高中地球科学/天气预报

天气预报比以往任何时候都更准确。根据世界气象组织（WMO）的数据，如今的 5 天天气预报与 20 年前的 2 天天气预报一样可靠！这是因为气象学家现在使用先进技术收集天气数据，以及世界上功能最强大的计算机。数据和计算机共同构建了复杂模型，更准确地反映了大气状况。这些模型可以编程以预测大气和天气将如何变化。尽管取得了这些进展，但天气预报仍然经常不准确。天气非常难以预测，因为它是一个非常复杂和混乱的系统。

课程目标

列出气象学家用来收集天气数据的一些仪器。
描述这些仪器是如何被用来从许多地理位置和许多海拔高度收集天气数据的。
讨论卫星和计算机在现代天气预报中的作用。
描述气象学家如何制定准确的天气预报。

收集天气数据

要进行天气预报，必须了解该地点及其周围地区的大气状况。必须测量温度、气压和大气中的其他特性，并收集数据。温度计测量温度。一种方法是使用对温度敏感的材料（例如水银），将其放置在长而窄的管子中，管子有一个灯泡。当温度升高时，水银膨胀，导致它在管子中上升。低温导致水银收缩，使水银在管子中的液面下降。温度计外侧的刻度与气温相对应。

由于水银有毒，大多数气象温度计不再使用灯泡中的水银。测量温度的方法有很多。一些数字温度计使用由两种金属制成的螺旋线圈，每种金属的导热方式不同。随着温度升高和降低，线圈展开或卷得更紧。其他现代温度计测量红外辐射或电阻。现代温度计通常会生成数字数据，可以直接输入计算机。

气象学家使用气压计来测量气压（图 16.38）。气压计可能含有水、空气或水银。与温度计一样，气压计现在大多是数字化的。气压测量值经过校正，以使数字显示为气压计位于海平面时的数值。这意味着只测量气压，而不是测量海拔对气压的影响。

气压变化表明天气即将发生变化。如果气压升高，则高压系统即将到来，预计将出现晴朗的天空。如果气压下降，则低压系统即将到来，可能会带来风暴云。较大区域的气压数据可用于识别气压系统、锋面和其他天气系统。

其他仪器测量大气中的不同特性。下面列出了一些这些仪器及其测量的指标。

风速计：风速
湿度计：湿度
风向标：风向
雨量计：一段时间内的液态降水量
雪量计：一段时间内的固态降水量

这些仪器被放置在不同的位置，以便它们可以检查该位置的大气特性。气象站分布在陆地、海洋表面和环绕地球的轨道上（图 16.39）。根据 WMO 的数据，天气信息来自 15 颗卫星、100 个固定浮标、600 个漂流浮标、3,000 架飞机、7,300 艘船和大约 10,000 个陆地站。

仪器也被送入充氦气或氢气的气象气球中。当气球升入高层大气时，气球中的气体膨胀，直到气球破裂。气球破裂的具体高度取决于气球的直径和厚度，但通常约为 40 公里（25 英里）。飞行时间通常约为 90 分钟。气象气球旨在只使用一次，它们携带的设备通常不会被回收。

**图 16.40**：带有无线电探空仪的气象气球。无线电探空仪是底部部分，降落伞在它上面，用于将其带到地面。

气象气球包含无线电探空仪，用于测量大气特性，例如温度、气压和湿度（图 16.40）。飞行中的无线电探空仪可以被追踪，以获得风速和风向。无线电探空仪使用无线电将它们收集的数据传送到计算机。

无线电探空仪每天两次（世界协调时 0000 和 1200；世界协调时与格林威治标准时间相同，即英国格林威治城市的时间）从全球大约 800 个站点发射，以提供穿过大气的剖面。在需要进行特殊项目时，会进行特殊发射。无线电探空仪可以从气球或飞机上释放，以便在坠落时进行测量。例如，这样做是为了监测风暴，因为风暴对飞机来说是危险的飞行区域。

天气信息也可以来自遥感，特别是雷达和卫星（图 16.41）。雷达代表无线电检测和测距。在雷达中，发射器发出无线电波。无线电波从最近的物体反弹回来，然后返回接收器。天气雷达可以感知降水的许多特性：其位置、运动、强度以及未来降水的可能性。大多数天气雷达是多普勒雷达，它还可以追踪降水的速度。雷达可以描绘出风暴的结构，并据此估计其产生恶劣天气的可能性。

气象卫星自 1952 年发射第一颗气象卫星以来，已成为越来越重要的天气数据来源。气象卫星是监测大型系统（如风暴）的最佳方式。卫星还可以监测火山喷发的灰烬扩散、火灾产生的烟雾以及污染。它们能够记录长期变化，例如北冰洋每年 9 月的海冰量。

