北大大氣概論復(fù)習(xí)資料

1、第8 章1熱力環(huán)流是如何形成的？哪些天氣系統(tǒng)屬于熱力環(huán)流？什么是焚風(fēng)？焚風(fēng)產(chǎn)生的原因有哪些？已經(jīng)知道因?yàn)闊崃Σ町?，?huì)造成高空氣壓梯度，而地面氣壓梯度則相反，因此造成了從熱區(qū)吹向冷區(qū)的高空風(fēng)，從冷區(qū)吹向暖區(qū)的地面風(fēng)，如果考慮熱的地方氣流上升，冷的地方氣流下沉，這樣就組成了一個(gè)環(huán)流圈，稱為熱力環(huán)流。許多地域性的風(fēng)（局地環(huán)流）是熱力環(huán)流，例如海陸風(fēng)、山谷風(fēng)和季風(fēng)?，F(xiàn)在，凡是氣流過(guò)山形成的干熱風(fēng)都已泛稱為焚風(fēng)。其一，有降水時(shí)，潛熱釋放提供過(guò)山氣流熱能而使氣溫劇升，其二，無(wú)降水時(shí)，空氣自上層而來(lái)，經(jīng)絕熱壓縮氣溫升高所致。2. 三圈環(huán)流模型與實(shí)際大氣環(huán)流在哪些方面不同？原因何在？極鋒急流和副熱帶急流的平均

2、位置在哪里？如何形成？北半球的赤道與極地之間會(huì)形成三圈經(jīng)向環(huán)流，在近地面形成三個(gè)緯向風(fēng)帶極地東風(fēng)帶、中緯度盛行西風(fēng)帶和低緯度東北信風(fēng)帶，以及四個(gè)氣壓帶極地高壓帶、副極地低壓帶、副熱帶高壓帶與赤道低壓帶（或稱赤道輻合帶）。南半球的情況則與北半球的分布對(duì)稱。因巨大陸地的影響，三圈環(huán)流模型中的理想氣壓帶出現(xiàn)分裂，在海洋上形成了一些在一年中變化小的氣壓系統(tǒng)，稱為半永久性氣壓系統(tǒng)。在北半球冬夏季存在的半永久性氣壓系統(tǒng)有冰島低壓、阿留申低壓、太平洋副熱帶高壓和大西洋百慕大高壓。其中，阿留申低壓夏季減弱很多，僅變成亞洲大陸低壓的一個(gè)低槽。其它出現(xiàn)在陸地上的系統(tǒng)，如西伯利亞高壓、加拿大高壓、亞洲和北美熱低壓等

3、系統(tǒng)，因它們?cè)谝欢竟?jié)中經(jīng)常存在，稱為季節(jié)性氣壓系統(tǒng)。南半球氣壓系統(tǒng)變化不大，在副熱帶地區(qū)有4個(gè)高壓中，而副極地低壓帶則形成為一連續(xù)圍繞地球的槽。極鋒急流形成于極鋒的上方，因?yàn)檠貥O鋒，南北兩邊溫度梯度很大，這樣建立起很陡的氣壓梯度，因而形成強(qiáng)西風(fēng)。副熱帶急流位于熱帶對(duì)流層頂和中緯度對(duì)流層頂之間的地區(qū)，位于12km（200hPa）上空副熱帶高壓的北部邊緣，哈德萊環(huán)流圈朝極地的一邊。因?yàn)楣氯R環(huán)流圈使暖空氣流向極地，于是在30N附近的高空出現(xiàn)了一個(gè)南北向有極大溫度差異的邊界，形成了一個(gè)沒有伸向地面的鋒面結(jié)構(gòu)副熱帶鋒。這里因?yàn)闇囟炔町惔?，?dǎo)致氣壓變化大，從而出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)。3. 什么是涌升流？它是如何形成

4、的？正常情況下，在熱帶太平洋，赤道地區(qū)盛行的東風(fēng)信風(fēng)從東太平洋高壓向西吹向中心在印度尼西亞附近的低壓，由于科氏力的作用，信風(fēng)在南北半球均有指向高緯的分量，產(chǎn)生下層冷水涌升，稱為赤道涌升。第9 章1. 冷暖氣團(tuán)的天氣、各類鋒面（冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒和錮囚鋒）的天氣、鋒面氣旋控制下某地的天氣狀況如何？熱帶海洋氣團(tuán)（mT）低層空氣溫暖而潮濕，通常不穩(wěn)定。熱帶大陸氣團(tuán)（cT）產(chǎn)生于副熱帶干旱區(qū)，空氣熱而干燥，晴朗少云。極地大陸氣團(tuán)（cP）氣溫低，空氣干燥，低層穩(wěn)定度高，天氣晴朗，冬季多霜和霧。夏季受地面加熱，天空容易出現(xiàn)表示晴好天氣的淡積云。極地海洋氣團(tuán)（mP）最初具有與極地大陸氣團(tuán)類似的特性，但當(dāng)移

5、過(guò)較暖的水域時(shí)，它變得不穩(wěn)定并具有較高的水汽含量，可能出現(xiàn)云和降水。北極氣團(tuán)通常是冬季在冰雪覆蓋的北極地表上形成，氣團(tuán)很冷可以向上延伸到很高的高度，水汽少，氣層非常穩(wěn)定。冬季入侵大陸時(shí)會(huì)帶來(lái)暴風(fēng)雪天氣。南極氣團(tuán)是南極大陸上形成的冷而干的氣團(tuán)，與北極氣團(tuán)相比，一般在所有季節(jié)它的下表面和內(nèi)部大氣溫度都較低。當(dāng)熱帶氣團(tuán)進(jìn)入赤道區(qū)并停留時(shí)就變性為赤道氣團(tuán)，但是這兩種氣團(tuán)在對(duì)流層低層的大氣物理特性沒有明顯的區(qū)別。這種氣團(tuán)形成的天氣是濕熱不穩(wěn)定，天氣悶熱，多雷暴。靜止鋒的顯著特點(diǎn)是在鋒兩邊地面風(fēng)平行鋒面吹，且方向相反。沿鋒天氣晴朗或部分有云。如果兩氣團(tuán)干，則無(wú)降水。當(dāng)暖濕氣團(tuán)在冷空氣上面時(shí)，在廣大區(qū)域會(huì)有

6、大范圍的云系和降水。我國(guó)準(zhǔn)靜止鋒主要出現(xiàn)在華南、西南和天山北側(cè)，常常形成持續(xù)的陰雨天氣。冷鋒的典型天氣特征是鋒前進(jìn)方向的前端，有鋒里的積狀云被高空風(fēng)吹而延伸出的卷層云和卷云。在鋒面附近，因暖空氣上升劇烈形成積狀云如高積云和積雨云等，積雨云會(huì)產(chǎn)生暴雨和強(qiáng)風(fēng)，鋒面氣溫驟降。在鋒后，空氣干冷，天氣變晴，只有表示晴好天氣的少量積云。典型的暖鋒天氣：卷云逐漸被薄幕狀的卷層云取代，然后天空云層加厚變低，我們看到高層云和云中太陽(yáng)模糊的亮斑。高層云之后過(guò)來(lái)的是厚的雨層云，可以看到降雪，風(fēng)也變大，氣壓緩慢降低。這時(shí)鋒線大概距我們?nèi)杂袛?shù)百公里，空中由雨層云也逐漸變成層云，但冷空氣已經(jīng)相當(dāng)稀薄，空中小雪逐漸變成凍雨

7、、雨和毛毛雨，較大地域會(huì)有小到中雨的天氣。鋒線靠近時(shí)，暖冷濕空氣混合會(huì)產(chǎn)生霧。暖鋒過(guò)境后，溫度、露點(diǎn)升高，氣壓停止下降，降雨天氣結(jié)束，層云和霧消失，天氣變得晴好，只有少量的層積云，夏天空氣潮濕時(shí)會(huì)有積雨云出現(xiàn)。夏季，當(dāng)暖氣團(tuán)氣層不穩(wěn)定且濕度很大時(shí)，在暖鋒中深厚的雨層云中常產(chǎn)生積雨云，伴有雷陣雨天氣。當(dāng)暖氣團(tuán)中水汽含量少時(shí)，鋒上只會(huì)出現(xiàn)一些高、中云，很少有降水。當(dāng)冷式錮囚鋒接近時(shí)，開始天氣順序和暖鋒相似，高云降低并加厚為中、低云，在地面鋒前有降水產(chǎn)生，氣壓下降。接著出現(xiàn)類似的冷鋒天氣，有大雨或陣雨，并伴隨風(fēng)的變化。在錮囚點(diǎn)附近天氣最劇烈，隨后天空變晴，氣壓上升，空氣變冷。當(dāng)冷鋒趕上暖鋒，冷鋒后冷

