高中地球科學/天氣預報

天氣預報比以往任何時候都更準確。根據世界氣象組織（WMO）的資料，如今的 5 天天氣預報與 20 年前的 2 天天氣預報一樣可靠！這是因為氣象學家現在使用先進技術收集天氣資料，以及世界上功能最強大的計算機。資料和計算機共同構建了複雜模型，更準確地反映了大氣狀況。這些模型可以程式設計以預測大氣和天氣將如何變化。儘管取得了這些進展，但天氣預報仍然經常不準確。天氣非常難以預測，因為它是一個非常複雜和混亂的系統。

課程目標

列出氣象學家用來收集天氣資料的一些儀器。
描述這些儀器是如何被用來從許多地理位置和許多海拔高度收集天氣資料的。
討論衛星和計算機在現代天氣預報中的作用。
描述氣象學家如何制定準確的天氣預報。

收集天氣資料

要進行天氣預報，必須瞭解該地點及其周圍地區的大氣狀況。必須測量溫度、氣壓和大氣中的其他特性，並收集資料。溫度計測量溫度。一種方法是使用對溫度敏感的材料（例如水銀），將其放置在長而窄的管子中，管子有一個燈泡。當溫度升高時，水銀膨脹，導致它在管子中上升。低溫導致水銀收縮，使水銀在管子中的液麵下降。溫度計外側的刻度與氣溫相對應。

由於水銀有毒，大多數氣象溫度計不再使用燈泡中的水銀。測量溫度的方法有很多。一些數字溫度計使用由兩種金屬製成的螺旋線圈，每種金屬的導熱方式不同。隨著溫度升高和降低，線圈展開或卷得更緊。其他現代溫度計測量紅外輻射或電阻。現代溫度計通常會生成數字資料，可以直接輸入計算機。

氣象學家使用氣壓計來測量氣壓（圖 16.38）。氣壓計可能含有水、空氣或水銀。與溫度計一樣，氣壓計現在大多是數字化的。氣壓測量值經過校正，以使數字顯示為氣壓計位於海平面時的數值。這意味著只測量氣壓，而不是測量海拔對氣壓的影響。

氣壓變化表明天氣即將發生變化。如果氣壓升高，則高壓系統即將到來，預計將出現晴朗的天空。如果氣壓下降，則低壓系統即將到來，可能會帶來風暴雲。較大區域的氣壓資料可用於識別氣壓系統、鋒面和其他天氣系統。

其他儀器測量大氣中的不同特性。下面列出了一些這些儀器及其測量的指標。

風速計：風速
溼度計：溼度
風向標：風向
雨量計：一段時間內的液態降水量
雪量計：一段時間內的固態降水量

這些儀器被放置在不同的位置，以便它們可以檢查該位置的大氣特性。氣象站分佈在陸地、海洋表面和環繞地球的軌道上（圖 16.39）。根據 WMO 的資料，天氣資訊來自 15 顆衛星、100 個固定浮標、600 個漂流浮標、3,000 架飛機、7,300 艘船和大約 10,000 個陸地站。

儀器也被送入充氦氣或氫氣的氣象氣球中。當氣球升入高層大氣時，氣球中的氣體膨脹，直到氣球破裂。氣球破裂的具體高度取決於氣球的直徑和厚度，但通常約為 40 公里（25 英里）。飛行時間通常約為 90 分鐘。氣象氣球旨在只使用一次，它們攜帶的裝置通常不會被回收。

**圖 16.40**：帶有無線電探空儀的氣象氣球。無線電探空儀是底部部分，降落傘在它上面，用於將其帶到地面。

氣象氣球包含無線電探空儀，用於測量大氣特性，例如溫度、氣壓和溼度（圖 16.40）。飛行中的無線電探空儀可以被追蹤，以獲得風速和風向。無線電探空儀使用無線電將它們收集的資料傳送到計算機。

無線電探空儀每天兩次（世界協調時 0000 和 1200；世界協調時與格林威治標準時間相同，即英國格林威治城市的時間）從全球大約 800 個站點發射，以提供穿過大氣的剖面。在需要進行特殊專案時，會進行特殊發射。無線電探空儀可以從氣球或飛機上釋放，以便在墜落時進行測量。例如，這樣做是為了監測風暴，因為風暴對飛機來說是危險的飛行區域。

天氣資訊也可以來自遙感，特別是雷達和衛星（圖 16.41）。雷達代表無線電檢測和測距。在雷達中，發射器發出無線電波。無線電波從最近的物體反彈回來，然後返回接收器。天氣雷達可以感知降水的許多特性：其位置、運動、強度以及未來降水的可能性。大多數天氣雷達是多普勒雷達，它還可以追蹤降水的速度。雷達可以描繪出風暴的結構，並據此估計其產生惡劣天氣的可能性。

氣象衛星自 1952 年發射第一顆氣象衛星以來，已成為越來越重要的天氣資料來源。氣象衛星是監測大型系統（如風暴）的最佳方式。衛星還可以監測火山噴發的灰燼擴散、火災產生的煙霧以及汙染。它們能夠記錄長期變化，例如北冰洋每年 9 月的海冰量。

