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天气与气候的科学概念

气象术语 DirkT71dpwyp 2216浏览 0评论

天气与气候都是因为大气波动产生的大气现象。大气波动是由高低(气压或温度等)两个或多个位相组成的波浪状振动,每个位相的大气现象都不相同,呈现晴雨、冷热等现象交替出现的波动性的周期变化过程。  大气的波动有各种尺度。在天气预报里,长波与短波是两种常见的大气波动。短波指的是波长为几百公里至上千公里的波动,短波的波谷就是气旋或低气压,是阴雨天气多发的位相。两个气旋之间就是反气旋或高气压,即天气较好的位相。短波常常成串经过,是天气数日一变的主要原因。  长波指的是波长约几千公里的大气波动。长波的每个位相一般有几个性质相近的短波。在长波的波谷里的短波的低气压比较活跃,这就是连日阴雨的原因,阴雨之间的间歇或短时转晴,则是短波的高压到来的结果。在长波的波峰里,则情况正好相反,也有若干个短波经过,但主要是晴朗与稳定的天气,夏季的高温和严重的大气污染就是出现在长波的这个位相里。  此外,比长波的波长更大的还有波长达到万公里以上的超长波,波长小于短波的还有中尺度与小尺度的波动。因此,在天气范围里有多种尺度的大气波动,它们可以按照波长的顺序排列成波谱。在波谱里,宏观波动的位相是微观的波动的背景,而微观的波动是宏观波动位相里的内部振动。有意义的是,虽然这个波谱是按空间尺度排列的,但在时间座标上有很好的对应。空间波动在时间上的反映就是周期,波长越大,波动的时间周期越长。反之,波长越小,周期越短。这就是天气波谱段的时间尺度与空间尺度之间的线性对应关系。  由于有了线性对应关系,几乎一切天气预报都可以用瞬时天气图作基本工具。预报的时间长,就需要知道波长尺度大的波动,这只要采用大范围天气图就可以表现出来。如果是短时期的预报,就需要小范围天气图。尺度越小,分辨率越高,小范围天气图更能显示小波动的情况。于是,时间尺度的变化可以通过调节空间尺度来代替,这就是用瞬时天气图也能制作几天的天气预报的原因。空间尺度最大的超长波只有约半个月的生命期,这就说明在瞬时天气图的基础上,半个月就是预报的最长时限。  问题在于长度超十多天之后,时间还在延长,但地球空间却是已到了极限,不能继续扩大。于是生命期超过十多天的大气现象就不能再用瞬时天气图表现。十多天是一个转折点,过了这个点,时间尺度与空间尺度不再存在线性对应关系,而是只有时间尺度的增长,没有空间尺度的扩大。这个转折点就是天气与气候理论上的界线。空间尺度与时间尺度关系的改变是天气与气候产生了许多差别的原因。  第一是数据的差别。前面说到,天气可以用瞬时天气图显示,气候却不能够,这是因为时间长度已经超过了瞬时图上显示的天气波动生命的极限。于是,在同样的图上就有若干个大气波动的重复,而不会是个别的波动。结果气象观测数据的统计值取代了瞬时值。如果说,天气就是人们看到的具体的大气现象,那么气候则是一段时期内相继发生过的多次天气的综合,这就是气候学教本中关于气候的定义。可以说,天气与气候的关系同个人与人群、树木与森林的关系是一样的,都是个体与集体的关系,个体可以用单值,集体则需要应用统计值才能描写它的特征。平均值、极值、变率等就是最常用到的气候统计值,此外,还有如干燥度等指标也是表现气候特点的基本数据。  第二是成因的差别。以火车的运行作譬喻,在几分钟的短时间里,火车运动的能量主要依靠的是自身的惯性力。这时虽然还在供给能量,然而这是备用的能量,一时还不能反映到火车眼前的运动上。如果时间长了,超过半个小时,惯性力已消耗殆尽,这时就需依靠能量的不断补充。没有能量的补充,火车也就停止了运动。  大气也是这样,在天气的范围里,大气的运行主要靠自身内部的力量,这时大气动力学描写了运动的规律性。因此,在天气预报里动力模式可以作为主要工具。到了气候尺度,大气主要依靠外界能量的输入,冷热源起了重要的作用。1979年第一次世界气候大会上提出了气候系统的科学概念。所谓气候系统就是包括大气、海洋、大陆、冰雪与生物圈在内的能量与物质交换系统。因此,由于能量问题,气候就不只是大气现象,而是气候系统里物质与能量循环的产物。  第三是人文性质的差别。人们研究自然现象主要是服务于人类的需要,并以人类已经拥有的条件,包括物质装备与思维方式为根据。天气服务在于预测最近几天的大气变化,对于人们采取应对行动是必要的,所以具有很强的行动性、战术性与一次性。气候服务在于提供长期大气状况的信息,用于决策、规划与管理等需要,故具有规划性、战略性与多次性。  实际上,天气与气候服务是相辅相成的。举例说,为了修建机场,在选址等问题上气候服务是必需的,只有气候条件有利于飞机的起飞与降落,机场的利用效率才高,不利天气的预报难度也就减少。但是,再好的气候条件也难免发生不利的天气条件,因而天气预报也是必要的,这两种服务有互补关系,都是不能偏废的。  第四是发展前景的差别。由于人类的迅速发展,人们不得不注意到,生产发展同环境与资源的矛盾首先在地球圈层中的大气里爆发。全球增温、臭氧洞与酸雨等就是第一批例子。  人们的活动扩大了,任何巨大的建设与活动无不牵联到资源与环境,需要周密的设计与长期筹备,避免相互撞车,争资源、排污等一拥而上,演变成现代的环境与资源危机,首当其冲的是气候危机。气候危机虽然是气候问题,然而它的根源与后果都在人类社会的发展与自然界的失调。危机使气候问题突破了专业范围,变成了全球问题。这就是气候学的全局性意义在现代飚升的原因。因此,气候将是调控人类与自然性系统、使之处于和谐运转状态与良性循环的一门学问,有广阔的发展前景。

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