2023年3月5日發(fā)(作者：伊索寓言的故事)第一課 大氣的結(jié)構(gòu)和組成
就像海洋中的魚一樣,人類被局限在大氣中一個(gè)非常狹窄的層次之內(nèi)。雖然地球的大氣層在水平方向上的不均勻性比在垂直高度上的不均勻性要小得多。但它確確實(shí)實(shí)在水平和垂直兩個(gè)方向上都是不均勻的。
人們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)來劃分大氣的層次。有的基于垂直溫度廓線的性質(zhì)，有的根據(jù)空氣在不同高度上的大氣成分，有的根據(jù)大氣在不同高度上對(duì)飛機(jī)的影響來劃分等等。根據(jù)空氣溫度隨高度的變化來劃分（大氣的層次）是氣象文獻(xiàn)中用得最普遍的一種劃分方法。
根據(jù)1961年世界氣象組織大氣學(xué)委會(huì)公布的標(biāo)準(zhǔn)，地球大氣被劃分為5個(gè)主要層次：對(duì)流層，平流層，中層，熱成層以及外逸層。這些層次之間鄰接著4個(gè)淺薄的過渡區(qū)域：對(duì)流層頂，平流層頂，中層頂以及熱成層頂。
對(duì)流層是介于地球表面和對(duì)流層頂之間的大氣低層．在對(duì)流層中，溫度以平均6.5°C/km的遞減率隨高度的增加而降低，其上邊界在極地和中緯度地區(qū)大約位于8—12Km的高度，在熱帶地區(qū)大約位于16-18Km的高度。在極地和中緯度，對(duì)流層包含了大氣層中空氣質(zhì)量的75%左右，然而在熱帶地區(qū)，包含了大約90%。對(duì)流層頂是一個(gè)中間層次，據(jù)觀測(cè)，其溫度是逆溫或是等溫分布。
平流層是位于對(duì)流層之上的大氣層，在平流層中，溫度或是隨高度增加，或是幾乎保持定常。在平流層的低層（直到地球表面之上大約20Km）溫度實(shí)際是一個(gè)常數(shù)（大約-56攝氏度）。然而再向上，大約20Km~30Km的高度，溫度隨高度以1°c/km的速度增加，從30Km~47Km高度上，以2.8°c/km的速率增加。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，47Km高度上正常的溫度是-2.5攝氏度。溫度隨高度的增加是由于太陽輻射的紫外線被臭氧分子吸收的緣故。值得一提的是大氣層中空氣總質(zhì)量的99%都集中在對(duì)流層和平流層中，一直伸展到30-35Km的高度上。平流層頂 位于平流層和中間層的中間層（大約從47-52Km的高度上），平流層頂溫度保持定常，約為0攝氏度。
一直到大約71Km，中層中的溫度隨高度以大約2.8°c/km的速度連續(xù)降低，從71~85Km，遞減率為2.0°c/km。85~95Km高度上，溫度的范圍從－85~－90攝氏度，中層頂是位于中層和熱成層之間的過渡層（在熱成層中逆溫區(qū)的底部）。通常情況下，中層頂位于85~95Km高，其特征是保持-86.5攝氏度的常溫。
熱成層是位于中層頂上的大氣層，其溫度隨高度的增加而增加，到熱成層上邊界的平均高度，即大約在450Km高度上，達(dá)到大約2000攝氏度。該層中溫度的增加主要是因?yàn)樘栞椛涞淖贤饩€被氧分子吸收，分解所致。
外逸層是最遠(yuǎn)的，也是研究最少的大氣的上
層部分。他位于大約450Km的高度上。外逸層中空氣的密度非常小，以致原子和分子都能逃逸到星際空間。
最后，除了以上對(duì)大氣的劃分以外，我們也可以根據(jù)大氣和地面的相互作用得到另一種分法。根據(jù)此原則，大氣通常被劃分為所謂的邊界層（有時(shí)也稱摩擦層）和自由大氣。地球表面和渦度粘滯力對(duì)大氣邊界層（知道1-1.5Km）有相當(dāng)大的影響；同時(shí)，作為一級(jí)近似，在自由大氣中我們可以忽略渦度粘滯力的影響。
以上這些大氣層中，只有對(duì)流層（尤其是邊界層）中氣象參數(shù)的垂直分布具有顯著的不穩(wěn)定性的特征。人們觀測(cè)到該層中存在逆穩(wěn)和溫度隨高度超絕熱變化。
?地球大氣是氣體和氣溶膠的混合物，所謂的氣溶膠指的是由分布在空氣中的微小的液體和固體顆粒組成的系統(tǒng)。空氣不是一種特殊的氣體，而是由許多氣體混合成的。其中一些氣體，如，氮，氧，氬，氖等，作為空氣的永久組成成分，總是以固定的比例存在于大氣中。其中一些成分，如，水汽，二氧化碳和臭氧的含量是隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而改變。
氮在空氣中的含量最多，其中主要來源是腐爛的作物殘?jiān)瑒?dòng)物尸體及火山爆發(fā)。另一方面，大氣中的氮又為包括植物和海洋生物在內(nèi)的生物過程的所消耗。閃電及高溫燃燒過程將少量氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮化物，再由雨雪帶出大氣。大氣中氮的損耗和產(chǎn)生是平衡的。
地球生命必不可少的氣體——氧氣，在大氣中已有三千年左右的時(shí)間了。氧氣由植物釋放出來，即通過植物的光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣，被人類和動(dòng)物所吸收，人和動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)同植物的呼吸系統(tǒng)恰恰相反。我們吸進(jìn)氧氣呼出二氧化碳，氧氣溶進(jìn)湖，河和海洋中，來維持海洋生物的生存。在同其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或是有機(jī)物的腐爛過程也要消耗氧氣，比如說鋼鐵生銹就涉及到氧化過程。
對(duì)人類來說，稀少的，多變的氣體是非常重要的。水汽，即水的氣態(tài)，在大氣 的含量是比較稀少的，而且它的生成和消耗是比較快的。因此，水汽在大氣中存在的平均時(shí)間只有11天，水汽是雨雪得源泉，沒有水汽我們就不能生存。眾所周知，水汽在大氣中的含量是多變的，在沙漠地帶，水汽含量非常低，只占空氣總量的很少的一部分，相反，在其他地區(qū)，特別是潮濕的熱的海面上，或者赤道洋面上，水汽可以占到大氣總量的5%左右。
盡管大氣中的水汽的含量隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同有很大的變化，但它在整個(gè)地球上的總量實(shí)際上是不變的。而二氧化碳卻不是這樣的。在過去的一百年里，這種稀少的但卻很重要的氣體的含量一直在上升。腐爛的植物，土壤
中的腐殖物以及燃燒煤，石油，天然氣，等化石燃料都能向大氣釋放二氧化碳。二氧化碳主要的匯是海洋和植物，植物需要二氧化碳進(jìn)行光合作用，二十世紀(jì)八十年代中期，大氣化學(xué)家就森林的燃燒，砍伐對(duì)大氣中二氧化碳產(chǎn)生的影響進(jìn)行了爭論。海洋吸收了大量的二氧化碳，大約占化石燃料燃燒釋放的二氧化碳總量的一半。人們預(yù)測(cè)，往后的幾十年，這部分吸收量將會(huì)逐步減少，而釋放的二氧化碳的總量則會(huì)增加，這種情況至少會(huì)延續(xù)到下個(gè)世紀(jì)初。二十世紀(jì)八十年代，大氣中的二氧化碳，每年以空氣的百萬分之一的速度增加。但是，據(jù)預(yù)測(cè)，這種增加速度在未來的幾十年中還要更快一些。1983年，其含量平均為空氣的百萬分之340。
另一種重要多變的氣體 -------臭氧（O3），多存在于高層大氣中，但在交通擁擠，有許多工廠或是充足陽光照射的地區(qū)也有臭氧存在。像洛杉磯這樣的城市，O3最多時(shí)可超過0.1ppm。大氣中臭氧的含量大多在1、0——10ppm之間 之間。它們隨高度，季節(jié)，時(shí)間，天氣狀況的不同而不同。高層大氣中的O3 層是由光化學(xué)反應(yīng)造成的。臭氧層之所以重要，是因?yàn)樗ㄟ^吸收上層大氣紫外線輻射，從而減少紫外線到達(dá)地面的總量，接受紫外線照射的時(shí)間越長，就越容易造成嚴(yán)重的大氣灼傷，從而增加皮膚癌的危險(xiǎn)。生物學(xué)家指出，紫外線過渡的增加還會(huì)影響生物圈中的其它組成成分。
有些氣體，如果濃度過高，對(duì)人，動(dòng)物及植物生命可能有害，比如，O3濃度過高會(huì)對(duì)生物有機(jī)體造成危害。雖然這種情況不常發(fā)生。但洛杉磯這樣污染嚴(yán)重的城市，有時(shí)接近地面的O3含量變得足以毀壞某些植物表面的葉片。人類活動(dòng)將大量具有潛在危險(xiǎn)的氣體帶入大氣。大型鍋爐，工廠，煉油廠和發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放出空氣污染物。所有這些場(chǎng)所以及其它特別類似場(chǎng)所：燃燒煤，石油，汽油，煤油等化石燃料，在燃燒過程中，它們向空氣中排放氣體或煙塵顆粒，這些顆粒經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間又和空氣中其他成分發(fā)生反應(yīng)，形成有毒的化合物。
分布最廣泛的，而且潛在危險(xiǎn)最大的氣體污染物是一氧化碳，二氧化硫，氧化氮和碳?xì)浠衔铩＿@些化合物最終來源于蒸發(fā)的汽油和其他石油產(chǎn)物。
* 第二課 鋒生和鋒的特征
鋒生