氣象衛星可以觀察電磁頻譜中所有波長的所有能量。最重要的是可見光和紅外（熱量）頻率。可見光影像記錄我們看到的影像，包括風暴、雲層、火災和霧霾。紅外影像測量熱量。這些影像可以記錄雲層、水和陸地溫度以及海洋特徵，例如洋流。厄爾尼諾等天氣模式在赤道太平洋的紅外影像中得到監測。

兩種型別的氣象衛星是地球靜止軌道衛星和極地軌道衛星（圖 16.42）。地球靜止軌道衛星以與地球自轉相同的速度繞地球執行；因此，它們以約 36,000 公里（22,000 英里）的高度固定在赤道上空的一個位置。這使得它們能夠持續監測其所在的半球。一顆地球靜止軌道衛星被定位以監測美國，將能夠持續觀察美國本土以及太平洋和大西洋，尋找颶風和其他潛在的危害。

極地軌道衛星在較低的大氣層中執行，高度約為 850 公里（530 英里）。它們不是靜止的，而是不斷地繞極地執行，每天大約在同一時間經過同一點兩次。由於這些衛星高度較低，因此它們可以更詳細地觀察地球。

預測方法

有許多方法可以建立預測，有些方法很簡單，有些方法很複雜。有些方法只使用當前的本地觀測結果，而另一些方法則處理來自許多不同時間地點的大量資料。下面討論了一些預測方法。

也許最簡單的天氣預報方法是“持續性”方法。在這種方法中，我們假設明天的天氣會像今天一樣。如果一個地區處於靜止的氣團之下，或者天氣每天都保持一致，那麼持續性方法效果很好。例如，南加州的夏季通常都是溫暖晴朗的，因此這是一個相當安全的預測。持續性方法也可以用於長期預測，在這些預測中，一個溫暖乾燥的月份可能會導致另一個溫暖乾燥的月份，就像南加州的夏季一樣。

“氣候學”方法假設某一天的天氣狀況與往年同一天相同。這種方法往往不太準確。例如，優勝美地國家公園的某年元旦可能下雪，而下一年的元旦則可能是陽光明媚，氣溫相對溫暖。使用“趨勢”方法時，預報員會檢視其位置上風方向的天氣狀況。如果冷鋒正以一定的速度向其位置移動，他們會計算出冷鋒到達的時間。當然，冷鋒可能會減速、加速或改變方向，導致它延遲到達、提前到達、加強或減弱，甚至根本不會到達。當預報員發現某種天氣模式時，他們會使用“類比”方法。就像類比將兩個相似的事物進行比較一樣，如果上週某種大氣環流模式導致了某種型別的天氣，預報員就會假設本週相同的模式將導致相同的天氣。模式可能存在很多變化，並且變化經常發生，因此這種方法也不完全準確。

數值天氣預報

最準確的天氣預報是由先進的計算機做出的，經驗豐富的預報員會對其進行分析和解讀。這些計算機擁有最新的數學模型，可以利用比科學家使用地圖和計算器所能處理的更多的資料，進行更多計算。氣象學家可以使用這些結果提供更準確的天氣預報和氣候預測。

在數值天氣預報（NWP）中，來自多個來源的大氣資料被輸入到運行復雜數學模型的超級計算機中。這些模型隨後會計算在不同高度的網格狀等距位置上，隨著時間推移將發生什麼情況。網格點之間的距離通常在 10 到 200 公里之間。使用模型計算的結果，程式會將天氣預測到更遠的未來。然後，它會使用這些結果將天氣預測到更遠的未來，以此類推，直到氣象學家想要預測的距離。最終的預報被稱為 **預報圖** 或 **預報**。

某些型別的預報在預測特定型別的天氣方面更有效，經驗豐富的預報員知道應該使用哪種預報來預測不同型別的天氣。除了預報外，科學家還會使用上面提到的其他預報方法。由於有大量資料可用，氣象學家會使用計算機系統進行資料處理、儲存、顯示和通訊。一旦做出預報，就會透過衛星傳播到全球 1000 多個地點。

NWP 生成最準確的天氣預報，但正如大家所知，即使是最優秀的預報也不總是準確的。以下列出了造成這種情況的一些原因。

最初輸入程式的資料不足。這種情況最有可能發生在海洋附近或偏遠地區。
計算機程式對大氣執行方式做出了一些假設，這些假設可能並不總是正確的。
這些程式只處理區域性天氣，這意味著研究區域邊緣可能會出現誤差。全球模型會更加準確，但要製作一個全球模型需要進行難以置信數量的計算。
天氣系統可能太小，無法顯示在網格上。如果一個系統很小，例如雷暴，它就不會被建模。如果網格點之間的距離縮小，則需要更多計算，因此需要更強大的計算機。
條件可能總是會不可預測地發生變化。天氣是一個混沌系統，總會出現一些小而不可預測的事情。模型試圖預測的時間越遠，就會出現更多不可預測的事情來改變預報。

