高中地球科學/天氣與大氣水
如果有人在全國各地問你今天的天氣怎麼樣，你需要考慮幾個因素。氣溫、溼度、風速、雲量和降水型別都是完整天氣報告的一部分。在本章中，你將更詳細地瞭解這些特徵中的許多。
- 討論天氣和氣候之間的區別。
- 描述氣溫與溼度之間的關係，包括露點概念。
- 列出不同雲型別的基礎知識以及它們表明的當前和未來天氣情況。
- 解釋不同型別的降水是如何形成的。
天氣是指特定時間特定地點大氣中的情況。天氣可能冷或熱，或溼或幹，並且會迅速變化。溫暖晴朗的一天可能迅速變成寒冷多風的一天，讓你希望你帶了外套。影響天氣的因素很多；一些例子包括一個地區的空氣溫度，是否有附近的第二個氣團，以及高壓和低壓氣旋的距離。一個地方的天氣取決於氣溫、氣壓、溼度、雲量、降水以及風速和風向，所有這些都與系統中的能量量及其位置直接相關。這種能量的最終來源是太陽。
氣候是某一地區長期天氣的平均狀況。某一地區的氣候是穩定的，變化非常緩慢。俄勒岡州的波特蘭氣候溫和潮溼，而阿拉斯加州的費爾班克斯氣候寒冷乾燥。波特蘭或費爾班克斯可能在 2 月份經歷溫暖晴朗的一天，但這不會改變它們的氣候。氣候是由許多因素決定的，這些因素與該地區長期存在的能量量有關。決定能量量的因素包括太陽的角度、雲量可能性、氣壓以及許多其他因素。
溼度是指特定地點空氣中的水蒸氣量。我們通常使用該術語表示相對溼度，即一定體積空氣中所含的水蒸氣量佔其最大容量的百分比。如果今天的溼度為 80%，這並不意味著空氣中 80% 的分子是水蒸氣。這意味著空氣中含有它在該溫度下所能容納的總水量的 80%。如果溼度上升到超過 100%，多餘的水分將從空氣中冷凝並形成降水。
溼度對天氣影響很大，對於天氣預報很重要。當溼度高時，更容易出現降水。高溼度和高溫的組合會威脅人們的健康。當氣溫和溼度都很高時，人們會感覺更不舒服。人和一些其他動物出汗來降溫；汗液蒸發時會散失熱量。但如果空氣已經飽和了水蒸氣，汗液就不會蒸發，人也無法降溫。他們只會感到又熱又汗，不舒服。
美國國家氣象局制定了熱指數（HI）。在 HI 圖表（表 16.1）上，人們可以根據已知的氣溫和溼度，看到體感溫度。例如，如果氣溫為 85°F，但溼度僅為 40%，體感溫度為宜人的 84°F。但如果氣溫為 85°F，但溼度為 90%，體感溫度為非常炎熱潮溼的 101°F。此資訊對於對戶外活動感興趣的人很有用。高溼度會導致中暑或熱射病等健康問題更快發生。
| 90% | 80% | 70% | 60% | 50% | 40% | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 80°F | 85 | 84 | 82 | 81 | 80 | 79 |
| 85°F | 101 | 96 | 92 | 90 | 86 | 84 |
| 90°F | 121 | 113 | 105 | 99 | 94 | 90 |
| 95°F | 133 | 122 | 113 | 105 | 98 | |
| 100°F | 142 | 129 | 118 | 109 | ||
| 105°F | 148 | 133 | 121 | |||
| 110°F | 135 |
由於溫暖的空氣比冷空氣能容納更多水蒸氣，因此升高或降低溫度會改變空氣的相對溼度（圖 16.1）。空氣飽和水分的溫度稱為空氣的露點。這個術語有意義，因為如果空氣在夜間冷卻並達到 100% 的溼度，水就會從空氣中冷凝成露水。
