大气与天气模式

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科普驿站  第四十六期

主题：大气与天气模式

科目：气象

难度：B1

时间：2020.2.2 

讲师：水镜

在正式开讲之前呢，照例要先来一个“问题”（其实是废话）：诸位是否对天气与气候的定义熟悉？是否对天气模式熟悉呢？好了，废话结束，我们正式开讲。

众所周知，我们地球是被大气给包裹的（废话，要不我们还能在这里听你扯淡）。在地球运动与太阳能量的共同作用下，大气产生多种多样的天气状况，这些天气状况的规律运动，进而构成了全球气候的基本格局。尽管天气与气候是两码事儿，但天气与气候又有不少共同之处。天气是不断变化着的，有时变化按小时计，有时则以天计。天气是指在给定的时间区间与地点下，大气的状态，是一个瞬时状态。天气变化的持续性使得我们可以大致了解其变化的规律，这样的天气状态规律我们称之为气候。气候是根据多年的观察数据的积累得到的，气候就相当于“平均天气”，但又不完全准确，要更准确的描述某地区的气候，需要将变量和极端情况考虑在内（比如暴雨，暴风雪，沙尘暴，寒潮等等）。就以农民为例，农民的生产生活离不开对天气的预测，他们不但需要知道农作物生长季的平均降水量，而且还需要了解发生旱灾与洪灾的概率。

由此看来，气候是某地区所有的天气统计数据的总和。

而对于天气和气候的自然特征可用相同的基本要素是：1.气温 2.湿度 3.云的种类和云量 4.降水类型和降雨量 5.气压 6.风速与风向。这些基本要素是影响天气模式和气候类型的主要变量。尽管我们会先分别了解这些不同的基本要素，但要记住它们是紧密相关的。其中某个要素的变化通常会导致其它要素也会发生变化，这也就是地球环境的整体性，或者说是“蝴蝶效应”。“蝴蝶效应”最早其实是个气象学名词，意思是很小的一个扰动，就有可能引起整个天气系统的变化，比如说“厄尔尼诺”现象和“拉尼娜”现象。

而说到天气系统的变化，就必须要说它的原因：大气变化。至于大气的组成成分，这个大家都懂，我在此不作讲述，我只简单讲一下大气中变化程度较大的几种成分。大气中变化比较大的是水蒸气，灰尘和臭氧，至于二氧化碳，则不在我们的考虑范围之内。先讲一下水蒸气，湿度是指空气中水蒸气的相对含量，通常湿度越大，云和降水也就越多，它的波动来源于水的三种形态间的变化。而水的形态变化会吸热放热，这种热在气象学上称为潜伏热。在大气运动下，水蒸气会携带大量潜伏热从一个地区到另一个地区，这种潜伏热则是形成暴风雨的动力（比如台风）。其次是灰尘，关于这个，其实不用讲多少，灰尘能够影响天气的都是些极端情况，如沙尘暴和火山灰喷发。最后是臭氧，它主要集中在离地面10~50千米高的平流层内。在这个高度上，臭氧吸收大量的紫外线，而有些地方的臭氧层波动比较大，太阳辐射的波动就会比较大，所以天气波动也会大（例如青藏高原和南极）。

下面我要讲一下云的形成与一般的降水。当空气中的水汽充足时或空气冷却到其露点温度时，会发生凝结。水汽凝结会形成雾、露水或云，地面的热量会直接与近地面空气和高空空气交换。比如说夜晚草地上会凝结出露珠，地面上则会出现薄雾，原因是日落后地面失去热量，地面冷却导致的水汽凝结。然而，云往往是在一天中最热的时候形成，为什么呢？我在这里只简单解释一下，详细解释太过于复杂。大家都知道空气受热会上升的原理，这里我引入两个概念：“绝热率”与“干绝热率”，“绝热率”就是指的包裹试样前后保存热体恒温所需的热量的比值，干绝热率就是不饱和空气的绝热率。绝热率指的是一般的理想化空气，而干绝热率指的是一种相对不饱和的空气，是一种特殊情况。空气在上升凝结成云后继续上升冷凝，将释放出潜伏热而降低冷却率。有水汽凝结时，空气上升所引起的降温将比没有水汽凝结时要缓慢，因为水汽凝结放出热量，相当于延缓了空气的降温，所以湿绝热直减率总是小于干绝热直减率。所以一天之内，形成云之后的空气很难再形成云了，而在形成云之前，气温上的加热率太低，空气饱和度不足以形成云，只有在一天中最热的时候，可以达到平衡状态，从而产生云。有了云，再加上一些花里胡哨的冷却过程，降水就出现了，我在这里不作过多讲述，只讲一个特例。在炎热的夏季，地面的不均匀加热可能会造成某些气团的温度比周围空气高，这些上升的暖气团被称为热气流。这种现象也被叫做局地对流抬升。当这些热气流上升到抬升凝结高度时，会形成云，并可能导致午后阵雨，并且由于抬升的高度有限，降水量会比较分散，且降水时间短，于是这种现象也被称为太阳雨。

说到这儿我要简单补充一下云的分类，云的分类基于两大准则：形态和高度。基本的云型有三种：1.卷云（高、白且薄，通常呈羽毛状的块状） 2.积云（球状云团，外形通常是棉花状） 3.层云（以被单状的形式呈现，通常云团面积很大，可以覆盖大部分的天空）。而根据高度，可将云分为三个层次：高云，中云，低云。还有种云不能按高度来分类，即直展云。因为它是贯穿多个层次的云，积云就是最常见的直展云。当大气不稳定时，积云的高度会急剧上升，当这种积云持续发展，顶部进入中云高度后，就称其为浓积云，若其继续发展，出现了降水，就称其为积雨云。至于雪和冰雹这种，是冷积雨云所凝结的，我就不作讲述了，而更大规模的天气状况，如台风，季风锋面这样的天气模式，是由大规模的气团所决定的。气团受水平气压梯度力的作用，携带大量水汽运动，而气团的发源地大都来自于海洋（存在湖泊气团）。大规模降水大部分都与气团相关，例如我国东部的季风区，两种气团对撞形成了锋面。由于相关知识过多，我对此不做过多讲述，也只讲一个特例：锢囚锋。这锢囚锋很是奇特，它是在冷气团势力远远强过暖气团的情况下，将暖气团完全顶起，与其平行运动，这时的降水范围非常之大，可以覆盖半个中国。至于更加极端的天气，我在此不作讲述。

我的科普（胡扯）就到这里，谢谢大家！

参 考 文 献

［1］J.T.Houghton，1981，The Physics of Atmospheres，NO.1，5-7，13

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