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科普报告:古今观云识天(下)  

2017-03-21 10:56:12|  分类: 中原气象文化 |  标签: |举报 |字号 订阅

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科普报告:古今观云识天(下)

李冰

科普报告:古今观云识天(下) - 秋雨 - 我的博客 

下面谈一下观云识天谚语

天气预报技术的发展大致经历了群众经验、天气图方法、数值天气预报和人机交互处理技术等四个阶段。第一阶段是群众经验,也就是观云识天。

《诗经·国风·鄘风·蝃蝀(dì dòng)》中有:“朝(zhāo)隮(jī)于西,崇朝(zhāo)其雨。”蝃蝀也就是彩虹,隮也是虹,崇朝说的是整个早晨,从日出到吃早餐。全句是说,早起看到西边出现彩虹,吃早饭前一定会下雨。诗经时代并不知道科学原理,但却知道了这一现象。

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虹是云中水滴折射太阳光的结果,并且总是出现在太阳对面的雨(云)幕上,当太阳高度角大于42度时,彩虹在地平线以下,我们将无法看到。因此,只有在雨后斜阳时,太阳对面雨(云)幕上出现的虹才能进入我们的视野。

19世纪发现地转偏向力之后,人类才真正认识了地球上的环流成因,黄河流域处于高空西风气流里,云雨多是自西向东。因而东部出现彩虹,说明云雨在东部,一般不会向西移动,本地不会再有降水;西部出现彩虹,说明云雨在西部,一般会向东移动,本地会有降水。所以就有了“朝(zhāo)隮(jī)于西,崇朝其雨”,这是三千年前民间积累起来的经验,近代成为天气农谚“东虹日头西虹雨”。

观云识天,这是千百年来人类对天气变化的经验总结,具有丰富的科学内涵。中原地区总结出来的观云识天谚语数不胜数,如河南省民间的“天上钩钩云,地上雨淋淋”就是如此。钩钩云在大气科学中叫钩卷云,强烈的对流天气系统,常常能形成大范围的卷云。因此,钩卷云一旦出现,就预示着产生降水的天气系统即将来临。

气象不分地域和国界,大自然的很多规律是相通的,如河南省广为流传的“朝霞不出门,晚霞行千里”,在全国甚至日本也广为流传,而美国人则说“傍晚天空红,水手乐无穷”。又如“宝塔云,大雨淋”这句谚语,美国人则说“早上云如山,晚上雨成河”。

中原地区的天气谚语是先民长期看天获得的表象统计产物,隐含着某些云天变化的自然规律,在气象科学落后的过去,为预报天气、预测气候发挥过重要作用。由于气候变化、生态失衡、环境破坏,很多天气谚语已经不再适用。譬如,中原地区常说的“八月十五云遮月,正月十六雪打灯”,这是一个具有统计规律,带有一百八十天韵律的天气谚语,在往昔的岁月里比较准确,因而这句谚语在中原地区十分流行,然而近年来已经不灵验了。

随着气象科学的发展,现代气象预测、预报科学方法不断出现,天气谚语已经黯然失色,也就逐渐退出天气预报的历史舞台。

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上面说了这么多,我们还没谈论云是什么?

站在山下看山头,山头白云缭绕,然而到达山顶时却是一片雾海。如果乘坐飞机飞上蓝天,一旦飞机进入白云之中,也会像在山头上那种感觉,像是进入茫茫的浓雾之中。天空的云就像地面的雾,云通常不接触地面,接触地面时则称为雾。云是由许许多多微小的云粒、水滴、冰晶和灰尘组成的,是悬浮在大气中的可见聚合体。

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江河湖海的水面,以及土壤和动植物的水分,被蒸发到空中变成水汽。水汽从蒸发表面进入低层大气后,低层的气温较高,大气压力也大,所容纳的水汽较多。如果这些湿热的空气被抬升,温度和气压就会逐渐降低,空气上升时将膨胀而冷却,饱和水气压也随着降低,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。如果空中的气温高于摄氏零度,则多余的水汽就凝结成小云滴或者小水滴;如果气温低于摄氏零度,则多余的水汽就凝化为小冰晶,也会形成过冷水滴(高空零度以下依然有不结冰的液态水,这就是过冷水)漂浮在空中的这些小云滴、小水滴和小冰晶逐渐增多,并达到人眼能辨认的程度时,就形成了云。

