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同学们，我们接着讨论大气圈与气候系统。
天气预报与极端气象现象。
先来说说天气预报。俗话说，天有不测风云。就是说，天气是不可预知的，不知道什么时候会起风，也不知道什么时候会下雨。但是，我们似乎也有许多谚语，是与天气预报有关的，说明天气是可以预报的。比如：朝霞不出门、晚霞行千里；风大夜无露、阴天夜无霜。这样的谚语很多很多。所以，我们今天先布置一个作业，请大家收集网上的谚语，然后根据我们今天所学习的内容，解释其机理是什么？如今，我们使用现代科学技术，已经能对未来某一地点地球大气层的状态进行预测，就是天气预报。
天气预报的过程，主要是使用收集大量的数据，包括气温、湿度、风向和风速、气压等等，然后使用目前对大气过程的认识，也就是气象学知识，来确定未来的大气变化。天气预报的主要内容是一个地区或城市未来一段时期内的阴晴雨雪、最高最低气温、风向和风力及特殊的灾害性天气。一般包括如下三个方面。
（1）天气形势预报，包括高压、低压、气压槽、气压脊、锋面等天气系统的未来移动、强度变化以及生成和消失。
（2）气象要素预报，包括温度、湿度、风、云、降水、能见度及其各种天气现象的预报。
（3）短期、中期和长期预报，短期预报时效为1~3天，中期预报时效为3~10天，长期预报时效为1个月以上。还有，几个小时以内的预报，一般称为短时预报，注意与刚才说的短期预报相区别。还有一年以上的预报，这称为超长期预报。
但是，由于大气过程实在是太复杂了，科学认识也仍然透彻地了解这些过程，因此天气预报总是有一定误差的。
草船借箭、借东风、火烧赤壁是家喻户晓的经典三国故事。虽然三国演义中的虚构故事比较多，甚至张冠李戴，但我们不得不佩服罗贯中能将这几个故事串联在一起，让我们知道了利用天气预报而获取战争胜利的故事。草船借箭预测了大雾，借东风和火烧赤壁是预测了风向。
其实，现代天气预报的诞生，还真的与一场战争有关，那就是1854年11月历史上著名的克里米亚战争。战争正在激烈进行时，英法联军包围了塞瓦斯托波尔（Sevastopol），陆战队准备在黑海的巴拉克拉瓦（Balaklava）港登陆。这时候，黑海上突然狂风大作，巨浪滔天。英法联军不战自溃，几乎全军覆灭。之后，军方想总结这次失败的教训。按照军方要求，巴黎天文台负责研究这次风暴。他们向各国气象学家发信，收集风暴发生前后的气象报告。收集到气象报告以后，他们依次把同一时间各地的气象情况填在一张图上。将不同时间的图联系起来分析，他发现这次风暴是自西向东移动的，在到达黑海前1~2天，已经先影响了西班牙和法国。如果当时欧洲设有气象站，风暴情况就可以及时电告英法舰队，使英法舰队避免这次风暴的袭击。1855年3月，巴黎天文台向法国科学院建议，组织观测网，迅速地将观测资料集中到一地，分析绘制天气图，就有可能推断出未来风暴的运行路径。1856年，法国成立了世界上第一个正规的天气预报服务系统。
刚才提到的天气图，是目前气象部门分析和预报天气的一种重要工具。是填有各地同一时间气象要素的特制地图，一般底图上还填有各城市、测站的位置以及主要的河流、湖泊、山脉等地理标志，正如我们这张图所示。
1820年，德国人将过去各地同时间观测的气压和风的记录填入地图，绘制了世界上第一张天气图。1851年，英国人开始利用电报收集各地气象资料来绘制地面天气图，这是近代地面天气图的先驱。中国人的第一张天气图诞生于1915年；20世纪30年代，世界上建立了高空观测网，之后才有高空天气图。现代天气图上的气象观测记录，是由全球各地的气象站用近乎相同的仪器和统一的规范，在相同时间观测后迅速集中而得。
现在的数值天气预报，是根据大气的实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象。大家看到这张图就是为国庆60周年阅兵而进行的分析和预报。
自天气预报诞生后，人们一直在天气预报的准确性和长期性上做斗争。因为一次不准确的预报，可能会带来事与愿违的结果。1963年，洛伦兹的混沌理论解释了长期的准确预测天气是不可能的，这是源于蝴蝶效应中所说的对初始值的敏感性：一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。他解释说，蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反映，最终导致其他系统的极大变化。所以，在大气运动过程中，即使各种误差和不确定性很小，也有可能在过程中将结果积累起来，经过逐级放大，形成巨大的大气运动。所以，长期而准确地预测天气是不可能的。
除了能预报天气，人们还希望能控制天气。在中国的神话故事中，有许多控制天气的角色，比如在水里统领水族的东海龙王敖广，就掌管兴云降雨。雷公电母是古代中国神话传说中主管闪电打雷的神。
