书城童书青少年应该知道的天气和气候
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第3章 我型我秀——天气现象

天气现象是指发生在大气中、地面上的一些物理现象。它主要表现为降水、地面凝结、视程障碍、雷电和其他现象等,这些都是在一定的天气条件下产生的。

(1)降水现象:根据降水物的形态可分为液态降水、固态降水和混合型降水。液态降水包括雨、毛毛雨、阵雨等;固态降水包括雪、冰粒、米雪、阵雪、霰、冰雹等;混合型降水包括雨夹雪、阵性雨夹雪等。此外,根据降水性质,又可分为阵性降水、连续性降水和间歇性降水三种类型。

(2)地面凝结和冻结现象:包括露、霜、雾凇、雨凇等。

(3)视程障碍现象:包括雾(雾状比较浓的一类)、轻雾、吹雪、雪暴、烟幕、霾、沙尘暴(沙尘较强一类)、扬沙、浮尘等。

(4)雷电现象:包括雷暴、闪电、极光。

(5)其他现象:包括大风、飑、龙卷、尘卷风、冰针、积雪、结冰。

下面,我们来具体了解一下各种天气天象。

1.“呼叫”转移——风

在我们生活中,会经常听到一些像“四季东风是雨娘”、“南风暖,东风潮,北风过来没处逃”之类的谚语,这些谚语就是来形容无处不在的风。

风通常理解为空气相对于地表面的水平运动,用风向、风速或风力来表示。气象上把风吹来的方向确定为风的方向。因此,风来自北方叫做北风,来自南方叫做南风。气象台站预报风时,当风向在某个方位左右摆动不能确定时,则加“偏”字,如偏北风;当风力很小时,则采用“风向不定”来说明。

风既有方向,也有大小,因此,风的预报包括风速和风向两项。风速常用“级”来表示,其级别是根据风对地面物体的影响程度来确定的。目前,在气象上,按风力大小一般可以把风分为12个等级。在天气预报中我们听到的“北风4到5级”,通常指的是平均风力;又如“阵风7级”之类的用语,“阵风”指的是风速忽大忽小的风,而此时的风力则是指风速最大时的风力。

我们在日常生活中都能感受到风的存在,那你知道风是怎样形成的么?形成风的直接原因,是由于气压在水平方向的不均匀分布。它受大气环流、地形、水域等不同因素的综合影响,表现的形式也是多种多样,如季风、地方性的海陆风、山谷风、焚风等。

风是农业生产的环境因素之一。当风速适度时,农田环境条件可以得到很好的改善。近地层热量交换、农田蒸散和空气中二氧化碳、氧气等的输送过程,可以随着风速的增大而加快或加强。风还可以传播植物的花粉、种子,帮助植物授粉和繁殖。

风能被认为是分布广泛、用之不竭的能源。我国盛行季风,非常有利于作物的生长。在内蒙古高原、东北高原、东南沿海以及内陆高山,都具有丰富的风能资源,都可作为一种新能源得到开发利用。

2.润物无声——雨

从进入校门开始,我们就会经常读到有关雨的诗章,它已成为诗人表情达意的代名词。在我们的日常生活中,也会经常遭遇雨天,还有很多人对雨有着一种莫名的情愫。那么你们对雨又了解多少呢?

雨是从云中降落的水滴。陆地和海洋表面的水经过蒸发,变成水蒸气,水蒸气上升到一定高度后遇冷变成小水滴,这些小水滴组成云,它们在云里相互碰撞,合并成大水滴,当它大到空气支撑不住的时候,就从云中落了下来,形成了雨。

雨的成因多种多样,它的表现形态也各具特色,有毛毛细雨,连绵不断的阴雨,倾盆而下的阵雨。分布稠密均匀的微细液态降水就是平常我们所说的毛毛雨。其水滴直径小于0.5毫米,可随风飘流。毛毛雨常伴有雾,但又与雾不同。从全球范围来看,大范围毛毛雨出现频率最高的地区主要集中在中纬度、低海拔地区。阵雨指的是雨时短促、开始和终止都很突然、降水强度变化很大的雨。阵雨发生时有时会伴有电闪和雷鸣,多发生在夏季。雷阵雨则表现为大规模的云层运动,比阵雨要剧烈得多,还伴有放电现象,常见于夏季。雷阵雨来临时,往往会出现狂风大作、雷雨交加的天气现象。大风来时飞沙走石,甚至掀翻屋顶吹倒墙壁。