8、空氣不能抬起前面暖鋒下更冷而重的空氣，使冷鋒騎在了暖鋒的坡面上，即產(chǎn)生了暖式錮囚鋒。與此聯(lián)系的天氣則類似暖鋒天氣?？傊捎阱d囚鋒是由兩條移動(dòng)的鋒面相遇而形成的，因此錮囚鋒兩側(cè)均是降水區(qū)，鋒上暖空氣的抬升作用可以使降水進(jìn)一步得到加強(qiáng)。氣旋：地面冷鋒兩側(cè)有降水，接近暖鋒的地方有陣性降水且降水區(qū)加寬。暖鋒前有較寬的降水區(qū)，降水水區(qū)前部沿鋒面移動(dòng)方向云層增厚。2. 簡(jiǎn)繪理想的鋒面氣旋和反氣旋的垂直結(jié)構(gòu)，并畫出等壓面圖和水平流場(chǎng)示意圖，并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。3. 敘述鋒面氣旋的發(fā)展和消亡過(guò)程？它因何才能得以發(fā)展并加強(qiáng)？一、極鋒的一部分相當(dāng)于靜止鋒，冷暖空氣平行鋒面吹，建立了氣旋性風(fēng)切變。二、初生氣旋：適當(dāng)條件

9、下形成波狀結(jié)構(gòu)(鋒面波)。波動(dòng)性氣旋沿鋒面形成和移動(dòng)。繞氣旋的環(huán)流使鋒上的波狀結(jié)構(gòu)變形。三、受高空風(fēng)控制，系統(tǒng)向東或東北移動(dòng)，并在12-24小時(shí)逐漸變成一個(gè)發(fā)展完全的開口波。開口波 冷暖鋒存在，但沒有錮囚鋒。波中最低氣壓中心位于兩鋒交界處。四、中心氣壓非常低，圍繞波的頂點(diǎn)可以有幾條等壓線環(huán)繞。當(dāng)風(fēng)吹向中心時(shí)，緊密的等壓線導(dǎo)致較強(qiáng)的氣旋性流動(dòng)。風(fēng)暴能量來(lái)自暖空氣上升冷空氣下沉，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。凝結(jié)以潛熱形式為系統(tǒng)提供能量。當(dāng)表面空氣向低壓中心輻合時(shí)導(dǎo)致了動(dòng)能的增加?？焖僖苿?dòng)的冷鋒逐漸靠近暖鋒。五、當(dāng)開口波向東移動(dòng)時(shí)，中心氣壓繼續(xù)降低，風(fēng)吹的更加強(qiáng)勁?？焖僖苿?dòng)的冷鋒逐漸靠近暖鋒，使暖區(qū)變得很小

10、。最終，冷鋒趕上暖鋒，系統(tǒng)變?yōu)殄d囚鋒。這個(gè)時(shí)候，風(fēng)暴通常最強(qiáng)，有大范圍的云和降水。六、第五步形成的強(qiáng)烈風(fēng)暴逐漸消散：因?yàn)殄d囚鋒的兩側(cè)是冷空氣。沒有了暖濕上升空氣提供的能量，原風(fēng)暴系統(tǒng)逐漸消散死亡。波動(dòng)性氣旋的生命周期為幾天到一周以上。波動(dòng)性氣旋發(fā)展的解釋：發(fā)展氣旋的斜壓波動(dòng)理論。假設(shè)一個(gè)短波通過(guò)這個(gè)區(qū)域，擾動(dòng)的流場(chǎng)見右圖。這樣在流場(chǎng)中建立了不穩(wěn)定條件(暖空氣上升、冷空氣下沉)，稱為斜壓不穩(wěn)定。1. 高空氣流支持隨斜壓不穩(wěn)定的建立，空氣的水平垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)了氣旋性風(fēng)暴的形成。冷暖平流加深了波動(dòng)并與垂直運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系。2. 急流的作用：強(qiáng)輻散導(dǎo)致彎曲的急流。在輻散區(qū)下面是上升的空氣、云和發(fā)展的中緯度氣旋

11、風(fēng)暴。急流在地面氣旋上空移走空氣，而給地面反氣旋提供空氣。彎曲的急流將使中緯度氣旋向東北方向移動(dòng)，而反氣旋向東南方向移動(dòng)。急流在地面氣旋形成發(fā)展過(guò)程中具有輔助作用。對(duì)于一個(gè)加強(qiáng)的風(fēng)暴，必須有高層配合，即低壓槽位于地面低壓的西側(cè)。當(dāng)短波擾動(dòng)了高層氣流，就引起了不同的溫度平流區(qū)，導(dǎo)致了高空槽的加深。同時(shí)，極鋒急流形成波，并向發(fā)展的風(fēng)暴南側(cè)輕微擺動(dòng)。當(dāng)這些條件存在時(shí)，輻合和輻散區(qū)，連同上升和下沉空氣，提供了風(fēng)暴生長(zhǎng)的能量轉(zhuǎn)化，使氣旋風(fēng)暴加強(qiáng)。第10 章1. 普通雷暴單體的結(jié)構(gòu)和天氣與超級(jí)單體的主要差異有哪些？在夏季散落分布的雷暴稱普通雷暴(或氣團(tuán)雷暴)，因?yàn)樗鼈兪窃谶h(yuǎn)離天氣鋒面的暖濕氣團(tuán)中發(fā)展生成。

12、這些雷暴生命期短暫并很少產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)和大的冰雹。單個(gè)普通雷暴（氣團(tuán)雷暴）的生命期約為12小時(shí)，經(jīng)歷發(fā)展、成熟和消散三個(gè)階段。第一階段也稱為積云期，是指從淡積云向濃積云發(fā)展的階段。云下有潮濕空氣進(jìn)入云中，云內(nèi)都是有組織的上升氣流。隨上升氣流入云的水汽凝結(jié)而釋放大量的潛熱，導(dǎo)致云內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度，并使云內(nèi)上升氣流進(jìn)一步增強(qiáng)。成熟期是從濃積云向積雨云過(guò)渡的階段。由于受對(duì)流層頂阻擋和高空氣流的作用，云體頂部向四周延展而呈砧狀，因?yàn)楦呖諒?qiáng)風(fēng)使云頂冰晶向水平擴(kuò)展。云的前部和上部仍以上升氣流為主，在降水粒子的拖曳下云內(nèi)出現(xiàn)有組織的下沉氣流。一些風(fēng)暴中，足夠大的上升氣流可以向上進(jìn)入穩(wěn)定大氣，這種情形稱為上沖。成

13、熟期出現(xiàn)閃電、雷鳴和大雨（偶爾有小冰雹）。伴隨降水的強(qiáng)、冷下沉氣流導(dǎo)致地面強(qiáng)陣風(fēng)，并在地面向四周擴(kuò)散，形成與周圍暖空氣分界的陣風(fēng)鋒。消散期從云中下沉氣流占主導(dǎo)作用時(shí)開始。在云的低層，下沉氣流阻礙了上升氣流，并切斷了風(fēng)暴的能量供應(yīng)。在雷暴成熟期后的1530分鐘內(nèi)，雷暴逐漸消散。缺少了暖濕空氣的支持，云滴不再形成。從云中只能降下小雨，并伴隨微弱的下沉氣流。超級(jí)單體雷暴是一個(gè)旋轉(zhuǎn)雷暴，比通常的單體更巨大（尺度可達(dá)50km）、更持久（可維持一小時(shí)以上，曾觀測(cè)到壽命長(zhǎng)達(dá)78小時(shí)），并帶來(lái)更為強(qiáng)烈的天氣，例如葡萄大小的冰雹、具有危害性的地面風(fēng)和大而持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的龍卷。而且，超級(jí)單體具有一個(gè)近于穩(wěn)定的、有高度

14、組織的上升和下沉氣流完美配合的環(huán)流，并與環(huán)境風(fēng)的垂直切變有密切關(guān)系。這時(shí)，高空風(fēng)速往往很強(qiáng)，并導(dǎo)致強(qiáng)烈的風(fēng)切；此外，風(fēng)向也隨高度變化，即從地面的南風(fēng)轉(zhuǎn)向到高空的西風(fēng)。這種情形下，上升氣流從風(fēng)暴云右側(cè)傾斜進(jìn)入云體后，因風(fēng)向的變化引起水平旋轉(zhuǎn)，于是，氣流便螺旋式上升進(jìn)入云體。正是超級(jí)單體的這種旋轉(zhuǎn)特性導(dǎo)致了龍卷的形成。2. 雷暴云為什么帶電？敘述云地間閃電的放電過(guò)程。有兩種具有代表性的起電理論，感應(yīng)起電理論和溫差起電理論。(1) 感應(yīng)起電理論觀測(cè)和研究表明，晴天的低層大氣中存在著垂直向下方向的靜電場(chǎng)，即地表面帶負(fù)電荷，大氣相對(duì)于地面始終帶正電荷。因此，在雷暴形成過(guò)程中，在大氣電場(chǎng)感應(yīng)作用下，降水粒