气象卫星可以观察电磁频谱中所有波长的所有能量。最重要的是可见光和红外（热量）频率。可见光图像记录我们看到的图像，包括风暴、云层、火灾和雾霾。红外图像测量热量。这些图像可以记录云层、水和陆地温度以及海洋特征，例如洋流。厄尔尼诺等天气模式在赤道太平洋的红外图像中得到监测。

两种类型的气象卫星是地球静止轨道卫星和极地轨道卫星（图 16.42）。地球静止轨道卫星以与地球自转相同的速度绕地球运行；因此，它们以约 36,000 公里（22,000 英里）的高度固定在赤道上空的一个位置。这使得它们能够持续监测其所在的半球。一颗地球静止轨道卫星被定位以监测美国，将能够持续观察美国本土以及太平洋和大西洋，寻找飓风和其他潜在的危害。

极地轨道卫星在较低的大气层中运行，高度约为 850 公里（530 英里）。它们不是静止的，而是不断地绕极地运行，每天大约在同一时间经过同一点两次。由于这些卫星高度较低，因此它们可以更详细地观察地球。

预测方法

有许多方法可以创建预测，有些方法很简单，有些方法很复杂。有些方法只使用当前的本地观测结果，而另一些方法则处理来自许多不同时间地点的大量数据。下面讨论了一些预测方法。

也许最简单的天气预报方法是“持续性”方法。在这种方法中，我们假设明天的天气会像今天一样。如果一个地区处于静止的气团之下，或者天气每天都保持一致，那么持续性方法效果很好。例如，南加州的夏季通常都是温暖晴朗的，因此这是一个相当安全的预测。持续性方法也可以用于长期预测，在这些预测中，一个温暖干燥的月份可能会导致另一个温暖干燥的月份，就像南加州的夏季一样。

“气候学”方法假设某一天的天气状况与往年同一天相同。这种方法往往不太准确。例如，优胜美地国家公园的某年元旦可能下雪，而下一年的元旦则可能是阳光明媚，气温相对温暖。使用“趋势”方法时，预报员会查看其位置上风方向的天气状况。如果冷锋正以一定的速度向其位置移动，他们会计算出冷锋到达的时间。当然，冷锋可能会减速、加速或改变方向，导致它延迟到达、提前到达、加强或减弱，甚至根本不会到达。当预报员发现某种天气模式时，他们会使用“类比”方法。就像类比将两个相似的事物进行比较一样，如果上周某种大气环流模式导致了某种类型的天气，预报员就会假设本周相同的模式将导致相同的天气。模式可能存在很多变化，并且变化经常发生，因此这种方法也不完全准确。

数值天气预报

最准确的天气预报是由先进的计算机做出的，经验丰富的预报员会对其进行分析和解读。这些计算机拥有最新的数学模型，可以利用比科学家使用地图和计算器所能处理的更多的数据，进行更多计算。气象学家可以使用这些结果提供更准确的天气预报和气候预测。

在数值天气预报（NWP）中，来自多个来源的大气数据被输入到运行复杂数学模型的超级计算机中。这些模型随后会计算在不同高度的网格状等距位置上，随着时间推移将发生什么情况。网格点之间的距离通常在 10 到 200 公里之间。使用模型计算的结果，程序会将天气预测到更远的未来。然后，它会使用这些结果将天气预测到更远的未来，以此类推，直到气象学家想要预测的距离。最终的预报被称为 **预报图** 或 **预报**。

某些类型的预报在预测特定类型的天气方面更有效，经验丰富的预报员知道应该使用哪种预报来预测不同类型的天气。除了预报外，科学家还会使用上面提到的其他预报方法。由于有大量数据可用，气象学家会使用计算机系统进行数据处理、存储、显示和通信。一旦做出预报，就会通过卫星传播到全球 1000 多个地点。

NWP 生成最准确的天气预报，但正如大家所知，即使是最优秀的预报也不总是准确的。以下列出了造成这种情况的一些原因。

最初输入程序的数据不足。这种情况最有可能发生在海洋附近或偏远地区。
计算机程序对大气运行方式做出了一些假设，这些假设可能并不总是正确的。
这些程序只处理局部天气，这意味着研究区域边缘可能会出现误差。全球模型会更加准确，但要制作一个全球模型需要进行难以置信数量的计算。
天气系统可能太小，无法显示在网格上。如果一个系统很小，例如雷暴，它就不会被建模。如果网格点之间的距离缩小，则需要更多计算，因此需要更强大的计算机。
条件可能总是会不可预测地发生变化。天气是一个混沌系统，总会出现一些小而不可预测的事情。模型试图预测的时间越远，就会出现更多不可预测的事情来改变预报。

