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天气的溯源

2023/5/5 来源:不详

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黄赤交角决定了地球不同纬度处,太阳照射的角度和地面接受的热量,当二十四节气定位了太阳直射地球的位置和时间,也就定量了某时某地,地表可辐射的空气范围、气流的方向和强度乃至具体的天气情况,然而节气与天气和物候,一直没能完全匹配。茶叶中,最典型的案例就是,同一茶园里,茶树每年春季的发芽时间只是一个大概的范围,并不确切。

古人尝试了各种方法来更准确地描述和预测天气,只是效果甚微。如干支年中,以奇数排序的干年为气太过(节气已至时间未到),偶数排序的干年为气不及(时间已到节气未至)。现代的人,也尝试了从气温、光照条件的变化,来描述、预测物候。

如果溯源气温、天气,太阳辐射的周期变化,算是首要源头,较易观察的因太阳自转出现的太阳黑子,其相对数的平均值所明显表现出的周期,最短为9.0年,最长为13.6年,平均11年左右,目前只知其活跃时会对地球的磁场产生影响。太阳自身之外,阻挡和吸收地区太阳辐射的因素,如火山喷发出的火山灰等,也会影响到气流运动和天气变化,此类地质灾害,完全是天气中的意外,虽然它自身有着积累和爆发节奏,但似乎很难看出什么年纪上的规律。

假设地面接收的太阳辐射量不变的话,天气作为气流运动的结果,就需要溯源气流的出处。而能影响天气的气流,主要在对流层的近地部分。

在对流层,气温随高度而下降,反之在平流层,气温会随高度而上升。

对流层的高压气流,受地球偏转力的影响,在纬度20-35度、30-65度、60度到极点范围,在气流方向基础上,发生垂直转向,可形成东风、西风和极圈环流三个比较实用的环流模型:

赤道到南北纬35度范围内,对流层下层,中低纬度地区的高压空气流向赤道地区,并偏转为东风。

南北纬30度到65度范围内,对流层下层,中低纬度高压空气向中高纬度处的副极地高压对流形成温带气旋,并偏转为西风。

赤道到南北纬65度范围的对流层上层,低纬度地区的高压空气流向高纬度区域,并偏转为西风。

南北纬60度左右处,西风爬升到极地高压冷空气上方后,冷却,下沉,成为极地环流的组成部分。

地球自转偏向力是由于地球自转而使地球表面运动物体受到与其运动方向相垂直的力。地转偏向力不会改变地球表面运动物体的速率(速度的大小),但可以改变运动物体的方向。

地球自转一周,在地表各处,所花时间相同,但因高纬度地区地表的纬线圈大,地表转速要高于低纬地区。气流、洋流、河流等跨越纬度时,因纬度方向的速度滞后或超速,就会出现偏转。

赤道高压空气在高空处向两极低压区移动,到南北纬30度附近处,受地球偏转力影响而向西偏转,堆积在高空后,被迫下沉,使近地面空气变成高压状态,即“副热带高压”。副高压借压力梯度,从近地面流向赤道低压区,被赤道地面烤热后,再次上升为赤道高压。这一环流随太阳直射于南北回归线间的周期运动,于一年中分布于赤道0°至南北纬的20~35°之间,被命名为哈德雷环流。

哈德雷环流的下层气流,就是从赤道两侧刮向赤道的东风、信风。海洋气温季节性升降幅度小,纬度温差较稳定,四季都能形成哈雷的环流,只是强弱不同。大陆夏季地表的高温,蒸腾空气上升形成高压,阻挡赤道高压的流动,只有冬季才能出现信风。

夏季大陆的高空,是类似赤道高压的环境,大陆高压流向极地和海洋低压,迫使近海高压空气向大陆近地面低压区流动,形成环流。在大陆内部,沙漠、城市热岛又与森林湖泽形成环流,地面环境的改变,对地区气候很有影响。

信风,英文名为tradewind。Trade这个词在现代英语中有贸易的意思,在中古英语中,相当于path、track的意思。其古意是“在常轨上的风”,现代意义是”贸易风“。

信风平均厚度在米左右,向纬度低、气温高的地带吹送,没有水汽凝结条件,属性干燥,世界上有些沙漠和半沙漠,多分布在信风带。来自赤道的高压在低纬度地区下沉时,升温的干燥大气,也会带来少雨而干旱的天气。

副热带高压空气,流向副极地低压区,于南、北半球纬度35°~65°之间的区域,在地转偏向力的作用下,偏转为西风。

西风在对流层的中上层更为明显,在中下层,因与极地高压的交锋,极易形成温带气旋,常常是一个气旋未完,另一个气旋已经生成。另外,近地面的西风,因从低纬度地区流向高纬地区,通常感觉较为“温暖”。