15、子（雨滴或冰粒）中出現(xiàn)電荷分離，即粒子上半部帶負(fù)電，下半部帶正電。當(dāng)降水粒子在重力場(chǎng)中降落時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種是降水粒子的下半部與中性云粒子（小云滴和小冰晶）相碰后又彈離，彈離的云粒子將帶走極化降水粒子下部的部分正電荷，從而使降水粒子攜帶凈負(fù)電荷。另一種是降水粒子的下半部沿途選擇性地捕獲大氣負(fù)離子而帶有凈負(fù)電荷，云中大量正離子則受到極化降水粒子下半部所帶正電荷的排斥而留在云中。經(jīng)過(guò)重力分離，較輕的大氣正離子或帶正電荷的云粒子隨上升氣流到達(dá)云體上部形成正荷電區(qū)，攜帶凈負(fù)電荷的較重的降水粒子則因重力沉降而聚集在云體下部，形成負(fù)荷電區(qū)。前者稱為碰撞彈離起電機(jī)制，后者稱為選擇捕獲大氣離子起電機(jī)制。

16、(2) 溫差起電理論該起電機(jī)制的物理基礎(chǔ)是20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的冰的熱電效應(yīng)。冰的分子中有一小部分處于電離狀態(tài)，且溫度較高時(shí)，H+和OH的濃度也較高。若冰的兩端維持穩(wěn)定的溫差，則高溫端的離子將向低溫端擴(kuò)散，且H+在冰晶中的擴(kuò)散比OH快得多，結(jié)果使冷端具有相對(duì)多的H+，從而形成冰的冷端為正，熱端為負(fù)。當(dāng)具有不同溫度的兩塊冰在一定條件下接觸后再分離時(shí)，溫度較低的將帶正電荷，溫度較高的將帶負(fù)電荷。云中存在兩種溫差起電機(jī)制，一種云中冰晶與下落的雹粒碰撞時(shí)因摩擦增溫引起，對(duì)雹粒，增溫局限于與冰晶接觸的尖突部分，這里相對(duì)升溫較高；而冰晶表面細(xì)密光滑，有較大的接觸面積，從而升溫較低。結(jié)果可使雹粒帶負(fù)電，冰晶

17、帶正電。另一種是當(dāng)云中較大的過(guò)冷水滴與下落的雹粒碰凍時(shí)，過(guò)冷水滴表面首先凍結(jié)而形成冰殼，隨后內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)并釋放凍結(jié)潛熱，形成一內(nèi)熱外冷的徑向溫度梯度，致使外殼帶正電，內(nèi)部帶負(fù)電。過(guò)冷水滴凍結(jié)的瞬間，因體積膨脹而使外殼破碎，這使得飛離的冰屑帶正電，雹粒帶負(fù)電。經(jīng)過(guò)重力分離，攜帶正電荷的較輕的冰晶和冰屑隨上升氣流到達(dá)云體上部，并在云體上部形成正電荷區(qū)；攜帶負(fù)電荷的雹粒則因重力沉降而聚集在云體下部形成負(fù)電荷區(qū)。前者稱為摩擦溫差起電機(jī)制，后者碰凍溫差起電機(jī)制。云地閃電過(guò)程是將云內(nèi)的負(fù)電荷輸送到地面、地面的正電荷輸送到云內(nèi)的放電過(guò)程。絕大多數(shù)的云地放電過(guò)程是這種電荷輸送方式。閃電過(guò)程可分為梯級(jí)先導(dǎo)、回?fù)?、?/p>

18、竄先導(dǎo)、二次回?fù)艉椭备Z先導(dǎo)，甚至三次以上回?fù)艉椭备Z先導(dǎo)等放電階段。云地閃電從云內(nèi)開始，沿某一路徑，沖向云底再到地面的放電過(guò)程可分幾步進(jìn)行。每次放電通過(guò)約50m的距離，然后停頓約50ms，接著再放電前進(jìn)約50米左右和停頓約50ms，不斷重復(fù)向地面以梯級(jí)形式推進(jìn)。這種梯級(jí)先導(dǎo)閃電非常迅速，通常人眼是分不清的。當(dāng)梯級(jí)先導(dǎo)的末端接近地面時(shí)，沿著突出的物體從地面來(lái)的正離子流向上與之會(huì)合。會(huì)合后，大量電子流向地面，沿梯級(jí)先導(dǎo)路徑，直徑數(shù)厘米的較大較耀眼的回?fù)糸W電從地面向上沖到云中。這種先導(dǎo)和回?fù)艚M成的一次放電過(guò)程稱為閃擊。人的眼睛沒法分解閃擊過(guò)程中的先導(dǎo)和回?fù)?，看到的只是一道連續(xù)的閃光。在第一次閃擊過(guò)后，

19、空氣中放電過(guò)程的離子通道建立了。盡管有時(shí)只有一次閃擊，但多數(shù)情況下，是沿已建立的離子通道，在大約數(shù)十毫秒的間隔，先導(dǎo)雷擊重復(fù)出現(xiàn)。這種后來(lái)的先導(dǎo)稱為直竄先導(dǎo)。它向下進(jìn)行得更快，因?yàn)楝F(xiàn)在路徑上的電阻變小了。當(dāng)先導(dǎo)閃電接近地面時(shí)，從地面到云中的第二次回?fù)粢鹊谝淮稳?。一般情況下，一次放電過(guò)程會(huì)有34次閃擊，即包括34個(gè)先導(dǎo)，每個(gè)都伴隨一次回閃。閃電過(guò)程非常短暫，人的眼睛很少能分清單個(gè)閃擊，因而閃電看以來(lái)就是連續(xù)閃爍的樣子。3. 舉出一些龍卷形成的原因。如何進(jìn)行龍卷的監(jiān)測(cè)？一種理論認(rèn)為，從風(fēng)暴中產(chǎn)生龍卷，上升氣流一定要旋轉(zhuǎn)。因?yàn)閺?qiáng)雷暴可形成于強(qiáng)垂直風(fēng)切的區(qū)域，導(dǎo)致了上升氣流在風(fēng)暴右后方（例如東行風(fēng)暴

20、的西南部）出現(xiàn)氣旋式旋轉(zhuǎn)。這些上升、旋轉(zhuǎn)的氣柱稱為中氣旋，它是一個(gè)低壓渦旋，在超級(jí)單體風(fēng)暴中它的直徑可達(dá)1015km。它向下可伸出云底，形成云底緩慢旋轉(zhuǎn)的墻云（wall cloud）。墻云的出現(xiàn)是風(fēng)暴中將要出現(xiàn)龍卷的不祥征兆。當(dāng)空氣從各個(gè)方向沖進(jìn)低壓渦旋，如果有足夠水汽，這些空氣擴(kuò)展、冷卻凝結(jié)為一個(gè)可見的云，即漏斗云。同時(shí)，中氣旋垂直伸展和水平收縮（直徑24km），使得旋轉(zhuǎn)的空氣加速向上。漏斗云下的空氣被吸入核心，快速冷卻和凝結(jié)，漏斗云也就向下延伸到地面，龍卷就出現(xiàn)了。漏斗外緣的空氣旋轉(zhuǎn)向上，而龍卷的中心空氣是向地面的低壓下沉。當(dāng)空氣下沉?xí)r，加熱引起云滴蒸發(fā)，導(dǎo)致中心處是無(wú)云的區(qū)域。另一種理論

21、認(rèn)為，邊界層的風(fēng)切（上部西風(fēng)，下部東南風(fēng)）導(dǎo)致出現(xiàn)接近南北方向伸展的水平旋轉(zhuǎn)氣流，從南看過(guò)去，氣流繞水平軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這些由旋轉(zhuǎn)氣流組成的管子稱為渦管。在雷暴發(fā)展過(guò)程中強(qiáng)上升氣流作用，渦管被帶進(jìn)風(fēng)暴中，成為兩個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)的渦管，在一定條件下可以出現(xiàn)兩個(gè)龍卷風(fēng)，即一個(gè)是氣旋式的，另一個(gè)是反氣旋式的。這種理論不能說(shuō)明有時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)龍卷是如何從這些弱的渦管中發(fā)展起來(lái)的。也有人認(rèn)為，渦管被帶進(jìn)風(fēng)暴后，南邊的一個(gè)就成為可以滋生龍卷的中氣旋。人們可以通過(guò)看和聽來(lái)防備龍卷。觀測(cè)雷暴低部旋轉(zhuǎn)情況，這些旋轉(zhuǎn)部位逐漸降低變成墻云。墻云是出現(xiàn)龍卷的征兆，從墻云中出現(xiàn)的小而快速旋轉(zhuǎn)的漏斗伸向地面形成龍卷。此外，從幾公里外

