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同學們，我們接著討論大氣圈與氣候系統(tǒng)。
天氣預報與極端氣象現(xiàn)象。
先來說說天氣預報。俗話說，天有不測風云。就是說，天氣是不可預知的，不知道什么時候會起風，也不知道什么時候會下雨。但是，我們似乎也有許多諺語，是與天氣預報有關(guān)的，說明天氣是可以預報的。比如：朝霞不出門、晚霞行千里；風大夜無露、陰天夜無霜。這樣的諺語很多很多。所以，我們今天先布置一個作業(yè)，請大家收集網(wǎng)上的諺語，然后根據(jù)我們今天所學習的內(nèi)容，解釋其機理是什么？如今，我們使用現(xiàn)代科學技術(shù)，已經(jīng)能對未來某一地點地球大氣層的狀態(tài)進行預測，就是天氣預報。
天氣預報的過程，主要是使用收集大量的數(shù)據(jù)，包括氣溫、濕度、風向和風速、氣壓等等，然后使用目前對大氣過程的認識，也就是氣象學知識，來確定未來的大氣變化。天氣預報的主要內(nèi)容是一個地區(qū)或城市未來一段時期內(nèi)的陰晴雨雪、最高最低氣溫、風向和風力及特殊的災害性天氣。一般包括如下三個方面。
（1）天氣形勢預報，包括高壓、低壓、氣壓槽、氣壓脊、鋒面等天氣系統(tǒng)的未來移動、強度變化以及生成和消失。
（2）氣象要素預報，包括溫度、濕度、風、云、降水、能見度及其各種天氣現(xiàn)象的預報。
（3）短期、中期和長期預報，短期預報時效為1~3天，中期預報時效為3~10天，長期預報時效為1個月以上。還有，幾個小時以內(nèi)的預報，一般稱為短時預報，注意與剛才說的短期預報相區(qū)別。還有一年以上的預報，這稱為超長期預報。
但是，由于大氣過程實在是太復雜了，科學認識也仍然透徹地了解這些過程，因此天氣預報總是有一定誤差的。
草船借箭、借東風、火燒赤壁是家喻戶曉的經(jīng)典三國故事。雖然三國演義中的虛構(gòu)故事比較多，甚至張冠李戴，但我們不得不佩服羅貫中能將這幾個故事串聯(lián)在一起，讓我們知道了利用天氣預報而獲取戰(zhàn)爭勝利的故事。草船借箭預測了大霧，借東風和火燒赤壁是預測了風向。
其實，現(xiàn)代天氣預報的誕生，還真的與一場戰(zhàn)爭有關(guān)，那就是1854年11月歷史上著名的克里米亞戰(zhàn)爭。戰(zhàn)爭正在激烈進行時，英法聯(lián)軍包圍了塞瓦斯托波爾（Sevastopol），陸戰(zhàn)隊準備在黑海的巴拉克拉瓦（Balaklava）港登陸。這時候，黑海上突然狂風大作，巨浪滔天。英法聯(lián)軍不戰(zhàn)自潰，幾乎全軍覆滅。之后，軍方想總結(jié)這次失敗的教訓。按照軍方要求，巴黎天文臺負責研究這次風暴。他們向各國氣象學家發(fā)信，收集風暴發(fā)生前后的氣象報告。收集到氣象報告以后，他們依次把同一時間各地的氣象情況填在一張圖上。將不同時間的圖聯(lián)系起來分析，他發(fā)現(xiàn)這次風暴是自西向東移動的，在到達黑海前1~2天，已經(jīng)先影響了西班牙和法國。如果當時歐洲設有氣象站，風暴情況就可以及時電告英法艦隊，使英法艦隊避免這次風暴的襲擊。1855年3月，巴黎天文臺向法國科學院建議，組織觀測網(wǎng)，迅速地將觀測資料集中到一地，分析繪制天氣圖，就有可能推斷出未來風暴的運行路徑。1856年，法國成立了世界上第一個正規(guī)的天氣預報服務系統(tǒng)。