云是地球上庞大水循环有形的结果,形成于当潮湿空气上升并遇冷时的区域。水汽是大气中唯一能发生相态变化的成分。正是这种相态的变化,才形成了露、霜、云雾、雨雪等五彩缤纷的天气现象。

云天观测是天气预报的重要依据。云的生成和增长是十分复杂的物理过程,它是依据当时大气中温度、湿度、气流、冰晶、凝结核数量的多少等诸多因素相互作用,从而形成了绚(xuàn)丽多彩的云。云的生成、宏观特征、云量的多少、在天空中分布情况和演变,都能够显示出当时大气运动、稳定程度和水汽状况,也是预示未来天气演变的主要征兆之一。

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云对航空飞行也有着直接影响。飞机起飞着陆、飞行高度、航线选择等,都需要充分考虑飞行区域内云的水平分布、厚度、云底高度、积冰层、雷电区域,以及风切变等。另外,在人工增雨和人工消雹时,也要根据云的各种物理参数决定所采取的人工催化方法。正是:

不停幻化有生消,未见苍龙在弄潮。

多谢好风吹起后,化为甘雨济田苗。

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下面谈云的分类

1957年以前,云的国际分类方法是,按照云的外形及云底高度,将云分成四族十属,每属分为若干亚属、种、类等。其实,云的分类有多种标准,于是也就有多种分类。譬如,根据云的形成条件,中纬度地区可将云分为积状云、层状云和波状云。

首先谈积状云。

积状云是由空气对流形成的云,为垂直向上发展的直展云,顶部呈圆弧形或圆拱形重叠凸起,底部几乎水平,云体边界分明,云块之间多不相连,水平范围小。积状云可分为三种类型:淡积云、浓积云、积雨云。

淡积云是积状云发展初期形成的云,单体或成群分布在空中,宽度大于高度,晴天多见。淡积云继续发展,可形成浓积云。

浓积云云体高大,云顶呈重叠的圆弧形凸起,高度可达35千米或以上,云顶由许多此起彼伏的云泡组成,呈圆拱形,很像花椰菜。

积雨云由浓积云发展而来。云体浓厚庞大,垂直发展旺盛,很像耸立的高山,顶部已冰晶化,呈白色毛丝般光泽的丝缕结构,云顶随云的发展逐渐展平成砧状或马鬃状。积雨云常伴有雷电、大风、暴雨和冰雹。

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再来谈层状云。

层状云呈均匀幕状,由稳定气层中大范围空气缓慢斜升形成,常出现在锋面上,水平范围可达数百千米,甚至数千千米。云系的底部同倾斜的冷暖空气交界面大体一致,顶部近乎水平。层状云包括卷层云、高层云、雨层云和层云。

卷层云为白色透明的云幕,有时云的组织薄得几乎看不出来,透过云层可见乳白色天空,日月透过云幕时轮廓分明,地物有影,常有晕环。有时丝缕结构隐约可辨,好像乱丝一般。卷层云逐渐增厚,高度降低,并继续发展,预示将有天气系统影响本地,故有农谚“日晕三更雨,月晕午时风”。反之,卷层云云量逐渐减少,未来的天气将无大变化。

高层云为带有条纹或纤缕结构的云幕,颜色灰白或灰色,有时微带蓝色。云层厚度多在15003500米之间,可部分或全部布满天空。高层云可分为透光和蔽光高层云。透光高层云如果逐渐增厚,612小时可有小雨或小雪产生。蔽光高层云厚薄不均,厚的部分看不见日月。

雨层云是厚而均匀的降水云层。云底高度通常在6002000米之间,云层厚度一般为30006000米。

层云是低而均匀的云层,云底距地面仅几十米至几百米,厚度一般在400500米之间,常可将小山或高建筑物的顶部淹没,像雾但不接地。

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再谈波状云。

波状云是由大气中波动气流形成的云。在波动层内,水汽充沛时,波峰处因空气上升冷却凝结成云,波谷处因空气下沉增温无云形成或使云蒸发变薄,从而形成波浪状排列的云条或云层。当同时产生于两个方向不同的气流波动时,由于波的互相干涉,云便分裂成孤立的扁球状或块状,成行成列规则排列。卷积云、高积云和层积云均为波状云,由不同高度的波动气流形成。