22、可以聽到多數(shù)龍卷的清晰的咆哮聲，這是龍卷接觸地面后發(fā)出的聲音。因?yàn)辇埦碓斐傻臑?zāi)害，必須有效地進(jìn)行龍卷的監(jiān)測(cè)。在美國(guó)，遙控飛機(jī)、多普勒雷達(dá)等先進(jìn)設(shè)備已經(jīng)被使用，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后，預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)小時(shí)的龍卷是否出現(xiàn)，并向公眾發(fā)布龍卷預(yù)警。第11章1. 從溫度、風(fēng)和氣壓來(lái)說(shuō)明北半球臺(tái)風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)。南半球的臺(tái)風(fēng)與北半球的有何不同？云系結(jié)構(gòu)：螺旋狀對(duì)流云帶、臺(tái)風(fēng)眼壁云墻、臺(tái)風(fēng)眼晴空區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)：低空氣旋式輻合流入、高空反氣旋彎曲流出、螺旋式上升、臺(tái)風(fēng)眼內(nèi)下沉熱力結(jié)構(gòu)：暖性；臺(tái)風(fēng)眼外，濕絕熱；臺(tái)風(fēng)眼內(nèi)干絕熱，暖心。南半球的臺(tái)風(fēng)與北半球的旋轉(zhuǎn)方向不同。2. 比較臺(tái)風(fēng)和中緯度鋒面氣旋的主要特征的差異。比較臺(tái)風(fēng)和龍

23、卷風(fēng)的平均尺度和強(qiáng)度，你認(rèn)為哪個(gè)破壞力更強(qiáng)，為什么？臺(tái)風(fēng)的災(zāi)害體現(xiàn)在哪些方面？臺(tái)風(fēng)對(duì)人類有益處嗎？臺(tái)風(fēng)：正壓，氣團(tuán)內(nèi)，無(wú)鋒，暖心，熱帶海洋生成；鋒面氣旋：斜壓，氣團(tuán)間，有鋒面，中緯度大陸或海洋生成。綜合上述，自行回答！臺(tái)風(fēng)的災(zāi)害，主要表現(xiàn)在大風(fēng)、風(fēng)暴潮、暴雨、洪水、龍卷風(fēng)和下?lián)舯┝鞯戎T方面。有。3. 熱帶的天氣特征是什么？與中緯度的天氣有何不同？熱帶天氣中哪些條件適合臺(tái)風(fēng)生成？臺(tái)風(fēng)形成的必要條件是什么？列舉一些初始擾動(dòng)形成的例子。簡(jiǎn)述臺(tái)風(fēng)的生命史。簡(jiǎn)述臺(tái)風(fēng)形成的對(duì)流理論，它有哪些不足？因?yàn)闊釒б荒隃嘏?，溫度的日變化和季?jié)變化很小，天氣也就沒有四季的特征。熱帶季節(jié)的差異主要表現(xiàn)在降水上，可分為干

24、濕季節(jié)。當(dāng)赤道輻合帶（ITCZ）移到這一區(qū)域時(shí)，云和降水增多。在干季，降水是不規(guī)則的，一段時(shí)間大雨會(huì)持續(xù)幾天，可能緊隨其后的是極端干旱的一段時(shí)間。熱帶風(fēng)一般從東、東北或東南吹來(lái)。熱帶海平面氣壓變化也很小。在熱帶海域這樣的天氣中，太陽(yáng)輻射對(duì)海面加熱強(qiáng)烈，海面溫度升高，海水蒸發(fā)，使水面的空氣不穩(wěn)定產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，因此可產(chǎn)生雷暴，周圍空氣從四面八方匯聚。由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用，這些匯聚的空氣就成了逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的渦旋了，有時(shí)候，渦旋就會(huì)加強(qiáng)成長(zhǎng)為臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)形成的必要條件至少必須有4個(gè)方面。(1) 臺(tái)風(fēng)形成首先要求存在一個(gè)初始擾動(dòng)，最常見的初始擾動(dòng)場(chǎng)的就是輻合氣流形成的渦旋、熱帶輻合帶中的波動(dòng)和東風(fēng)波等。這些

25、熱帶弱渦旋中心部位，氣壓低于周圍地區(qū)，配合高層冷空氣，于是渦旋周圍濕空氣流向中心并因?yàn)榇髿獠环€(wěn)定上升凝結(jié)，釋放大量凝結(jié)潛熱，提供了渦旋繼續(xù)增強(qiáng)的能源動(dòng)力。(2) 臺(tái)風(fēng)形成需要暖性洋面。臺(tái)風(fēng)內(nèi)部氣體分子之間的運(yùn)動(dòng)摩擦?xí)木薮蟮哪芰?，必須靠廣闊熱帶海洋上釋放的潛熱來(lái)提供。另外，臺(tái)風(fēng)中心氣壓低，導(dǎo)致中心水面上涌翻騰（類似涌升流），可影響表面之下60m深處，因而需要洋面以下約60m厚度的海水溫度在26.5以上。(3) 科氏力效應(yīng)有利于氣旋性渦旋的生成。因?yàn)槌嗟栏浇剖狭π?，因而一般在赤道附近南北緯?度之內(nèi)，觀測(cè)不到臺(tái)風(fēng)。如果臺(tái)風(fēng)與下墊面之間沒有摩擦，空氣輻合時(shí)角動(dòng)量守恒，因此，因?yàn)榈剞D(zhuǎn)效應(yīng)作用，即

26、使在開始大的半徑Ri處氣流沒有旋轉(zhuǎn)，當(dāng)它們向臺(tái)風(fēng)中心輻合到較小半徑Rf處時(shí)，就獲得切向速度，氣流就開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)氣流繼續(xù)向中心輻合并旋轉(zhuǎn)，離心力開始逐漸起作用，這時(shí)可用梯度風(fēng)公式描述臺(tái)風(fēng)切向風(fēng)速u，旋轉(zhuǎn)繼續(xù)加強(qiáng)到一定程度，與增大的離心力相比，科氏力就可以忽略，這時(shí)就是向內(nèi)的氣壓梯度力和向外的離心力達(dá)到平衡。使用旋衡風(fēng)公式可得到距臺(tái)風(fēng)中心100km之內(nèi)的臺(tái)風(fēng)切向風(fēng)速， 在北半球的夏季，由南半球過(guò)來(lái)的空氣在低緯度地區(qū)和熱帶地區(qū)的東風(fēng)會(huì)合而形成熱帶輻合區(qū)。該地區(qū)不但有大尺度的抬升，而且也有相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)，是形成臺(tái)風(fēng)的主要地區(qū)之一。(4) 整個(gè)對(duì)流層風(fēng)的垂直切變要小。對(duì)流層風(fēng)速垂直切變的大小，決定著一個(gè)初始

27、熱帶擾動(dòng)中分散的對(duì)流釋放的潛熱能否集中在一個(gè)有限的空間之內(nèi)。如果垂直切變小，上下層空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)很小，則凝結(jié)釋放的潛熱始終加熱一個(gè)有限范圍內(nèi)的氣柱，使之很快增暖形成暖心結(jié)構(gòu)，初始渦旋能迅速發(fā)展形成臺(tái)風(fēng)。反之，如果上下切變大，潛熱將被很快輸送出擾動(dòng)區(qū)的上空，不能形成暖心結(jié)構(gòu)，也不可能形成臺(tái)風(fēng)。雷暴周圍空氣從四面八方匯聚。由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用，這些匯聚的空氣就成了逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的渦旋了，有時(shí)候，渦旋就會(huì)加強(qiáng)成長(zhǎng)為臺(tái)風(fēng)。熱帶輻合帶（ITCZ）是一個(gè)低壓帶，赤道信風(fēng)向這里輻合。有時(shí)候，當(dāng)沿ITCZ形成一個(gè)波動(dòng)時(shí)，一個(gè)低壓區(qū)就會(huì)發(fā)展起來(lái)并加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)。有時(shí)候，從高緯度移到熱帶的鋒面上產(chǎn)生的低壓系統(tǒng)也可發(fā)展為臺(tái)風(fēng)

28、。此外流線被赤道弱低壓槽影響成為熱帶波或東風(fēng)波。其波長(zhǎng)約2500m，以1020km的速度從東向西運(yùn)動(dòng)。在槽東邊，東南信風(fēng)使氣流輻合上升產(chǎn)生雷暴和陣雨。有時(shí)候，東風(fēng)波中輻合區(qū)加強(qiáng)會(huì)成長(zhǎng)為臺(tái)風(fēng)。從熱帶擾動(dòng)起始發(fā)展到臺(tái)風(fēng)風(fēng)力達(dá)12級(jí)的這段時(shí)間，就是臺(tái)風(fēng)的形成階段。隨后是臺(tái)風(fēng)的加深階段，即臺(tái)風(fēng)繼續(xù)加深，一直到中心氣壓達(dá)到最低，風(fēng)力等級(jí)出現(xiàn)最大的這段時(shí)間。在這之后的一段時(shí)間內(nèi)，中心氣壓不再加深，臺(tái)風(fēng)中心附近等壓線密集的范圍擴(kuò)大，臺(tái)風(fēng)風(fēng)力大于12級(jí)的范圍也在擴(kuò)大，這段時(shí)間是臺(tái)風(fēng)的維持階段。在維持一段時(shí)間后，臺(tái)風(fēng)開始了它的衰亡階段，臺(tái)風(fēng)因不同的原因逐漸減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、熱帶風(fēng)暴和熱帶低壓直至消亡。如果臺(tái)風(fēng)停