气象学家根据24小时内降雨量的大小,把雨划分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨几个等级。小雨:降雨量在10毫米以内,雨滴清晰可辨,落在地上不四溅,洼地积水较慢,雨声缓和;中雨:降雨量在10.0?24.9毫米之间?雨落如线,雨滴不易分辨,落到屋顶和硬地上发生四溅现象,可听见沙沙的雨声,水洼形成较快;大雨:降雨量在25.0?49.9毫米之间,倾盆大雨,模糊成片,雨滴落到屋瓦和硬地上发出哗哗的雨声,水潭形成极快;暴雨:降雨量在50.0?99.9毫米之间;降雨量在100.0?250.0毫米之间的叫大暴雨;降雨量超过250.0毫米的叫特大暴雨,地势低处受淹。

雨的作用可不容小觑。它可以滋润万物,灌溉农作物;净化空气,调节气候,降低气温;促进地球水循环;是几乎所有远离河流的陆生植物补给淡水的唯一来源;是干旱地区人畜饮用水的主要来源;有利于水库蓄水,补充地下水,补充河流水量;有利于发电和航运,等等。然而,由暴雨所造成的洪水也会给人类带来巨大的灾难。

此外,自然界中还有许多稀奇古怪的雨,例如“鱼雨”、“钱币雨”、“报时雨”、“贝壳雨”、“蛙雨”、“铁雨”、“金雨”、“木石人禽雨”,等等,大概统计一下有180多种呢。不过它们都是龙卷风的杰作。

3.隐形薄纱——雾

如果你生活在乡村,在秋冬的清晨,很可能体验到雾带给你的美妙感受,然而生活在都市中的人是很少有这样的机会的。下面,就让我们一起来了解一下雾——这种制造出奇妙世界的精灵。

如果要给雾下一个定义的话,那它可以分为三层意思来理解:凡是大气中因悬浮的水汽凝结,能见度低于1千米的天气现象称为雾;雾是接近地面的云;由悬浮在大气中的微小液滴构成的气溶胶称之为雾。雾大多出现在深秋初冬的早晨。雾的形成需要三个条件:一是冷却,二是加湿,三是有凝结核。如果地面热量散失,温度下降,空气又相当潮湿,那么当它冷却到一定的程度时,空气中一部分的水汽就会凝结出来,变成很多小水滴,悬浮在近地面的空气层里,从而形成了雾。雾和云都是由于温度下降而造成的,因此,雾实际上也可以说是靠近地面的云。雾一般出现在秋冬的早晨。

雾可以分为以下几种:

(1)辐射雾:日落后,地面的热气辐射至天空里,冷却后的地面冷凝了附近的空气。而潮湿的空气便会因此降至露点以下,形成无数悬浮于空气里的小水点,这便是辐射雾。它主要在秋天或冬天的清晨,天晴且风弱时出现,在日出后不久或风速加快后便自然消散。大多出现在晴朗、微风、近地面水汽比较充沛且比较稳定或有逆温存在的夜间和清晨。

(2)平流雾:暖而湿的空气作水平运动,经过寒冷的地面或水面,逐渐冷却而形成的雾,在气象上叫平流雾。

(3)蒸发雾:冷空气流经温暖的水面而形成的雾。蒸发雾范围小,强度弱,一般发生在下半年的水塘周围。

(4)上坡雾:这是潮湿空气沿着山坡上升,绝热冷却使空气达到过饱和而产生的雾。形成这种雾的条件是这种潮湿的空气必须稳定,山坡坡度须较小。否则形成对流,雾就难以形成。

(5)锋面雾:经常发生在冷、暖空气交界的锋面附近。锋前锋后均有,但以暖锋附近居多。锋前雾是由于锋面上方暖空气云层中的雨滴落入地面的冷空气内,经蒸发,使空气达到过饱和而凝结形成;锋后雾,则由暖湿空气移至原来被暖锋前冷空气占据过的地区,经冷却达到过饱和而形成的。因为锋面附近的雾常跟随着锋面一道移动,军事上常常利用这种锋面雾来掩护部队,向敌人进行突然袭击。

(6)烟雾:通常所说的烟雾是烟和雾同时构成的固、液态混合气溶胶,如硫酸烟雾、光化学烟雾等。城市中的烟雾是由人类的活动造成的。早晨和晚上正是供暖锅炉的高峰期,大量排放的烟尘悬浮物和汽车尾气等污染物在低气压、风小的条件下,不易扩散,与低层空气中的水汽相结合,比较容易形成烟尘(雾),而这种烟尘(雾)持续时间往往较长。