欧洲西临大西洋,地处北纬40°至60°的地区,常年受到来自大西洋的盛行西风带影响,由于地形平坦,对于西风带的阻挡较弱,形成了大范围终年温和湿润的“温带海洋性气候”。

纬度稍低一些的地中海沿岸地区,在冬季时由于气压带风带南移,也会受到盛行西风带的影响,使得地中海沿岸地区冬季气候温和湿润,成为世界上唯一的“冬雨型”、“地中海气候”。

东风和西风吹过海面,都会推进洋流运动,洋流随风进入不同气温的海域,会使当地海水温度、气压发生变化。高纬地区的西风,就推动海水形成了世界上最强劲的洋流“西风漂流”,南纬45度~60度附近洋流区域中,由于没有大陆,西风受到的摩擦力小,风力大多时候能达到10~12级,海水随西风流动极快,浪涌极高。

西风漂流有暖流也有寒流,北半球“温暖”的西风和西风漂流,使欧洲高纬度地区也有温暖的冬天。

在北半球,从大洋西部的低纬度流来的属于墨西哥湾暖流的延续,从太平洋低温度流来的属于日本暖流的延续。

在南半球,各大洋的西风漂流连在一起,形成了横亘太平洋、大西洋和印度洋的全球性环流,但其性质却为寒流。

可能是受信风影响,赤道暖流由东向西流动,造成太平洋水温西高东低,太平洋近海层空气气压东高西低,形成了一个低空东风,高空西风的沃克环流圈。沃克环流下层的东风,再次携带洋流向西流动后,流失的海水便由自西向东运动的,温暖的赤道逆流进行补偿。

如果沃克环流等诱发的逆赤道洋流,和东南信风所携带的南赤道暖流,将秘鲁寒流等东太平洋海水加热,将会使东太平洋上空,产生较暖、湿润的上升气流,从而削弱沃克环流和信风,形成“厄尔尼诺”现象。

当东南信风和沃克环流变得异常强烈,导致东太平洋大量暖流、洋流向西流去,下层低温海水上翻增强,洋面异常低温,就会出现拉尼娜。

东太平洋海水温度“异常”的现象,会引发海面气压、海洋与大陆之间气流的变化,进而波及各地的天气。类似的气象事件,被气象学家总结为“混沌”,又称“蝴蝶效应”,即事物发展的结果,对初始条件具有极为敏感的依赖性。

大约每隔3至7年沃克环流便会减弱一次,也就出现厄尔尼诺,活动期通常延续一年以上,其间还间隔的出现沃克环流增强的现象,也就是拉尼娜。

对于高低气压、冷热气温交汇形成的天气来说,极地和高原是冷空气的主要发源地,极地的低温,始于太阳照射角度太小,即使极昼时期,也如其它地方的朝阳和落日,提供的热量严重不足。极地的近地面高压冷气向低温地区扩散后,是靠西风的沉降来补偿。

由于南极大陆周围被广阔的海洋环绕,当冷空气通过海洋上空时,海洋会释放大量热量削弱冷空气,且降温缓慢。再加上南半球的西风带完整而强大,冷空气都被强劲的西风困在南极大陆上很难溢出,很少发生寒潮。

北半球亚欧大陆和北美大陆连接着北极地区和低纬地区,陆地切断了西风带,导致西风势力远小于南半球且西风带不连续,升温快降温也快的陆地,在冬季到来时,气温会低达零下几十度,本身就会在近地面形成冷高压向低纬度地区运动,形成冷热气流交汇的气旋。

当北极、西伯利亚、蒙古高原、育空高原、哈德逊湾一带,范围很大的冷气团聚集到一定程度,在适宜的高空大气环流作用下,就会沿着两块大陆一路南下,大规模入侵,形成寒潮天气。

北半球寒潮的生成,除了积累-爆发的整体规律和常见气压类型外,似乎尚无迹可寻。所以气流看起来,主要是地球表面温度分布不匀引发的结果,它受太阳辐射、地形地貌、气压积聚、地球自转速度、地表环境和地下环境影响,地质变化和地球生物,尤其是人的活动,虽显著影响地表环境,但变化较好掌握,地球的自转、地形地貌及内部结构,从现状到成因,都还充满了未知。

总结来说,太阳、地球和地球上以人为代表的生物,都是天气的组成部分。天气是从量变到质变,牵一发而动全身,意外与规律共生的事件,而人们对气候的了解,始终都是经验多于理论,现象多于原理。在天气上,从古到今的进步,主要是从掌握太阳的影响,到了掌握地表大气实时变化的阶段。

年末,西伯利亚地区不断有冷空气聚集,且蓄力时间长,随后横槽转竖,高空槽引导强大的冷高压气团入侵我国,造成剧烈降温的气象预报图。

年2月25日实时气温图

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