剛才提到的天氣圖，是目前氣象部門分析和預報天氣的一種重要工具。是填有各地同一時間氣象要素的特制地圖，一般底圖上還填有各城市、測站的位置以及主要的河流、湖泊、山脈等地理標志，正如我們這張圖所示。
1820年，德國人將過去各地同時間觀測的氣壓和風的記錄填入地圖，繪制了世界上第一張?zhí)鞖鈭D。1851年，英國人開始利用電報收集各地氣象資料來繪制地面天氣圖，這是近代地面天氣圖的先驅(qū)。中國人的第一張?zhí)鞖鈭D誕生于1915年；20世紀30年代，世界上建立了高空觀測網(wǎng)，之后才有高空天氣圖?，F(xiàn)代天氣圖上的氣象觀測記錄，是由全球各地的氣象站用近乎相同的儀器和統(tǒng)一的規(guī)范，在相同時間觀測后迅速集中而得。
現(xiàn)在的數(shù)值天氣預報，是根據(jù)大氣的實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機作數(shù)值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀態(tài)和天氣現(xiàn)象。大家看到這張圖就是為國慶60周年閱兵而進行的分析和預報。
自天氣預報誕生后，人們一直在天氣預報的準確性和長期性上做斗爭。因為一次不準確的預報，可能會帶來事與愿違的結(jié)果。1963年，洛倫茲的混沌理論解釋了長期的準確預測天氣是不可能的，這是源于蝴蝶效應中所說的對初始值的敏感性：一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風。他解釋說，蝴蝶翅膀的運動，導致其身邊的空氣系統(tǒng)發(fā)生變化，并引起微弱氣流的產(chǎn)生，而微弱氣流的產(chǎn)生又會引起它四周空氣或其他系統(tǒng)產(chǎn)生相應的變化，由此引起連鎖反映，最終導致其他系統(tǒng)的極大變化。所以，在大氣運動過程中，即使各種誤差和不確定性很小，也有可能在過程中將結(jié)果積累起來，經(jīng)過逐級放大，形成巨大的大氣運動。所以，長期而準確地預測天氣是不可能的。
除了能預報天氣，人們還希望能控制天氣。在中國的神話故事中，有許多控制天氣的角色，比如在水里統(tǒng)領(lǐng)水族的東海龍王敖廣，就掌管興云降雨。雷公電母是古代中國神話傳說中主管閃電打雷的神。
神話故事，顯然在現(xiàn)實中沒有什么用。但中國2008年在北京舉辦的奧運會，那是扎扎實實上演了一場用高科技控制天氣的典型案例。當時的策略是：如果有大霧彌漫，就用液氮汽化消霧，讓賽場恢復陽光明媚；如果出現(xiàn)高溫干旱，則采用碘化銀焰彈進行人工增雨，降溫除旱；如果出現(xiàn)冰雹，用高炮打碘化銀將之變成小鹽粒消散掉；如果暴雨傾盆，就采用人工消雨讓其提前下或者是不下；如果遇到大風突然襲擊，風云衛(wèi)星是會提前報告的。
有關(guān)控制天氣的故事，我還讀過幾本科幻小說，比如劉興詩的《北方的云》和劉慈欣的《圓圓的肥皂泡》。劉興詩的《北方的云》這個小說，大家可能很難找到，我來簡單介紹一下。說某年的初冬，內(nèi)蒙古一農(nóng)業(yè)實驗站遭遇地震，輸水系統(tǒng)癱瘓。站里的農(nóng)作物必須在一周內(nèi)恢復供水。他們便向“北京天氣管理局”救助。天氣管理局通過監(jiān)視網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)渤海灣上空有一股氣流登陸，途徑實驗站所在地區(qū)。