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另外,还有特殊云。

特殊云包括荚状云、堡状云和絮状云。

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●下面谈一谈天气系统里的云

现代天气预报开始于天气图的诞生。早在1820年,德国绘成了世界上第一张历史天气图。1851年,英国展出了第一张用电报收集各地气象观测资料而绘制的地面天气图。但是,真正推动天气图得到快速发展和业务应用的原因,却是18531856年争夺巴尔干半岛的一次战争。

18531856年,为争夺巴尔干半岛,发生了沙皇俄国与土耳其、英国、法国和撒丁五国的战争。18541114日,法联军对敌形成了包围了,陆战队准备在港湾地区登陆。然而当时一场风暴突然袭来,黑海海面上掀起了滔天巨浪,风力达1112级,法国军舰“亨利四号”沉没于黑海北部的佛斯陀,法联军几乎全军覆灭。

事后,法国作战部要求法国巴黎天文台研究这次风暴。那时还没有电话,台长勒佛里埃写信给各国的天文气象学家,收集18541112165天内的气象情报。这一行动得到科学家们的大力支持,他一共收到250封回信。勒佛里埃依据这些资料,绘制了5张逐日天气图。经过认真分析,发现这次风暴是由一个低压引起的。这个低压开始出现在洲西部大西洋上,以后自西向东南移动,出事前两天,即1112日和13日,西班牙和法国西部已受其影响,14日就东移到了黑海地区,造成法国军舰的沉没。

这次绘制的天气图在法国乃至世界各国引起强烈反响。1856年,法国组建了世界上第一个利用有线电报通信的正规天气预报业务系统。受其影响,此后许多国家也陆续建立起天气观测点网,开始绘制天气图,从此拉开了天气学发展的序幕。

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伴随着天气图的出现,天气学的理论也在不断发展。20世纪初,有了气团和锋的概念,以及锋面气旋的理论。这些理论成为现代天气预报理论的基础之一,不仅丰富了天气图的内容,而且使连续的天气图变成了能反映气团、锋面和气旋等天气系统变化、移动的“连续剧”。只要跟踪观测和分析这些多变的天气系统,就可以进行13天的天气预报,从而成为天气预报发展史上的一个里程碑。

通过研究,将天气系统分为大尺度、中尺度和小尺度三类。有了各种天气系统之后,按照成因云又可分为:锋面云、气旋云、地形云、对流云、平流云等。

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首先谈锋面云系。

所谓锋面,就是冷暖气团之间的狭窄、倾斜过渡地带。因为不同气团之间的温度和湿度有相当大的差别,而且这种差别可以扩展到整个对流层,当性质不同的两个气团在移动过程中相遇时,它们之间就会出现一个交界面,这个交界面就叫锋面。锋面与地面相交而成的线,叫做锋线。一般把锋面和锋线统称为锋。

由于锋两侧的气团性质有很大差异,所以锋附近空气运动活跃,在锋中有强烈的升降运动,气流极不稳定,常造成剧烈的天气变化。锋自地面向高空冷气团一侧倾斜,锋在近地面的宽度只有几十千米,到高层可达到200400千米。锋的长度一般可有几百千米到几千千米,垂直方向可伸展十多千米。锋可分为冷锋、暖锋、锢囚锋、准静止锋。

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冷锋:锋面在移动过程中,冷气团起主导作用,推动锋面向暖气团一侧移动。冷锋过境时,我们看到的云依次为:雨层云、高层云、高空是卷层云、低空是积云、卷云。冷锋过境时,冷气团逐渐占据原来暖气团所在的位置,气温下降,气压上升,天气由晴突然转阴,伴有降水,然后由阴逐渐转晴。

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暖锋:锋面在移动过程中,暖空气起主导作用,推动锋面向冷空气一侧移动。暖锋过境时,我们看到的云依次为:卷云、高层云、低空有积云、雨层云。暖锋过境时,暖气团逐渐占据原来冷气团所在的位置,气温上升,气压上升,天气由晴逐渐转阴,伴有降水,然后由阴很快转晴。暖锋云系解释了天气谚语“天上钩钩云,地上雨淋淋”的科学原理。

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锢囚锋:暖气团、较冷气团和更冷气团三个性质不同的气团相遇时,先后构成的两个锋面,然后其中一个锋面追上另一个锋面,即形成锢囚。锢囚锋过境时,我们看到的云依次为:低空有积云、高空有高层云、雨层云、层积云。锢囚锋过境时,天气由晴转阴,伴有降水,然后由阴转晴。