天氣圖

**天氣圖** 簡單直觀地描繪了大氣中的氣象條件。天氣圖可能只顯示大氣的一個特徵，也可能顯示多個特徵。它們可以顯示來自計算機模型或人工觀測的資訊。天氣圖出現在報紙、電視和網際網路上。

在一個天氣圖上，每個氣象站都會標註重要的氣象條件。這些條件可能包括氣溫、當前天氣狀況、露點、雲量、海平面氣壓以及風速和風向。在天氣圖上，氣象學家會使用許多不同的符號。這些符號為他們在圖上快速輕鬆地新增資訊提供了一種簡便的方法。圖 16.43 展示了其中一些符號，圖 16.44 解釋了它們的含義。

雨
小雨	中雨	大雨	小雨陣雨	中雨陣雨	雷暴	大雨雷雨
毛毛雨			凍雨		雨夾雪
小雨	中雨	大雨	小雨	中雨	小雨	中雨
雪
小雨	中雨	大雨	小雨陣雨	中雨陣雨	冰雪針	冰雪丸
霧				塵埃
霾	薄霧	區域性	連續	小雨	大雨	雷雨 & 塵埃
圖 16.44：可以使用天氣符號表示的不同型別的天氣。

一旦標註完條件，就可以連線具有相同值的點。這就像地形圖上的等高線一樣，將所有位於一定高度的點連線起來。

天氣圖可以有多種型別的連線線。例如

等溫線是指連線具有相同氣溫的點的線。等溫線顯示了溫度梯度，可以指示鋒面的位置。0°C（32°F）等溫線將顯示降雨可能讓位於降雪的地方。
**等壓線** 是連線海平面處平均氣壓相同的點的線。封閉的等壓線表示高壓和低壓氣壓系統的區域。高壓系統用 **H** 表示，低壓系統用 **L** 表示。通常，一條粗的棕色虛線會被放在一個長低壓槽的內部。
**等風速線** 是連線風速相同的點的線。當風速最小值出現在高層大氣中時，可能會形成熱帶氣旋。最高風速可以用來確定急流的位置。

地面天氣分析圖是隻顯示地面條件的天氣圖（圖 16.45）。這些地圖顯示了海平面平均氣壓、溫度和雲量。這些資訊將揭示高壓和低壓氣壓系統等特徵。

天氣圖還可以描繪高空的氣象條件。航空圖顯示了高層大氣中的氣象條件，尤其是對飛行員有用的氣象條件。這些條件包括當前天氣、雲量以及可能形成冰的區域。

課程總結

天氣預報比以往任何時候都更加準確。無線電探空儀和氣象氣球等較老的儀器和資料收集方法仍在使用。
如今，這些技術與衛星和計算機相結合，產生了更加詳細和準確的預報。
儘管如此，預報往往是錯誤的，特別是那些預測未來幾天天氣的預報。
氣象學家正在努力改進提前一到兩週預測潛在危險天氣的預報。

複習題

您預計在氣象站會發現哪些型別的儀器，這些儀器測量什麼？
溫度計是如何工作的？
單個氣象站的氣壓計如何用來預測即將到來的風暴？
為什麼氣象氣球對天氣預報很重要？它們提供了哪些其他方式無法獲得的資訊？
雷達是如何工作的，它在天氣預報中有什麼價值？
監測可能在美國造成問題的氣旋時，最好使用哪種型別的天氣衛星，為什麼？
假設您的老師讓您預測明天的天氣情況。您可以到外面去，但不能使用電視或電腦。您將使用什麼方法？
假設您需要預測明天的天氣，您只能使用電話，而不能使用其他電子裝置。您會給誰打電話，會使用什麼方法？
好的，現在您需要預測明天的天氣，您可以使用電子裝置，但不能檢視天氣預報。也就是說，您可以檢視天氣圖和雷達影像等資訊，但不能檢視氣象學家的解釋。現在您使用什麼方法？
預報沒有降雨，但現在正在下雨。NWP 天氣預報是如何錯過這場降雨的？
為什麼說天氣是一個混沌系統？這對預測天氣有什麼影響？

詞彙

氣壓計: 測量大氣壓力的儀器。
等壓線: 連線氣壓相同的點的線。
等風速線: 連線風速相同的點的線。
等溫線: 連線氣溫相同的點的線。
預報圖（預報）: 一張顯示未來某個時間大氣狀態的圖。
雷達: 無線電探測和測距裝置，發射無線電波並在無線電波反彈到最近的表面後接收這些無線電波。這會建立風暴和其他附近物體的影像。
無線電探空儀: 一組測量大氣特徵（溫度、氣壓、溼度等）的儀器，這些儀器隨氣流移動。
天氣圖: 一張顯示特定時間大範圍區域天氣狀況的地圖，它收集來自多個地點的資料。
氣象衛星: 人類製造的繞地球執行的物體，可以感知電磁波，主要是在可見光和紅外光譜中。
溫度計收集某個區域的熱量。

需要考慮的點

在如此先進的技術可用的情況下，氣象學家在建立準確的天氣預報中扮演什麼角色？
在如此先進的技術可用的情況下，為什麼天氣預報經常出錯？
你認為氣象學家需要哪些進步才能在重大天氣事件發生前一到兩週建立準確的天氣預報？

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