于是，天氣管理局派出熱核蒸發(fā)器，在氣流路過的官廳、密云兩水庫蒸發(fā)大量水汽，輸入氣流。但由于缺少走向控制，這股攜帶大量水汽的氣流偏離了實驗站所在地區(qū)。稍后，又有一股氣流從渤海灣登陸，這次，除了熱核蒸發(fā)器外，天氣管理局還在氣流行進前方建立人工低氣壓區(qū)，引導含水氣流到達目標上空，終于降雨成功。關(guān)于大劉的《圓圓的肥皂泡》，大家應該很容易在網(wǎng)上讀到。哦，不好意思。關(guān)于這個故事，我們這里就不贅述了。也布置一個作業(yè)，大家思考一下，這些科幻小說中的人工控制天氣的做法是否有科學道理，能實現(xiàn)的可能性有多大？
說完了這些故事，后面的內(nèi)容就有些燒腦了。我們要講一下有些極端氣象現(xiàn)象。這里介紹的氣旋與反氣旋，在氣象學上有時候也稱低壓高壓，也就是說，它們分別是對同一個天氣系統(tǒng)的不同描述。我們可以看到，在同高度上，氣旋中心的氣壓如果比四周低，就稱為低壓，在等高面圖上表現(xiàn)為閉合等壓線所包圍的低氣壓區(qū)，在等壓面圖上表現(xiàn)為閉合等高線所包圍的低值區(qū)，如南半球和北半球左邊的這張圖。空氣不斷流入中心，形成上升氣流，反氣旋的過程正好相反。至于氣旋的方向，在南北半球也是正好相反的。有一個簡單的方法記住，就是用我們這張圖上的手形來表示，北半球用右手，南半球用左手。你不妨試試？另外，氣旋按其生成的地理位置可分為溫帶氣旋和熱帶氣旋。我們下面分別來進行介紹。
熱帶氣旋，生成于熱帶洋面，中心氣壓低于外圍，且作水平旋轉(zhuǎn)，是氣-水（-巖）耦合的復雜產(chǎn)物。熱帶氣旋在低緯東風帶中自東向西移動，大多數(shù)直徑600~1000km，垂直伸展高度可達12~16km，中心氣壓值一般為950百帕左右。熱帶氣旋強烈的輻合上升氣流，會攜帶巨量的水汽升騰。在上升過程中水汽降溫凝結(jié)，水汽冷凝時導致部分釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為動能，所以，水汽的冷凝過程也是熱帶氣旋附近產(chǎn)生高風速的原因。這些能量驅(qū)使空氣從外圍以螺旋式向內(nèi)加速流動，由于要保持角動量守恒，所以由外向中心運動，速度變得越來越快。
溫帶氣旋是一種冷心系統(tǒng)，尺度一般較熱帶氣旋大，可達幾百乃至數(shù)千公里。溫帶氣旋一般有兩種形成方式。第一種方式，如這張圖所示，溫帶氣旋是由鋒面上的一個波動發(fā)展而成。在鋒面上因某些原因而形成波動，并在波動頂點附近出現(xiàn)一條閉合等壓線，逐漸發(fā)展成一個完整的氣旋。第二種方式，由熱帶氣旋變成。當熱帶氣旋北移至溫帶，受西風槽影響而失去了熱帶氣旋的特性，可轉(zhuǎn)變成溫帶氣旋。
我們在夏天經(jīng)歷的大多臺風和颶風，均屬于熱帶氣旋。臺風和颶風由于生成的地方不一樣，所以有不同的稱呼。臺風一般指北太平洋西部生成的熱帶氣旋，而颶風是北大西洋及東太平洋生成的熱帶氣旋。相應地，它們的等級劃分也是有很大差別的。大家可以暫停下來，看看這兩張表。另外，我們現(xiàn)在有關(guān)臺風，還有不同顏色的預警信號。藍色表示24小時內(nèi)可能或者已經(jīng)受熱帶氣旋影響，平均風力達6級以上，或陣風8級以上并可能持續(xù)；黃色同樣是24小時內(nèi)，但平均風力達8級以上，或者陣風10級以上；橙色表示12小時內(nèi)，時間縮短了，平均風力達10級以上，或者陣風12級以上；紅色表示時間縮短至6小時內(nèi)，平均風力達12級以上，或者陣風達14級以上。
