马上要过端午节了，人们在吃粽子时会自然而然地想到屈原，想到他的悲惨遭遇，想到他的瑰丽诗篇。我特别想到了他写的《天问》（见链接中的文1）。我们知道，屈原在《天问》中一口气提了172个问题，多数与自然科学（特别是地球物理学）有关，其中的两个问题是：

雨师呼号何以能够兴云雨，他的身躯就像个蚕螟?
风伯飞廉何以能够起风暴，他的形象就如同鹿羚?

令他百思不得其解的是：谁在呼风唤雨？

如今，现代科学（特别是地球物理学）对这个问题已有明晰的回答，知识面宽一点的中学生已能给出大致正确的回答。

然而，倘若问一个深层次的问题：谁是风雨的“推手”？或者问：从科学因素来看，究竟是谁在呼风唤雨？能回答得正确、完善一些就有难度了。

前不久，“大众力学丛书”推出了第14本小册子：《谈风说雨—大气垂直运动的力学》，对这个深层次的问题做了深入浅出、兴味盎然的回答。

此书的作者刘式达和李滇林是资深的地球物理学家，我的同龄人。我与刘式达教授较为熟悉，他曾任北京大学地球物理系主任、中国国家气象学会副理事长，思维活跃，工作勤谨，著述颇丰，迄今已出版学术著作20余本，发表学术论文百余篇。我还认识他的双胞胎弟弟刘式适（音kuo），两人从出生、求学到工作一直相依相伴、不离左右，在孪生兄弟中也不多见，给周围的人带来的困惑是总也分不清这哥俩。有不少著作是他俩联合署名的，哥哥刘式达在写此书时另找了一位伙伴，我还不知道其中缘由。

这本书讲了些什么呢？我又要“偷懒”了：照抄该书扉页上的“内容提要”：

本书以风、雨为主线，讲解了20个日常生活中普遍关心的大气科学中的力学问题，内容包括天上的云、气旋和反气旋、风的形成、冷暖气团相遇的锋面、龙卷风和台风等。这些大气现象均和力学中的气压梯度力、离心力、科氏力、摩擦力等有关，并用力的平衡和角动量守恒定律等作了解释。本书特别对大气中风和雨的运动形式以恢复力、阻尼力为参数进行了几何分类，复杂的全球大气环流形式便有了通用、简洁的拓扑特征。这样，大气中的力学问题就可用几何、拓扑的方法展示，更加直观和深入。

由于近十年来人们更关注气候变化问题，因此书中也介绍了有关温室气体、全球气候变化、极值天气等问题的基本知识和观点，使得读者能关注力学在大气科学中的最新进展。

本书图文并茂，通俗易懂，可供对力学和大气科学感兴趣的学生和教师参考。

具体说来，作者回答了20个常见的问题：

云为什么会飞上天？

为什么会刮风？

风为什么会拐弯儿形成气旋和反气旋？

摩擦力为什么会使风向气旋内或气旋外吹？

为什么气旋会降水，反气旋会晴天？

为什么风随高度升高而增大？

天气的好坏为什么常与高空槽和脊相联系？

为什么冷、暖气团相遇会降水？

全球空气是怎样流动的？

风暴和龙卷风是怎样形成的？

大气中角动量守恒带来什么？

为什么台风会带来暴风骤雨，为什么有台风眼？

为什么有积雨云就有大雨？

大气是怎样做螺旋运动的？

“杂乱无章”的大旗湍流为什么还会有对称性？

地球表面流场要遵循怎样的与拓扑关系？

天气和气候哪个记忆力好？

为什么要关注温室气体？

“全球气候变暖”的提法对吗？

全球气候变暖，极值天气多了吗？

这些问题够好玩的吧！了解了它们的答案，就会更加懂得我们的生存环境，至少更能听懂每天要听的天气预报。作为力学人，我想告诉大家，读了这本书，你能更加明白：力学的确无处不在！尽管大千世界风云变幻，天气、气候变化无常，呼风唤雨的幕后推手是力学！

有过乘坐飞机经验的朋友都知道，虽然在风和日丽的日子里，一上蓝天，就能看到“乱云飞渡”的美丽景色，时不时地还会遇到强烈的颠簸：苍天永远不太平。地球人应该感谢上苍，水、空气、阳光孕育了我们的生命，当然，也孕育了司空见惯的风风雨雨。小朋友都知道，在阳光照耀下，温度一高，水就会蒸发，所形成的水蒸气飘飘摇摇地上升，就变成形状各异的云，而天上的云就是雨雪冰雹的源泉，所以“云、雨”二字就经常联系在一起。