隨著許多與邊界，鋒面不同氣團(tuán)之間的形成與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的逐日變化被揭露之后，我們對(duì)中緯度天氣變化的詳細(xì)了解才取得了首次真正意義上的進(jìn)步。在這些問題未解決之前，對(duì)溫度，風(fēng)向，濕度和其他物理現(xiàn)象的觀測(cè)表明具有不同特征而又緊密接觸的氣團(tuán)
之間經(jīng)常存在不連續(xù)性。這些不同氣團(tuán)之間交會(huì)的面——鋒面，是第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期由在挪威工作的一批氣象學(xué)家提出的一個(gè)邏輯詞匯。他們的想法在大多數(shù)天氣分析和預(yù)報(bào)中，尤其是在中，高緯度仍是一個(gè)完整的部分。
1.?? 鋒波
?我們觀測(cè)到氣團(tuán)的交界面即鋒面是一種典型的幾何狀，類似于一種波的形成。實(shí)際上，相似的波形也出現(xiàn)在許多不同介質(zhì)的交界面，例如，海洋表面的波，沙灘上的漣漪和風(fēng)吹成的沙丘等等。然而，并不象這些波形，大氣中的鋒面通常是不穩(wěn)定的，也就是說，它們突然生成，發(fā)展，然后逐漸消散。數(shù)值模式計(jì)算表明，在中緯度斜壓大氣中，如果鋒波波長超過幾千公里，那些鋒波是不穩(wěn)定的。鋒波的波長通常是1500-3000km。因此，最初引起興趣大氣波動(dòng)系統(tǒng)和其他介質(zhì)交界面所形成的類似的東西不是以作為發(fā)展成解釋鋒面的基礎(chǔ)。尤其是對(duì)流層上層的環(huán)流對(duì)鋒波的發(fā)展和壯大才是引起至關(guān)重要的適當(dāng)條件（就這一點(diǎn)），我們將在以下的論證中給出。
2.? 鋒波低壓
低壓（又稱低壓區(qū)或氣旋），是一個(gè)有著或多或少等壓環(huán)流形式的相對(duì)低壓區(qū)。他們直徑覆蓋100-3000Km，通常有4-7天的生命史。具有這些特征的系統(tǒng)在每日的天氣圖上很突出，被稱為具有天氣尺度的特點(diǎn)。至少在中緯度地區(qū)，低壓通常是與相對(duì)的氣團(tuán)之間的輻合聯(lián)系在一起的。這些氣團(tuán)之間的交界面發(fā)展成波的形式，它的峰位于低壓區(qū)的中心。鋒波圍住了波前變性的冷空氣和波后新鮮冷空氣之間的一團(tuán)暖空氣。鋒波的形成也造成了原始空氣團(tuán)不連續(xù)的兩部分之間的差異。每一部分在冷暖空氣之間具有明顯的邊界，每一部分鄰近區(qū)域的天氣特征十分不同。鋒面的這兩部分由名為暖鋒-----波的前邊緣和冷鋒-----波后冷空氣來區(qū)分。
低壓通常在開始錮囚后12-24小時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大。
鋒的特征
從天氣方面來說，鋒的移動(dòng)依靠空氣團(tuán)的垂直運(yùn)動(dòng)。如果暖區(qū)中的空氣相對(duì)鋒區(qū)是上升的，那么，鋒通常是十分活躍的，被稱為上滑鋒。相反，為暖空氣相對(duì)于冷空氣團(tuán)下沉是，則會(huì)產(chǎn)生不活躍的下滑鋒。
1.?? 暖鋒
暖鋒是指鋒波中暖區(qū)的前邊緣。這兒所提的鋒區(qū)是一個(gè)十分輕微的坡度，量級(jí)在1/2°----1°之間，所以，與鋒的上部相聯(lián)系的云系在地面鋒到來之前的12小時(shí)甚至更造就預(yù)示了鋒的臨近。隨著暖空氣上升的上滑暖鋒有多層云系，這些云系穩(wěn)定的增厚，并向鋒的地面位置下降。最開始的云石薄而縹緲的卷云，緊接著是成片的卷層云和高層云。當(dāng)高層云加厚開始下毛毛雨或者開始下大雨時(shí)，太陽就開始昏暗了。經(jīng)常會(huì)伸展到對(duì)流層大
部分地區(qū)而且伴隨著連續(xù)性降水發(fā)生的云系通常叫做雨層云。當(dāng)下降的雨水穿過冷空氣時(shí)經(jīng)過蒸發(fā)，迅速的達(dá)到飽和，也可能形成一片片的層云。
下滑鋒中的下沉暖空氣極大限制了中高層云的發(fā)展。鋒面云系主要是層積云，由于在冷暖空氣團(tuán)中下沉逆溫的作用，云系的厚度受到了限制。降水通常是由雨滴的合并作用引起的小雨或毛毛雨，因?yàn)閮鼋Y(jié)高度比較多地傾向于在逆溫層之上，尤其是在夏季。
暖鋒過境時(shí)，風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)變，溫度升高，氣壓下降。暖空氣中，降水是間歇性的或者無雨，薄的片狀層積云也可能斷裂開來。
因?yàn)榇蠖鄶?shù)鋒在對(duì)流層的所有層次上或者說貫穿鋒的整個(gè)長度并不都是上滑鋒或者下滑鋒，所以要預(yù)報(bào)與暖鋒相聯(lián)系的雨帶的范圍是很復(fù)雜的。由于這個(gè)原因，雷達(dá)波越來越多的用來直接測(cè)定雨帶的精確范圍和雨量強(qiáng)度的差異。
這些研究表明，大多數(shù)降水的產(chǎn)生和分布是由寬達(dá)幾百公里，厚達(dá)幾公里的寬闊氣流所控制，這股氣流平行于地面冷鋒，為于地面冷鋒之前。
就是在冷鋒之前，在離地表約1Km之上隨著風(fēng)速增大到25-35m/s，這股氣流形成了低空急流。暖濕空氣在暖鋒上上升，在暖鋒前轉(zhuǎn)向東南方，同時(shí)與對(duì)流層中部分的氣流合并。這股氣流被稱之為“傳送帶”。（因?yàn)樵谥芯暥葌鬏敶蟪叨鹊臒崃亢蛣?dòng)量）。大范圍的對(duì)流潛在不穩(wěn)定是由與對(duì)流層中部潛在的干冷空氣在低層氣流上爬越作用而造成的。不穩(wěn)定主要在形成的對(duì)流群---即中尺度降水區(qū)的小尺度對(duì)流單體中釋放。這些中尺度降水區(qū)進(jìn)一步排列進(jìn)帶狀，大約50---100Km寬。在暖鋒前，這條帶狀區(qū)域橫向平行于傳送帶上升區(qū)中的氣流，然而，在暖區(qū)中，則平行于冷鋒和低空急流。在某些情況下，對(duì)流單體和對(duì)流群在暖區(qū)中和暖鋒前進(jìn)一步排列成帶狀。暖鋒雨帶的降水經(jīng)常隨著來自上層云層“散布”的冰粒。據(jù)估計(jì)，大約20--35%的降水來源于“催化劑”區(qū)，其余的來源于地層云系。一些對(duì)流單體和對(duì)流群天氣會(huì)通過地形影響而成，而且但大氣不穩(wěn)定時(shí)，這些影響會(huì)延伸到下風(fēng)方向。
2.?? 冷鋒
冷鋒的天氣狀況同樣是多變的，它依賴于暖區(qū)氣團(tuán)的穩(wěn)定性和相對(duì)于鋒區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)。經(jīng)典的冷鋒模式是上滑型的，云系通常是積雨云。在大不列顛島上空暖區(qū)中的空氣很少是不穩(wěn)定的，導(dǎo)致在冷鋒上出現(xiàn)雨層云的概率更多。伴隨下滑型鋒面的云系一般是層積云，降水較少。伴隨著上滑型冷鋒，通常會(huì)短暫的傾盆大雨，有時(shí)還會(huì)伴隨打雷。冷鋒的坡度大約是2°，這意味著壞天氣的持續(xù)時(shí)間比暖鋒要短。冷鋒過境，風(fēng)向急劇變化，氣壓開始上升，溫
度下降。天空會(huì)突然放晴，有些情況下，甚至在地面冷鋒過境遷就放晴了，雖然下滑鋒的變化總的來說要緩和得多。
3.?? 錮囚鋒
錮囚鋒分為冷式和暖式。區(qū)別在于暖區(qū)前和暖區(qū)后的冷氣團(tuán)的相對(duì)狀態(tài)。如果氣團(tuán)比其后更冷，則為暖式錮囚鋒，相反，則成為冷式錮囚鋒。當(dāng)冬季歐洲上空的低壓錮囚以及很冷的空氣影響大陸時(shí)，低壓前的空氣很可能是最冷的。
暖空氣楔形隆起的形狀是與層云區(qū)相聯(lián)系的，經(jīng)常會(huì)有降水。因此，在一些天氣圖上，它的位置會(huì)單獨(dú)標(biāo)識(shí)，加拿大氣象學(xué)家稱之為高空暖舌。這一段的錮囚鋒和高空暖舌帶來與極地空氣團(tuán)天氣相反的變化。
當(dāng)極地槽和主要的極鋒相互作用，會(huì)產(chǎn)生不同的過程，會(huì)引起短暫的錮囚。極鋒的暖傳送帶上升到對(duì)流層上部的急流區(qū)形成層狀云帶，然而在低空極地槽傳送帶與之呈90度角，則在冷空氣前邊緣形成主要極鋒向極的對(duì)流云帶和降水區(qū)。?
盡管鋒消代表鋒面存在的最后階段，但鋒消并不一定與錮囚聯(lián)系在一起。當(dāng)臨近的氣團(tuán)之間的差異不再存在時(shí)，消亡就發(fā)生了。這可能是由4個(gè)方面引起的：一是由于它們?cè)谕黄矫婀餐欢且驗(yàn)閮蓺鈭F(tuán)的相同的速度平行的軌跡行動(dòng)；三是因?yàn)樗鼈兙o接著以相同的速度沿著相同的軌跡運(yùn)動(dòng)；四是由于系統(tǒng)并入到與它本身具有同樣溫度的空氣中。
第三課：氣象預(yù)報(bào)
國家氣象局從事各種活動(dòng)提供天氣預(yù)報(bào)。它們主要是收集資料，為各地方臺(tái)提供大氣狀況的基本分析及預(yù)報(bào)圖作準(zhǔn)備，不但為短，長期天氣預(yù)報(bào)作準(zhǔn)備，而且對(duì)如航空，航海，農(nóng)業(yè)及其他一些商業(yè)，工業(yè)用戶提供特殊服務(wù)，此外還發(fā)布災(zāi)害性天氣警報(bào)。
1.資料來源?