天气图

**天气图** 简单直观地描绘了大气中的气象条件。天气图可能只显示大气的一个特征，也可能显示多个特征。它们可以显示来自计算机模型或人工观测的信息。天气图出现在报纸、电视和互联网上。

在一个天气图上，每个气象站都会标注重要的气象条件。这些条件可能包括气温、当前天气状况、露点、云量、海平面气压以及风速和风向。在天气图上，气象学家会使用许多不同的符号。这些符号为他们在图上快速轻松地添加信息提供了一种简便的方法。图 16.43 展示了其中一些符号，图 16.44 解释了它们的含义。

雨
小雨	中雨	大雨	小雨阵雨	中雨阵雨	雷暴	大雨雷雨
毛毛雨			冻雨		雨夹雪
小雨	中雨	大雨	小雨	中雨	小雨	中雨
雪
小雨	中雨	大雨	小雨阵雨	中雨阵雨	冰雪针	冰雪丸
雾				尘埃
霾	薄雾	局部	连续	小雨	大雨	雷雨 & 尘埃
图 16.44：可以使用天气符号表示的不同类型的天气。

一旦标注完条件，就可以连接具有相同值的点。这就像地形图上的等高线一样，将所有位于一定高度的点连接起来。

天气图可以有多种类型的连接线。例如

等温线是指连接具有相同气温的点的线。等温线显示了温度梯度，可以指示锋面的位置。0°C（32°F）等温线将显示降雨可能让位于降雪的地方。
**等压线** 是连接海平面处平均气压相同的点的线。封闭的等压线表示高压和低压气压系统的区域。高压系统用 **H** 表示，低压系统用 **L** 表示。通常，一条粗的棕色虚线会被放在一个长低压槽的内部。
**等风速线** 是连接风速相同的点的线。当风速最小值出现在高层大气中时，可能会形成热带气旋。最高风速可以用来确定急流的位置。

地面天气分析图是只显示地面条件的天气图（图 16.45）。这些地图显示了海平面平均气压、温度和云量。这些信息将揭示高压和低压气压系统等特征。

天气图还可以描绘高空的气象条件。航空图显示了高层大气中的气象条件，尤其是对飞行员有用的气象条件。这些条件包括当前天气、云量以及可能形成冰的区域。

课程总结

天气预报比以往任何时候都更加准确。无线电探空仪和气象气球等较老的仪器和数据收集方法仍在使用。
如今，这些技术与卫星和计算机相结合，产生了更加详细和准确的预报。
尽管如此，预报往往是错误的，特别是那些预测未来几天天气的预报。
气象学家正在努力改进提前一到两周预测潜在危险天气的预报。

复习题

您预计在气象站会发现哪些类型的仪器，这些仪器测量什么？
温度计是如何工作的？
单个气象站的气压计如何用来预测即将到来的风暴？
为什么气象气球对天气预报很重要？它们提供了哪些其他方式无法获得的信息？
雷达是如何工作的，它在天气预报中有什么价值？
监测可能在美国造成问题的气旋时，最好使用哪种类型的天气卫星，为什么？
假设您的老师让您预测明天的天气情况。您可以到外面去，但不能使用电视或电脑。您将使用什么方法？
假设您需要预测明天的天气，您只能使用电话，而不能使用其他电子设备。您会给谁打电话，会使用什么方法？
好的，现在您需要预测明天的天气，您可以使用电子设备，但不能查看天气预报。也就是说，您可以查看天气图和雷达图像等信息，但不能查看气象学家的解释。现在您使用什么方法？
预报没有降雨，但现在正在下雨。NWP 天气预报是如何错过这场降雨的？
为什么说天气是一个混沌系统？这对预测天气有什么影响？

词汇

气压计: 测量大气压力的仪器。
等压线: 连接气压相同的点的线。
等风速线: 连接风速相同的点的线。
等温线: 连接气温相同的点的线。
预报图（预报）: 一张显示未来某个时间大气状态的图。
雷达: 无线电探测和测距设备，发射无线电波并在无线电波反弹到最近的表面后接收这些无线电波。这会创建风暴和其他附近物体的图像。
无线电探空仪: 一组测量大气特征（温度、气压、湿度等）的仪器，这些仪器随气流移动。
天气图: 一张显示特定时间大范围区域天气状况的地图，它收集来自多个地点的数据。
气象卫星: 人类制造的绕地球运行的物体，可以感知电磁波，主要是在可见光和红外光谱中。
温度计收集某个区域的热量。

需要考虑的点

在如此先进的技术可用的情况下，气象学家在创建准确的天气预报中扮演什么角色？
在如此先进的技术可用的情况下，为什么天气预报经常出错？
你认为气象学家需要哪些进步才能在重大天气事件发生前一到两周创建准确的天气预报？

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