種『龍捲之母』的風暴系統常廣達數百公里﹐往往有明顯的旋轉情勢﹐雖則它的旋轉並不強烈。

科學家們用『渦度』（vorticity)來代表一個流體系統(例如大氣中的風暴系統)中某一點的旋轉強度。像風暴這樣大範圍的系統﹐渦度本身並不強﹐但是因為範圍廣大﹐所以總旋轉量─稱為環流量(circulation) ─倒是頗大。假如這個系統(或它的一部分)突然縮小範圍而環流量保持不變的話﹐則很容易可以理解﹐這系統中各點的渦度會突然增強。這突然變強的渦度就表現出來為龍捲風。

這個道理和我們在電視上常看到的花式溜冰表演中的旋轉一樣。那位美麗輕盈的女郎先是順著場子繞很大的圈子溜﹐由於圈子大﹐我們看不太出來她有明顯的轉動。接下來﹐她突然定下來停在一點﹐而把兩臂向外平伸﹐於是大圈子的環流量因範圍縮小而表現成為渦度增強﹐裹在華麗舞衣的美妙身材也開始快速旋轉起來。

這還沒完呢﹐接下來她把兩手縮回﹐緊抱胸前。如此一來﹐範圍更小﹐而她的旋轉(渦度)就快到讓咱們看不清她的臉了。也許咱們應把這階段的表演定名之為『龍捲舞式』﹖﹗

每次看到這裡﹐都很佩服那位冰上美人﹐不但舞姿態優逸﹐還神閑氣定﹐可以向觀眾微笑鞠躬示意。要是換了我﹐停下來後第一個動作一定是跌個四腳朝天--轉得那麼快﹐難道不會頭暈呀﹖

很顯然﹐當初的大圈子運動便等於母風暴的旋轉﹐緩慢而莊嚴﹔後來的急速旋轉便是龍捲風﹐激昂而炫耀。龍捲風的確便是因為母風暴的一部分突然渦度增強而出現的。

只是到目前為止﹐氣象學家們尚未找出是什麼機制會使得母風暴的一部分突然渦度增強。旋轉的風暴系統所在多有﹐卻不是每一個都會伴隨產生龍捲風。此中道理﹐尚有待研究。

世界上許多地區都可能產生龍捲風﹐但卻沒有一個地方像美國的平原區(從墨西哥灣往北﹐德克薩斯州﹑奧克拉荷馬州﹑堪薩斯州一帶)的龍捲風頻率之多而強度又強的。這一帶被稱為『龍捲風巷』(tornado alley)﹐歷史上經典的龍捲風大都發生於此。這又和墨西哥灣的溫暖海面供應大量不穩定空氣(並含大量水氣)有密切關係。這不穩定氣團又受限於北美洲南北走向的洛磯山脈(西邊)及阿帕拉契山脈(東邊)﹐於是所有能量『長驅直北』﹐就打造出龍捲風巷來。

台灣也偶有類似龍捲風的天氣出現﹐不過看來大都是『水龍捲』(water spouts)﹐與美洲的陸龍捲風形似卻不相同。它們的力道要小得多﹐通常也不至於造成大災害(當然遇上時還是不要掉以輕心)。另外﹐乾燥或沙漠地區常見小型旋渦﹐捲起一些似龍捲風的沙柱﹐稱為『沙鬼』(dust devils)﹐則是力道微弱﹐有時有些小朋友還在其中跳舞﹐享受風沙拂面的樂趣﹗由此可見﹐自然界形似的現象很多﹐但是它們發生的原因卻不見得相同。這一點對有志科學研究的人必須注意。

●風暴雄師─颱風

龍捲風範圍小﹐行蹤飄忽﹐像傳說中的沙漠裡魔鬼兵團﹐來無影﹐去無蹤﹐歷時不過十來分鐘左右﹐很不容易捉摸。颱風卻是個浩浩蕩蕩﹐破壞裝備齊全的風暴系統。在觀測設備大為進步的二十一世紀﹐它一出現﹐就有各式各樣的設備（飛機﹑雷達﹑衛星等等）在瞪著它﹐跟蹤著它的行動。遺憾的是﹐即使看得這麼仔細﹐到目前為止﹐咱們還是不容易預測它的動向﹐更只能眼睜睜地看它蹂躪著它路經的災區而無可奈何。颱風年年光顧台灣﹐有些損害﹐大家習以為常﹐似乎有些麻木了﹐吊詭的是﹐颱風每年供應台灣約60%的雨水﹐颱風若不來卻也有得煩惱的。

