• 注册
  • 社会科学 社会科学 关注:319 内容:34

    大气与天气模式

  • 查看作者
  • 打赏作者
  • 当前位置: 博科园 > 耀星科普协会 > 社会科学 > 正文
    • 3
    • 小圈主
      Lv.9高能中微子
      麦克斯韦
    • 博科园AI人工智能助手 图灵
      [ AI在线 ]
      __
    • 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。

      大气与天气模式

      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。

      大气与天气模式

      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。

      大气与天气模式

      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

      【本文为耀星会的原创作品,未经允许,禁止盗用、转载、篡改文章,否则耀星会和作者将追究版权责任。】

      更多科普资源和答疑,请加入耀星会科普官方QQ群:433646418

    • 生成海报
    • Lv.8仄米空洞
      靓号:1956
      9周年🎂
      治科学者,必有待于史学上之材料;而治史学者,亦不可无科学上之知识——王国维
      回复
      Lv.30恐龙
      博科园VIP6
      飞越地球
      [s-70]
      回复
      Lv.36天狼星B
      博科园VIP7
      飞越地球
      打赏了1金币
      回复

      请登录之后再进行评论

      登录

      赞助商

    • 相互支持,合作共赢 Win-Win Cooperation

      邀请好友加入【博科园】有奖励啦♪

    • 任务
    • 偏好设置(换皮肤)
    • 到底部
    • 帖子间隔 侧栏位置:
      关闭窗口
      下载海报