高中地球科学/天气与大气水
如果有人在全国各地问你今天的天气怎么样，你需要考虑几个因素。气温、湿度、风速、云量和降水类型都是完整天气报告的一部分。在本章中，你将更详细地了解这些特征中的许多。
- 讨论天气和气候之间的区别。
- 描述气温与湿度之间的关系，包括露点概念。
- 列出不同云类型的基础知识以及它们表明的当前和未来天气情况。
- 解释不同类型的降水是如何形成的。
天气是指特定时间特定地点大气中的情况。天气可能冷或热，或湿或干，并且会迅速变化。温暖晴朗的一天可能迅速变成寒冷多风的一天，让你希望你带了外套。影响天气的因素很多；一些例子包括一个地区的空气温度，是否有附近的第二个气团，以及高压和低压气旋的距离。一个地方的天气取决于气温、气压、湿度、云量、降水以及风速和风向，所有这些都与系统中的能量量及其位置直接相关。这种能量的最终来源是太阳。
气候是某一地区长期天气的平均状况。某一地区的气候是稳定的，变化非常缓慢。俄勒冈州的波特兰气候温和潮湿，而阿拉斯加州的费尔班克斯气候寒冷干燥。波特兰或费尔班克斯可能在 2 月份经历温暖晴朗的一天，但这不会改变它们的气候。气候是由许多因素决定的，这些因素与该地区长期存在的能量量有关。决定能量量的因素包括太阳的角度、云量可能性、气压以及许多其他因素。
湿度是指特定地点空气中的水蒸气量。我们通常使用该术语表示相对湿度，即一定体积空气中所含的水蒸气量占其最大容量的百分比。如果今天的湿度为 80%，这并不意味着空气中 80% 的分子是水蒸气。这意味着空气中含有它在该温度下所能容纳的总水量的 80%。如果湿度上升到超过 100%，多余的水分将从空气中冷凝并形成降水。
湿度对天气影响很大，对于天气预报很重要。当湿度高时，更容易出现降水。高湿度和高温的组合会威胁人们的健康。当气温和湿度都很高时，人们会感觉更不舒服。人和一些其他动物出汗来降温；汗液蒸发时会散失热量。但如果空气已经饱和了水蒸气，汗液就不会蒸发，人也无法降温。他们只会感到又热又汗，不舒服。
美国国家气象局制定了热指数（HI）。在 HI 图表（表 16.1）上，人们可以根据已知的气温和湿度，看到体感温度。例如，如果气温为 85°F，但湿度仅为 40%，体感温度为宜人的 84°F。但如果气温为 85°F，但湿度为 90%，体感温度为非常炎热潮湿的 101°F。此信息对于对户外活动感兴趣的人很有用。高湿度会导致中暑或热射病等健康问题更快发生。
| 90% | 80% | 70% | 60% | 50% | 40% | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 80°F | 85 | 84 | 82 | 81 | 80 | 79 |
| 85°F | 101 | 96 | 92 | 90 | 86 | 84 |
| 90°F | 121 | 113 | 105 | 99 | 94 | 90 |
| 95°F | 133 | 122 | 113 | 105 | 98 | |
| 100°F | 142 | 129 | 118 | 109 | ||
| 105°F | 148 | 133 | 121 | |||
| 110°F | 135 |
由于温暖的空气比冷空气能容纳更多水蒸气，因此升高或降低温度会改变空气的相对湿度（图 16.1）。空气饱和水分的温度称为空气的露点。这个术语有意义，因为如果空气在夜间冷却并达到 100% 的湿度，水就会从空气中冷凝成露水。