(7)谷雾:这种雾通常发生在冬天的山谷里。当较重的冷空气移至山谷里,暖空气同时亦在山顶经过时产生了温度逆增现象,结果生成了谷雾,而且可以持续数天。

(8)冰雾:当任何类型的雾气里的水点被冷凝为冰片时便会生成冰雾。通常需要温度低于凝点时才会生成,所以常见于南北极。

4.速战速决——闪电

李白《梦游天姥吟留别》中这样写道:“列缺霹雳,丘峦崩摧”,诗中“列缺”指的便是闪电。由此,我们可以看到,闪电的威力确实不一般。下面,我们就一起走进“闪电”的世界。

闪电是指云与云之间、云与地之间和云体内各部位之间的强烈放电。暴风云产生的电荷,底层为阴电,顶层为阳电,在地面产生阳电荷,如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸,但空气却不是良好的传导体。正电荷奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体,企图和带有负电的云层相遇;负电荷枝状的触角则向下伸展,接近地面。最后正负电荷终于克服空气的阻障连接上,巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去,产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度,短的可能只有数百米(最短的为100米),但最长的可达数千米。闪电的温度极高,高热使沿途空气剧烈膨胀,空气移动迅速,因此形成波浪并发出声音。闪电距离近,听到的就是尖锐的爆裂声;如果距离远,听到的则是隆隆声。

气流在雷雨云中会因为水分子的摩擦和分解产生静电,这些静电分两种:一种是带有正电荷粒子的正电;一种是带有负电荷粒子的负电,正负电荷会相互吸引。

大多数的闪电都接连两次,第一次叫前导闪接,一股看不见的空气,一直下到接近地面的地方,为第二次电流建立一条导路。在前导接近地面的一刹那,一道回接电流沿着这条导路跳上来,这次回接所产生的闪光,就是我们通常所能看到的闪电。

5.一啸震天——雷

(1)雷的形成

在古代,人们对打雷这种现象很不理解,很多人都认为打雷是天公在发怒。其实雷电只是一种自然现象。既然雷这么让我们恐惧,那它有哪些特性,又是怎么形成的呢?下面,我们就一起来了解一下。

雷电是雷雨云中的放电现象。雷雨云的形成要具备一定的条件,即空气中要有充足的水汽,要有使湿空气上升的动力,空气要能产生剧烈的对流运动。当空气极不稳定的时候,容易发生强烈的向上对流运动,形成高耸的积雨云,云中上上下下奔蹿的水汽,就会产生静电,云的上端会产生正电荷,云的下端产生负电荷,地面为正电荷,而正、负电荷之间有空气作为绝缘体,若正、负电荷间的电压差,大到可以冲破绝缘体,使空气在瞬间膨胀爆炸、发热发光,发光即为闪电,膨胀爆炸发出的巨大声响就是打雷。

春夏季节,由于受南方暖湿气流的影响,空气潮湿,同时太阳辐射强烈,近地面空气不断受热上升,而上层的冷空气下沉,易形成强烈对流,所以多雷雨,甚至降冰雹。在冬季,由于受大陆冷气团控制,空气寒冷干燥,加之太阳辐射弱,空气不易形成剧烈对流,因而很少有雷阵雨。但有时冬季天气偏暖,暖湿空气势力较强,当北方有较强的冷空气南下时,暖湿空气被迫抬升,对流加剧,就会形成雷阵雨,出现所谓“雷打冬”的现象。雷的产生不取决于温度本身,而取决于温度的上下分布。也就是说,冬天虽然气温不高,但如果上下温差达到一定值的时候,也能形成强对流,产生雷暴。“雷打冬”现象在中国很少见,但在加拿大多伦多的冬天出现较为频繁。

(2)雷击

在过去,由于科技知识极不发达,很多人认为被雷击的人一定是做了忤逆之事而遭到天谴,事实上,雷击就是闪电对某个事物做了电击,由于电位差很大,通过的电能和电量也比较大,从而出现建筑物倒塌、人畜被劈死劈伤、树木被劈断等现象的发生。

雷电对人体的伤害很大,人体在遭受雷击的一瞬间,电流迅速通过人体,重者可导致心跳、呼吸停止,脑组织缺氧而死亡。同时,雷击时产生的火花,还会造成不同程度的皮肤灼伤。另外,被雷电击中的人体有时出现树枝状雷击纹,表皮剥脱,皮内出血,甚至造成耳鼓膜及内脏破裂。现在,人类发明了避雷针,将雷电导向地线,可以减轻或避免雷击造成的伤害。