29、留在暖水面上，它如同一個(gè)漂浮的旋轉(zhuǎn)的軟木塞，可以維持很長(zhǎng)時(shí)間。但是，大多數(shù)臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間短于一周。大多數(shù)臺(tái)風(fēng)是在海上消失的。臺(tái)風(fēng)在海上消失的原因很多，其中有的是通過(guò)冷水區(qū)和失去供熱源而逐漸減弱并消失；有的是由于臺(tái)風(fēng)移入強(qiáng)盛的副熱帶高壓范圍之內(nèi)，下沉氣流破壞了臺(tái)風(fēng)的環(huán)流，因而臺(tái)風(fēng)減弱消失，有的是因?yàn)橛袕?qiáng)冷空氣從臺(tái)風(fēng)北部侵入，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)減弱填塞。有些臺(tái)風(fēng)北移進(jìn)入西風(fēng)帶后，如有冷空氣從臺(tái)風(fēng)西北部侵入，則臺(tái)風(fēng)有可能演變成溫帶鋒面氣旋。臺(tái)風(fēng)登陸后也會(huì)消失。臺(tái)風(fēng)登陸后，由于能量來(lái)源枯竭，加之地面摩擦輻合作用增強(qiáng)，使低層空氣質(zhì)量的輻合大大超過(guò)高層的輻散，導(dǎo)致中心氣壓上升，因而臺(tái)風(fēng)減弱消失。對(duì)于臺(tái)風(fēng)形成的理論，最

30、典型的和有代表性的是對(duì)流理論（也稱為第二類條件不穩(wěn)定理論，簡(jiǎn)稱CISK理論）和熱機(jī)理論。對(duì)流理論認(rèn)為，臺(tái)風(fēng)形成時(shí)，雷暴必須變得有組織，以便驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的潛熱能夠被限制在一個(gè)有限的區(qū)域內(nèi)。如果沿ITCZ或沿東風(fēng)波，雷暴組織起來(lái)，而且信風(fēng)逆溫弱，那么臺(tái)風(fēng)誕生的舞臺(tái)就可建立。如果高層空氣不穩(wěn)定，臺(tái)風(fēng)發(fā)展的可能性就會(huì)加強(qiáng)。這種不穩(wěn)定可由從中緯度移向風(fēng)暴區(qū)的高空冷槽引起。一旦這種形勢(shì)建立，積雨云會(huì)快速發(fā)展并生長(zhǎng)成巨大的雷暴云。雖然高層空氣開始冷，但由于凝結(jié)過(guò)程釋放的巨大潛熱被迅速加熱。當(dāng)這股冷空氣變成較暖的空氣時(shí)，雷暴上部產(chǎn)生高壓區(qū)。高層空氣開始向外運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離發(fā)展的雷暴區(qū)。高層空氣輻散伴隨氣層加熱，使得表面

31、氣壓下降，形成一個(gè)小的表面低壓區(qū)。表面空氣開始反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并吹向低壓區(qū)。當(dāng)向里運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速度增加（角動(dòng)量守恒）。風(fēng)使海面變粗糙，增加了運(yùn)動(dòng)空氣的摩擦阻力。這種增加的摩擦力導(dǎo)致氣流輻合，并在風(fēng)暴中心周圍的空氣上升。上升的空氣，從波浪起伏的洋面攜帶更多的水汽和熱量，供給雷暴更多燃料并釋放更多熱量，這樣導(dǎo)致表面氣壓降低更多。中心附近低壓產(chǎn)生較大摩擦，導(dǎo)致輻合加強(qiáng)和更多的上升空氣。上升空氣產(chǎn)生更多的雷暴，釋放更多的熱量，使表面氣壓降的更低，風(fēng)也更強(qiáng)。這樣一個(gè)正反饋的連鎖反應(yīng)機(jī)制建立了，即空氣上升導(dǎo)致中心氣壓降低，中心氣壓降低導(dǎo)致更多的空氣上升，反復(fù)直到一個(gè)成熟的臺(tái)風(fēng)誕生。只要高層流出多于地面流入，風(fēng)

32、暴就會(huì)加強(qiáng)，表面氣壓就會(huì)降低。由于系統(tǒng)內(nèi)，氣壓受向上伸展的暖空氣控制，風(fēng)暴只會(huì)加強(qiáng)到一定程度?？刂埔蜃邮撬疁睾蜐摕後尫?。因此，當(dāng)風(fēng)暴完全成熟后，它將耗盡所有可供的能量，空氣溫度不再上升，氣壓將不再降低。當(dāng)中心附近輻合空氣超過(guò)頂部流出時(shí)，表面氣壓開始增加，風(fēng)暴逐漸消失。對(duì)流理論突出了積云對(duì)流的作用，抓住了水汽凝結(jié)釋放潛熱是臺(tái)風(fēng)發(fā)展的主要能源這一本質(zhì)，因此它對(duì)熱帶氣旋的發(fā)展過(guò)程做出了較為合理的解釋。但是，對(duì)于低層原先存在的低壓擾動(dòng)是如何發(fā)生的，該理論沒有給出解釋，這是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。熱機(jī)理論認(rèn)為，臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)象一個(gè)熱機(jī)，它從海面吸收熱量，轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)風(fēng)發(fā)展需要的功（動(dòng)能或風(fēng)），然后在臺(tái)風(fēng)頂部通過(guò)

33、輻射冷卻放熱離開。臺(tái)風(fēng)形成發(fā)展所需的能量取決于海面和頂部的絕對(duì)溫度，臺(tái)風(fēng)的最大強(qiáng)度也是由洋面和云頂?shù)臏囟炔町悰Q定的。洋面越暖，臺(tái)風(fēng)的最低氣壓就越低，而且風(fēng)就越大。在臺(tái)風(fēng)中，旋轉(zhuǎn)渦旋從海面帶感熱和潛熱進(jìn)入上面空氣中。水越暖、風(fēng)越大，傳輸?shù)母袩岷蜐摕峋驮蕉?。因?yàn)?，?dāng)空氣向風(fēng)暴中心運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近眼壁時(shí)風(fēng)速增加，傳輸能量的速率增大。同樣，大風(fēng)導(dǎo)致蒸發(fā)率提高，傳輸效率也會(huì)增加。在眼壁附近，暖濕空氣上升，水汽凝結(jié)形成云。云中潛熱的釋放，導(dǎo)致眼壁區(qū)域氣溫比遠(yuǎn)離風(fēng)暴中心同樣高度處的氣溫高許多。這種形勢(shì)導(dǎo)致高層水平氣壓梯度，促使空氣向外運(yùn)動(dòng)，以積雨云的云砧形式吹離風(fēng)暴中心。在風(fēng)暴頂部，云向太空輻射紅外能量。因此，

34、在臺(tái)風(fēng)中，熱量從海洋表面帶來(lái)，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能或風(fēng)，在頂部通過(guò)輻射冷卻散失。第12章1. 煤煙型煙霧、光化學(xué)煙霧、臭氧洞和酸雨是如何形成的？各有什么危害？SO2，無(wú)色有臭味氣體，主要是由燃燒含硫化石燃料而來(lái)（如煤和石油），主要源地包括煤、石油燃燒，硫化物金屬礦冶煉等。但是，它也可在火山噴發(fā)自然進(jìn)入大氣，或從海洋飛沫中的硫酸鹽粒子。呼入肺中，高濃度的SO2可使呼吸問(wèn)題加重，如哮喘、支氣管炎和肺氣腫。大量的SO2會(huì)對(duì)某些植物造成傷害，如生菜、菠菜等，有時(shí)在葉子上產(chǎn)生漂白的痕跡，減少了產(chǎn)量。SO2易在大氣中固體顆粒物煙塵（含鐵、銅或鎂等）的催化下，或雷電作用下，會(huì)被氧化成二次污染物SO3，在濕空氣中，成為

35、高腐蝕性的硫酸H2SO4。隨降雨落到地面，就會(huì)造成酸雨。英國(guó)在20世紀(jì)30年代起多次出現(xiàn)的倫敦?zé)熿F（煤煙型煙霧），主要成分就是上述反應(yīng)形成的硫酸霧。從工廠和家庭因燃煤排出的SO2和煙塵等，在冬季氣溫較低、逆溫、低風(fēng)速和高濕度的大氣條件下，形成組成為氣溶膠顆粒物、SO2和硫酸霧等的黃色煙霧。這種煙霧主要在工業(yè)化大城市產(chǎn)生它會(huì)刺激人的呼吸道，甚至導(dǎo)致死亡。倫敦最嚴(yán)重的一次發(fā)生在1952年12月59日，近4000市民死亡。光化學(xué)煙霧的主要成分是O3，它是在太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)（光化學(xué)反應(yīng)）形成的。雖然NO與O3反應(yīng)生成NO2，但研究表明，在有有機(jī)物存在時(shí)，NO與活潑的有機(jī)物反應(yīng)生成NO2，從而阻