坐过飞机的人还知道，随着飞机上升或下降，会感到耳朵生疼，那是因为越到高空气压越低，飞机腾空而起时，耳膜会往外突出；相反，飞机降落时耳膜会往里收缩。这么一折腾，耳朵就感到不舒服了。这种气压变化，就是风的主要来源。

朋友们都知道，地球上有四季轮回、昼夜更替，这也是当年困扰屈原的问题。现在，如所周知，这是地球绕太阳公转并且自转造成的。“上苍”把地球的公转和自转安排得恰到好处，一年365天，一天24小时，井然有序。倘若你到金星上去“过日子”，那里的“一天”比“一年”长呢！地球自转带来很多效应，其中一个效应就是使得风儿不安分，老是拐弯，形成气旋和反气旋；加上空中气流的摩擦，就导致夹带着狂风骤雨的令人害怕的台风、龙卷风。

和风细雨也好，狂风骤雨也好，到底是谁召唤来的？本书的作者告诉大家：是力学，具体说来，是力学中的四种力——四员“大将”。要是这四员“大将”一起“下岗”了，大气就会一片沉寂，风雨就会无影无踪了。这样的日子一定不好过。幸好“大将”们不会“下岗”，除非到了地球末日。

呼风唤雨的第一员“大将”唤作“恢复力”。我们在中学物理学中就遇见过它。一拉弹簧，放手后弹簧就缩回去；一动钟摆，放手后摆锤就转回去；其中起作用的就是恢复力。大气中的恢复力要复杂一点。刘式达和李滇林告诉大家，大气的密度是不均匀的，气团位置稍有变化，就有两种恢复力：正恢复力，主要是重力（万有引力）；负恢复力，主要是浮力，这哥俩一较劲，展开“拉锯战”，云彩里的水滴就呆不住了，纷纷下落，这就是雨雪冰雹（形态视周围温度而定），于是乎，“天要下雨，娘要嫁人”，就由不得任何人了。

呼风唤雨的第二员“大将”唤作“气压梯度力”。如上所述，空中气压是不均匀的，常识告诉我们，压力有差别就产生力，就会导致运动，这就是所谓“压力梯度力”，在大气中就是“气压梯度力”。本书作者说，大气中这种气压差不仅垂直方向有，水平方向也会有，水平方向的气压梯度力就唤来了风，而风的强弱则取决于这种力的大小。

呼风唤雨的第三员“大将”唤作“科氏力”。它是一位法国老先生科里奥利（G. G. Coriolis，1792~1893）在1835年引进的。说他老，还真老，这位200多年前出生的力学家活了101岁。这本书告诉我们，地球由于自转，不是一个惯性系，而牛顿运动定律只在惯性系中成立。老先生的过人聪明之处在于，他引进了后人称为“科氏力”的假想力之后，就可以把地球看成惯性系了。科氏力的大小正比于速度及到原点的距离，方向与速度方向垂直。由于科氏力的“横插一杠子”，好好刮着的风就拐弯了，这就是“气旋”和“反气旋”的成因。

呼风唤雨的第四员“大将”唤作“摩擦力”。摩擦力到处存在，你若逆风而行，就会真切地感受到它的存在。这本书里说，刮风时，气压梯度力与科氏力、摩擦力平衡，也就是说，这后三员大将要打平手，这么一来，原本应为闭合的水平涡旋就变成螺旋涡旋，于是，我们就见到了龙卷风，见到了边走边转的台风，而且会使风向气旋内或气旋外吹。

这里只概述了本书前四章的内容。随着话题拓广，作者推出了精彩纷呈的描述。限于篇幅，暂且不细讲了。各位若有兴趣，可到当当网、卓越网、京东网邮购这本140页的小册子，相信你会跟着它“经风雨，见世面”。

参考资料：

1、  刘式达、李滇林，谈风说雨—大气垂直运动的力学，“大众力学丛书”之14，高等教育出版社，2013.4。

写于2013年6月10日晨

【链接】相关博文

1、科学方法漫话-1：瑰丽的科学诗篇——屈原《天问》

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2、力学科普-1：内行看门道——《奥运中的科技之光》评介

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3、力学科普-2：《拉家常说力学》一书的序言

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4、力学科普-3：《创建飞机生命的密码——力学在航空中的奇妙地位》序言

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5、力学科普-4：《涌潮随笔——一种神奇的力学现象》序言

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6、力学科普-5：为科学与艺术搭桥——《音乐中的科学》评介

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