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第13章 地球的万千气象(1)

风是什么

风常指空气的水平运动分量,包括方向和大小,即风向和风速。但对于飞行来说,还包括垂直运动分量,即所谓垂直或升降气流。阵风(又称突风)则是在短时间内风速发生剧烈变化的风。气象上的风向是指风的来向,航行上的风向是指风的去向。在气象服务中,常用风力等级来表示风速的大小。

英国人F.蒲福于1805年所拟定的“蒲福风级”将风力分为13个等级(0~12级)。自1946年,风力等级又增加到18个(0~17级)。

风和阵风对飞机飞行影响很大。起飞和着陆时必须根据地面的风向和风速选择适宜的起飞、着陆方向;飞行中必须依据空中风向和风速及时修正偏流,以保持一定的航向和计算出标准的飞行时间;修建机场时,必须根据风的气候资料确定跑道方位。另外,风对飞机飞行性能也有明显影响,例如逆风飞行时,飞机升力将会增加。阵风则对飞机飞行载荷产生显着的影响,在飞行器的设计中需要给出描述阵风的模型和强度标准。

风的单位和测量

相对于地表面的空气运动,通常指它的水平分量,以风向、风速或风力表示。风向指气流的来向,常按16方位记录。风速是空气在单位时间内移动的水平距离,以米/秒为单位。大气中水平风速一般为1.0~10米/秒,台风、龙卷风有时达到102米/秒。而农田中的风速可以小于0.1米/秒。风速的观测资料有瞬时值和平均值两种,一般使用平均值。风的测量多用电接风向风速计、轻便风速表、达因式风向风速计,以及用于测量农田中微风的热球微风仪等仪器进行;也可根据地面物体征象按风力等级表估计。

形成风的原因

形成风的直接原因,是气压在水平方向分布的不均匀。风受大气环流、地形、水域等不同因素的综合影响,表现形式多种多样,如季风、地方性的海陆风、山谷风、焚风等。简单地说,风是空气分子的运动。要理解风的成因,先要弄清两个关键的概念:空气和气压。空气的构成包括氮分子(占空气总体积的78%)、氧分子(约占21%)、水蒸气和其他微量成分。所有空气分子都以很快的速度移动着,彼此之间迅速碰撞,并和地平线上任何物体发生碰撞。

气压可以定义为:在一个给定区域内,空气分子在该区域施加的压力大小。一般而言,在某个区域空气分子存在越多,这个区域的气压就越大。相应来说,风是气压梯度力作用的结果。

而气压的变化,有些是风暴引起的,有些是地表受热不均引起的,有些是在一定的水平区域上,大气分子被迫从气压相对较高的地带流向低气压地带引起的。

大部分显示在气象图上的高压带和低压带,只是形成了伴随我们的温和的微风。而产生微风所需的气压差仅占大气压力本身的1%,许多区域范围内都会发生这种气压变化。相对而言,强风暴的形成源于更大、更集中的气压区域的变化。

风对人类活动的影响

风是农业生产的环境因子之一。适度的风速对改善农田环境条件起着重要作用。近地层热量交换、农田蒸散和空气中的二氧化碳、氧气等输送过程随着风速的增大而加快或加强。风可传播植物花粉、种子,帮助植物授粉和繁殖。

风能是分布广泛、用之不竭的能源。中国盛行季风,对作物生长有利。在内蒙古高原、东北高原、东南沿海以及内陆高山,都具有丰富的风能资源可作为能源开发利用。

风对农业也会产生消极作用。它能传播病原体,蔓延植物病害。高空风是黏虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟、飞蝗等害虫长距离迁飞的气象条件。大风使叶片机械擦伤、作物倒伏、树木断折、落花落果而影响产量。大风还造成土壤风蚀、沙丘移动,而毁坏农田。在干旱地区盲目垦荒,风将导致土地沙漠化。牧区的大风和暴风雪可吹散畜群,加重冻害。地方性风的某些特殊性质,也常造成风害。由海上吹来含盐分较多的海潮风,高温低温的焚风和干热风,都严重影响果树的开花、坐果和谷类作物的灌浆。防御风害,多采用培育矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗风品种。营造防风林,设置风障等更是有效的防风方法。