6.白色精灵——雪

在冬日,我们常常会看见漫天飞舞的雪花。寒冷的冬天因为有了雪而变得美丽、活泼。下面,我们就一起来了解一下雪——这个美丽的白色精灵。

雪是一种美丽的结晶体,在它飘落的过程中,成团攀联在一起,就形成了雪片、雪团。下雪是一种自然现象,是空中的水汽凝华后,又重新落到地面上的过程。水是地球上各种生灵存在的根本,水的变化和运动造就了我们美丽的世界。

大气里以固态形式落到地球表面上的降水,叫做大气固态降水。雪则是大气固态降水中最广泛、最普遍、最主要的形式。雪花很轻,单个的雪花只有0.2~0.5克。它们虽然形态各异,奇妙万千,但都是有规则的六角形。

气象条件和生长环境的差异,造成了形形色色的大气固态降水。这些大气固态降水的叫法也因地而异,名目繁多,极不统一。大气固态降水分为10种:雪片、星形雪花、柱状雪晶、针状雪晶、多枝状雪晶、轴状雪晶、不规则雪晶、霰、冰粒和雹。前面的7种统称为雪。可是为什么后面3种不能叫做雪呢?原来由气态的水汽变成固态的水有两个过程,一个是水汽先变成水,然后再凝结成冰晶;还有一种是水汽不经过水,直接变成冰晶,这种过程叫做水的凝华。而雪是天空中的水汽经凝华而来的固态降水。

雪是水的结晶体。天空中的云遇到冷空气,温度下降,水汽在低温和微小尘埃共同作用下形成冰晶。冰晶的体积不断增长,当其密度超过空气密度时便掉落下来,于是我们便看到了美丽的飘雪。

7.另类“珍珠”——冰雹

冰雹,也叫“雹”,俗称雹子,有的地区也叫“冷子”,在夏季或春夏之交最为常见。雹是一种小如绿豆、黄豆,大似栗子、鸡蛋的冰粒,最大的冰雹可以比柚子还大。冰雹和雨、雪一样,都是从云里掉下来的。只有发展得特别旺盛的积雨云才可能降下冰雹。

积雨云和各种云一样,都是由地面附近的空气上升凝结而形成的。空气从地面上升,在上升的过程中气压降低,体积膨胀,如果上升的空气与周围没有发生热量交换,由于膨胀消耗能量,空气温度就会降低,这种温度变化称为绝热冷却。根据计算,在大气中空气每上升100米,温度便会降低1℃左右。我们知道在一定温度下,空气中容纳水汽有一个限度,达到这个限度就称为“饱和”,温度降低后,空气中可能容纳的水汽量就要降低。因此,原来没有饱和的空气在上升运动中由于绝热冷却可能达到饱和,空气达到饱和之后过剩的水汽便附着在飘浮于空中的凝结核上,形成水滴。当温度低于0℃时,过剩的水汽便会凝华成细小的冰晶。这些水滴和冰晶聚集在一起,飘浮于空中便形成了云。

积雨云因对流强弱的不同,形成了各种不同的形状,它们的云体大小相差很大。如果云内对流运动很弱,上升气流达不到凝结的高度,就不会形成云,只有干对流;如果对流较强,可以发展形成浓积云,浓积云的顶部像椰菜一样,由许多轮廓清晰的凸起云泡构成,云的厚度可以达到4~5千米;如果对流运动很猛烈,就可以形成积雨云,云底很黑,云顶发展得很高,可达10千米左右,云顶边缘变得模糊,还常常扩展形成砧状。一般的积雨云可产生雷阵雨,而只有发展得特别强盛的积雨云,云体十分高大,云中有强烈的上升气体,同时,云内有充沛的水分,才会产生冰雹,这种云通常也称为冰雹云。

冰雹云是由水滴、冰晶和雪花组成的。一般可分为三层:最下面一层温度在0℃以上,由水滴组成;中间温度为0℃~20℃,由冷却水滴、冰晶和雪花组成;最上面一层温度在——20℃以下,基本上由冰晶和雪花组成。

在冰雹云中气流是很强盛的,通常在云的前进方向,有一股十分强大的上升气流,从云底进入,又从云的上部流出。还有一股下沉气流从云的后方中层流入,从云底流出。这里也就是通常出现冰雹的降水区。这两股上升与下沉的气流与环境气流连通,所以一般强雹云中气流结构比较持续。强烈的上升气流不仅给冰雹云输送了充分的水汽,并且支撑着冰雹粒子停留在云中,使它长到相当大时才降落下来。

