安息日會青年榮譽解答手冊/自然/天氣 - 高階

天氣 - 高階
自然世界總會	技能等級 2
自然世界總會	介紹年份：1949 年

1. 擁有天氣榮譽。

在天氣章節中可以找到獲得自然榮譽的說明和技巧。

3. 什麼是冷鋒和暖鋒？它們如何移動，以及它們會產生什麼天氣狀況？

冷鋒

冷鋒的符號：一條藍色線，三角形指向移動方向。

冷鋒被定義為較冷、較乾燥的氣團的前緣。密度較大的氣團會插入密度較小的較暖氣團下方，將其抬升，當存在足夠的水汽時，這會導致形成一條狹窄的降雨和雷暴線。這種上升運動導致冷鋒沿線氣壓降低。在天氣圖上，冷鋒的地表位置用一條帶有指向移動方向的三角形/尖刺（小點）的藍色線來標記。冷鋒的移動速度可以達到暖鋒的兩倍，並且比暖鋒產生更劇烈的變化，因為冷空氣比暖空氣密度更大，它會迅速取代冷鋒邊界前的暖空氣。冷鋒通常伴隨著一條狹窄的降雨和雷暴帶。冷鋒通常與低氣壓區有關，有時還會伴隨暖鋒。

暖鋒

暖鋒的符號：一條紅色半圓指向鋒面移動方向。

暖鋒被定義為暖氣團的前緣。暖鋒的移動速度比通常在後面的冷鋒更慢，因為冷空氣密度更大，更難從地球表面移除。如果暖氣團是穩定的，暖鋒前面的雲層大部分是層狀雲，降雨量隨著鋒面臨近而逐漸增加。在鋒面本身，雲層可以到達地表，形成霧。通常，鋒面過後會出現迅速的晴朗和升溫。如果暖氣團不穩定，暖鋒前的層狀雲中可能會有雷暴嵌入，鋒面過後可能還會繼續出現雷陣雨。

在北半球，暖鋒通常導致風從東南轉向西南，而在南半球，則從東北轉向西北。

4. 解釋以下天氣狀況

a. 焚風

焚風，通常簡稱為“焚風”，是北美內陸西部加拿大草原和美國大平原與各種山脈交匯處的一種風。山脈東南部的卑詩省海岸和普吉特海灣地區，它是一種溫暖、潮溼的西南風，可能會帶來雨雪。山脈東北部，它是一種溫暖乾燥的風，因為它的路徑上被山脈剝奪了水分。

b. 信風

信風是地球赤道區域周圍的帶狀風模式。信風是熱帶地區的主要風向，從馬緯度的盛行氣壓區吹向赤道附近的低氣壓區。信風主要在北半球從東北吹來，在南半球從東南吹來。

c. 無風帶

無風帶更準確地被稱為赤道輻合帶 (ITCZ)。它也被稱為赤道鋒面、季風槽、赤道無風帶或赤道輻合區，是環繞地球赤道的一條低氣壓帶。它是由赤道上方和下方緯度溫暖潮溼的空氣垂直上升形成的。

空氣在哈德利環流的作用下被吸入赤道輻合帶，哈德利環流是大氣層的宏觀特徵，是地球熱量和水分分佈系統的一部分。它透過雷暴的對流活動被輸送到高空；赤道輻合帶的區域一年中降水量超過 200 天。

赤道輻合帶的位置隨時間變化。在陸地上，它隨著太陽的最高點來回移動，橫跨赤道。在海洋上，赤道輻合帶定義更清晰，季節性迴圈更微妙，因為對流受到海洋溫度分佈的限制。

有時，會形成雙赤道輻合帶，一個位於赤道以北，另一個位於赤道以南。當這種情況發生時，在兩個輻合帶之間會形成一個狹窄的高壓脊，其中一個通常比另一個更強。

赤道輻合帶位置的變化極大地影響了許多赤道國家的降雨量，導致熱帶地區出現旱季和雨季，而不是高緯度地區的冷季和暖季。赤道輻合帶的長期變化會導致附近地區發生嚴重乾旱或洪水。

在赤道輻合帶內，平均風力很小，這與赤道南北部的信風區不同。早期的水手將這片平靜地帶稱為無風帶，因為他們發現自己在這裡沒有風，而且停滯不前。在炎熱潮溼的氣候中，發現自己身處這個區域，在風是推動船隻橫渡海洋的力量的時代，可能會意味著死亡。

d. 龍捲風

龍捲風是劇烈旋轉的氣柱，它與積雨雲或（在罕見的情況下）積雲底部和地表相接觸。龍捲風大小不一，但通常呈現為可見的凝結漏斗，其窄端接觸地面，通常被碎屑雲包圍。

大多數龍捲風的風速不超過 177 公里/小時，寬度約為 75 米，並在消散之前移動數公里。有些龍捲風的風速超過 480 公里/小時，寬度超過 1.6 公里，在地面上持續 100 公里以上。