天氣預(yù)報(bào)及其他服務(wù)所需的資料主要是由世界標(biāo)準(zhǔn)的00.06.12和18時(shí)（格林威治時(shí)）所提供的天氣報(bào)告，特別為國家航空所需要的每小時(shí)觀測(cè)記錄，以及高層大氣的探測(cè)資料（00和12GMT），衛(wèi)星資料以及其他一些特殊網(wǎng)格，如災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)所用的雷達(dá)。在世界天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)下，大約有4000個(gè)陸地站和7000船舶站作天氣報(bào)告。約有700個(gè)站進(jìn)行高層大氣探測(cè)（溫度，氣壓，濕度和風(fēng)）。這些資料通過電傳打字機(jī)和電臺(tái)的電碼方式匯集到區(qū)域或國家氣象中心，同高速運(yùn)轉(zhuǎn)的全球電傳通訊系統(tǒng)相聯(lián)接，這個(gè)系統(tǒng)同墨爾本，莫斯科，華盛頓的世界氣象中心以及其他11個(gè)區(qū)域氣象中心相聯(lián)系，再由他們分發(fā)這些資料。在世界氣象組織的保護(hù)下，由157個(gè)站和區(qū)域共同完成這項(xiàng)任務(wù)。
自1965年起，氣象信息就由美國和蘇聯(lián)的業(yè)務(wù)衛(wèi)星收集，最近歐洲空間管理站，日本和印度也收集（氣象
信息）。由兩類氣象衛(wèi)星；極軌衛(wèi)星，在極地上空繞軌跡每隔24小時(shí)提供兩次全球范圍的信息。（如美國的NOAA和TIROS系列，以及蘇聯(lián)的流星衛(wèi)星）；還有地球同步衛(wèi)星（例如，地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星和梅多沙特衛(wèi)星），對(duì)地球上空中低緯覆蓋地表三分之一的地區(qū)反復(fù)傳送信息（30分鐘）。大氣信息包括，數(shù)字資料，可直接讀出的云蓋，可見光和紅外圖像以及河表溫度，還有全球整個(gè)大氣的溫度和濕度廓線，這些廓線是由多通道的紅外和微波適應(yīng)器接收大氣層的特殊輻射而得到的。另外，衛(wèi)星也有資料收集系統(tǒng)（DCS），把從地面站和海洋附表站所得到的眾多的環(huán)境資料傳遞給處理中心，GOES也能以傳真的方式傳送整理過的衛(wèi)星圖像，NOAA極軌衛(wèi)星也有自動(dòng)圖傳發(fā)系統(tǒng)，全世界有900多個(gè)站利用這個(gè)系統(tǒng)。
2.預(yù)報(bào)
氣象情報(bào)快速的收集，匯編，整理才能使現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)成為可能。上世紀(jì)中葉，隨著電報(bào)的發(fā)明天氣預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)了第一次進(jìn)步，它通過繪制天氣圖對(duì)氣象資料即刻進(jìn)行分析。這些天氣圖在1851年大不列顛的博覽會(huì)山首次展出。通過Fitzroy和Abereroleby的研究，天氣的連續(xù)變化同氣壓的時(shí)空分布特征有關(guān)，但不久就提出了天氣系統(tǒng)的理論模型------著名的皮葉克及斯（溫帶）氣旋模式。
天氣預(yù)報(bào)通常指的是短期，中期（延伸），長期天氣預(yù)報(bào)。前兩種為當(dāng)前的天氣服務(wù)，我們就把他們歸為一類。
短期天氣預(yù)報(bào)
直到二十世紀(jì)五十年代，天氣預(yù)報(bào)步驟還是依據(jù)天氣學(xué)原理，到六十年代，由于數(shù)值預(yù)報(bào)的誕生，預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)有了一次大的變革，采用了“現(xiàn)時(shí)預(yù)報(bào)”技術(shù)。
本世紀(jì)前半期，短期天氣預(yù)報(bào)常以天氣學(xué)原理，經(jīng)驗(yàn)規(guī)律以及對(duì)氣壓變化進(jìn)行外推為基礎(chǔ)。
1955年以后，常規(guī)的天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)以數(shù)值預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)了。這些模式根據(jù)質(zhì)量守恒，能量守恒及動(dòng)量守恒定律來預(yù)報(bào)大氣物理過程的演變。基本原則就是地面氣壓的上升或下降與其上空氣柱質(zhì)量的輻合輻散有關(guān)。
大多數(shù)國家氣象中心的天氣預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)基本上相同。每天必須經(jīng)過兩次大氣環(huán)流形勢(shì)預(yù)報(bào)（00，12GMT）。由于大多數(shù)天氣分析技術(shù)都是采用自動(dòng)化，12小時(shí)前的預(yù)報(bào)圖作為分析天氣場(chǎng)的第一次推測(cè)圖。利用三種不同的內(nèi)插法，可以得到全球標(biāo)準(zhǔn)氣壓層（850，700，500，400，300，250，200和100mb）上的溫度，濕度，風(fēng)及位勢(shì)高度的平滑網(wǎng)格點(diǎn)資料。國家氣象中心目前有兩種基本預(yù)報(bào)模式：一種特殊十二層（六層）模式，（從邊界層到平流層上層），它們可以積分10次以上；另一種是適用于區(qū)域的嵌套網(wǎng)格模式，它具有很好的水平分辨率。值得注意的是如果網(wǎng)格空間減少一半
（意味著網(wǎng)格函數(shù)增加），計(jì)算機(jī)運(yùn)行的時(shí)間則需要翻幾番。比不可少的預(yù)報(bào)產(chǎn)品是平均海平面氣壓，標(biāo)準(zhǔn)氣壓層上的溫度，風(fēng)速，1000—5000mb的厚度，垂直運(yùn)動(dòng)，對(duì)流層底層的水汽含量及總降水量。
現(xiàn)在的天氣狀況的預(yù)報(bào)通常是采用美國國家氣象局開發(fā)的模式輸出系統(tǒng)技術(shù)，它既把天氣變化和預(yù)報(bào)氣壓（或高度）形勢(shì)聯(lián)系起來，也考慮鋒的模式。比如，在我們感興趣的變量和由數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算出10多個(gè)預(yù)報(bào)因子之間建立一系列適用于特定地區(qū)的回歸方程。很多地區(qū)的天氣要素預(yù)報(bào)包括每日最高最低氣溫，12小時(shí)降水出現(xiàn)概率及總降水量，凍雨概率，雪暴，云蓋以及地表風(fēng)。這些預(yù)報(bào)量以傳真圖或表格形式分發(fā)到各地氣象部門供當(dāng)?shù)厥褂谩?
數(shù)值預(yù)報(bào)的誤差來源于幾個(gè)方面。其中最嚴(yán)重的是由于資料缺乏而造成的初始分析場(chǎng)的精確度受到限制。海洋上測(cè)站數(shù)平均很少，在12小時(shí)之內(nèi)，我們只能接收到四分之一的船舶站的天氣預(yù)報(bào)；即使是陸地上，在6小時(shí)還有三分之一的測(cè)站報(bào)告接收不到。然而，衛(wèi)星導(dǎo)出的信息和飛機(jī)的報(bào)告可以填補(bǔ)一些高層大氣信息的空白。另外一個(gè)局限性是由于模式中的水平方向和垂直方向的分辨率及積云對(duì)流的次網(wǎng)格過程的參數(shù)化所造成的，小尺度的大氣湍流擾動(dòng)意味著有些天氣基本上是預(yù)報(bào)不出來的。比如，局地不穩(wěn)定氣團(tuán)中的陣性降水單體。應(yīng)用但前的技術(shù)對(duì)氣象用語中所謂的“陣性降水和轉(zhuǎn)晴”及“零星降水”的預(yù)報(bào)更為精確是不可能的。天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)備過程越來越客觀了。對(duì)復(fù)雜的天氣運(yùn)用嫻熟的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)使得科學(xué)象藝術(shù)一樣（完美）。詳細(xì)的區(qū)域預(yù)報(bào)，不僅需要掌握一般形勢(shì)預(yù)報(bào)的框架，而且還需要預(yù)報(bào)員對(duì)可能出現(xiàn)的形式效應(yīng)和局地影響有透徹的了解。
現(xiàn)時(shí)預(yù)報(bào)
災(zāi)害性天氣的生命史通常很短（小于2小時(shí)），這是由于它的中尺度特征決定的（<100Km），它只對(duì)局地或區(qū)域產(chǎn)生影響，因此需要做定點(diǎn)預(yù)報(bào)。這類天氣系統(tǒng)包括雷暴，陣風(fēng)鋒，陸龍卷，沿海岸湖面或山脈的大風(fēng)，大雪及陣雨。雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，現(xiàn)代設(shè)備同高速的通訊聯(lián)絡(luò)對(duì)這類天氣系統(tǒng)發(fā)布警報(bào)提供了一種手段。比如，最進(jìn)，幾個(gè)國家開發(fā)了集成衛(wèi)星和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)雷暴的水平和垂直尺度提供信息，這些資料如，風(fēng)，氣溫，濕度由自動(dòng)氣象站（或附表站）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充。另外，對(duì)詳細(xì)的邊界層和對(duì)流層低層的資料，有一系列垂直探測(cè)器——聲學(xué)探測(cè)器（由熱力渦旋所造成的回聲來測(cè)定風(fēng)速和風(fēng)向），特殊的雷達(dá)（DOPPLER）可以在晴空狀態(tài)下通過小昆蟲返回的波或者是通過空氣中各種折射指數(shù)的變化來測(cè)風(fēng)。現(xiàn)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)多采