风能

空气流动所形成的动能称为风能。风能是太阳能的一种转化形式。

太阳的辐射造成地球表面受热不均,引起大气层中压力分布不均,空气沿水平方向运动即形成风。风的形成乃是空气流动的结果。风能的形成主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。

在赤道和低纬度地区,太阳高度角大,日照时间长,太阳辐射强度强,地面和大气接受的热量多、温度较高;在高纬度地区,太阳高度角小,日照时间短,地面和大气接受的热量小,温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异,形成了南北之间的气压梯度,使空气作水平运动,风应沿水平气压梯度方向吹,即垂直与等压线从高压向低压吹。地球在自转,使空气水平运动发生偏向的力,称为地转偏向力,这种力使北半球气流向右偏转,南半球向右偏转,所以地球大气运动除受气压梯度力外,还要受地转偏向力的影响。大气真实运动是这两个力综合影响的结果。

实际上,地面风不仅受这两个力的支配,而且在很大程度上受海洋、地形的影响。山隘和海峡能改变气流运动的方向,还能使风速增大,而丘陵、山地却摩擦大使风速减少,孤立山峰却因海拔高使风速增大。因此,风向和风速的时空分布较为复杂。

再有,海陆差异对气流运动的影响:在冬季,大陆比海洋冷,大陆气压比海洋高,风从大陆吹向海洋;夏季相反,大陆比海洋热,风从海洋吹向内陆。这种随季节转换的风,我们称为季风。

所谓的海陆风也是白昼时,大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋,到海洋上空冷却下沉,在近地层海洋上的气流吹向大陆,补偿大陆的上升气流,低层风从海洋吹向大陆称为海风;夜间(冬季),情况相反,低层风从大陆吹向海洋,称为陆风。在山区由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡,夜间由平原或山坡吹向谷地,前者称谷风,后者称为山风。这是由于白天山坡受热快,山坡温度高于山谷上方同高度的空气温度,坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方,谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气,这时由山谷吹向山坡的风,称为谷风。夜间,山坡因辐射冷却,其降温速度比同高度的空气较快,冷空气沿坡地向下流入山谷,称为山风。

当太阳辐射能穿越地球大气层时,大气层约吸收2伊10﹣16瓦的能量,其中一小部分转变成空气的动能。因为热带比极带吸收较多的太阳辐射能,产生大气压力差导致空气流动而产生“风”。至于局部地区,例如,在高山和深谷,在白天,高山顶上空气受到阳光加热而上升,深谷中冷空气取而代之,因此,风由深谷吹向高山;夜晚,高山上空气散热较快,于是风由高山吹向深谷。另一例子,如在沿海地区,白天由于陆地与海洋的温度差,而形成海风吹向陆地;反之,晚上陆风吹向海上。

云是什么

漂浮在天空中的云彩是由许多细小的水滴或冰晶组成的,有的是由小水滴或小冰晶混合在一起组成的。有时也包含一些较大的雨滴及冰、雪粒,云的底部不接触地面,并有一定厚度。

云主要是由水汽凝固造成的。

从地面向上十几千米这层大气中,越靠近地面,温度越高,空气也越稠密;越往高空,温度越低,空气也越稀薄。

另一方面,江河湖海的水面,以及土壤和动、植物的水分,随时蒸发到空中变成水汽。水汽进入大气后,成云致雨,或凝聚为霜露,然后又返回地面,渗入土壤或流入江河湖海。以后又再蒸发(汽化),再凝结(凝华)下降。周而复始,循环不已。