雖然在南極洲以外的每個大陸都觀測到過龍捲風，但大多數龍捲風發生在美國。

e. 颮線

颮線是一條強對流風暴線，可以在冷鋒附近或前方形成。在 20 世紀初，這個術語被用作冷鋒的同義詞。它包含強降水、冰雹、頻繁的閃電、強烈的直線風，以及可能出現的龍捲風和水龍捲。如果颮線顯示出線回波波形（LEWP）或呈弓形回波形狀，則可以預計颮線附近會出現強烈的惡劣天氣。

判斷颮線附近是否存在強烈的惡劣天氣的最佳指標是它是否轉變為線回波波形，或 LEWP。LEWP 是對流風暴線中的一種特殊配置，表明存在低壓區域，以及強風、冰雹和龍捲風的可能性。在 LEWP 的每個扭結處都存在一箇中尺度低壓區域。由於中尺度低壓區西南方非常強烈的流出，線狀的赤道方向部分向外凸出，形成弓形回波。這個凸起後面是中尺度高壓區域。

f. 颱風

颱風是一種起源於西太平洋的熱帶氣旋，風速超過 118 公里/小時。

熱帶氣旋是一個氣象學術語，指的是以低壓系統中心和雷暴為特徵的風暴系統，產生強風和洪水性降雨。熱帶氣旋以潮溼空氣上升時釋放的熱量為食，以及空氣中水蒸氣凝結時釋放的熱量。它們以與其他旋風風暴（如東北風、歐洲風暴和極地低壓）不同的熱量機制為動力，因此被歸類為“暖核心”風暴系統。

形容詞“熱帶”指的是這些系統的地理起源，它們幾乎完全形成於地球的熱帶地區，以及它們在海洋熱帶氣團中形成。名詞“氣旋”指的是這些風暴的旋風性質，在北半球逆時針旋轉，在南半球順時針旋轉。根據其位置和強度，熱帶氣旋被稱為不同的名稱，例如颶風、颱風、熱帶風暴、旋風風暴和熱帶低壓。

雖然熱帶氣旋會產生極其強烈的風和暴雨，但它們也能產生高浪和破壞性的風暴潮。它們在廣闊的溫暖水域上形成，如果它們移到陸地上，就會失去力量。這就是沿海地區會受到熱帶氣旋的嚴重破壞，而內陸地區則相對安全的原因。然而，強降雨會在內陸地區造成嚴重的洪水，風暴潮會導致沿海地區出現高達 40 公里的洪水。雖然熱帶氣旋對人類的影響可能是災難性的，但它們也能緩解乾旱。它們還將熱量和能量從熱帶地區帶走，輸送到溫帶地區，使它們成為全球大氣環流機制的重要組成部分。因此，熱帶氣旋有助於維持地球對流層的平衡，並保持全球相對穩定和溫暖的溫度。

許多熱帶氣旋是在大氣中微弱擾動周圍的大氣條件有利時形成的。其他熱帶氣旋是在其他型別的旋風獲得熱帶特徵時形成的。熱帶系統隨後被對流層中的引導風帶動；如果條件仍然有利，熱帶擾動會增強，甚至可能形成眼牆。另一方面，如果系統周圍的條件惡化或熱帶氣旋登陸，系統會減弱，最終消散。

g. 颶風

颶風是一種起源於大西洋的熱帶氣旋，風速超過 118 公里/小時。有關熱帶氣旋的更多詳細資訊，請參閱上面關於颱風的討論。

h. 暴風雪

暴風雪是一種嚴酷的冬季風暴天氣，其特徵是低溫、強風和暴風雪。暴風雪是在高壓系統（也稱為脊）與低壓系統相互作用時形成的；這導致空氣從高壓區平流到低壓區。新聞媒體有時會錯誤地將暴風雪一詞用於描述實際上不符合官方暴風雪標準的大型冬季風暴。

由於與冬季風暴分類相關的因素很複雜，因此對暴風雪一詞有很多不同的定義。一個主要的共識是，為了被歸類為暴風雪，而不是僅僅是冬季風暴，天氣必須滿足幾個條件：必須有降雪或吹雪、強風以及寒冷或下降的溫度。對於暴風雪的分類，具體需要滿足哪些測量標準取決於你所在的地區。