用高度自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)和圖像分析系統(tǒng)從各種渠道迅速的獲得完整的資料。對(duì)資料演示地說明需要全體有經(jīng)驗(yàn)的工作人員和成大量的軟件來提供合適的信息。現(xiàn)時(shí)預(yù)報(bào)非常重要的一個(gè)例子就是對(duì)飛機(jī)場(chǎng)上的風(fēng)切邊和下?lián)舯┝鞯戎匾獮?zāi)害性天氣作出快速及時(shí)地預(yù)報(bào)。
總之，可以預(yù)計(jì)，對(duì)航空和電力工業(yè)進(jìn)行6小時(shí)之內(nèi)的預(yù)報(bào)，對(duì)蒸騰（運(yùn)輸業(yè)），建筑工業(yè)，制造業(yè)進(jìn)行12-24小時(shí)預(yù)報(bào)，對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行2-5天的預(yù)報(bào)將會(huì)帶來很大的效益。考慮到經(jīng)濟(jì)損失，最后一類預(yù)報(bào)從可信度極準(zhǔn)確性來講是由徭役的。
長期預(yù)報(bào)
上面所提到的方法對(duì)一個(gè)月以及以上的天氣趨勢(shì)是不適用的，因?yàn)樗鼈兯P(guān)心的只是個(gè)別的時(shí)間尺度只有3-7天的天氣趨勢(shì)。理論上認(rèn)為，用數(shù)值預(yù)報(bào)方法對(duì)天氣的可預(yù)報(bào)性只限于12天之內(nèi)。這兩種截然不同的方法將在以后詳細(xì)的說明。
第四課 溫室效應(yīng)
多年以來，人們通過向大氣中散發(fā)由化石燃料所分解出來的碳，使得幾百萬年以來的自然進(jìn)化正在倒退。到2100年，大氣中的CO2 的濃度可能會(huì)成倍甚至三倍的增加。對(duì)未來氣候的預(yù)測(cè)必須建立在科學(xué)證據(jù)上，而不是地質(zhì)記錄。國家科學(xué)院在評(píng)估了這些有效的證據(jù)以后，得出結(jié)論，CO2的濃度增加一倍會(huì)使地球的平均溫度升高1.5-4. 5 °C 。
人們從不懷疑大氣的溫室效應(yīng)。許多太陽輻射式可見光，他們穿過大氣時(shí)多數(shù)不受阻礙。當(dāng)輻射達(dá)到地球時(shí)，使地表增溫，然后以紅外線向外輻射能。然而，大氣中的CO2，水蒸汽以及一些其他氣體吸收紅外線輻射，不讓它毫不受阻的穿過大氣到太空中去。由于大氣以某種類似于溫室效應(yīng)中玻璃平板的方式去捕獲能量，使地球增溫，這種現(xiàn)象就是眾所周知的“溫室效應(yīng)”。如果沒有這種效應(yīng)，地球?qū)⒈痊F(xiàn)在冷33 °C。
我們對(duì)于CO2吸收熱量的程度地了解幾乎有一個(gè)世紀(jì)了。科學(xué)家們的研究表明，如果地球系統(tǒng)中其他因素不變，大氣中CO2增加一倍將使平均溫度增加 1.2 ° C。然而，氣候系統(tǒng)中許多因素是變化的并且增加了CO2的直接影響。由于這些變化還沒有完全被掌握，它們?cè)雠请y以評(píng)估的。當(dāng)前圍繞者CO2對(duì)平均氣溫影響的不確定性主要集中在對(duì)氣候的反饋上，而不是CO2的直接增暖。
最重要的反饋來自于較暖的大氣能保留跟多的水分。因?yàn)樗羝参占t外輻射，所以會(huì)導(dǎo)致增暖。漢森等認(rèn)為CO2增加倍會(huì)導(dǎo)致大氣中水蒸汽的寒冷增加30%。地球增溫1.4 °C。
另一個(gè)重要的正反饋涉及到雪蓋和冰蓋對(duì)地球反照率的影響以及它反射太陽光的程度。冰和雪反射大部分的太陽輻射，而水和土壤都吸收大部分太陽輻射，表面溫度的增加會(huì)融化陸
地上的雪和凍冰，因此可以使地球吸收能量，否這就會(huì)把能量反射回太空。漢森等人為由于反射作用會(huì)使地球增暖0.4 °C。
我們了解較少的反饋?zhàn)饔檬侨蛟雠瘜?duì)云系的影響。云系也會(huì)把太陽光反射回太空。云系對(duì)地球反照率的影響以來于它們的高度和其他屬性以及云蓋范圍。因此，全球增暖對(duì)云系的影響某種程度上是不確定的。然而，多少有點(diǎn)不肯定，漢森等估計(jì)，云蓋之所以減少2%，會(huì)使地球增暖0.5 ° C他們還認(rèn)為，云的高度增加會(huì)導(dǎo)致增暖0.5 ° C，因此，來自云的影響是1. 0 °C。
雖然地球平均溫度的增加是對(duì)由CO2導(dǎo)致氣候變化的一個(gè)便利的簡明的描述，但它仍然掩蓋了重要區(qū)域的作用。大多數(shù)研究者認(rèn)為極地溫度會(huì)增加到地球平均溫度增加的2~3倍。全球氣候很大程度上依賴于環(huán)流形勢(shì)，通過它，大氣和海洋從暖區(qū)向冷區(qū)傳輸熱量。因此，赤道和極地溫度的差異的任何重要的改變都可能對(duì)氣候形勢(shì)產(chǎn)生驚人的影響。這些變化中尤其重要的影響是每年和每季的江水和蒸發(fā)，一些地區(qū)獲得他們而其他地區(qū)失去它們。此外，由于颶風(fēng)需要海洋溫度達(dá)到27 ° C或需更暖，所以，全球增暖可能會(huì)導(dǎo)致颶風(fēng)在較高的緯度和一年中更多的時(shí)間段形成。這些變化對(duì)于沿海地區(qū)是很重要的。
一個(gè)更直接的影響是在下個(gè)世紀(jì)，顯著的全球增暖，通過加熱海水引起南極洲西部東部以及格陵蘭的冰山和凍結(jié)的冰塊融化或者使之飄流進(jìn)大洋中而導(dǎo)致海平面升高1米。因此，海平面會(huì)達(dá)到史無前例的高度。在此之前，沒有人嘗試去預(yù)測(cè)海平面在某些年上升或者確定它對(duì)當(dāng)今活動(dòng)的重要性。
如果這種預(yù)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)，使導(dǎo)致孟加拉15%以上的領(lǐng)土，埃及大約12%-15%洪水泛濫，以及許多到過領(lǐng)土大大減少。在美國，成千上萬平英里的陸地會(huì)消失，尤其是低洼的區(qū)，例如，密西西比河三角洲，那兒的陸地正以每世紀(jì)大約1米的速度下沉，據(jù)估計(jì)，在全國范圍內(nèi)造成每年超過三十億美元損失的暴風(fēng)災(zāi)害。也可能會(huì)增加沼澤地，港灣以及含水層的含鹽度，危害海洋生命，也許會(huì)影響到飲用水的供應(yīng)，溫室氣體也在損壞環(huán)繞地球保護(hù)人類免受紫外線輻射的臭氧層。研究表明，臭氧層減少1%，癌癥就會(huì)增加3%，幸運(yùn)的是，如果及時(shí)采取措施，可以避免大多數(shù)不利的影響。
盡管由于CO2產(chǎn)生的氣候變化還了解得很多，但有一點(diǎn)已達(dá)成共識(shí)，那就是CO2濃度正在增加。
由于化石燃料燃燒所釋放的CO2，大約有一半會(huì)留在大氣中，普遍認(rèn)為，與留下的CO2大多數(shù)會(huì)融解到海洋中。盡管熱帶森林砍伐和水泥生產(chǎn)也會(huì)釋放CO2但它們的作用已經(jīng)并且將會(huì)變得越來越那么不重要。
控制溫室氣體尤其是CO2的排放量的增加已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵性的問題。全球人類必須努力減少溫室氣體效應(yīng)。
然而，在以后的幾十年中，CO2的排放量不可能減少，不管是自覺的還是規(guī)定的。這個(gè)世界的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是圍繞著化石燃料的燃燒建立起來的。用煤，氣和石油的成本要低于核能和太陽能，而是這種相對(duì)的成本優(yōu)勢(shì)預(yù)計(jì)還將持續(xù)。因此，自覺減少CO2的排放量是不可能的。
政府可以采取的成功減少CO2的排放量的唯一行動(dòng)是減少使用化石燃料。對(duì)電廠CO2排放量的控制至少是電力成本的四倍。對(duì)于化石燃料的小型用戶來說，比如家庭和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交通工具等，控制甚至是不可行，其他措施，比如分離巨大樹木植被中的碳也似乎是不可能的。
即使政治領(lǐng)袖決定采取嚴(yán)厲的措施去限制世界范圍內(nèi)對(duì)化石燃料的燃燒，這些可能已經(jīng)太遲了，而不能阻止全球溫度和海平面顯著的上升。最近一些學(xué)者研究了嚴(yán)厲的政策對(duì)溫室增暖的預(yù)期時(shí)間的影響。作者認(rèn)為，這種政策一直到2100年都會(huì)有重要的作用，但并不是足以推遲預(yù)測(cè)的到2040年增暖2 °C。他們估計(jì)對(duì)化石燃料的征收300%的稅僅僅會(huì)推遲5年到增暖2 ° C。甚至一直到2000年全球內(nèi)禁止使用煤，頁巖油以及合成染料也僅僅推遲增暖25年。此外，這項(xiàng)的禁令也僅僅只能預(yù)測(cè)的到2040年海平面升高推遲12年。
一直到2000年，制訂這項(xiàng)禁令的政治可能性也是值得懷疑的，因?yàn)橹挥性谌澜绶秶鷥?nèi)減少CO2的釋放才可能成功。某些個(gè)別的國家減少CO2的排放量至多可以把CO2的濃度成倍增加的時(shí)間往后推遲幾年。此外由于對(duì)減少排放量的國家來說，能源成本將會(huì)增加，該國家的工業(yè)與世界上其他國家相比將處于競爭性的劣勢(shì)。最后，政治領(lǐng)袖們也會(huì)要求提供這樣的政策比適應(yīng)較多濃度的CO2水平更有益的證據(jù)。對(duì)可以預(yù)見的未來，提供這樣的證據(jù)也許仍然是不可能的。
濃度逐漸增加的溫室氣體的影響幾乎可以確定的是空前的全球增暖。一些人認(rèn)為增暖也許會(huì)被抵消，因?yàn)榈厍蛟谄渌闆r下會(huì)進(jìn)入冷期。然而，自然冷卻要在幾十萬年以上才會(huì)發(fā)生，因此，在下個(gè)世紀(jì)，是不可能明顯抵消全球增暖的。甚至是猛烈的火山活動(dòng)也只能抵消不足10%的海平面的顯著升高。
為了迎接全球增暖的挑戰(zhàn)，社會(huì)需要關(guān)于海平面升高可能影響的準(zhǔn)確信息。不幸的是，社區(qū)，企業(yè)和個(gè)人還不能通過他們自己來獲得足夠的來源或鼓勵(lì)去從事這項(xiàng)要求減少已經(jīng)存在不確定性的基礎(chǔ)科學(xué)研究。這項(xiàng)責(zé)任落在全世界的國家政府頭上。只有他們的努力才能提供決策者們需要的信息。