36、止了NO破壞O3，使O3濃度增加。光化學(xué)煙霧是由汽車排氣引起的，開始于20世紀(jì)50年代汽車發(fā)達(dá)的大城市，主要是O3、PAN（硝酸過(guò)氧酰酯類）、醛類、NOx和碳?xì)浠衔锏冉M成的藍(lán)色煙霧。發(fā)生在氣溫較高的夏秋季節(jié)，在白天大氣逆溫、低風(fēng)速、低濕度和強(qiáng)日光下形成。它對(duì)眼睛和呼吸有刺激作用，嚴(yán)重可導(dǎo)致死亡。1952年發(fā)生洛杉磯光化學(xué)煙霧污染事件。污染物質(zhì)進(jìn)入平流層后，使得O3的自然平衡受到破壞。主要的污染氣體是NOx和有機(jī)物氟利昂（CFCs）。這些污染物可以逐漸擴(kuò)散進(jìn)入平流層，或者通過(guò)對(duì)流層頂斷裂處，也可以隨雷暴突破平流層低層而進(jìn)入。NO對(duì)臭氧的破壞是循環(huán)反應(yīng)，同樣，CFCs進(jìn)入平流層中層，紫外能量使其

37、分解成Cl原子，進(jìn)而與O3進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)，估計(jì)1個(gè)Cl原子在與其他物質(zhì)化合清除前，可破壞多于10萬(wàn)個(gè)臭氧分子。而溴化合物分解成的溴原子的破壞了更大，是氯化合物的10倍以上。研究已經(jīng)證實(shí)春季南極洲O3劇烈減少，其元兇歸結(jié)于上述污染物的破壞。這些污染物除了來(lái)自地面排放的致冷劑CFCs和NOx等外，大型噴氣飛機(jī)高空頻繁飛行也會(huì)放出大量NOx，核爆炸也會(huì)將大量含NOx的污染物送入平流層。平流層臭氧濃度季節(jié)性大幅度減少的情況，如同一個(gè)空洞，稱為南極臭氧洞。平流層臭氧是要我們?nèi)ケＷo(hù)的。因?yàn)樗仗?yáng)紫外輻射，有效地保護(hù)了地球居民。小于0.3微米的紫外輻射能量大會(huì)引起皮膚癌，小于0.26微米的輻射損害DNA中

38、的傳遞遺傳信息的脫氧核糖核酸。平流層臭氧濃度的減少導(dǎo)致的后果還包括：眼睛白內(nèi)障和太陽(yáng)灼傷驟增；人的免疫系統(tǒng)受抑制；紫外輻射對(duì)農(nóng)作物和動(dòng)物有不利影響；海洋浮游植物生長(zhǎng)減緩；平流層變冷導(dǎo)致氣流方式改變，影響O3的生成和損耗。硫氧化物或氮氧化物的氣體分子或懸浮粒子，在陽(yáng)光、水汽和其它氣體的參與下，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，首先形成較小的硫酸滴（H2SO4）和硝酸滴（HNO3）等酸性粒子。在一定的條件下，它們作為凝結(jié)核，可形成霧滴，造成酸霧；或可形成云滴并繼續(xù)長(zhǎng)大產(chǎn)生降水，就是酸雨。酸雨的危害是多方面的，它可對(duì)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)合建筑設(shè)施等都有直接或潛在的危害。例如可使慢性咽炎、支氣管哮喘等發(fā)病率增加

39、；使得建筑物、金屬部件等受到損傷；農(nóng)業(yè)減產(chǎn)；森林死亡；土質(zhì)惡化和湖泊水酸化等等。2. 天氣預(yù)報(bào)的主要方法有哪些？形勢(shì)預(yù)報(bào)，以天氣系統(tǒng)為對(duì)象，預(yù)報(bào)它們的生消、移動(dòng)和強(qiáng)度的變化，它主要是依據(jù)天氣圖以及天氣概念和模型，進(jìn)行定性的、經(jīng)驗(yàn)性的預(yù)報(bào)。主要有趨勢(shì)法和相似法兩種預(yù)報(bào)方法。由于天氣形勢(shì)與天氣現(xiàn)象之間有密切的關(guān)系，因此根據(jù)形勢(shì)預(yù)報(bào)，可以作出氣象要素預(yù)報(bào)。這也是當(dāng)前臺(tái)站進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的主要預(yù)報(bào)方法，它包括形勢(shì)預(yù)報(bào)和氣象要素預(yù)報(bào)，稱為天氣學(xué)預(yù)報(bào)方法。趨勢(shì)法是根據(jù)前段時(shí)間天氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，來(lái)推斷未來(lái)天氣系統(tǒng)會(huì)移向那里以及狀態(tài)如何變化。最常用的是外推法。相似法是另外一種形勢(shì)預(yù)報(bào)方法。依據(jù)是目前天氣圖上存在

40、的特征，非常象過(guò)去某段時(shí)間產(chǎn)生某種天氣現(xiàn)象的特征，預(yù)報(bào)員就可以根據(jù)以前的天氣事件進(jìn)行當(dāng)前的天氣預(yù)報(bào)。但實(shí)際上，現(xiàn)在的天氣過(guò)程不會(huì)與過(guò)去的天氣過(guò)程完全一致，所以在用相似法進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，還要分析當(dāng)前天氣系統(tǒng)的特征，過(guò)去的天氣系統(tǒng)只作為一種參考。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)是用概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一些方法，尋找天氣現(xiàn)象之間的相互關(guān)系及其演變規(guī)律，并用于天氣預(yù)報(bào)的一種定量方法。它用途廣泛，可用作短、中和長(zhǎng)期不同時(shí)效的天氣預(yù)報(bào)。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)中的模式輸出量法（MOS），是日常天氣預(yù)報(bào)的主要方法之一，非常類似相似法對(duì)氣象要素的預(yù)報(bào)，只需要將模式輸出量代替由相似法得到的當(dāng)前天氣信息。概率預(yù)報(bào)常用于降水的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)的概率表示在預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)任

41、何隨機(jī)的地點(diǎn)有多大的降水可能。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的原理是，建立描述大氣溫度、氣壓和水汽等將如何隨時(shí)間變化的方程式（數(shù)學(xué)模式），將觀測(cè)所得的氣象要素（或稱變量）作為大氣某一時(shí)刻的狀態(tài)（即方程式的初值），采用數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算出氣象要素在未來(lái)時(shí)刻的分布，也就預(yù)報(bào)了大氣未來(lái)的狀態(tài)。3. 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是如何實(shí)現(xiàn)的？為什么這種預(yù)報(bào)有時(shí)會(huì)失敗？在進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)，預(yù)報(bào)區(qū)域在水平方向要?jiǎng)澐譃樵S多網(wǎng)格點(diǎn)（即格點(diǎn)），在空間垂直方向則劃分許多層。為了進(jìn)行數(shù)值求解，首先必須確定變量的初始狀態(tài)。全球常規(guī)氣象觀測(cè)網(wǎng)、衛(wèi)星、飛機(jī)和雷達(dá)的觀測(cè)資料，經(jīng)過(guò)客觀分析，即可獲得初始時(shí)刻的大氣各層每個(gè)格點(diǎn)上的分析值。這種分析過(guò)程由高速計(jì)

42、算機(jī)完成，然后繪制地面和高空?qǐng)D。氣象學(xué)家根據(jù)天氣狀況的分析，訂正可能出現(xiàn)的一些誤差。在進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)，根據(jù)大氣的數(shù)學(xué)模式編制計(jì)算機(jī)程序，將初值（如溫度、氣壓、水汽、風(fēng)和空氣密度等）代入方程式，放入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)槊恳粋€(gè)變量隨時(shí)間變化，所以還要設(shè)置計(jì)算機(jī)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)，例如10分鐘。從初始時(shí)刻起，計(jì)算機(jī)會(huì)計(jì)算預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)，10分鐘后每層各個(gè)格點(diǎn)的變量值。計(jì)算結(jié)果可以再次充當(dāng)初值，使計(jì)算機(jī)重新解方程組，這樣將預(yù)測(cè)第二個(gè)10分鐘后的天氣。這樣重復(fù)求解過(guò)程，一直到未來(lái)希望的時(shí)間為止，一般是12、24或48小時(shí)，即短期預(yù)報(bào)。隨后，計(jì)算機(jī)打印這些信息，畫出等壓線或等高線來(lái)確定氣壓系統(tǒng)的未來(lái)位置。最后代表

43、將來(lái)某一時(shí)間大氣狀態(tài)的天氣圖稱為形勢(shì)預(yù)報(bào)圖，預(yù)報(bào)員就是使用這些圖為工具來(lái)預(yù)報(bào)天氣的。此外，計(jì)算機(jī)利用虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化技術(shù)，還可將計(jì)算結(jié)果以三維動(dòng)畫或立體圖形式真實(shí)顯現(xiàn)出來(lái)，更便于預(yù)報(bào)員對(duì)天氣系統(tǒng)的演變有直觀的了解和深入的認(rèn)識(shí)。數(shù)值模式不能代表真實(shí)的大氣，它只是將實(shí)際大氣理想化；而且，它無(wú)法詳細(xì)說(shuō)明影響大氣的許多因子，如水、冰和局地地形與天氣系統(tǒng)的相互作用等。在進(jìn)行初值準(zhǔn)備時(shí)，即使可以獲得全球每天有數(shù)千觀測(cè)站的資料，但仍有觀測(cè)空白的區(qū)域，特別是海洋和高緯度地區(qū)，這樣有可能會(huì)漏掉某些天氣現(xiàn)象。在數(shù)值求解時(shí)，一方面，大多數(shù)模式不是全球模式，因此邊界的誤差會(huì)影響到其它格點(diǎn)；另一方面，采用了較大的格點(diǎn)和