下面，我們來講幾個著名臺風或者颶風的例子。2005年8月的卡特里娜颶風，首先在巴哈馬群島附近生成，8月24日增強為小型颶風登陸。隨后數(shù)小時進入墨西哥灣，8月28日橫過該區(qū)域時迅速增強為5級颶風，8月29日在密西西比河口再次登陸時達到3級颶風。防洪提因風暴潮而決堤，新奧爾良市八成地方遭洪水淹沒。救援工作困難重重，是美國史上破壞力最大的颶風。死亡人數(shù)至少有1,800人，是自1928年奧奇丘比颶風以來死亡人數(shù)最多的一次，據(jù)估計造成了至少750億美元的損失。最麻煩的是，新奧爾良2005年9月1日出現(xiàn)了無政府狀態(tài)的混亂局面，部分地區(qū)的搶劫之風越刮越猛。劫匪們公然當著警衛(wèi)隊和警察的面，大肆燒殺搶掠和強奸，還和警方槍戰(zhàn)。雖然美國相關(guān)部門對此次颶風的預報是比較成功的，也發(fā)布了颶風預警信號，但最終仍造成了災難性結(jié)果。這在一定程度上反映了美國在應急體系上存在的問題以及應對災難準備上的不足。預警信號發(fā)布后，人們采取何種應對措施沒有強制性。而新奧爾良多數(shù)被困居民是窮人，沒有交通工具，所以他們幾乎沒有能力離開。災難發(fā)生后，救災行動遲緩，也是這次災害擴大的一個因素。
2016年第14號臺風“莫蘭蒂”是中國1949年以來登陸閩南的最強臺風，鼎盛時強度達到17級，近中心氣壓一度低至883百帕，刷新世界氣象紀錄。給福建省造成了嚴重災害。造成了26.3億美元的損失，30人死亡、49人受傷、18人失蹤。
2012年的桑迪是一個典型的溫帶氣旋。一般情況下，西半球秋季的颶風常常從加勒比海前往墨西哥灣，并且隨著緯度的上升，供應給颶風的海上暖濕能量減少，從而影響力逐漸削弱，但在特殊情況下，當颶風北上至北緯40°左右時，恰遇北方冷空氣南下至該處，于是冷空氣并入颶風內(nèi)部，并導致颶風的北部偏冷、南部偏暖。當颶風均勻的結(jié)構(gòu)被打破，且冷暖空氣結(jié)合形成斜壓位能，這種位能就會成為颶風的幫手，在轉(zhuǎn)化為動能的過程中為其提供源源不斷的能量。2012年10月29日晚襲擊美國東部地區(qū)的“超級颶風”桑迪就是這樣的。美國紐約是此次“桑迪”風暴來襲的重災區(qū)，導致113人死亡，聯(lián)合國總部受損。紐約呈現(xiàn)出一幅“末日景象”：風暴卷起4米多高的海浪涌向曼哈頓，洪水淹沒多條地鐵隧道，金融中心華爾街陷入一片漆黑，大火燒毀數(shù)十棟房屋。桑迪颶風告訴我們，即使在世界上最發(fā)達國家的最發(fā)達地區(qū)，碰到這樣的風災，人類仍然是無能為力。
每當上海預報有臺風的時候，最后結(jié)果總是可能這樣。從圖上看，確實很像上海有結(jié)界一樣，每次臺風都繞著走。如果這你認為是偶然的，我們再來看這一張，不同顏色代表近些年來不同臺風的路徑，天呀，幾乎特意將上海空出來。這是巧合還是上海有一些特殊的氣象條件呢？應該說，有些氣象條件應該是有關(guān)系的。首先，上海是平原地形，并不利于臺風氣流的抬升，其次，上海近海的溫度相對較低，難于維持臺風強度。第三，臺風移動到高緯度時會受到大氣環(huán)流和西風帶的影響，只能向北或者向東移動。而上海恰好就在受大氣環(huán)流和西風帶共同影響的位置。
颶風形成需要三個條件：溫暖的水域、潮濕的大氣，以及海洋洋面上的風能夠讓空氣旋轉(zhuǎn)起來。隨著颶風越來越頻繁的光顧，科學家們就在考慮，是否應將產(chǎn)生颶風的原因歸于全球變暖呢？這篇發(fā)在美國國家科學院院刊上的文章說：與氣溫較低的年份相比，氣溫較高年份的大西洋颶風更為頻繁，規(guī)模更大。就這篇文章來說，我們可以認為颶風與全球變暖存在的潛在聯(lián)系獲得部分證實。