1880-81 年的冬天，在達科他州被稱為“嚴冬”，此後多年一直被人們提及。作家勞拉·英格爾斯·懷爾德在她的小說《漫長的冬天》中講述了這個冬天的故事，這是一個接連不斷的暴風雪，以及這場暴風雪對她的家人和周圍人的影響。這本書關於天氣描述的虛構成分很少。她講述了 1881 年 2 月，來自南達科他州德斯梅特鎮的兩個人去尋找據稱儲存在德斯梅特以南幾英里的麥子的故事是真實的（英格爾斯後來嫁給了其中一個人，阿爾曼佐·懷爾德）。當時人們推測，如果這兩位男子沒有找到並帶回小麥，居民們將會在 1881 年 4 月最終解凍之前餓死，解凍使鐵路恢復了運營。上面圖中被雪覆蓋的機車拍攝於 1881 年 3 月 29 日，地點是明尼蘇達州西部，距離德斯梅特不遠。

i. 冰暴

冰暴是一種以凍雨為特徵的冬季風暴。

當雨落在冰冷的地面上時，情況會變得危險。

冷雨碰到地面和其他表面就會結冰。這種凍雨會覆蓋所有東西，形成厚厚的、光滑的冰。結冰的路面變得很滑，很危險。駕駛變得極其危險，因為冰會導致大多數車輛打滑失控，從而造成毀滅性的車禍和連環追尾事故。行人也會受到嚴重影響，因為人行道變得很滑，會導致人們滑倒摔倒，戶外樓梯也會成為造成嚴重傷害的危險。

除了危險的駕駛/行走條件外，樹枝甚至整棵樹也可能因冰的重量而斷裂。倒下的樹枝會阻塞道路，拆除電力和電話線，並造成其他損害。即使沒有高處的樹枝，冰本身的重量也可能壓斷電線，甚至電線杆（即使是大型鋼架電線杆，也曾在冰的重量下倒塌）。這會導致人們斷電數天甚至數週。據大多數氣象學家說，只有四分之一英寸的冰積累就會給每條線的跨度增加大約 500 磅的重量。冰暴造成的損害非常有可能使整個大都市地區癱瘓。

5. 解釋記錄溫度計、記錄氣壓計、溼度計和風速計的作用。

記錄溫度計

記錄溫度計是一種可以測量給定時間內的最高和最低溫度的溫度計。它也被稱為 **最高最低溫度計**。它仍然被普遍使用，在需要簡單的方法來測量某個地點的溫度極端值的地方。

有許多方法可以構建記錄溫度計。電子溫度計可以簡單地在計算機記憶體中以數字方式記錄極端值。但是，在過去，這些方法並不常見，因此科學家們不得不提出機械方法來製造記錄溫度計。下面描述的一種方法是由詹姆斯·六氏發明的。

六氏溫度計由一個 U 形毛細管組成，有兩個獨立的溫度讀數，一個用於最高溫度，一個用於最低溫度。U 形管兩臂頂部都有燈泡。位於最低讀數刻度頂部的那個裝有酒精，另一個裝有真空或低壓酒精蒸氣。

在 U 形管的彎曲處有一段汞，它被第一個燈泡中酒精的膨脹和收縮推動在管中移動。是酒精測量溫度，汞指示兩個刻度上的溫度讀數。

在任何給定時間，汞的位置應該在最高和最低刻度上相同。如果不是，則儀器刻度未正確定位。

當汞移動時，它會推動兩個小的鋼製標記，這些標記被彈簧彈入管中。它們記錄汞在管兩臂中到達的最遠點。當溫度反轉，汞被酒精的膨脹或收縮推向相反方向時，彈簧標記會留在管中，停留在汞推動的最遠位置。因此，它們記錄了裝置自上次重置以來所經歷的溫度極值。

可以使用一個小磁鐵來重置標記，該磁鐵可以沿著管子拖動標記，使它們再次停留在汞的表面。在某些設計中，管子是水平的，標記沒有彈簧，因此裝置透過將它轉到垂直位置來重置，這樣重力就會將標記恢復到汞處。

重要的是要注意，酒精被用作測溫液體，而汞只用作指示器。

記錄氣壓計

氣壓計是一種記錄式無液氣壓計，用於測量氣壓。它會生成一張紙質或金屬箔圖表，稱為氣壓圖，記錄一段時間內的氣壓。

氣壓計使用一個或多個無液氣壓盒，透過齒輪或槓桿組驅動一個記錄臂，記錄臂的末端有一個刻刀或一支筆。刻刀在燻黑的金屬箔上記錄，而筆在紙上記錄。記錄材料安裝在一個圓柱形滾筒上，滾筒由鐘錶機構緩慢旋轉。通常，滾筒每一天、每一週或每一月旋轉一次，旋轉速度通常可以由使用者選擇。