有时天空中有很多云，有时你根本看不到任何云。无论哪种方式，云都会对天气产生很大影响。云以三种方式影响天气：（1）阻止太阳辐射到达地面，（2）吸收从地面重新发射的热量，以及（3）作为降水的来源。当没有云时，保温效果较差。因此，晴朗的白天可能非常热，晴朗的夜晚可能非常冷。因此，多云的日子往往比晴朗的日子温度变化范围小。
当空气达到露点时，就会形成云，即空气饱和水蒸气的温度。这可以通过两种方式发生。首先，空气温度可以保持不变，而湿度却增加。这在温暖潮湿的地方很常见。其次，湿度可以保持不变，但温度却下降。发生这种情况时，空气最终会冷却到足以达到 100% 的湿度，并形成水滴。空气在接触到冷表面或上升时会冷却。上升的空气可以形成云的三种方式：（1）它可以在地面或地面附近被加热，（2）它可以被推过山脉或山脉，或者（3）它可以被推过一块冷而稠密的空气。
大气中的水蒸气是不可见的，除非它冷凝成云。水蒸气会在尘埃、烟雾或盐晶体等核周围冷凝。这将形成一个微小的液滴。数十亿个这些水滴一起构成了一朵云。如果大气非常冷，这些水滴会冻结成冰。大多数云看起来是白色的，因为阳光会反射在水滴上。如果云很厚，水滴会散射或吸收光线，更少的太阳辐射可以穿过它们。这就是为什么暴风雨云是深黑色或灰色的。
云已被分类成多种方式。目前最常见的分类将云分为四个不同的云组，这些云组是根据其高度来确定的（图 16.2）。高云，前缀为“cirro-”，位于海拔 6,000 米（20,000 英尺）以上。中云，前缀为“alto-”，位于 2,000 至 7,000 米（6,500 至 23,000 英尺）之间。低云，其名称中包含“stratus”一词，位于 2,000 米（6,500 英尺）以下。这些组中出现的每一朵云都是分层的，它们水平生长。
| 高云: | 卷积云 (Cc) | 卷层云 (Cs) | 卷云 (Ci) |
| 中云: | 高层云 (As) | 高积云 (Ac) | |
| 低云: | 雨层云 (Ns) | 层积云 (Sc) | 层云 (St) |
| 垂直云: | 积云 (Cu) | 积雨云 (Cb) |
另一组云，前缀为“cumulo-”，描述的是垂直生长而不是水平生长的云。这些令人印象深刻的云的底部位于低空，顶部位于高空或中空。
高云形成于空气极冷且几乎无法容纳水蒸气的地方。形成的冰晶会形成稀薄、飘渺的 **卷云**（图 16.3）。卷云可能预示着暴风雨的来临。
**卷积云** 是小而白的蓬松云团，像波纹一样在空中起伏，通常排列成行。 **卷层云** 是由冰晶组成的薄而白的云层，与卷云类似（图 16.4）。卷层云有时非常薄，除非被太阳或月亮照亮，否则很难看到。
中云可能由水滴、冰晶或两者组成，具体取决于气温。 **高积云** 呈白色至灰色，像蓬松的条纹一样在天空滚动（图 16.5）。这种云经常在雷暴之前出现。 厚而宽的 **高层云** 为灰色或蓝灰色。它们经常覆盖整个天空，通常意味着一场大风暴即将来临，并带来大量降水。
低云通常包含液态水滴，但在气温非常低的情况下也可能包含冰。 **层云** 是覆盖整个天空的灰色云层（图 16.6）。这些云可能会产生持续的毛毛雨或雾，但不会带来暴雨。 **雨层云** 厚而暗。它们带来持续的雨或雪。 **积层云** 是排列成行的大而低矮的蓬松云团，可能是白色或灰色。这些云很少带来降水。