讓我們再來看看另一個破壞力特強的氣象現(xiàn)象龍卷風。龍卷風是大氣中最強烈的渦旋的現(xiàn)象，常發(fā)生于夏季的雷雨天氣時，尤以下午至傍晚最為多見，影響范圍雖小，但破壞力極大。其風力可達12級風以上，一般伴有雷陣雨，有時也伴有冰雹。
夏天一到，氣象播報員的口中，經(jīng)常會出現(xiàn)“副熱帶高壓”一詞。什么酷暑的持續(xù)、雨帶的變化、臺風的走向，似乎大多天氣變化都與其形影不離。副熱帶高壓，其形成原理并不復雜。太陽輻射和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力，是其背后主要的兩大推手。赤道地區(qū)太陽輻射強烈，該地區(qū)的空氣上升，到高空后就會向極地方向流動，而地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力會使得氣流不斷發(fā)生偏移，北半球右偏，南半球左偏，隨著緯度的升高，地磚偏向力就越大，致使在北緯30度附近的副熱帶地區(qū)，氣流基本變成了自西向東流動，并對后續(xù)空氣進行阻礙，使得該地區(qū)上空的空氣聚集且被迫下沉，于是便產(chǎn)生了副熱帶高壓。
長江中下游地區(qū)處在中緯度地區(qū)，一方面受從寒帶南下的冷空氣影響，另一方面又受到從熱帶海洋北上的暖濕空氣影響。剛才我們看到，副熱帶高壓的形狀就像一個海面上伸過來的舌頭，它是一個穩(wěn)定的暖性高壓，具有大范圍的下沉氣流，它占領(lǐng)的地區(qū)天氣晴朗，但在它推進的過程中，卻可以同時輸送大量的水汽。每年從春季開始，雨帶通常在副熱帶高壓這條大舌頭的北側(cè)發(fā)生，因為冷空氣和暖濕氣流可以在此相遇，交界處形成鋒面，鋒面附近產(chǎn)生降水。這就是春雨綿綿。初夏時期，長江中下游一方面暖濕空氣已經(jīng)相當活躍，另一方面從北方南下的冷空氣還有一定的力量，冷、暖空氣就在這個地區(qū)對峙，互相爭雄，形成一條穩(wěn)定的降雨帶。這條雨帶南北只有二、三百公里，東西長卻可達二千公里左右，橫貫在長江中下游，向東一直可以伸展到日本。這就是我們所說的梅雨。
中國東部地區(qū)處于北太平洋副熱帶高壓西側(cè)，夏季開始它逐步向西向北擴展，以東南風向中國東部輸送水汽，是中國東部降水的重要水汽來源之一。剛才我們已經(jīng)介紹，初夏時江淮流域的大雨與它密切相關(guān)。盛夏時，副熱帶高壓脊伸展到江淮地區(qū)，脊上的下沉氣流使水汽難以凝結(jié)，也就不會出現(xiàn)降雨，呈現(xiàn)酷熱無雨的伏旱天氣。伏旱的伏，就是一年中最熱的一段時間，又熱又旱。
在冬季來臨的時候，大陸表面的強烈輻射降低，冷空氣密度高，并在大陸上聚集，從氣壓場看，是中心氣壓高于四周，并有閉合等壓線的高壓系統(tǒng)。從風場看，在北半球高壓區(qū)內(nèi)，風繞高壓中心作順時針旋轉(zhuǎn)，也就是反氣旋。溫帶反氣旋一般生成在高緯地區(qū)并由冷氣團組成，在合適的大氣環(huán)流引導下，向南或東南移動。影響中、低緯地區(qū)，成為一次冷空氣活動。有時可達到寒潮強度。
好，這一部分的內(nèi)容到此結(jié)束。
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