有時天空中有很多雲，有時你根本看不到任何雲。無論哪種方式，雲都會對天氣產生很大影響。雲以三種方式影響天氣：（1）阻止太陽輻射到達地面，（2）吸收從地面重新發射的熱量，以及（3）作為降水的來源。當沒有云時，保溫效果較差。因此，晴朗的白天可能非常熱，晴朗的夜晚可能非常冷。因此，多雲的日子往往比晴朗的日子溫度變化範圍小。
當空氣達到露點時，就會形成雲，即空氣飽和水蒸氣的溫度。這可以透過兩種方式發生。首先，空氣溫度可以保持不變，而溼度卻增加。這在溫暖潮溼的地方很常見。其次，溼度可以保持不變，但溫度卻下降。發生這種情況時，空氣最終會冷卻到足以達到 100% 的溼度，並形成水滴。空氣在接觸到冷表面或上升時會冷卻。上升的空氣可以形成雲的三種方式：（1）它可以在地面或地面附近被加熱，（2）它可以被推過山脈或山脈，或者（3）它可以被推過一塊冷而稠密的空氣。
大氣中的水蒸氣是不可見的，除非它冷凝成雲。水蒸氣會在塵埃、煙霧或鹽晶體等核周圍冷凝。這將形成一個微小的液滴。數十億個這些水滴一起構成了一朵雲。如果大氣非常冷，這些水滴會凍結成冰。大多數雲看起來是白色的，因為陽光會反射在水滴上。如果雲很厚，水滴會散射或吸收光線，更少的太陽輻射可以穿過它們。這就是為什麼暴風雨雲是深黑色或灰色的。
雲已被分類成多種方式。目前最常見的分類將雲分為四個不同的雲組，這些雲組是根據其高度來確定的（圖 16.2）。高雲，字首為“cirro-”，位於海拔 6,000 米（20,000 英尺）以上。中雲，字首為“alto-”，位於 2,000 至 7,000 米（6,500 至 23,000 英尺）之間。低雲，其名稱中包含“stratus”一詞，位於 2,000 米（6,500 英尺）以下。這些組中出現的每一朵雲都是分層的，它們水平生長。
| 高雲: | 卷積雲 (Cc) | 卷層雲 (Cs) | 捲雲 (Ci) |
| 中雲: | 高層雲 (As) | 高積雲 (Ac) | |
| 低雲: | 雨層雲 (Ns) | 層積雲 (Sc) | 層雲 (St) |
| 垂直雲: | 積雲 (Cu) | 積雨雲 (Cb) |
另一組雲，字首為“cumulo-”，描述的是垂直生長而不是水平生長的雲。這些令人印象深刻的雲的底部位於低空，頂部位於高空或中空。
高雲形成於空氣極冷且幾乎無法容納水蒸氣的地方。形成的冰晶會形成稀薄、飄渺的 **捲雲**（圖 16.3）。捲雲可能預示著暴風雨的來臨。
**卷積雲** 是小而白的蓬鬆雲團，像波紋一樣在空中起伏，通常排列成行。 **卷層雲** 是由冰晶組成的薄而白的雲層，與捲雲類似（圖 16.4）。卷層雲有時非常薄，除非被太陽或月亮照亮，否則很難看到。
中雲可能由水滴、冰晶或兩者組成，具體取決於氣溫。 **高積雲** 呈白色至灰色，像蓬鬆的條紋一樣在天空滾動（圖 16.5）。這種雲經常在雷暴之前出現。 厚而寬的 **高層雲** 為灰色或藍灰色。它們經常覆蓋整個天空，通常意味著一場大風暴即將來臨，並帶來大量降水。
低雲通常包含液態水滴，但在氣溫非常低的情況下也可能包含冰。 **層雲** 是覆蓋整個天空的灰色雲層（圖 16.6）。這些雲可能會產生持續的毛毛雨或霧，但不會帶來暴雨。 **雨層雲** 厚而暗。它們帶來持續的雨或雪。 **積層雲** 是排列成行的大而低矮的蓬鬆雲團，可能是白色或灰色。這些雲很少帶來降水。