溼度計

溼度計是用於測量溼度的儀器。一種簡單的溼度計被稱為“乾溼球溼度計”，它由兩個溫度計組成，一個包括幹球，另一個包括一個保持溼潤以測量溼球溫度的球。溼球的蒸發會降低溫度，因此溼球溫度計通常顯示的溫度低於乾球溫度計，乾球溫度計測量乾球溫度。然而，當空氣溫度低於冰點時，溼球會覆蓋著一層薄薄的冰，但可能比干球溫度高。相對溼度是根據乾球溫度計顯示的環境溫度以及溼球溫度計和乾球溫度計顯示的溫度差計算得出。相對溼度也可以透過在溼度圖上找到溼球和乾球溫度的交點來確定（見下文）。一種使用乾溼球法測量的裝置是揮動乾溼球溼度計，其中溫度計連線到一個手柄或繩子上，並在空氣中旋轉幾分鐘。

溼度圖。要閱讀，找到乾球溫度（垂直，藍色線）和溼球溫度（傾斜，藍色線）的交點，並從彎曲的紅色線上讀取相對溼度。點選放大

風速計

最簡單的風速計是杯式風速計，它由阿馬天文臺的約翰·托馬斯·羅姆尼·羅賓遜博士 (1846) 發明。它由四個半球形杯組成，每個杯子安裝在四個水平臂的一端，而四個水平臂又以相等的角安裝在一個垂直軸上。空氣以任何水平方向流過杯子，使杯子以與風速成正比的方式旋轉。因此，在設定的時間段內計算杯子的轉數可以得出各種速度的平均風速。

加拿大的約翰·帕特森在 1926 年開發的三杯式風速計以及隨後美國佈雷沃特和喬伊納在 1935 年對杯子的改進，導致了一種線性化的杯輪設計，其誤差小於 3%，最高可達 60 英里/小時。帕特森發現，當每個杯子與風流成 45 度角時，它產生的扭矩最大。三杯式風速計還具有更恆定的扭矩，並且對陣風的響應速度比四杯式風速計更快。

6. 正確閱讀美國國家氣象局釋出的每日天氣圖，解釋符號，並說明如何進行預測。

天氣圖是一種工具，用於快速顯示大氣各個層次各種氣象要素的分析結果。利用等溫線繪製的天氣圖顯示了溫度梯度，可以幫助確定天氣鋒的位置。等速線圖分析了等風速線，在 300 毫巴或 250 毫巴等壓面上顯示了急流的位置。基於各個層次風速的二維流線顯示了風場中風速的輻合和輻散區域，這有助於確定風型中特徵的位置。一種流行的地表天氣圖是地表天氣分析圖，它繪製了等壓線以描繪高壓區和低壓區。

風在天氣圖上繪製時有標準符號。一個多世紀以前，風被繪製成箭頭，箭頭一側的羽毛表示 5 節風速，而兩側的羽毛表示 10 節（19 公里/小時）風速。符號改為半個箭頭，半個風羽表示 5 節，一個完整的風羽表示 10 節，一個三角形旗表示 50 節。

等壓線分析涉及在地理地圖上構建等平均海平面氣壓線。最裡面的封閉線指示氣壓場中相對極大值和極小值的位置。極小值稱為低壓區，而極大值稱為高壓區。高壓區通常用“H”表示，而低壓區通常用“L”表示。低壓區的細長區域，或稱槽線，有時用粗棕色的虛線繪製在槽線軸線上。

7. 相對溼度和露點是什麼意思？

空氣中能容納的水量取決於溫度。溫度越高，空氣中能容納的水量就越多。在任何給定溫度下，空氣中都可能充滿水，無法再容納任何水分。在這種情況下，水不會蒸發。

空氣中實際含水量與空氣在該溫度下所能容納的最高水量之比就是相對溼度。當空氣中無法容納更多水時，相對溼度為 100%。

回想一下，暖空氣比冷空氣能容納更多水分。因此，如果在空氣中的水量保持不變的情況下溫度發生變化，溼度也會發生變化。隨著空氣的變暖，相對溼度會下降。隨著空氣的冷卻，相對溼度會上升。