当强烈的上升气流向上流动时，云层会垂直生长。 **积云** 像白色或浅灰色的棉花，顶部高耸（图 16.7）。在晴朗的日子，积云可能会向上生长，但不会产生降水。 然而，在炎热的夏季下午，积云可能会像蘑菇一样膨胀，形状像花椰菜。 这些云可能会产生小雨。
如果垂直气流很强，积云会向上生长，直到发展成 **积雨云**（图 16.8）。高耸、阴暗、不祥的积雨云与闪电和强烈的雷暴有关。
雾是位于地面或接近地面的云。当地面附近的潮湿空气冷却到露点以下时，就会形成雾。雾的形成方式不同于云的形成方式。 有几种类型的雾，每种雾的形成方式都不同。
**辐射雾** 在夜间晴朗且相对湿度高的条件下形成。 随着地面冷却，最底层空气也随之冷却。最终，气温可能会降到露点以下。如果有一阵轻微的微风，雾就会被带到高处。 辐射雾可以长到 30 米（100 英尺）厚。 日出后一到三个小时，辐射雾会随着地面的升温而消散。 加利福尼亚州中部山谷经常出现辐射雾，被称为该地区的 tule 雾。 tule 雾非常浓，司机无法看到前面的汽车，他们的车灯只是反射在水滴层上。
加利福尼亚州旧金山以其夏季的 **平流雾** 而闻名（图 16.9）。来自太平洋上空的温暖潮湿空气吹过近海的寒冷加利福尼亚洋流。 这将向东移动的空气冷却到露点以下，从而形成雾。 平流雾是由海风带来的。 如果雾伴随着轻微的风，较厚的一层空气会冷却，雾可以长到 600 米（2,000 英尺）厚。
**蒸汽雾** 出现在秋季或初冬，会使池塘或湖泊看起来像是在冒蒸汽。 当冷空气移过仍然保持着夏季热量的湖泊时，就会形成“蒸汽”。水从湖面蒸发，并在冷却的覆盖空气中冷凝。 蒸汽雾很少很浓。
当温暖潮湿的空气沿着山坡向上移动并冷却到露点以下时，就会形成 **逆温雾**（图 16.10）。
如你所知，降水是天气中极其重要的组成部分。 降水最常见的形式是雨或雪，但也可能是雨夹雪、冰雹、露水或霜。 雨夹雪是雨和雪的混合物，通常在雪降落时部分融化时形成。 露水是在潮湿的空气接触到寒冷的表面（如地面或汽车挡风玻璃）并冷却到露点以下时形成的。 霜在类似条件下形成，但当空气冷却到冰点以下时（图 16.11）。
其他类型的降水来自云层。 当雨滴或雪滴变得足够重，足以从将它们托住云层中的上升气流中逃逸时，它们就会落下。 雨滴或雪滴最常见的生长方式发生在冷云中，冷云的温度为 -10°C（14°F）或更低（图 16.12）。 这里，水蒸气直接凝结成冰晶，随着更多水蒸气凝结在它们上面，冰晶会继续生长。 当冰晶变得足够重时，它们就会落下。 即使在落下时，冰晶也会收集更多水分。 如果气温很低，冰会以雪花的形式落到地面。 如果地面附近的气温高于 4°C（39°F），冰晶可能会融化并变成雨滴。 一百万个云滴才能合并成一个雨滴！
水也可以从暖云中降水。 这里也是如此，水滴被上升和下降的气流困住。 随着水滴在对流单元中移动，它会与其他小水滴发生碰撞。 在某个时刻，水滴会变得足够大，能够逃离对流气流，并以雨的形式落到地面。 如果气流非常强，水滴必须非常大才能落下。
如果雨滴穿过温暖的空气，但落在靠近地面的冷冻空气层中，它就会冻结成一个小而透明的冰粒，称为 **雨夹雪**。 雨夹雪通常与没有冻结的液态水滴混合在一起，这些水滴从云层中下降下来。 如果地面附近的寒冷空气层不够厚，无法让雨滴在到达地面之前冻结，雨滴可能会在地面上冻结，形成 **雨凇**。 覆盖树枝的雨凇重量会使树枝折断。