當強烈的上升氣流向上流動時，雲層會垂直生長。 **積雲** 像白色或淺灰色的棉花，頂部高聳（圖 16.7）。在晴朗的日子，積雲可能會向上生長，但不會產生降水。 然而，在炎熱的夏季下午，積雲可能會像蘑菇一樣膨脹，形狀像花椰菜。 這些雲可能會產生小雨。
如果垂直氣流很強，積雲會向上生長，直到發展成 **積雨雲**（圖 16.8）。高聳、陰暗、不祥的積雨雲與閃電和強烈的雷暴有關。
霧是位於地面或接近地面的雲。當地面附近的潮溼空氣冷卻到露點以下時，就會形成霧。霧的形成方式不同於雲的形成方式。 有幾種型別的霧，每種霧的形成方式都不同。
**輻射霧** 在夜間晴朗且相對溼度高的條件下形成。 隨著地面冷卻，最底層空氣也隨之冷卻。最終，氣溫可能會降到露點以下。如果有一陣輕微的微風，霧就會被帶到高處。 輻射霧可以長到 30 米（100 英尺）厚。 日出後一到三個小時，輻射霧會隨著地面的升溫而消散。 加利福尼亞州中部山谷經常出現輻射霧，被稱為該地區的 tule 霧。 tule 霧非常濃，司機無法看到前面的汽車，他們的車燈只是反射在水滴層上。
加利福尼亞州舊金山以其夏季的 **平流霧** 而聞名（圖 16.9）。來自太平洋上空的溫暖潮溼空氣吹過近海的寒冷加利福尼亞洋流。 這將向東移動的空氣冷卻到露點以下，從而形成霧。 平流霧是由海風帶來的。 如果霧伴隨著輕微的風，較厚的一層空氣會冷卻，霧可以長到 600 米（2,000 英尺）厚。
**蒸汽霧** 出現在秋季或初冬，會使池塘或湖泊看起來像是在冒蒸汽。 當冷空氣移過仍然保持著夏季熱量的湖泊時，就會形成“蒸汽”。水從湖面蒸發，並在冷卻的覆蓋空氣中冷凝。 蒸汽霧很少很濃。
當溫暖潮溼的空氣沿著山坡向上移動並冷卻到露點以下時，就會形成 **逆溫霧**（圖 16.10）。
如你所知，降水是天氣中極其重要的組成部分。 降水最常見的形式是雨或雪，但也可能是雨夾雪、冰雹、露水或霜。 雨夾雪是雨和雪的混合物，通常在雪降落時部分融化時形成。 露水是在潮溼的空氣接觸到寒冷的表面（如地面或汽車擋風玻璃）並冷卻到露點以下時形成的。 霜在類似條件下形成，但當空氣冷卻到冰點以下時（圖 16.11）。
其他型別的降水來自雲層。 當雨滴或雪滴變得足夠重，足以從將它們托住雲層中的上升氣流中逃逸時，它們就會落下。 雨滴或雪滴最常見的生長方式發生在冷雲中，冷雲的溫度為 -10°C（14°F）或更低（圖 16.12）。 這裡，水蒸氣直接凝結成冰晶，隨著更多水蒸氣凝結在它們上面，冰晶會繼續生長。 當冰晶變得足夠重時，它們就會落下。 即使在落下時，冰晶也會收集更多水分。 如果氣溫很低，冰會以雪花的形式落到地面。 如果地面附近的氣溫高於 4°C（39°F），冰晶可能會融化並變成雨滴。 一百萬個雲滴才能合併成一個雨滴！
水也可以從暖雲中降水。 這裡也是如此，水滴被上升和下降的氣流困住。 隨著水滴在對流單元中移動，它會與其他小水滴發生碰撞。 在某個時刻，水滴會變得足夠大，能夠逃離對流氣流，並以雨的形式落到地面。 如果氣流非常強，水滴必須非常大才能落下。
如果雨滴穿過溫暖的空氣，但落在靠近地面的冷凍空氣層中，它就會凍結成一個小而透明的冰粒，稱為 **雨夾雪**。 雨夾雪通常與沒有凍結的液態水滴混合在一起，這些水滴從雲層中下降下來。 如果地面附近的寒冷空氣層不夠厚，無法讓雨滴在到達地面之前凍結，雨滴可能會在地面上凍結，形成 **雨凇**。 覆蓋樹枝的雨凇重量會使樹枝折斷。