44、時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)一些小尺度的大氣現(xiàn)象難免就會(huì)在計(jì)算中漏掉，相反則會(huì)加大計(jì)算量；此外，初值的誤差也會(huì)在數(shù)值求解時(shí)，隨計(jì)算機(jī)的運(yùn)算而逐漸放大。第13章1. 氣候系統(tǒng)有哪些重要的反饋過(guò)程？哪些具有不確定性？氣候變化是因?yàn)榫S持氣候系統(tǒng)的平衡關(guān)系發(fā)生了變化，這種變化通過(guò)維持氣候系統(tǒng)狀態(tài)的氣候過(guò)程的變異來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)水、熱、物質(zhì)和動(dòng)能的輸送，控制著海陸表面和大氣的相互作用，在氣候系統(tǒng)中引起一系列的反饋過(guò)程，其中水汽、冰雪、云和海洋反饋過(guò)程對(duì)氣候變化最為重要。水汽溫室效應(yīng)反饋是最重要的一種反饋。大氣中的水汽作為溫室氣體之一有效地保持了地球表面的溫度，如果氣候緩慢變暖，會(huì)使更多的水汽從海洋和陸面上蒸發(fā)出來(lái)，從而增

45、強(qiáng)了溫室效應(yīng)，使氣溫增加更多，因此水汽反饋是正反饋。如果不抑制，海水將會(huì)蒸發(fā)完，出現(xiàn)失控的溫室效應(yīng)。氣候系統(tǒng)中有許多抑制和平衡辦法來(lái)抵消這種反饋的變化。例如溫度升高，正比于絕對(duì)溫度的4次方的紅外輻射也增強(qiáng)，因此減慢了溫度的升高。冰雪反射率反饋是雙向性的正反饋。當(dāng)溫度升高時(shí)，冰雪覆蓋減少，地表反射率減小，吸收的太陽(yáng)輻射增加，因而溫度進(jìn)一步升高；當(dāng)溫度降低時(shí)，冰雪覆蓋增多，地表反射率增大，吸收的太陽(yáng)輻射減少，因而溫度進(jìn)一步降低，兩種情況都是正反饋。同樣，溫度降低的冰雪正反饋，如果無(wú)限制發(fā)展下去，會(huì)產(chǎn)生失控冰期。但其它機(jī)制可以調(diào)節(jié)降溫的大小，抵消了這種反饋的變化。云地面溫度反饋可能是正反饋，也可能是

46、負(fù)反饋。一方面，云可以反射掉入射的部分太陽(yáng)能，減少了地氣系統(tǒng)可能獲得的有效能量，使地球變冷，稱為陽(yáng)傘效應(yīng)；另一方面，云具有溫室氣體的作用，通過(guò)吸收其地球下墊面的紅外輻射，同時(shí)自身也放出紅外輻射，從而減少了地氣系統(tǒng)向空氣損失的能量，稱為被毯效應(yīng)。一般來(lái)講，高云由冰晶組成，可以使太陽(yáng)輻射通過(guò)，但其溫度低向太空輻射的紅外能量少，因而具有被毯效應(yīng)，使系統(tǒng)增溫。低云由水滴組成，反射太陽(yáng)輻射多，而且云頂相對(duì)較暖，它們輻射從地球吸收的很多能量，因而常導(dǎo)致降溫。例如，氣候變暖時(shí)，地面溫度升高，水蒸發(fā)增多，低云增多，反射增強(qiáng)，地面吸熱減少，于是變暖減慢，此時(shí)云反饋是負(fù)反饋。研究表明，總體來(lái)說(shuō)，目前云對(duì)我們星球有

47、凈的冷卻效果。若無(wú)云，則大氣會(huì)變暖。云量和云的結(jié)構(gòu)等對(duì)氣候變化的影響是復(fù)雜而敏感的，地面溫度通過(guò)反饋?zhàn)饔檬乖频臓顟B(tài)發(fā)生變化的機(jī)制，還未完全弄懂，仍然是繼續(xù)探討的問(wèn)題之一。海洋CO2反饋?zhàn)饔脤?duì)氣候變化存在著不確定性。如果氣候變暖海水升溫，將促使海上的浮游植物生長(zhǎng)，并吸收大氣中的二氧化碳，從而減少的溫室氣體，減緩了氣候變暖，這是負(fù)反饋。同時(shí)，因?yàn)楹Ｋ郎?，使得海水能容納的二氧化碳含量減少，使得溫室氣體二氧化碳增多，又促進(jìn)了氣候變暖，這是正反饋。此外，海洋具有極大的熱容量，可以通過(guò)有效地調(diào)節(jié)熱量的收支和傳輸，減緩氣候變暖。總之，氣候系統(tǒng)內(nèi)部各成員之間、氣候要素之間的相互作用和反饋過(guò)程很多，沒有一個(gè)是

48、獨(dú)立的，不能孤立考慮一個(gè)而忽略其它過(guò)程，這樣就造成了氣候變化的復(fù)雜性。海洋CO2反饋?zhàn)饔?、云地面溫度反饋?zhàn)饔玫榷紝?duì)氣候變化存在著不確定性。2. 如何進(jìn)行氣候重建？主要使用了哪些資料和技術(shù)？古氣候的研究只能用代用資料（proxy data）。代用資料是已知?dú)v史時(shí)期的生物或地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從中可以提取過(guò)去氣候的信息；也可以是史料，從中獲得氣候信息的證明。主要的代用資料包括：海洋湖泊沉積物、冰芯、樹木年輪、珊瑚年層和史料記錄等。年代測(cè)量一般采用14C年代測(cè)定法。海洋或湖泊的沉積物，由鉆空機(jī)獲得和分析，它包含有從前生活在表面附近的海洋生物殘骸的沉積物。因?yàn)槟承┥镆谶m宜的溫度下，并要求相對(duì)窄的溫度范圍才能

49、生存，沉積物中生物的分布和類型可顯示海面水溫或湖泊水溫。殘骸中生物碳酸鈣殼（含氧原子）中的氧同位素比值18O/16O，可以定量反映溫度及冰川變化。海水中大部分的氧原子核由8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子組成，這樣的氧原子原子量為16。但有約千分子一的氧原子核會(huì)多含有2個(gè)中子，這樣的氧原子的原子量為18。在水的蒸發(fā)過(guò)程中，輕的水分子H216O較H218O更易于蒸發(fā)。在寒冷的冰期里，大陸冰蓋擴(kuò)展，大量的低16O含量的淡水被固定在冰蓋中，大洋中的18O含量顯著增高，因此同期海洋生物的殼中的18O含量也顯著增高。以現(xiàn)代大洋中平均的氧同位素比值為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不僅可以估計(jì)生物生存時(shí)期的溫度，而且可以對(duì)全球冰川的變化進(jìn)行推

50、斷。其中下標(biāo)“S”表示標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)這種方法，科學(xué)家重建了過(guò)去不同時(shí)期的地球海面溫度。冰芯，南極和格陵蘭至今還保存著千米以上的冰蓋，從中提取的垂直冰芯，可以提供了過(guò)去溫度變化的信息。在溫度足夠低的情況下，一年中降雪量多于融化雪的量，因而會(huì)造成連續(xù)的降雪積累，慢慢積壓結(jié)晶成冰蓋。因?yàn)楸怯蒓和H組成，通過(guò)檢查氧同位素在冰芯中的比例，可以獲得過(guò)去溫度及溫度出現(xiàn)的時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)雪下時(shí)空氣越冷，融化蒸發(fā)越少，因此冰芯中16O濃度越高，d18O也隨之降低。在中高緯度，溫度下降1，d18O降低0.7。此外，冰芯中殘留的古代氣泡，經(jīng)過(guò)分析后可以確定過(guò)去大氣的組成及其變化（見圖）；冰芯中顯示層狀結(jié)構(gòu)的厚薄，