* 第五課 大氣環(huán)流
大氣環(huán)流包括全世界的大氣運(yùn)動(dòng)。由于它是幾天的平均資料得到的，因此小的，局地的或是逐日的不規(guī)則性的短波就平滑掉了。大氣環(huán)流模式是概括的，不包括對(duì)局地天氣有重要影響的短期天氣過程。大氣環(huán)流總體上對(duì)局地天氣有時(shí)會(huì)有直接或間接的影響，從這個(gè)意義上講，它是造成地球氣候和天氣變化的唯一的重要因素。
嚴(yán)格的說，大氣環(huán)流指的是氣象要素的平均三維形式，加上湍流即平均形式的擾動(dòng)和振動(dòng)，逐日變化的天氣形式得到的。它的基本特征可由全球性的，季節(jié)性的平均風(fēng)矢量來表示，平均風(fēng)是高度的函數(shù)，或者通過地轉(zhuǎn)風(fēng)與平均等壓線的關(guān)系得到。
為了便于比較，需要特別說明實(shí)際觀測(cè)到的大氣環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)。我們很容易將北半球大氣運(yùn)動(dòng)分解為平均的緯向（東-西）和經(jīng)向（南-北）分量。中低緯的大氣基本上平均經(jīng)圈環(huán)流為1米/秒；這種同緯向環(huán)流比要弱的多，然而它卻以10米/秒的速度傳遞動(dòng)量。
同平均的經(jīng)圈環(huán)流的主要特征相對(duì)應(yīng)的最簡單的形式如圖所示（圖略）。每個(gè)半球的對(duì)流層有三種環(huán)流圖：熱帶的Hadley環(huán)流圖，中緯度的Ferrel環(huán)流圖，還有一較弱的副極地環(huán)流圖。Ferrel環(huán)流圖獲得角動(dòng)量，如箭頭所示，通過小的對(duì)流性渦旋向下傳遞。低緯度的對(duì)流十分活躍，因此Hadley環(huán)流比ferrel環(huán)流運(yùn)轉(zhuǎn)要快的多才能維持平衡。
這個(gè)模型是Palmen提出的，并考慮了急流的存在，它是實(shí)際大氣環(huán)流中的重要特征。觀測(cè)表明，由熱力驅(qū)動(dòng)的Hadley環(huán)流圈是平均對(duì)流層環(huán)流中最重要的環(huán)流圈。而Ferrel環(huán)流圈由Hadley環(huán)流圈的摩擦作用所產(chǎn)生，它的作用要比Palmen預(yù)測(cè)的要重要的多。
在平流層中有一由加熱和冷卻作用形成的獨(dú)立的環(huán)流圈，下界為10MB。平流層的風(fēng)向有很明顯的逆轉(zhuǎn)。北半球平流層季風(fēng)的爆發(fā)表現(xiàn)為：四月份10MB以上的西風(fēng)帶轉(zhuǎn)為東風(fēng)帶，這種逆轉(zhuǎn)從極區(qū)一直向南向下延續(xù)，在5月份可以達(dá)到100MB。從五月到八月100MB以上盛行東風(fēng)，八月底九月初東風(fēng)帶轉(zhuǎn)為西風(fēng)帶。
四月份北美洲地區(qū)，中緯度的西風(fēng)帶將極地平流層?xùn)|風(fēng)帶同低層的大氣熱帶東風(fēng)帶隔開，熱帶東風(fēng)帶此時(shí)北移。到了七月份，在低緯地區(qū)至少到15KM，中緯度20KM，和極地的15-17KM都盛行東風(fēng)帶。到九月，極地和熱帶東風(fēng)帶開始減弱，并與十一月和十二月達(dá)到最弱。一般情況下，10mb圖上夏季東風(fēng)帶緩慢，穩(wěn)定的向冬季西風(fēng)帶過渡變化，而在1958年的一月和2月，這種簡單的形式卻變的十分復(fù)雜。
上層大氣環(huán)流模型是由Keligg，Schilling(1951),Murgatroyd(1957)Battern(1961)等人提出的。Battern的模型表現(xiàn)為：盡管西風(fēng)可以跨越赤道到下半球，但其主要中心
位于冬半球。春季電離層低層為東風(fēng)帶，當(dāng)西風(fēng)帶向上層發(fā)展時(shí)，東風(fēng)帶從中層開始向下建立。反之，當(dāng)上層?xùn)|風(fēng)帶發(fā)展時(shí)，西風(fēng)帶開始向下建立。中層低層在冬末春初是有弱的東風(fēng)中心。而在赤道太平洋上平流層的風(fēng)是變化無窮的。
平流層大氣環(huán)流的重要組成部分是Berson西風(fēng)帶和Krakatoa東風(fēng)帶。前者，首次在中非上空50—60mb高空發(fā)現(xiàn)，但在現(xiàn)在我們知道，10mb以上都有西風(fēng)，形成了繞赤道的連續(xù)環(huán)流帶：東西風(fēng)交替出現(xiàn)，半個(gè)周期約為12-15個(gè)月， 而krakatoa東風(fēng)帶發(fā)生在25mb：它是通過Krakatoa火山爆發(fā)后火山灰的運(yùn)動(dòng)首次發(fā)現(xiàn)的。目前通過雷達(dá)測(cè)風(fēng)表明，Krakatoa西風(fēng)帶也是存在的
這些平流層風(fēng)在地理學(xué)上的重要性在于他們使某些簡單的，直觀的大氣環(huán)流模式站不住腳。在這樣的的模式中，地球從西向東旋轉(zhuǎn)，被假想成拖曳著低層的大氣和它一起旋轉(zhuǎn)，傳給這些大氣一個(gè)西風(fēng)動(dòng)能，因此，自西向東旋轉(zhuǎn)的大氣動(dòng)量輕微的變化可以解釋為地表來自不同方向的風(fēng)造成的，某地區(qū)大氣動(dòng)量有盈余，使大氣從西向東的運(yùn)動(dòng)比地表快。就表現(xiàn)為西風(fēng)，某地大氣動(dòng)量虧損，使得大氣運(yùn)動(dòng)比地表慢就被稱為東風(fēng)。
最近的研究表明，高層大氣中包含許多不能簡單，直觀的模式解釋的環(huán)流特征。因此，Squtnik3(蘇聯(lián)人造衛(wèi)星)旋轉(zhuǎn)的變化可以解釋為伴隨著地球的自轉(zhuǎn)，存在強(qiáng)的西風(fēng)帶，且正好位于地表摩擦拖曳的地區(qū)。緩慢的振蕩，說明了慣性力，科氏力和靜力三力達(dá)到平衡，這已經(jīng)在克魯利通過雷達(dá)探空儀和經(jīng)緯儀測(cè)試出來。這些振蕩有12小時(shí)左右的周期，這是由于水平和垂直量綱分別為1KM和幾百KM的擾動(dòng)造成的，高層大氣資料的復(fù)雜性使得把觀測(cè)到的環(huán)流分解成數(shù)學(xué)分量十分必要。
大氣環(huán)流模式到目前為止討論的仍然是擴(kuò)散的問題，在Brener的模型中，由于臭氧和水蒸氣的擴(kuò)散，空氣穿過赤道對(duì)流層頂上升。對(duì)流層頂如-冷源，因?yàn)樗臏囟容^低（約80。C），干冷空氣水平運(yùn)動(dòng)，最后在中高緯度下沉。根據(jù)Dobson的模型，富含臭氧的空氣上升經(jīng)過Brener模型中的經(jīng)圈環(huán)流，堆積在平流層的極夜急流中，也就是冬季極地上空的冷池。然后逐漸下沉到平流層低層，在冬末春初到達(dá)中緯度地區(qū)。
Spar的模型建立在放射性殘留物擴(kuò)散的基礎(chǔ)上。平流層中空氣是從對(duì)流層頂斷裂出來的，在這些斷裂處，常發(fā)生湍流混合。這種混合多發(fā)生在極地平流層（尤其在冬季），在赤道平流層中混合要比Brener-Dobson模型中的少,在他們的模型中只描述了整個(gè)環(huán)流的一部分。Brener-Dobson環(huán)流的上界達(dá)到80，000英尺，他們預(yù)測(cè)大氣上層是潮濕的停滯區(qū)，小尺度的湍流擴(kuò)散影響
經(jīng)向輸送。從經(jīng)圈環(huán)流到經(jīng)向停滯區(qū)空氣之間的過度帶的高度是隨時(shí)間和緯度變化的。
在Goldsmith-Brener的模型中，從赤道上升的空氣并不能達(dá)到很高的高度，而且在對(duì)流層頂之上就立即轉(zhuǎn)向極地。經(jīng)圈環(huán)流恰恰是在對(duì)流層上加速的。空氣要經(jīng)過兩個(gè)多月的時(shí)間到達(dá)中緯度地區(qū)（溫帶）。上層氣流移動(dòng)緩慢，因此它可以停留在產(chǎn)生臭氧的這一層達(dá)一年之久。從這里，富含臭氧的空氣緩慢流入極夜急流中，在那兒，空氣依照Dobson模型結(jié)構(gòu)輸送到中緯度的平流層低層。
這些高層大氣的環(huán)流模型對(duì)地球表面的天氣有很重要的意義，因?yàn)樗鼈兘沂玖藢?duì)流層和平流層之間空氣明確的交換運(yùn)動(dòng)。地面天氣系統(tǒng)，尤其是描述為氣團(tuán)或鋒，都不能認(rèn)為是封閉系統(tǒng)，盡管這種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)對(duì)每日天氣分析并不重要。如果對(duì)大氣環(huán)流進(jìn)行徹底的研究，氣候?qū)W上要進(jìn)行更加復(fù)雜的工作是考慮大氣和海洋之間的環(huán)流，這個(gè)環(huán)流系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的整體的系統(tǒng)。如果忽略平流層和海洋學(xué)的復(fù)雜性，我們可以認(rèn)為大氣環(huán)流就是地球吸收的一部分太陽輻射轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的產(chǎn)物。
第六課 強(qiáng)風(fēng)暴
根據(jù)氣象詞匯，風(fēng)暴指“任何大氣的擾動(dòng)狀態(tài)，特別是指影響地球表面和強(qiáng)烈預(yù)示破壞性或?yàn)?zāi)害性的天氣” 。在冬季，大多數(shù)的風(fēng)暴是氣旋性的；它們覆蓋面廣，產(chǎn)生降雨或降雪，并伴有降溫和大風(fēng)。這些風(fēng)暴通常是利大于弊，因此它們帶來的降水不僅灌溉了農(nóng)田，而且還給水庫、河流、小溪補(bǔ)充了水。