可是今年(2005)美國南方的大城紐奧爾良因被卡特里娜颶風(Hurricane Katrina)引起的風暴潮沖破隄防﹐造成海水倒灌﹐淹沒一大部份﹐居民棄城出走﹐造成全球轟動的新聞。紐奧爾良是美國爵士樂的發源地﹐筆者在上世紀七○年代首次去那裡開會﹐在它的『法國區』(French Quarter)閑逛。白天街景有些殘落﹐但是一入夜﹐華燈處處﹐許多黑人朋友當街大跳踢踏舞﹐配著隔街樓上傳來的爵士樂鋼琴音樂﹐效果還真有些神奇﹔光顧了的幾家餐館﹐味道也真不錯(大概也是法國影響)。可是由於氣象乃是筆者本業﹐深知此城許多低於海平面﹐僅靠隄防堵住海水﹐但這裡又是颱風肆虐區﹐因此對這種『不夜天』的生活方式略感毛骨悚然﹐深怕『有朝一日』。。。結果這有朝一日果然在二十幾年後到來﹗

颱風是所謂的『熱帶風暴系統』﹐它們的個性及『家庭背景』和一般的風暴頗有不同。颱風起始的完整條件我們到現在還不甚了了﹐只知道幾乎所有的颱風都發源於熱帶溫暖的海洋上﹐那裡的海面溫度必須在攝氏27度以上才能合格。另外﹐一般認為颱風必須在緯度10-20度的熱帶海洋上才能發生﹐理由是在從赤道到南北緯10度的熱帶區只有微弱的科氏力(Coriolis force﹐一個使得轉動坐標中運動的物體產生轉向的『假』力﹐討論詳後)﹐而緯度太高則海洋面溫度又往往太冷。

不過這偶有例外。1956年3月在北緯3.3度﹐東經150度左右發生的莎拉(Sarah)颱風以及2001年12月末在新加坡附近北緯1.5度﹐東經105度左右的畫眉(Vamei)颱風便是。可見只要您能使得熱帶的風暴開始旋轉﹐就有可能造成颱風。不過這種例外的颱風力度不會太強﹐而且生命中的『颱風期』也不長。話雖如此﹐畫眉颱風還是叫美國海軍吃了些苦頭﹐損傷了航空母艦卡爾文森號(USS Carl Vinson)和一艘護衛艦。

不是所有的熱帶風暴都稱為颱風。在北大西洋發生的同類風暴系統稱為『颶風』(hurricanes)﹐在印度洋發生的則稱為『旋風』(cyclones)﹐名稱不同﹐分類也略有差異﹐但其實都是同樣的現象。台灣所遇到的颱風大多數是從北太平洋西部來的，源地以加羅林群島附近至菲律賓之間的熱帶海洋上為最多。南海也有颱風產生，但次數及威力較小。較強的颱風常有『颱風眼』﹐這是台灣民眾很熟悉的現象。颱風眼抵達時﹐其中的空氣頗為沉悶懊熱﹐天空中少雲﹐甚至出現藍空﹐風力微弱而風向不定。有時甚至出現『雙颱風眼』的現象﹐像2005年發生在北大西洋的威爾瑪(Wilma)颶風。

颱風無疑是個旋渦系統﹐當然有資格稱為『旋風』。在北半球發生的颱風都無例外地以反時針方向旋轉﹐南半球颱風則以順時針方向旋轉。這種北反南順的轉法﹐氣象學上稱為『氣旋式渦度』(cyclonic vorticity)﹐幾乎都和大尺度的低氣壓有關﹐而颱風正是個低壓系統。現代的船支往往配備有衛星全球定位系統和無線電設備﹐因此在海上遇到颱風﹐大都能收聽廣播﹐並定出本船位置以採取適當途徑脫困。在無線電不怎麼發達的古代或是正好沒有無線電可用(或者無線電損壞)的現代船舶﹐則有個簡便的法則﹐叫做拜思－巴洛茲法則（Buys-Ballots Law)。這個法則的口訣是﹕

在北半球﹕背風而立﹐低壓在左。

在南半球﹕背風而立﹐低壓在右。

以北半球的例子而言﹐由於一個低壓系統(像颱風)是以反時針方向旋轉的﹐所以如果您站在您的船甲板上﹐強風吹在您的背上﹐那代表低壓中心位置在您的左手邊。您如果把船往左邊駛去﹐正好自投颱風中心羅網。在南半球則正好相反。