准静止锋:当冷暖气团势力相当,锋面移动很慢时,称为准静止锋。事实上,绝对的静止是没有的。在这期间,冷暖气团同样是互相斗争着,有时冷气团占主导地位,有时暖气团占主导地位,使锋面来回摆动,云系多变。

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其次谈气旋云。

温带天气系统在近地面主要表现为气旋和反气旋。中纬度的气旋由于南北方温差较大,故多为锋面气旋。锋面气旋是一个逆时针旋转的涡旋,中心气压最低,它是温带地区产生较大范围云雨天气的主要天气系统。温带反气旋对中国冬季的天气会产生重要影响,它在高空气流引导下一次次发展东南移,可造成大范围的冷空气活动甚至寒潮。

气旋过境时,我们看到的云依次为:卷云、卷层云、高层云、雨层云、高层云、高积云、积雨云等。

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第三谈地形云。

地形作用也能形成云,这种云被称为地形云。地形云一般没有固定形状,可以归入各云族中去。但是,也有少数形态独特的云不适合归入各云族中去。比如,有一种出现在山巅的波状云,云体颜色洁白,形体独特,被称为天然艺术品。还有一种浪涛状的地形云,暗黑色的浪涛像大海里的浪花滚滚推进。

气流越过山地的时间较短时,地形云未能形成降水,这是由于云中缺乏冰核,所以人工影响这种云,往云里面播撒催化剂,往往能起到人工增雨的目的。

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第四谈对流云。

对流云是由于热力原因或动力原因在不稳定的大气层内产生对流所形成的积状云。热力对流形成的云体孤立分散,具有明显的日变化;动力对流形成的云体往往成长条状分布,一天中任何时刻均可出现。

对流云主要是积雨云,由浓积云发展而来,其云底较低,距地面不超过1500米,云顶的高度较高,在其内部具有剧烈的气流垂直运动。出现积雨云时,会带来雷电、狂风及阵性降水,有时甚至会产生短时强降雨、冰雹、龙卷风等灾害。

中原地区的对流云通常出现在夏季的午后。对流云可分为雷雨云和冰雹云两种,卷云也属于对流云。雷雨云由积云发展而来,经常造成各种强对流天气。冰雹云由积云发展而来,经常造成雹灾。卷云是温和的对流云,不会造成灾害。

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第五谈平流云。

平流云是指当气团经过一个较冷的下垫面(如冷水湖)时所形成的云。这是一种以成因定名的云。

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●今日河南气象测报

为了减轻天气和气候极端事件的危害,提高抵御气象灾害的能力,新中国成立后,河南气象观测得到了长足发展。1985年底,全省拥有1个基准气候站,17个国家基本站,104个气候站,4个农业气象试验站,共有127个气象台站,组成了气象台站网,气象观测实现了规范化、制度化,气象观测资料具有较高的准确性、连续性和可比性。

经过三十多年的改革开放,河南省气象观测、探测上了新的台阶。目前,河南省共建有121个国家地面气象台站,其中基准气候站3个,基本气象站17个,一般天气站101个。还建有太阳辐射站3个,酸雨观测点18个,土壤湿度观测点163个,多普勒雷达站7个,3个高空气象探测点,布设单要素、26要素自动气象(雨量)站2500多个。除此之外,还可以实时接受国家极轨和静止气象卫星资料。气象观测分为地面气象测、高空气象探测,还有气象雷达和卫星探测等。

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气象人之歌

是谁日夜守望着云天?

测报雨雪阴晴冷暖,

日日月月岁岁年年。

风雨交加雷鸣伴电闪,

漫卷冰雪数九冬严寒,

守望云天忘我做奉献。

那是气象人的身影,

造福人类是夙愿,

气象精神谱写新诗篇、诗篇……

 

是谁千古守望着云天?

甲骨文测天有遗篇,

农耕观天文明璀璨。

天文气象科学初萌芽,

物候节气历法紧相连,

人类探求和谐大自然。

那是气象人的身影,

古往今来未等闲,

气象文化谱写新诗篇、诗篇……

 

是谁至今守望着云天?

追求卓越服务理念,

心系民生经济发展。

趋利避害家国万民福,

防灾减灾重任担在肩,

开拓创新为民把天观。

那是气象人的身影,

继往开来永向前,

气象事业谱写新诗篇、诗篇……

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