有時(shí)冬季氣旋隨著中心氣壓下降而增強(qiáng)，結(jié)果風(fēng)力增強(qiáng)，此時(shí)如果大氣有充足的水汽條件，就可能造成致洪暴雨或是使整個(gè)城市陷于癱瘓的暴雪。有時(shí)雪暴發(fā)生時(shí)，伴有強(qiáng)的寒冷大風(fēng)，將雪片堆成雪堆。遇到這種風(fēng)暴，在野外放牧就會(huì)與外界隔絕，食物吃光后，還可能凍死。
在冬天的風(fēng)暴中，危害性最大是那種產(chǎn)生凍雨的風(fēng)暴。通過給街道、高速公路及飛機(jī)跑道覆蓋了一層冰，這些風(fēng)暴可造成大量的交通事故以及對(duì)飛機(jī)場(chǎng)構(gòu)成嚴(yán)重的危害。
冬季風(fēng)暴通常逐漸發(fā)展起來，移動(dòng)緩慢，人們可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。而具有對(duì)流特征的強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展迅速，范圍小，生命史短，很難預(yù)報(bào)。強(qiáng)的雷暴、冰雹和龍卷風(fēng)在幾十分鐘內(nèi)發(fā)展起來，并且來勢(shì)迅猛。在幾分鐘內(nèi)，冰雹可以毀壞一片小麥，一個(gè)龍卷風(fēng)可以毀壞很多建筑，在它經(jīng)過的地方造成許多死傷。
另一種類強(qiáng)風(fēng)暴，颶風(fēng)和它在世界各地的伙伴，是一種相對(duì)較強(qiáng)大的熱帶氣旋。盡管它們不像龍卷具有那樣集中的能量，但它們的能量更多，持續(xù)時(shí)間更長，因此它們比龍卷造成的危害更大。有時(shí)，單個(gè)
的強(qiáng)烈颶風(fēng)可以造成巨大的損失。在世界上一些地區(qū)，颶風(fēng)造成人員傷亡的數(shù)目難以令人相信。比如，1970年11月，熱帶風(fēng)暴襲擊了孟加拉國，造成了二十五多萬人死亡，是自然界中最具有破壞性的災(zāi)難之一。這個(gè)風(fēng)暴是南大西洋颶風(fēng)的東南亞翻版。
一般情況下，雷暴可以伸展到10公里的高度，云頂為有冰晶組成并吹離主要云區(qū)的砧狀云覆蓋。
盡管雷暴有許多不同的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)，我們?nèi)钥梢詫⑺鼈兎譃閮纱箢悾壕值匦岳妆┗騿误w雷暴和有組織的雷暴群。
局地性雷暴體是相當(dāng)孤立的，生命史也很短，少于1個(gè)小時(shí)。我們通過飛機(jī)穿過雷暴，雷達(dá)、無線電探空儀以及其它地面設(shè)備，對(duì)地方性雷暴的了解已很多了。地方性雷暴是由一個(gè)或多個(gè)單體組成，每個(gè)單體都經(jīng)歷了三個(gè)階段：積云階段（發(fā)展階段）、成熟階段及泊散階段。
在云的下方，甚至在雨水降落到地表區(qū)之前，常有冷的下曳氣流和快速流出云體。根據(jù)高空風(fēng)和下曳氣流的強(qiáng)度，流出的地表風(fēng)速強(qiáng)度可以從微風(fēng)到強(qiáng)陣風(fēng)不等。冷空氣通常位于雷暴體前方，有時(shí)也對(duì)植物和建筑物造成很大破壞。飛機(jī)的著陸和起飛時(shí)遇到下沉氣流和外流氣流以及風(fēng)的切變線，是非常危險(xiǎn)的。強(qiáng)的下曳氣流稱為“下?lián)舯┝鳌?，許多商業(yè)飛機(jī)失事都是它造成的。
颶 風(fēng)
我們把成于大西洋和墨西哥灣的，最大風(fēng)力達(dá)32.6m/s（73里/小時(shí)）以上的熱帶氣旋稱為颶風(fēng)。生成于西北太平洋上的這種風(fēng)暴稱為臺(tái)風(fēng)；那些在印度洋上發(fā)展起來的，影響印度和東南亞地區(qū)的稱為氣旋。生成于墨西哥太平洋沿岸的風(fēng)暴，當(dāng)?shù)氐囊恍﹪曳Q之為氣旋。世界其它地區(qū)還有多種多樣對(duì)颶風(fēng)的命名 。
颶風(fēng)的路徑是由颶風(fēng)所在的盛行風(fēng)來決定的。在發(fā)展階段，風(fēng)暴沿?zé)釒⑿械臇|風(fēng)帶移動(dòng)。當(dāng)“引導(dǎo)”氣流改變時(shí)，颶風(fēng)的路徑也會(huì)改變。在許多實(shí)例中，颶風(fēng)的路徑都是突然發(fā)生改變的。當(dāng)颶風(fēng)移到陸地或高緯度洋面上時(shí)，它們就減弱了，這主要是由于風(fēng)暴離開暖濕的熱帶洋面之后獲得的能量減少而造成的。另外，當(dāng)颶風(fēng)移到陸地時(shí)，地形造成的摩擦力也能使颶風(fēng)風(fēng)速減小。
颶風(fēng)移到陸地能造成極大的毀壞和人員傷亡。1969年8月，“卡米加”颶風(fēng)襲擊了密西西比州（美國），造成了15億的損失。1977年，“阿格尼斯”颶風(fēng)暴雨給美國東部地區(qū)帶來了嚴(yán)重的洪澇。盡管還不能確定這次災(zāi)害完全是阿格尼斯造成的，但風(fēng)暴的巨浪是當(dāng)風(fēng)暴移到沿海地區(qū)，颶風(fēng)的大風(fēng)造成的海浪卻能造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。海浪有時(shí)可達(dá)3m或更高，如果它們掠過了低洼的地帶，就會(huì)造成破壞力強(qiáng)的洪水。
冰 雹（塊
）
冰雹是強(qiáng)大的、持續(xù)時(shí)間很長的雷暴，即是多單體雷暴或超級(jí)單體雷暴的產(chǎn)物。這種雷暴常排列成線或帶，我們稱之為“颮線” ，颮線多發(fā)生在春季或初夏。這段時(shí)間天氣具備了強(qiáng)雷暴的生成的有利條件。
首次為兩位英國科學(xué)家所提出的雷暴模型，冰雹開始形成于水分豐富、斜上升氣流進(jìn)入云的前沿，冰雹胚在與過冷水滴碰撞過程中增長，然后冰雹加速落下，通過斜升氣流中，又被帶到高空與過冷水滴碰撞，增加質(zhì)量。如果上升氣流的速度超過了冰雹下落的末速（終速），冰雹又被帶入高空。如果上升氣流不能承托雹粒時(shí)便降雹。雹粒下降幾公里之后，其中一些又落到強(qiáng)的上升氣流中心，又一次被帶到高空，穿過過冷的云層，開始第二次增長過程。連續(xù)幾次這樣的過程，就形成了大的雹快。一個(gè)直徑為1毫米的冰粒，隨著強(qiáng)的上升氣流進(jìn)入含水分豐富區(qū)域時(shí)，直徑可以變?yōu)?毫米。在雷暴體中有強(qiáng)的持續(xù)性的上升氣流時(shí)，雹胚可以增長到很大，而且不需要再循環(huán)過程。
陸 龍 卷
雷暴可以產(chǎn)生冰雹，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生龍卷。同許多人的觀點(diǎn)相反，龍卷并不具備特別的能量。一般的龍卷含的能量要比生成它的雷暴少得多，明顯地比氣旋的能量還少。但是由于龍卷在很短的時(shí)間里，能量就會(huì)消耗掉，因此單位時(shí)間內(nèi)的能量相對(duì)來說就高。由于它們能量集中，因此龍卷可能是所有天氣現(xiàn)象中最可怕的一種。它們常常突然襲擊而少有先兆，并且在幾分鐘之類造成財(cái)產(chǎn)的巨大損失和人員的傷亡。龍卷常表現(xiàn)為從雷暴云底伸出來到達(dá)地面的漏斗狀，圓柱狀，或繩狀結(jié)構(gòu)。在可見的漏斗狀云中，包含了許多凝結(jié)而成的小水滴。龍卷將近地面的灰塵、葉片及其它的碎片吹卷起來，說明有很強(qiáng)的渦旋運(yùn)動(dòng)。龍卷及弱的渦旋發(fā)生在水面上——多數(shù)在赤道熱帶和亞熱帶地區(qū)——稱為水龍卷。
龍卷一般很小，特征尺度直徑不過幾百米，最大的可達(dá)1公里。除了個(gè)別以外，風(fēng)都是氣旋性的，也就是，它們?cè)诒卑肭蜓胤磿r(shí)針方向吹。漏斗一般在地面停留幾分鐘，有時(shí)可持續(xù)達(dá)1小時(shí)以上。龍卷的最大風(fēng)力為33m/s-100m/s,有時(shí)可達(dá)到120m/s以上。龍卷的強(qiáng)度越強(qiáng)（強(qiáng)度率越高），它的潛在的危害就越大。大多數(shù)損失巨大造成死亡率高的災(zāi)害天氣都是有少數(shù)強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長的龍卷造成的。到1970年為止，過去的十年中，不到2%的大龍卷造成死亡人數(shù)占到85%。
在龍卷里有小的、強(qiáng)的旋風(fēng)，藤田哲也稱之為虹吸渦旋，它們的直徑只有10m。小的、持續(xù)時(shí)間短的龍卷可能只有一個(gè)這種渦旋，最大的龍卷可有許多虹吸渦旋。藤田哲也還指出，一些偶爾觀測(cè)到
的小的渦管能徹底毀壞一所建筑，而離它10米外的建筑卻完好無損。
龍卷漏斗中的氣壓比周圍大氣的氣壓低。據(jù)測(cè)強(qiáng)龍卷中心的氣壓值要比漏外氣壓低100mb以上。
龍卷內(nèi)外氣壓的差異可以解釋門窗緊閉的建筑物的毀壞。當(dāng)龍卷移過這種建筑物時(shí)，外面的氣壓下降很快，而里面氣壓下降慢。由于風(fēng)的動(dòng)力作用的影響加大了這種差異，當(dāng)室內(nèi)的氣壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過室外的氣壓時(shí)，就產(chǎn)生了很強(qiáng)的向外的氣壓梯度力，這種力可以具有造成極大破壞力。在一些實(shí)例中，這種力可以掀開屋頂把墻吹倒。
龍卷——同冰雹一樣——所發(fā)生在春末夏初的午后。在這段時(shí)間里，具備有利于雷暴發(fā)展所需要的氣象條件。
隨著這些年對(duì)宇宙的探索開發(fā)，許多市民都是通過觀察到的渦管或是通過當(dāng)?shù)貧庀蟛块T預(yù)報(bào)來了解龍卷的形式。現(xiàn)在，雷達(dá)越來越多地運(yùn)用在觀測(cè)龍卷雷暴及探測(cè)它們的路途上。
傳統(tǒng)的雷達(dá)不能明確地辨明龍卷，因此有必要用一種特殊的雷達(dá)回波推斷龍卷的出現(xiàn)。有時(shí)，回波的形狀很好的對(duì)龍卷的存在及其移近的方式有顯示。大多數(shù)可靠的顯示，回波是從雷暴延伸出的鉤狀回波，大多數(shù)時(shí)候如果確實(shí)有龍卷這種回波的形狀，對(duì)發(fā)現(xiàn)龍卷沒有多大用。上升到很高高度上的雷暴體能形成很強(qiáng)的雷達(dá)回波，那就意味著有冰雹或龍卷產(chǎn)生。