露點是在假設空氣中水量保持不變的情況下，相對溼度達到 100% 的溫度。如果溫度降至露點以下，空氣將無法再容納所有水分，因此水分會以露水或霧的形式凝結出來。

8. 繪製大氣層的橫截面圖，顯示其五個層次並進行描述。

地球大氣層從上到下依次為外層、熱層、中間層、平流層和對流層。

外層

外層是大氣層的最外層。在地球上，外層與熱層之間的下邊界估計在地球表面上方 500 公里至 1000 公里處，其上邊界大約在 10,000 公里處。只有從外層，大氣中的氣體、原子和分子才能以任何可觀測的程度逸散到太空。外層中的主要氣體是最輕的氣體，主要是氫，以及一些氦、二氧化碳和外層頂附近的原子氧。外層是太空之前的最後一層。

熱層

熱層是地球大氣層中位於中間層之上、外層之下的層次。在這個層次中，紫外線輻射會導致電離。它是地球的第四個大氣層。

熱層始於地球表面上方約 80 公里處。在這些高海拔地區，殘餘的大氣氣體根據分子量分層排列。由於少量殘留氧氣吸收了高能太陽輻射，熱層溫度隨高度增加而升高。溫度高度依賴於太陽活動，可以上升到 2,000 攝氏度。輻射使該層中的空氣粒子帶電，使無線電波能夠反射並被接收超出地平線。

中間層

中間層是地球大氣層中位於平流層之上、電離層之下的層次。中間層位於地球表面上方約 50 公里至 80-90 公里處。在這個層次中，溫度隨高度增加而降低。該區域的主要動力特徵是氣象潮汐、內部大氣重力波（通常簡稱為“重力波”）和行星波。大多數這些波和潮汐是在對流層和下平流層激發的，並向上傳播到中間層。在中間層，重力波的振幅可能變得非常大，導致波變得不穩定並消散。這種消散將動量沉積到中間層，並在很大程度上推動了其全球環流。

平流層

平流層是地球大氣的第二層，位於對流層之上、中間層之下。平流層在溫度上是分層的，上層較暖，下層較冷。這與靠近地球表面的對流層相反，對流層上層較冷，下層較暖。對流層和平流層的邊界，即對流層頂，標誌著這種逆溫開始的位置，在熱力學方面，這是平衡層。平流層位於中緯度地區地表上方約 10 公里（6 英里）至 50 公里（31 英里）處，而在極地地區，平流層始於地表上方約 8 公里（5 英里）處。

對流層

對流層是地球大氣層的最底層。它包含了大氣層約 75% 的質量，以及幾乎所有的大氣水汽和氣溶膠。

對流層的平均深度在中緯度地區約為 11 公里。在熱帶地區，對流層更深（高達 20 公里），而在極地地區，對流層較淺（夏季約 7 公里，冬季不明顯）。

9. 記錄三週的每日天氣圖表。包括以下內容

此要求與探險家 AY 課程中的一個要求非常相似，不同之處在於探險家需要將這些記錄儲存一個月。請注意，一個月的記錄儲存時間完美地滿足了此要求，以及天氣榮譽要求的一週記錄儲存時間。如果您忘記記錄一天的記錄，不要絕望。只要您有 21 次讀數，就可以將其算作三週。

a. 降水量（從您自己製作的裝置或官方記錄中獲取此資料）。

如果您選擇在天氣榮譽中製作一個雨量計，您可以在此使用它。否則，您可以在許多地方線上找到官方記錄，包括天氣地下。輸入您的郵政編碼，所有必要的讀數將顯示（除了雲層形成）。

b. 氣壓讀數

如果您決定製作一個氣壓計，您可以使用官方讀數來校準它。

c. 雲層形成

記錄雲層型別（捲雲、層雲、積雲或雨雲）。

d. 最高溫度和最低溫度

除非你有一個記錄溫度計或能記錄每日極值的數字溫度計，否則你將不得不從官方記錄中獲取這些資訊。

e. 風速和風向

如果你自己製作了風速計，請注意讀數在一天中會有很大的變化。因此，如果你發現你的讀數與官方讀數不一致，不要灰心。

g. 天氣預報與實際發生情況的比較。

當你記錄當天天氣時，也記下預報。比較可以在第二天或三週期限結束後進行。

10. 討論人類對天氣影響。

人類對氣候的影響比對天氣更大。天氣是指每天的狀況，而氣候則是長期平均狀況。人類排放溫室氣體（如二氧化碳）已經並將繼續對全球氣候產生影響。這些變化影響降雨量（有些地區增加，有些地區減少）和風暴的嚴重程度。

還要注意，城市中的溫度總是比郊區的溫度高。這主要是由於鋪路面容易在白天吸收熱量，然後在晚上釋放熱量。

水壩會形成水庫，比河流自然流動時蒸發更多水分。這增加了溼度和降雨量。

參考資料