龍捲風也是一個低壓系統﹐其中心氣壓可能遠低於颱風﹐只是到目前為止﹐被龍捲風掃過的氣壓計都無一倖免﹐因此沒有確切記錄。但和颱風不同的是﹐龍捲風偶而會產生『反氣旋式』的旋轉﹐例如在北半球會有順時針方向旋轉的龍捲風﹐雖然頗為罕見。這不同點主要是因為龍捲風只是個小型系統﹐幾乎不受到科氏力的直接影響﹐反而會受到其母風暴中其它因素的操縱﹐因此偶然會『凸鎚』。不過由於龍捲風的渦度主要還是來自其母風暴的渦度集中所致﹐而母風暴是個範圍較大的中尺度系統﹐仍以氣旋式旋轉為主﹐所以絕大多數的龍捲風自然也多是氣旋式的了。

低壓系統還有另一個特徵﹐那就是在低壓中心附近的空氣是上昇的。這一點倒是容易了解。在同樣一個平面上﹐一個地點的氣壓比它鄰近地點要低﹐就要引發四週的空氣像這個低壓中心輻合過去。這當然是因為空氣是個連續的流體﹐一旦有氣壓不平衡﹐流體便會開始流動以達平衡狀態。可是空氣又不能無限地集中在低壓中心﹐必須有個出路﹐結果是往上流去。這往上昇的運動卻正好開啟了我們以前提過的成雲致雨過程的絕熱膨脹冷卻機制（見拙文<喚雨騰雲總是風>﹐《經典》68期﹐134頁）﹐因此低氣壓系統像颱風及龍捲風常伴隨雲雨而來﹐原來其來有自﹐是大氣流體力學與熱力學的必然結果﹐與四海龍王的法力其實搭不上干係。

●科氏力

上面我們講了半天的氣旋式旋轉﹐頻頻提到科式力﹐到底這科式力是個啥米碗糕﹖原來這科氏力是法國物理學家科利阿利斯(Gaspard-Gustave de Coriolis﹐ 1792-1843)發現的一種『假力』。科先生對物理的貢獻其實不止科氏力一項﹐像力學上的『功』(work)的概念也是他提出的﹐只是多數人『百姓日用而不知』而已。

近代物理力學的龍頭當然是牛頓﹐但是牛頓寫出的力學公式只能直接用在所謂的『慣性坐標』（靜止不動或是以固定速度直線進行的坐標）上﹐若用在『轉動坐標』﹐看起來就不太對頭了。一個靜止不動的路人看著坐在旋轉木馬游戲的小朋友們當然知道轉的是小朋友﹐他們被轉盤的『向心力』及木馬的機械結構所固定住而跟著轉﹐要不然轉盤一動﹐他們一定被『甩』出去。然而從小朋友的觀點看來﹐卻是路人在旁邊轉來轉去﹐忽遠忽近﹐這當然只是小朋友是在轉動坐標上﹐觀點不同的關係﹐不是真有什麼力使得路人忽遠忽近。

但是人類住在地球上﹐卻幾乎感受不出自己也是在一個轉動坐標上﹐因為地球相對於人的尺度而言實在太大了。有些以靜止的外太空人觀點看來是直線的運動﹐咱們看起來卻是曲線的﹐甚至是轉圓圈的﹗　這無非是我們自己在轉動的關係罷了。

假如您要來詳細描述這種『看起來』彎彎曲曲的運動﹐您會發現不能直接運用牛頓公式﹐而要加上一項『假力』－這便是『科氏力』。在北半球﹐一團空氣（或一顆炮彈也好）若從南往北直走﹐對地上觀測者而言﹐它看起來卻是往東北走去－換言之﹐這科氏力使它向右拐彎了﹐而且這向右拐的力只要那團空氣還在動就不會停止。在南半球﹐科氏力會使得物體運動向左偏。住在地球上的人看到低（高）氣壓在北半球以反（順）時針方向旋轉﹐在南半球以順（反）時針方向旋轉﹐其道理不過如是而已。

不過許多人把科氏力的作用無限上綱﹐連浴室洗臉盆漏出水時產生的旋渦轉向也說成是地轉的科氏力﹐那可就大錯特錯了。科氏力只有在地球自轉的作用明顯時﹐比如長距離的空氣運動或長程炮彈的軌跡才看得出來。洗臉盆中的旋渦方向和廠商製造時造成的容器不對稱關係更密切﹐它們有時順時針﹐有時反時針﹐卻和地轉科氏力沒啥關係。

科氏力不只是影響大氣中的空氣運動﹐也會影響海洋中海水的運動。海洋的環流形式中大尺度的渦旋(gyres)也是由於科氏力的作用而讓地球上的人們觀測到海水這種轉圈圈的運動。