多普勒雷達(dá)除了可以觀測(cè)到傳統(tǒng)雷達(dá)所觀測(cè)到的內(nèi)容外，還可以通過雷達(dá)目標(biāo)，如雨滴、其它液體或固體障礙物，來測(cè)出雷暴移動(dòng)的速度、移動(dòng)方向。最近研究表明，多普勒雷達(dá)可以在渦管到達(dá)地面20分鐘之前，對(duì)龍卷進(jìn)行辨別和定位。
第七課 季風(fēng)
“季風(fēng)”這個(gè)詞起源于阿拉伯語“mausim”,意思是季節(jié)。它多用于印度洋沿岸風(fēng)向的季節(jié)性逆轉(zhuǎn)，特別是阿拉伯海，一半時(shí)間吹西南風(fēng)，一半時(shí)間吹東北風(fēng)。隨著人們對(duì)季風(fēng)進(jìn)一步地了解，季風(fēng)的定義所包含的內(nèi)容增加了，幾乎包括了與隨季節(jié)而變化的所有的天氣現(xiàn)象：熱帶及亞熱帶亞洲、澳大利亞及非洲的大陸，以及相鄰的海區(qū)和洋區(qū)，在這些地區(qū)常有產(chǎn)生天氣事件的強(qiáng)盛的環(huán)流圈存在。
季風(fēng)系統(tǒng)的主要特征，即年際環(huán)流的特征，使得在季風(fēng)區(qū)居住的居民把他們的生活、習(xí)慣及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)劃分為兩季，“干”和“濕”季。濕季，指的是雨季，在這個(gè)季節(jié)中，暖濕的、多擾的風(fēng)從海洋吹向大陸。而在干季，也就是另一半年，風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，是由冬季大陸吹來的干、冷的風(fēng)。在一些地區(qū)，干冷的冬季氣流可以越過赤道，吹向夏半球的暖大陸。通過這種方式，干的冬季季風(fēng)就與濕的夏季季風(fēng)相聯(lián)了，反之亦然。
本文重點(diǎn)主要是季
風(fēng)的年際環(huán)流。然而，如果認(rèn)為夏季風(fēng)和冬季風(fēng)只是雨季和旱季的延長，就錯(cuò)了。夏季風(fēng)和冬季風(fēng)分別持續(xù)幾個(gè)月，時(shí)間尺度也有不同，可以從幾天到幾個(gè)星期。因此，當(dāng)季風(fēng)環(huán)流出現(xiàn)了很符合定義的年際環(huán)流時(shí)，最近的研究表明，季風(fēng)結(jié)構(gòu)是不同的，在大環(huán)流下還有一個(gè)次結(jié)構(gòu)存在，它是在濕季作為季風(fēng)雨量虧損和盈余強(qiáng)度的標(biāo)志。
短期變化包括個(gè)別天氣擾動(dòng)，常在所謂的季風(fēng)活躍期連續(xù)發(fā)生。如果很長時(shí)間或是一至幾個(gè)星期沒有天氣擾動(dòng)發(fā)生，我們稱這個(gè)時(shí)期為間斷期，更準(zhǔn)確地說，是活躍季風(fēng)的中斷期。在季風(fēng)活躍期，天氣是不穩(wěn)定的，常有風(fēng)暴發(fā)生，風(fēng)暴帶來的大雨與季風(fēng)相互作用常常造成洪災(zāi)。然而，在季風(fēng)的停滯或間斷期，天氣炎熱、干燥，晴空無云。季風(fēng)間斷期是旱期，如果時(shí)間過長，在季風(fēng)區(qū)里造成嚴(yán)重的饑荒。
季風(fēng)系統(tǒng)的變化重要的是在于季風(fēng)開始建立的時(shí)間是定時(shí)的。季風(fēng)的建立，通常指的是天氣突然地從季風(fēng)前的炎熱（和季風(fēng)中斷時(shí)的酷熱相似）轉(zhuǎn)為多擾動(dòng)、多風(fēng)暴、雨量充沛的季風(fēng)活躍期。對(duì)一個(gè)農(nóng)夫來講，掌握季風(fēng)何時(shí)建立的知識(shí)是非常重要的，因此他可以把握住播種的好時(shí)機(jī)。季風(fēng)的撤退（也就是大陸上雨季的停止）發(fā)生在初秋，同季風(fēng)的建立相比，它表現(xiàn)為逐漸轉(zhuǎn)換的過程。
印度季風(fēng)降雨帶和南方濤動(dòng)之間的關(guān)系是由本世紀(jì)初沃克等人建立的，他們的觀點(diǎn)后來就用于季風(fēng)降雨的預(yù)報(bào)。用1901—1981年達(dá)爾文的海平面氣壓場(chǎng)來再檢驗(yàn)它們之間關(guān)系是非常有用的。之所以選用達(dá)爾文氣壓是因?yàn)檫@個(gè)資料的時(shí)間很長，比那個(gè)地區(qū)其它測(cè)站的資料更完整、更精確。盡管塔希提島的氣壓場(chǎng)時(shí)間是只有1935-1981年，在這段時(shí)間內(nèi)，塔希提島春季的氣壓場(chǎng)和印度季風(fēng)的降水之間的相關(guān)系數(shù)只有0.01。在這項(xiàng)研究中所用的夏季季風(fēng)降水的資料，是印度地區(qū)31個(gè)點(diǎn)的百分距平的面積加權(quán)平均，作為整個(gè)印度季風(fēng)降雨的距平值。
如果要預(yù)報(bào)季風(fēng)降水，必須先檢驗(yàn)季風(fēng)前期的南方濤動(dòng)，然而，它還使我們想起沃克最重要的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，那就是季風(fēng)降水與后期的大氣環(huán)流有顯著的相關(guān)性。
沃克的一個(gè)最令人注目的觀點(diǎn)是他發(fā)現(xiàn)了南方濤動(dòng)隊(duì)后起事件有影響作用，特別是作為整個(gè)夏季6-8月份南方濤動(dòng)的指數(shù)，與后期冬季的指數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.8，而與前期冬季的相關(guān)系數(shù)只有-0.2。從這一點(diǎn)我們看出印度季風(fēng)降水量與后期文件有關(guān)，而不是與前期文件有關(guān)。因此，印度季風(fēng)在全球天氣重視主動(dòng)而不是被動(dòng)的特征，將作為一個(gè)預(yù)報(bào)工具比作為預(yù)報(bào)對(duì)象更有成效。
最近幾年，我們對(duì)諸如厄爾尼諾，南方濤動(dòng)
，準(zhǔn)兩年震蕩及大氣阻塞形勢(shì)這類的大尺度大氣現(xiàn)象有了更好的了解。這些新知識(shí)為我們考察季風(fēng)的年紀(jì)變化和長期變化提供裂痕好的天氣及動(dòng)力構(gòu)架。厄爾尼諾-南方濤動(dòng)看來是氦氣系統(tǒng)，最重要的特征。它的同期很長（2-5年），因此它對(duì)預(yù)報(bào)像季風(fēng)之類的季節(jié)內(nèi)振蕩很有實(shí)用價(jià)值。所以，也需要記載全球環(huán)流在南方濤動(dòng)的不同階段的主要特征，包括季風(fēng)。然而，也必須認(rèn)識(shí)到，季風(fēng)擾動(dòng)也是影響南方濤動(dòng)的重要因子之一。
對(duì)大尺度季節(jié)平均季風(fēng)降水的長期預(yù)報(bào)的前景是很樂觀的。南方濤動(dòng)的低頻變化和大尺度季節(jié)平均印度（季風(fēng)降水）距平之間有很好的相關(guān)。印度季節(jié)性降水距平和海表溫度及雪蓋的邊界條件變化，只見也很好的相關(guān)。
熱帶及季風(fēng)氣流受勢(shì)力驅(qū)動(dòng)的行星尺度的hadley環(huán)流和walker 環(huán)流能支配，它們主要的能量來源是凝結(jié)潛熱。釋放潛能所需要的大尺度水汽輻合是由地表的溫度梯度形成的。太陽加熱作用可以在陸地形成熱低壓，如果動(dòng)力環(huán)流有利于水汽輻合，那么潛熱加熱作用會(huì)使熱低壓進(jìn)一步發(fā)展。因此，土壤濕度的變化能影響到熱帶大陸熱源的強(qiáng)度。同樣，熱帶洋面上的熱源受洋表溫度異常的影響。所以，有理由認(rèn)為，大尺度熱帶流暢的變化是與緩慢變化的地表邊界條件有關(guān)的。由于熱帶地區(qū)動(dòng)力不穩(wěn)定不太強(qiáng)，多以我們可以合理的假設(shè)大尺度流暢的變化是有邊界條件的改變而造成的。然而這些爭論共同揭示出預(yù)報(bào)大尺度季風(fēng)平均的季風(fēng)氣流和降水存在一個(gè)物理基礎(chǔ)。
如果每天降水形勢(shì)與高頻變化有關(guān)的話，天氣尺度擾動(dòng)就是由于大尺度氣流的動(dòng)力不穩(wěn)定性造成的。如果大尺度氣流本身的變化主要是由于同這種不穩(wěn)定相互作用所引起的，預(yù)報(bào)就超出立決定預(yù)報(bào)的范圍，效果就不那么好了。所幸的是情況并不是這樣。實(shí)際上，只有大尺度流場(chǎng)合適時(shí)，即風(fēng)的水平，垂直梯度，溫度（濕度），降水才可能產(chǎn)生擾動(dòng)。大尺度流場(chǎng)本身的變化主要是與行星尺度邊界強(qiáng)度，如，熱帶加熱源和地形分界線有關(guān)。這為我們對(duì)季風(fēng)降水進(jìn)行長期預(yù)報(bào)提供了一個(gè)物理基礎(chǔ)和希望。市我們干興趣的還有，在季風(fēng)季節(jié)離開，準(zhǔn)雙周鶴月距平優(yōu)先好的空間相干性，這是我們進(jìn)一步認(rèn)為準(zhǔn)雙周和月距平預(yù)報(bào)的前景很樂觀。
第八課 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的一段歷史
在短短的演講中，不肯能對(duì)所有為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展作出(突出)貢獻(xiàn)的人——-給予公正的評(píng)價(jià)，更不用說貢獻(xiàn)較小的人了。需要指出，這里用的是“A”而不是“THE”（數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的一段歷史，而不是其歷史）。這次演講包括了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)從開始到目前為止
發(fā)展過程中主要的里程碑，它可分為三個(gè)主要的階段。
1 .開始階段