**冰雹** 在具有強烈上升氣流的積雨雲中形成。 落入雲層的冰粒會被上升氣流捕捉，並在圍繞對流單元移動時不斷生長。 當它最終變得太重時，它就會落到地面。 雖然冰雹通常小於 1 釐米（約半英寸），但找到直徑為 5 到 10 釐米（2 到 4 英寸）的冰雹並不罕見（圖 16.13）。 歷史上測量的最大冰雹，直徑為 14 釐米（5.5 英寸），重 766 克（27 盎司），是 1970 年在堪薩斯州科菲維爾收集的。
- 氣溫會導致氣壓差異，從而形成對流單元。
- 對流單元中上升的空氣可能會冷卻到足以達到露點，如果溼度足夠高，就會形成雲層或降水。
- 如果較暖的空氣遇到較冷的地面，可能會形成雲層或霧。 氣溫、溼度也決定了形成什麼樣的雲層和降水。
- 這些因素在創造一個令人愉快或不舒服的日子中發揮作用，例如，天氣可能是溫暖乾燥或悶熱潮溼。
- 一份完整的的天氣預報需要包含哪些因素？
- 如果亞利桑那州鳳凰城在 6 月（通常天氣炎熱乾燥）經歷了一個涼爽潮溼的一天，這意味著該地區的氣候正在變化嗎？
- 回顧一下顯示體感溫度的表格。 以下哪一天大多數人會覺得更舒適：85°F，溼度 90% 或 90°F，溼度 40%？
- 當一團空氣達到露點時會發生什麼？ 發生這種情況的溫度是多少？
- 雲層對天氣有什麼影響？
- 你站在一個早上晴朗，下午有雷暴的地方。 一天都沒有風，所以雷暴直接在你頭頂形成。 描述一下這是如何發生的。
- 空氣上升形成雲層的三種方式是什麼？
- 雲層的四種不同型別是什麼？ 它們是如何分類的？
- 雨夾雪是如何形成的？ 雨凇是如何形成的？
- 什麼條件必須具備才能使巨大的冰雹生長並落到地面？
- 高積雲
- 呈灰色蓬鬆條紋狀的球形雲，在天空排列成行。
- 高層雲
- 比卷層雲更厚的雲；像灰色的面紗，可能會完全遮住太陽或月亮。
- 卷積雲
- 高空雲層，小而白，呈蓬鬆狀，排列成組或行。
- 卷層雲
- 薄而白色的面紗狀雲層，會在太陽或月亮周圍形成光環，但不會模糊其輪廓。
- 捲雲
- 高空飄渺的雲層，由冰晶組成。
- 雲
- 大氣中聚集在一起的微小的水或冰粒子。
- 積雨雲
- 高聳、黑暗的雲層，會產生雷暴。
- 露點
- 空氣中飽和水蒸氣的溫度，或空氣達到 100% 溼度的溫度。
- 雨凇
- 當雨夾雪或毛毛雨降落在寒冷的表面時形成的一層光滑透明的冰。
- 冰雹
- 僅在積雨雲中形成的冰塊或冰雪混合物。
- 體感溫度
- 一個將溫度和溼度影響結合在一起的測量值；體感溫度更準確地描述了實際感覺到的天氣狀況。
- 溼度
- 空氣中水蒸氣的含量，有時與相對溼度同義使用。
- 雨層雲
- 厚厚的、黑暗的、連續的、低層雲，帶來持續的降雨或降雪。
- 輻射霧
- 在寒冷無風的夜晚，熱量輻射導致形成的霧。
- 相對溼度
- 空氣中水蒸氣的含量相對於該溫度下空氣所能容納的最大水蒸氣含量。
- 雨夾雪
- 部分凍結的雨或部分融化的雪和冰。
- 高積雲
- 柔軟、球狀、低層雲，成群或成行排列，很少帶來降水。
- 層雲
- 連續的低層雲，可能產生毛毛雨，但不會產生大雨。
- 地形霧
- 由風吹過斜坡並冷卻形成的霧。
需要考慮的因素
[edit | edit source]- 在思考天氣時，你會認為周圍空氣中的哪些因素很重要？
- 氣溫、溼度和氣壓差異如何形成不同型別的天氣？
- 想想本課中描述的天氣型別。想象一下你從未體驗過的天氣型別，看看照片，問問住在其他地方的朋友和親戚他們的天氣情況。