**冰雹** 在具有强烈上升气流的积雨云中形成。 落入云层的冰粒会被上升气流捕捉，并在围绕对流单元移动时不断生长。 当它最终变得太重时，它就会落到地面。 虽然冰雹通常小于 1 厘米（约半英寸），但找到直径为 5 到 10 厘米（2 到 4 英寸）的冰雹并不罕见（图 16.13）。 历史上测量的最大冰雹，直径为 14 厘米（5.5 英寸），重 766 克（27 盎司），是 1970 年在堪萨斯州科菲维尔收集的。
- 气温会导致气压差异，从而形成对流单元。
- 对流单元中上升的空气可能会冷却到足以达到露点，如果湿度足够高，就会形成云层或降水。
- 如果较暖的空气遇到较冷的地面，可能会形成云层或雾。 气温、湿度也决定了形成什么样的云层和降水。
- 这些因素在创造一个令人愉快或不舒服的日子中发挥作用，例如，天气可能是温暖干燥或闷热潮湿。
- 一份完整的的天气预报需要包含哪些因素？
- 如果亚利桑那州凤凰城在 6 月（通常天气炎热干燥）经历了一个凉爽潮湿的一天，这意味着该地区的氣候正在变化吗？
- 回顾一下显示体感温度的表格。 以下哪一天大多数人会觉得更舒适：85°F，湿度 90% 或 90°F，湿度 40%？
- 当一团空气达到露点时会发生什么？ 发生这种情况的温度是多少？
- 云层对天气有什么影响？
- 你站在一个早上晴朗，下午有雷暴的地方。 一天都没有风，所以雷暴直接在你头顶形成。 描述一下这是如何发生的。
- 空气上升形成云层的三种方式是什么？
- 云层的四种不同类型是什么？ 它们是如何分类的？
- 雨夹雪是如何形成的？ 雨凇是如何形成的？
- 什么条件必须具备才能使巨大的冰雹生长并落到地面？
- 高积云
- 呈灰色蓬松条纹状的球形云，在天空排列成行。
- 高层云
- 比卷层云更厚的云；像灰色的面纱，可能会完全遮住太阳或月亮。
- 卷积云
- 高空云层，小而白，呈蓬松状，排列成组或行。
- 卷层云
- 薄而白色的面纱状云层，会在太阳或月亮周围形成光环，但不会模糊其轮廓。
- 卷云
- 高空飘渺的云层，由冰晶组成。
- 云
- 大气中聚集在一起的微小的水或冰粒子。
- 积雨云
- 高耸、黑暗的云层，会产生雷暴。
- 露点
- 空气中饱和水蒸气的温度，或空气达到 100% 湿度的温度。
- 雨凇
- 当雨夹雪或毛毛雨降落在寒冷的表面时形成的一层光滑透明的冰。
- 冰雹
- 仅在积雨云中形成的冰块或冰雪混合物。
- 体感温度
- 一个将温度和湿度影响结合在一起的测量值；体感温度更准确地描述了实际感觉到的天气状况。
- 湿度
- 空气中水蒸气的含量，有时与相对湿度同义使用。
- 雨层云
- 厚厚的、黑暗的、连续的、低层云，带来持续的降雨或降雪。
- 辐射雾
- 在寒冷无风的夜晚，热量辐射导致形成的雾。
- 相对湿度
- 空气中水蒸气的含量相对于该温度下空气所能容纳的最大水蒸气含量。
- 雨夹雪
- 部分冻结的雨或部分融化的雪和冰。
- 高积云
- 柔软、球状、低层云，成群或成行排列，很少带来降水。
- 层云
- 连续的低层云，可能产生毛毛雨，但不会产生大雨。
- 地形雾
- 由风吹过斜坡并冷却形成的雾。
需要考虑的因素
[edit | edit source]- 在思考天气时，你会认为周围空气中的哪些因素很重要？
- 气温、湿度和气压差异如何形成不同类型的天气？
- 想想本课中描述的天气类型。想象一下你从未体验过的天气类型，看看照片，问问住在其他地方的朋友和亲戚他们的天气情况。