天气学(一)
I 传统“天气”的物理定义
传统“天气”的物理定义是:瞬时或较短时间内风、云、降水、温度、气压 等气象要素综合显示的大气状态。日常所讲的天气,是指发生在对流层内、影响人类生活、 生产的中性大气物理图象和物理状态,例如阴、晴、雨、雪、冷、暖、干、湿等。
II 世界时·原子时·闰秒
长期以来,世界各国都以英国格林尼治天文台的时间作为通用的标准时间。人们把这种时间称为“格林尼治时间”,或叫世界时。这种以地球自转为基础的时标,把一个“平太阳日”均分成86400份,每一份算作1天文秒(或叫1平太阳秒)。由于地球不是一个以固定的速度运转的刚性实体,大气层、海洋和液态内核都有相对于地球整体的“独立运动”,这些运动造成的摩擦力,会干扰地球自转速度的均匀,使之偶尔呈现“变速”现象。这样,平太阳秒对于要求精密计量的领域(如火箭、卫星、导弹的发射工作和航天器的对接工作等),就远远满足不了需要。
1956年,科学家们利用物质的分子和原子内部的某种有规律的运动,制成了新型的计时仪器——原子钟。其中以铯原子钟的准确度最高,它的稳定性要比前面提到的天文秒高10万倍以上。
“原子时”由于计时精确,所以,在无线电、原子技术及空间技术方面都被广泛采用。
原子时与由天文秒组成的世界时之间还是存在着一定的时间差值,不便于在天文预测、航海和航空领域使用;同时,人们的日常起居作息也只与世界时有关。因此,为协调各方面的关系,1972年,国际计量大会同时决定对世界时的时刻作一些调整,以分别满足不同层次的需求。
方法是:当世界时与原子时之间时刻相差将要超过0.9秒时,就在世界时的时序上加上或减去1秒(称为闰秒或跳秒)。具体工作由国际时间局确定下来以后,在“闰”、“跳”之前两个月通知各国,届时由全球各地的天文台同步发布(我国由上海天文台负责)。
设在巴黎的国际计量局及国际地球自转研究中心(BIH)在今年元旦进行“闰秒”(加1秒),以协调原子时与世界时之间的时间差值。这次闰秒是自1972年以来的第23次。以前已先后“闰过”22次,增加了22个闰秒。如1972年、1980年、1983年、1985年、1987年、1993年、1997年、1998年……
本次闰秒的具体时间定于国际时间2005年12月31日最后一分钟的末尾进行,换成“北京时间”(东八区区时),是在2006年1月1日(元旦)上午7点59分以后的这一分钟末尾加上1秒——变成61秒。
III 天气图
天气图是将特定地区某段时间的气象要素表现在地图上,能够帮助阅读者掌握天气状况。
天气图的创始者包括威廉·瑞德菲尔(William Redfield)、威廉·瑞德(William Reid)、艾力亚斯·卢米斯(Elias Loomis)、以及法兰西斯·高顿(Francis Galton),他们为了研究出一套关于暴风系统的理论,而制作出了第一张天气图。
天气图是测量或追踪各种相关数值,例如气压、温度、云量等,再将之描绘在地图上。天气图上通常会标注各种记号,以代表云量、降水,或其他重要资讯。举例来说,一个“H”符号代表高气压,将能够判定当地应该会有稳定的天气。而一个“L”记号则代表了低气压,通常会带来降水与不稳定的天气。此外,航空所用的天气图经常会包含湍流和大气结冰的记号。
美国国家海洋和大气管理局发布的一张美国天气图(2006年10月21日)
IV 气旋模式
气旋是是指北(南)半球,大气中水平气流呈逆(顺)时针旋转的大型涡旋。气旋通常按气旋形成和活动的主要地区或热力结构进行分类。按地区可分为温带气旋、热带气旋和极地气旋性涡旋等;按热力结构可分为冷性气旋和热低压等。分类标准不同,气旋种类也不一样。
大气中存在着各种大小不一的涡旋,有类似江河里的涡旋运动,它们有的逆时针旋转,有的顺时针旋转,其中大型的水平涡旋,我们分别称为气旋和反气旋,即低压和高压。
气旋在北半球,空气是反时针方向运动,在南半球旋转方向则相反。中心气压最低,逐渐向外递增,空气不断流入中心,形成上升气流,也称低气压。它的直径小的有几十公里,大的有几千公里。有气旋影响时,常常容易出现阴雨、大风天气等。气旋的中心地带以上升气流为主,所以多云雨天气,而四周通常是容易干燥晴朗的下沉气流,我们所熟悉的台风就是如此。
反气旋是占有三维空间的大尺度的空气涡旋。在北半球,反气旋区气流自中心向外作顺时针方向旋转,南半球作逆时针方向旋转。在天气图中,反气旋是等压线呈闭合、气压值自中心向外递减的高压区,所以又叫高压。反气旋的近地面气流在水平方向由中心向四周辐射,垂直方向的空气自上而下补充。空气在下沉过程中温度升高,水汽不易凝结。反气旋控制下的无风天气和明显的逆温层现象,也不利于大气中污染物扩散。
我国常见的气旋类型有东北气旋、锋面气旋、冷涡、东北冷涡、西南低涡等。东北气旋又称东北低压,活动于我国东北地区,是影响我国天气的重要天气系统之一;锋面气旋产生于温带极锋发展中的波动上强烈斜压性气旋;冷涡是冷性低涡的简称,即中心冷于四周的涡,其强度随高度的增加而增强;东北冷涡主要活动在我国东北地区或其附近的高空,它是能够维持3-4天或更长时间的深厚天气系统;西南低涡是我国西南地区低压涡旋系统。
气旋对天气系统的影响极大,我们生产生活中的“风雨”往往都与它有关。