二十世紀(jì)初，挪威的著名氣象學(xué)家皮葉克尼斯是首先想到根據(jù)大氣的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的人之一。1911年，L.F.理查森已經(jīng)獨(dú)自對(duì)有限差分感興趣了，并且設(shè)想通過幾千人的計(jì)算進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)。一旦理查森意識(shí)到了皮葉克尼斯的工作就對(duì)他以后的研究具有很大的影響。
由于戰(zhàn)爭的原因，研究工作中斷了，這時(shí)已經(jīng)積累了幾種修正方案和問題。11年后，理查森著名的天氣數(shù)值預(yù)報(bào)過程一書出版了，他是一位很風(fēng)趣的人，Ashfood(1985)為他寫了傳記。理查森的書有兩個(gè)方面的重要性，他是首先用系統(tǒng)的方法建立大氣動(dòng)力和物理過程基本方程組的人之一，他還發(fā)明了一系列適用于這些基本方程組數(shù)值得解的計(jì)算方法。
理查森還建立了一套偏微分方程組預(yù)報(bào)氣壓、溫度、水平和垂直速度、水汽，這些方程組考慮了輻射、云的影響、降水、湍流運(yùn)動(dòng)、摩擦地形和地--氣之間能量的交換，這包括地表狀況和植被引起的變化。考慮的物理過程是十分完全的，相近的。有趣的是，第一次實(shí)現(xiàn)數(shù)值積分是在二十多年以后才完成的，是純動(dòng)力過程，不包括物理過程。實(shí)際上，只是在過去的15年里，電子計(jì)算機(jī)速度足夠快了，才得以將復(fù)雜的物理過程引入到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中，盡管在大氣環(huán)流模式中更早就引入了這些過程，但在全球大氣環(huán)流模式中計(jì)算時(shí)間不是那么至關(guān)重要。
為了對(duì)他們的預(yù)報(bào)方程進(jìn)行數(shù)值積分，理查森采用緯度、經(jīng)度、平均海平面高度和時(shí)間作為獨(dú)立的變量，他盡力維持一個(gè)接近正方形的水平網(wǎng)絡(luò)，討論由于極冠而引起的問題，甚至還考慮到在垂直方向上采用現(xiàn)在眾所周知的“σ”坐標(biāo)的優(yōu)越性，雖然最終還是選用了高度作為垂直坐標(biāo)。他挑選的層次都包含了幾乎相同的質(zhì)量。他的模式包含了5層（間隔200hpa左右是第6層？）水平網(wǎng)絡(luò)大約200km，盡管氣壓、溫度和濕度在水平方向上隨動(dòng)量而變化，使得格點(diǎn)有效長度為400km。他對(duì)選擇坐標(biāo)系的考慮深度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過他鎖在那個(gè)時(shí)代的又一個(gè)例證。
他很快認(rèn)識(shí)到為了趕在天氣發(fā)生之前作出預(yù)報(bào)，他需要許多人同時(shí)在地圖上的不同的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算工作。因此，他設(shè)計(jì)了23種井然有序的計(jì)算方法，使計(jì)算過程得以迅速而準(zhǔn)確的完成。
2. 進(jìn)一步發(fā)展
雖然Rossby（1939）發(fā)展了渦度方程的用法，swtcoiffe (1917) 還提出了使用厚度形式的概念， 但是這件事情還是被擱置下來，一直到二戰(zhàn)末期電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和利用。這兩種觀點(diǎn)對(duì)后來的事件起到了很重要的作用。
隨著由恰尼領(lǐng)導(dǎo)下的氣象研究小組在普林斯
頓高級(jí)研究所的成立，并考慮到運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)到動(dòng)力天氣預(yù)報(bào)或許是天氣預(yù)報(bào)發(fā)展史上最重要的一步。對(duì)流層中層絕對(duì)渦度守恒無輻散層概念的提出，結(jié)合通過地轉(zhuǎn)近似從渦度方程中濾去了麻煩的重力波，從而導(dǎo)致了第一個(gè)正壓預(yù)報(bào)模式的誕生。計(jì)算時(shí)間幾乎與大氣本身演變所需時(shí)間相同。從24小時(shí)正壓預(yù)報(bào)的結(jié)果可以看出，當(dāng)俄勒岡上空及西部地區(qū)氣壓增加時(shí)，美國中部上空500hpa旋向東北移動(dòng)，但并不加深。這個(gè)結(jié)果是令人鼓舞的。與理查森早期嘗試不同，現(xiàn)在的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)不僅可能而且實(shí)用，從而使全球各地都建立了許多研究小組，正是這些研究小組的努力使我們今天的預(yù)報(bào)產(chǎn)品達(dá)到了很高的水平。
所謂的慮波模式發(fā)展得很快。斜壓性通過兩種不同方式引入，一方面是通過幾層正壓層疊加，另一方面適應(yīng)理論的發(fā)展。通過使用流函數(shù)克服了與地轉(zhuǎn)風(fēng)輻散有關(guān)的問題。經(jīng)驗(yàn)方法的發(fā)展也抵消了長波后退的假象。把物理過程諸如地面摩擦、地形和非絕熱加速等參數(shù)化的方法也逐步引入。有趣的是Gressman和Hubert(1957)指出由于地轉(zhuǎn)風(fēng)散度引起的系統(tǒng)誤差可以用流函數(shù)消除，而且處理斜壓發(fā)展和非絕熱效應(yīng)中產(chǎn)生的其它誤差被孤立和解決之前，消除這些系統(tǒng)誤差是很必要的。
然而，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度提高很快。到二十世紀(jì)六十年代，可以展望，通過足夠短的時(shí)間保證原始（未過慮的）運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算穩(wěn)定性，并且可以及時(shí)計(jì)算出有效的預(yù)報(bào)。Charney(1955)證明如果調(diào)整原始風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)使得消除麻煩的原始散度的話，通過運(yùn)用原始凡方程組可以得到令人滿意的預(yù)報(bào)結(jié)果。Eliasn(1956)、Smagorinsky(1958)、Hinkelmann(1959)、Shuman（1962）和Bushby及Timpson(1967)都對(duì)原始方程模式的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。此后，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度更快，水平和垂直分辯率也提高了，并且可以通過更加逼真的方式來描述物理過程。
幾位杰出的日本氣象學(xué)家到美國之后，東方人的影響是非出突出的，他們對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展起到了重要的作用。Arakawa（1965）致力于網(wǎng)格點(diǎn)和對(duì)流研究，Kasahara(1965)研究有限差分方法，Manabe（1956）研究熱力影響，Miyakoda(1982)側(cè)重延伸預(yù)報(bào)(中長期)他們只是做出突出貢獻(xiàn)的幾位代表人物。
將天氣預(yù)報(bào)與氣壓場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)分開來的首次嘗試之一是由Bushby和Timpson(1967)做出的，他們采用了10層的有限區(qū)域的原始方程模式，變量間隔是100km。結(jié)果是令人振奮的。對(duì)快速移動(dòng)得氣旋波的24小時(shí)預(yù)報(bào)與實(shí)際圖表相吻合，降水區(qū)和降水率的預(yù)報(bào)也很理想。
隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高，模式的分辯率的提高也成為可能。覆蓋區(qū)域也可能擴(kuò)
大，可以引入更為復(fù)雜的物理過程，這就是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)達(dá)到了當(dāng)今的“藝術(shù)的狀態(tài)”。
3. 引入到業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)
首次日常的“實(shí)時(shí)”預(yù)報(bào)是由瑞典陸軍氣象局在1954年與Rossby小組在斯得哥爾摩的氣象研究所共同合作完成的。它們是一次真正意義上實(shí)驗(yàn)，在第二個(gè)包括客觀分析計(jì)算的試驗(yàn)之后,從1956年10月1日起，決定把數(shù)值天氣預(yù)報(bào)作為具有基本的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)特征（實(shí)用性）而將被采用。Bergthorsson等人（1955）以及Herrlon描述了這些首次的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。72小時(shí)預(yù)報(bào)個(gè)例結(jié)果顯示，與實(shí)際觀測(cè)到的情況非常的一致。
仍有很多事情要做，在目前的模式中，對(duì)溫帶氣旋的移動(dòng)預(yù)報(bào)得很好，但對(duì)熱帶和副熱帶擾動(dòng)的移動(dòng)，特別是對(duì)進(jìn)入到緯度地區(qū)的擾動(dòng)移動(dòng)還不是預(yù)報(bào)的很好。非靜力平衡的中尺度模式的發(fā)展提出了新的分析和初始化問題，但是為了使預(yù)報(bào)的“天氣”更加詳細(xì)（精確）,這是非常必要的。最后，我們還要記住準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)和足夠的資料來源是密不可分的。如果有一天資料不能令人滿足，改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研究都會(huì)是徒勞的。