51、反映每年的降水量的多寡；冰芯中的化學(xué)成分和微粒含量，記錄了過(guò)去大氣氣溶膠和地球沙漠化的狀況；冰芯中的火山灰則記錄了火山活動(dòng)的歷史等等。樹木年輪，樹木生長(zhǎng)受季節(jié)影響，春季的木質(zhì)細(xì)胞大而顏色淡，秋季的木質(zhì)細(xì)胞小而顏色深，這樣每年的樹木生長(zhǎng)的狀況顯示為一淡一深組成的一圈年輪。年輪環(huán)的寬度與當(dāng)年的降水和溫度變化有關(guān)。珊瑚，海洋珊瑚生長(zhǎng)也象樹木年輪一樣，其骨骼有不同的密度帶，但它是受海水的溫度和鹽度影響。因?yàn)樯汉饕话愣嗌钤趰u嶼的河流入海處，珊瑚骨骼中的鹽度變化可反映島嶼的降水氣候。珊瑚的年層寬度與海溫和營(yíng)養(yǎng)有關(guān)，根據(jù)其寬度可以確定海溫變化。但要準(zhǔn)確反映海溫，需要分析珊瑚中的氧同位素。氧同位數(shù)比的相對(duì)差

52、值d18O每減少0.22，相當(dāng)于海溫上升1。史料，歷史文獻(xiàn)資料記錄了十分豐富的、歷史上的人類物質(zhì)文化活動(dòng)和自然環(huán)境狀況，例如各種自然現(xiàn)象、物候的記載以及雨雪天氣等的記錄。從這種代用資料可以獲取十分有價(jià)值的過(guò)去氣候演變的證據(jù)，3. 影響氣候變化的因子主要有哪些？形成氣候的因子有兩類，這兩類也是造成氣候變化的因子，即內(nèi)部因子和外部因子。內(nèi)部因子主要指氣候系統(tǒng)內(nèi)部各成員之間復(fù)雜的反饋?zhàn)饔?，而氣候系統(tǒng)對(duì)外部因子沒有反饋?zhàn)饔?。外部因子包括太?yáng)輻射的變化、地球運(yùn)動(dòng)的變化、大陸漂移和火山活動(dòng)和人類活動(dòng)的影響等。第14章1. 空氣分子、愛根核、霾粒子、霧滴、云滴和雨滴的平均半徑（單位m）分別為0.0001、0

53、.01、0.1、1、10 和1000，它們對(duì)于波長(zhǎng)為0.5m 的藍(lán)綠光的散射屬于瑞利散射、米散射或幾何光學(xué)散射中的哪種？大氣分子、水滴和冰晶，通過(guò)反射、折射、衍射和散射分別可以引起什么光學(xué)現(xiàn)象。瑞利散射（Rayleigh scattering）也稱分子散射，其發(fā)生條件是a0.1，即d0.032l。大氣中空氣分子尺度為0.00010.001mm，它遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)（0.40.76mm），因此空氣分子對(duì)光的散射屬于瑞利散射。米散射（Mie scattering）發(fā)生的條件0.1a50，即d的范圍是0.032l16l。大氣中氣溶膠、煙霧和云滴等的尺度是0.0110mm，它們相對(duì)于可見光就是米散射。白晝

54、天藍(lán)： 光在傳播中如果遭遇微小的粒子，就會(huì)產(chǎn)生散射。粒子越小，散射的光越在短波的范圍。 空氣中充滿了氧和氮的分子，它們的大小甚至比短波的波長(zhǎng)還短，散射出來(lái)的光都在紫、藍(lán)、綠的范圍。在白天時(shí)，陽(yáng)光經(jīng)過(guò)比較薄的大氣層，散射的結(jié)果就呈現(xiàn)到處都是藍(lán)色的情景。黃昏天紅：黃昏或日出時(shí)分，因?yàn)殛?yáng)光必須穿過(guò)比較厚的大氣層，藍(lán)色的色素已經(jīng)在前面被散射殆盡了，只剩下紅、橙、黃等比較偏紅的顏色，所以天色看起來(lái)是橘紅色的。云：外觀白色。不下雨的云主要由云滴（小水滴）所組成，云滴比分子大許多，大致為20微米大小的云滴可以散射出各種光，但云是一團(tuán)紊亂的對(duì)流體，云滴的分部也是非常雜亂的，向四面八方散射的各種顏色的光，加在一

55、起就成了白色。而再大一點(diǎn)的云滴或水滴已經(jīng)足夠構(gòu)成反射的條件，白色的陽(yáng)光被反射出去後當(dāng)然是白色的。厚云：灰黑色。當(dāng)陽(yáng)光射入云里面時(shí)，如果云里面都是比較細(xì)小的云滴或雨滴的話，就會(huì)產(chǎn)生散射或反射，使穿透的陽(yáng)光減少，大的雨滴還吸收太陽(yáng)光，所以越到云的底部，光線越弱。霾：灰蒙蒙。霾是由空氣中的懸浮粒子散射可見光而造成的現(xiàn)象。懸浮粒子有灰塵、鹽粒、水滴甚至於有火山灰等，在乾燥的大氣中它們大致是在0.1 微米左右，會(huì)散射黃、紅色光，使得天空不再是湛藍(lán)的顏色。霧：白茫茫。霧和云滴的成因類似的，水滴大約是在1微米左右，對(duì)可見光構(gòu)成米散射，故散射的是白色的光，白茫茫一片。也由於光在霧中散射掉了，因此相隔遠(yuǎn)的物體的

56、光線隨著距離而減弱，所以變得模糊。越濃衰減越嚴(yán)重，物體發(fā)射的光還沒到達(dá)人的眼睛就被散射殆盡，而看不見了。云隙：萬(wàn)箭光芒。在早晨或傍晚，光由云的裂縫瀉漏出來(lái)。稱為曙暮輝，是由於陽(yáng)光被懸浮在空氣中的粒子（例如霧滴）散射所致，又由於通常在清晨和黃昏時(shí)才可以看到，故名。星星：閃爍。由於折射，星星看起來(lái)的位置比原來(lái)的位置高。如果這時(shí)大氣的密度因?yàn)榭諝庠谝苿?dòng)（風(fēng)）的緣故而發(fā)生變化，折射就會(huì)變化，而使得星星看起來(lái)位置也改變了。當(dāng)這種情形一直持續(xù)的話，就會(huì)發(fā)生星星看起來(lái)是在閃爍的樣子。2. 根據(jù)懸浮氣溶膠粒子尺度的不同，試分析霞的顏色。當(dāng)旭日東升或夕陽(yáng)西下時(shí)，天邊常會(huì)出現(xiàn)五彩繽紛的色彩，這就是霞（sunglo

57、w）。按出現(xiàn)時(shí)間分別稱為朝霞（sunrise glow）和晚霞（sunset glow）。按出現(xiàn)的位置與太陽(yáng)的關(guān)系分為反射霞和透射霞，反射霞出現(xiàn)在太陽(yáng)相對(duì)的位置上，而透射霞出現(xiàn)在太陽(yáng)相同位置上。當(dāng)天邊有云時(shí)，云也會(huì)染上顏色。從地平線向上，顏色順序按從紅到紫排列，有時(shí)個(gè)別彩色可能不明顯。霞的形成和天空藍(lán)色的道理一樣，是由于空氣分子的散射作用而造成的。日出和日落前后，陽(yáng)光被較厚的近似水平的大氣層分子散射，紫色和藍(lán)色的光就減弱得最多，在地平線上空幾乎只有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的黃、橙、紅色光了。這些光線再經(jīng)地平線上空的塵埃等氣溶膠粒子、云粒子等散射后，那里的天空和云看起來(lái)也就帶上了綺麗的色彩。霞的色彩與大氣懸浮粒

58、子的尺度有關(guān)，可依據(jù)米散射理論（圖*Qs）去具體分析（習(xí)題），因此霞就不一定是紅霞了，甚至出現(xiàn)藍(lán)霞或綠霞。霞的不同色彩的出現(xiàn)，則反映了懸浮物氣溶膠粒子的大小分布不同。諺語(yǔ)“早霞不出門，晚霞行千里”里說(shuō)的是反射霞，早霞出現(xiàn)在有云的西方，預(yù)示未來(lái)天氣系統(tǒng)東移；晚霞出現(xiàn)在東方，說(shuō)明西方無(wú)云，西邊晴好的天氣也將隨時(shí)間逐漸移來(lái)。3. 華、22暈和彩環(huán)都是圓環(huán)形光學(xué)現(xiàn)象，它們?cè)谔卣骱托纬稍蛏嫌泻尾煌?？蛾眉寶光和露面寶光有何差異?.1 華華是當(dāng)天空中有薄的云層存在時(shí)，圍繞日月的色彩內(nèi)紫外紅有序排列的光環(huán)。華可以有好幾圈，當(dāng)中的亮斑稱為華蓋。華是我們面向太陽(yáng)或月亮?xí)r看到的，其形成可用光的衍射理論來(lái)解釋。根據(jù)夫瑯和費(fèi)圓孔衍射特征，太陽(yáng)或月亮平行光（波長(zhǎng)l）被直徑為d的云滴衍射后，圍繞太陽(yáng)或月亮?xí)霈F(xiàn)明暗相間的光環(huán)，這就是華。亮環(huán)亮度極大值分別對(duì)應(yīng)=1.635，2.679，3.699，。其中q是距離太陽(yáng)中心的角距離（角半徑）。因?yàn)檠苌浣莙分布與光波長(zhǎng)有關(guān)，紅光衍射角要大于