水汽从蒸发表面进入低层大气后,这里的温度高,所容纳的水汽较多,如果这些湿热的空气被抬升,温度就会逐渐降低,到了一定高度,空气中的水汽就会达到饱和。如果空气继续被抬升,就会有多余的水汽析出。如果那里的温度高于0益,则多余的水汽就凝结成小水滴;如果温度低于0益,则多余的水汽就凝化为小冰晶。在这些小水滴和小冰晶逐渐增多并达到人眼能辨认的程度时,就是云了。

不同类别的云

按照云的成因分类

云形成于潮湿空气上升并遇冷时的区域。主要分为:

锋面云——锋面上暖气团抬升成云。

地形云——当空气沿着正地形上升时。

平流云——当气团经过一个较冷的下垫面时,例如一个冷的水体。

对流云——因为空气对流运动而产生的云。

气旋云——因为气旋中心气流上升而产生的云。

按照云的形态分类

简单来说,云主要有三种形态:一大团的积云、一大片的层云和纤维状的卷云。

科学上,云的分类最早是由法国博物学家尚·拉马克(JeanLamarck)于1801年提出的。1929年,国际气象组织以英国科学家路克·何华特(LukeHoward)于1803年制订的分类法为基础,按云的形状、组成、形成原因等把云分为十大云属。而这十大云属则可按其云底高度把它们划入三个云族:高云族、中云族、低云族。另一种分法则将积云与积雨云从低云族中分出,称为直展云族。这里使用的云底高度仅适用于中纬度地区。

探秘高云一族

高云形成于6000米以上高空,对流层较冷的部分。分三属,都是卷云类的。在这高度的水都会凝固结晶,所以这族的云都是由冰晶体所组成的。高云一般呈纤维状,薄薄的并多数会透明。

1.卷云

具有丝缕状结构,柔丝般光泽,分离散乱的云。云体通常白色无暗影,呈丝条状、羽毛状、马尾状、钩状、团簇状、片状、砧状等。卷云见晕的机会比较少,即使出现,晕也不完整。我国北方和西部高原地区,冬季卷云有时会下零星的雪。日出之前,日落以后,在阳光反射下,卷云常呈鲜明的黄色或橙色。

我国北方和西部高原地区严寒季节,有时会遇见一种高度不高的云,外形似层积云,但却具有丝缕结构、柔丝般光泽的特征,有时还有晕,此应记为卷云。

如无卷云特征,则应记为层积云。

卷云又分成4类。

(1)毛卷云:纤细分散的云,呈丝条、羽毛、马尾状。有时即使聚合成较长并具一定宽度的丝条,但整个丝缕结构和柔丝般的光泽仍十分明显。

(2)密卷云:较厚的、成片的卷云,中部有时有暗影,但边缘部分卷云的特征仍很明显。

(3)钩卷云:形状好像逗点符号,云丝向上的一头有小簇或小钩。

(4)伪卷云:由鬃积雨云顶部脱离母体而成。云体较大而厚密,有时似砧状。

2.卷层云

白色透明的云幕,日、月透过云幕时轮廓分明,地物有影,常有晕环。有时云的组织薄得几乎看不出来,只使天空呈乳白色;有时丝缕结构隐约可辨,好像乱丝一般。我国北方和西部高原地区,冬季卷层云可有少量降雪。

厚的卷层云易与薄的高层云相混。如日月轮廓分明,地物有影或有晕,或有丝缕结构为卷层云;如只辨日、月位置,地物无影,也无晕,为高层云。

卷层云又可分成2类。

(1)薄幕卷层云:均匀的云幕,有时薄得几乎看不见,只因有晕,才证明其存在;云幕较厚时,也看不出什么明显的结构,只是日月轮廓仍清楚可见,有晕,地物有影。

(2)毛卷层云:白色丝缕结构明显,云体厚薄不很均匀的卷层云。

3.卷积云

似鳞片或球状细小云块组成的云片或云层,常排列成行或成群,很像轻风吹过水面所引起的小波纹。白色无暗影,有柔丝般光泽。卷积云可由卷云、卷层云演变而成。有时高积云也可演变为卷积云。整层高积云的边缘,有时有小的高积云块,形态和卷积云颇相似,但不要误认为卷积云。只有符合下列条件中的一个或以上的,才能算做卷积云:

(1)和卷云或卷层云之间有明显的联系。

(2)从卷云或卷层云演变而成。

(3)确有卷云的柔丝泽和丝缕状特点。

探秘中云一族

中云于2500~6000米的高空形成。它们由过度冷冻的小水点组成。

1.高层云

带有条纹或纤缕结构的云幕,有时较均匀,颜色灰白或灰色,有时微带蓝色。云层较薄部分,可以看到昏暗不清的日月轮廓,看去好像隔了一层毛玻璃。

厚的高层云,则底部比较阴暗,看不到日月。由于云层厚度不一,各部分明暗程度也就不同,但是云底没有显着的起伏。高层云可降连续或间歇性的雨、雪。

若有少数雨(雪)幡下垂时,云底的条纹结构仍可分辨。高层云常由卷层云变厚或雨层云变薄而成。有时也可由蔽光高积云演变而成。在我国南方有时积雨云上部或中部延展,也能形成高层云,但持续时间不长。

高层云又可分成2类:

(1)透光高层云。较薄而均匀的云层,呈灰白色。透过云层,日月轮廓模糊,好像隔了一层毛玻璃,地面物体没有影子。

(2)蔽光高层云。云层较厚,且厚度变化较大。厚的部分隔着云层看不见日月;薄的部分比较明亮,还可以看出纤缕结构。呈灰色,有时微带蓝色。

2.高积云

高积云的云块较小,轮廓分明,常呈扁圆形、瓦块状、鱼鳞片,或是水波状的密集云条。成群、成行、成波状排列。大多数云块的视宽度角在1°~5°。

有时可出现在两个或几个高度上。薄的云块呈白色,厚的云块呈暗灰色。在薄的高积云上,常有环绕日月的虹彩,或颜色为外红内蓝的华环。高积云都可与高层云、层积云、卷积云相互演变。

高积云又可分成6类:

(1)透光高积云。云块的颜色从洁白到深灰都有,厚度变化也大,就是同一云层,各部分也可能有些差别。云层中个体明显,一般排列相当规则,但是各部分透明度是不同的。云缝中可见青天,即使没有云缝,云层薄的部分,也比较明亮。

(2)蔽光高积云。连续的高积云层,至少大部分云层都没有什么间隙,云块深暗而不规则。因为云层的厚度厚,个体密集,几乎完全不透光,但是云底云块个体依然可以分辨得出。

(3)荚状高积云。高积云分散在天空,成椭圆形或豆荚状,轮廓分明,云块不断地变化着。

(4)积云性高积云。这种高积云由积雨云、浓积云延展而成。在初生成的阶段,类似蔽光高积云。

(5)絮状高积云。类似小块积云的团簇,没有底边,个体破碎如棉絮团,多呈白色。

(6)堡状高积云。垂直发展的积云形的云块,远看并列在一线上,有一共同的水平底边,顶部凸起明显,好像城堡。云块比堡状层积云小。

探秘低云一族

低云族包括层积云、层云、雨层云、积云、积雨云五属(类),其中层积云、层云、雨层云由水滴组成,云底高度通常在2500米以下。大部分低云都可能下雨,雨层云还常有连续性雨、雪。而积云、积雨云由水滴、过冷水滴、冰晶混合组成,云底高度一般也常在2500米以下,但云顶很高。积雨云多下雷阵雨,有时伴有狂风、冰雹。

1.层积云

团块、薄片或条形云组成的云群或云层,常成行、成群或波状排列。云块个体都相当大,其视宽度角多数大于5°(相当于一臂距离处三指的视宽度)。