冰雹和雨、雪一样,都是从云里降下来的,它是从积雨云中降落下来的一种固态降水。

冰雹是一种呈圆球形或圆锥形的冰块,由透明层和不透明层相间组成。直径一般为5~50毫米,大的有时也可以达到10厘米以上,又称雹或雹块。冰雹可以砸坏庄稼,威胁人畜安全,是一种严重的自然灾害。目前,很多雹灾严重的国家已进行了人工防雹试验。

雹块越大,破坏力就越大。每次降雹的范围都很小,一般宽度为几米到几千米,长度为20~30千米,所以民间有“雹打一条线”的说法。冰雹主要发生在中纬度大陆地区,通常山区多于平原,内陆多于沿海。中国的降雹多发生在春、夏、秋3季,4~7月约占发生总数的70%。比较严重的雹灾区有甘肃南部、陇东地区、阴山山脉、太行山区和川滇两省的西部地区。

8.冷情杀手——霜冻

霜冻是在农作物生长季节里植株体温降低到0℃以下而受害的一种农业气象灾害。由于霜冻无论以何种形式出现,都会或多或少地给农作物带来伤害,因此被人们称为“冷情杀手”。

霜和霜冻都是秋冬季节的天气现象,但霜和霜冻并不是一回事,霜是由于贴近地面的空气受地面辐射影响而降温到霜点;霜冻则是指白天气温高于0℃,夜间气温短时间降至0℃以下的低温危害现象。霜冻出现时,往往伴有白霜,也可不伴有白霜。霜冻按其形成原由可以分为几种:晴朗无风的夜晚,因辐射冷却而形成的霜冻称为辐射霜冻;冷空气入侵形成的霜冻称为平流霜冻;两种过程综合作用形成的霜冻称为平流、辐射霜冻。

9.变化多端——云

我们都知道,云是变化多端的,它可以幻化出不同的形状,并且飘忽不定。那么云到底是什么呢?其实,我们看到的云就是停留在大气层上的水滴或冰晶胶体的集合体。

我们知道,海洋、湖面、植物表面、土壤里的水分,每时每刻都在蒸发,变成水汽,进入大气层。含有水汽的湿空气,由于某种原因向上升起。在上升过程中,由于周围空气越来越稀薄,气压越来越低,上升空气的体积就要膨胀,膨胀的时候要耗去自身的热量,因此,上升空气的温度要降低。温度降低了,容纳水汽的本领就越来越小,饱和水汽气压减小,上升空气里的水汽很快达到饱和状态,温度再降低,多余的水汽就附在空气里悬浮的凝结核上,成为小水滴。如果温度低于0℃,多余的水汽就凝华成为冰晶或过冷却水滴。它们集中在一起,受上升气流的支托,飘浮在空中,就形成了我们能见到的云。水滴或冰晶将阳光散射到各个方向,这就产生了云的外观。因为云反射和散射所有波段的电磁波,所以云的颜色成灰度色,云层比较薄时成白色,但是当它们变得太厚的时候就会使阳光不能通过,那么它们看起来就是灰色或黑色的。

云主要有三种形态:一大团的积云、一大片的层云和纤维状的卷云。而根据云的成因可将云分为:

(1)锋面云:锋面上暖气团抬升成云;

(2)地形云:由于地形作用而产生的云;

(3)平流云:当气团经过一个较冷的下垫面时形成的云;

(4)对流云:因为空气对流运动而产生的云;

(5)气旋云:因为气旋中心气流上升而产生的云。

10.五彩缤纷——虹

雨后的天空,我们偶尔会看到美丽的彩虹。彩虹具有七彩的颜色,从外至内分别为:赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。在过去,彩虹在神话中占有一席之地,是因为它的绚丽和它的形成是个难以理解的现象。伽利略关于光的特性的专著出现之后,人们终于明白了彩虹这个天气现象。

彩虹是由于阳光照射到空中近圆形的小水滴,造成色散及反射而形成的。阳光射入水滴时会同时以不同的角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40°~42°的反射最为强烈,形成我们所见到的彩虹。形成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来的,红光在最上方,其他颜色在下方。

其实只要空气中有水滴,而阳光正在观察者的背后以低角度照射,便可能产生可以观察到的彩虹现象。彩虹最常在下午、雨后转晴时出现。这时,空气内的尘埃较少,小水滴较多,天空的一边由于仍有雨云而较暗,而观察者的头上或背后已没有云的遮挡,可以看到阳光,这样,彩虹便会比较容易被看到。另一个可以经常见到彩虹的地方是瀑布附近。此外,在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾,亦可以人工制造彩虹。