神话故事，显然在现实中没有什么用。但中国2008年在北京举办的奥运会，那是扎扎实实上演了一场用高科技控制天气的典型案例。当时的策略是：如果有大雾弥漫，就用液氮汽化消雾，让赛场恢复阳光明媚；如果出现高温干旱，则采用碘化银焰弹进行人工增雨，降温除旱；如果出现冰雹，用高炮打碘化银将之变成小盐粒消散掉；如果暴雨倾盆，就采用人工消雨让其提前下或者是不下；如果遇到大风突然袭击，风云卫星是会提前报告的。
有关控制天气的故事，我还读过几本科幻小说，比如刘兴诗的《北方的云》和刘慈欣的《圆圆的肥皂泡》。刘兴诗的《北方的云》这个小说，大家可能很难找到，我来简单介绍一下。说某年的初冬，内蒙古一农业实验站遭遇地震，输水系统瘫痪。站里的农作物必须在一周内恢复供水。他们便向“北京天气管理局”救助。天气管理局通过监视网，发现渤海湾上空有一股气流登陆，途径实验站所在地区。于是，天气管理局派出热核蒸发器，在气流路过的官厅、密云两水库蒸发大量水汽，输入气流。但由于缺少走向控制，这股携带大量水汽的气流偏离了实验站所在地区。稍后，又有一股气流从渤海湾登陆，这次，除了热核蒸发器外，天气管理局还在气流行进前方建立人工低气压区，引导含水气流到达目标上空，终于降雨成功。关于大刘的《圆圆的肥皂泡》，大家应该很容易在网上读到。哦，不好意思。关于这个故事，我们这里就不赘述了。也布置一个作业，大家思考一下，这些科幻小说中的人工控制天气的做法是否有科学道理，能实现的可能性有多大？
说完了这些故事，后面的内容就有些烧脑了。我们要讲一下有些极端气象现象。这里介绍的气旋与反气旋，在气象学上有时候也称低压高压，也就是说，它们分别是对同一个天气系统的不同描述。我们可以看到，在同高度上，气旋中心的气压如果比四周低，就称为低压，在等高面图上表现为闭合等压线所包围的低气压区，在等压面图上表现为闭合等高线所包围的低值区，如南半球和北半球左边的这张图。空气不断流入中心，形成上升气流，反气旋的过程正好相反。至于气旋的方向，在南北半球也是正好相反的。有一个简单的方法记住，就是用我们这张图上的手形来表示，北半球用右手，南半球用左手。你不妨试试？另外，气旋按其生成的地理位置可分为温带气旋和热带气旋。我们下面分别来进行介绍。
热带气旋，生成于热带洋面，中心气压低于外围，且作水平旋转，是气-水（-岩）耦合的复杂产物。热带气旋在低纬东风带中自东向西移动，大多数直径600~1000km，垂直伸展高度可达12~16km，中心气压值一般为950百帕左右。热带气旋强烈的辐合上升气流，会携带巨量的水汽升腾。在上升过程中水汽降温凝结，水汽冷凝时导致部分释放出来的能量转化为动能，所以，水汽的冷凝过程也是热带气旋附近产生高风速的原因。这些能量驱使空气从外围以螺旋式向内加速流动，由于要保持角动量守恒，所以由外向中心运动，速度变得越来越快。
温带气旋是一种冷心系统，尺度一般较热带气旋大，可达几百乃至数千公里。温带气旋一般有两种形成方式。第一种方式，如这张图所示，温带气旋是由锋面上的一个波动发展而成。在锋面上因某些原因而形成波动，并在波动顶点附近出现一条闭合等压线，逐渐发展成一个完整的气旋。第二种方式，由热带气旋变成。当热带气旋北移至温带，受西风槽影响而失去了热带气旋的特性，可转变成温带气旋。
我们在夏天经历的大多台风和飓风，均属于热带气旋。台风和飓风由于生成的地方不一样，所以有不同的称呼。台风一般指北太平洋西部生成的热带气旋，而飓风是北大西洋及东太平洋生成的热带气旋。相应地，它们的等级划分也是有很大差别的。大家可以暂停下来，看看这两张表。另外，我们现在有关台风，还有不同颜色的预警信号。蓝色表示24小时内可能或者已经受热带气旋影响，平均风力达6级以上，或阵风8级以上并可能持续；黄色同样是24小时内，但平均风力达8级以上，或者阵风10级以上；橙色表示12小时内，时间缩短了，平均风力达10级以上，或者阵风12级以上；红色表示时间缩短至6小时内，平均风力达12级以上，或者阵风达14级以上。
下面，我们来讲几个著名台风或者飓风的例子。2005年8月的卡特里娜飓风，首先在巴哈马群岛附近生成，8月24日增强为小型飓风登陆。随后数小时进入墨西哥湾，8月28日横过该区域时迅速增强为5级飓风，8月29日在密西西比河口再次登陆时达到3级飓风。防洪提因风暴潮而决堤，新奥尔良市八成地方遭洪水淹没。救援工作困难重重，是美国史上破坏力最大的飓风。死亡人数至少有1,800人，是自1928年奥奇丘比飓风以来死亡人数最多的一次，据估计造成了至少750亿美元的损失。最麻烦的是，新奥尔良2005年9月1日出现了无政府状态的混乱局面，部分地区的抢劫之风越刮越猛。劫匪们公然当着警卫队和警察的面，大肆烧杀抢掠和强奸，还和警方枪战。虽然美国相关部门对此次飓风的预报是比较成功的，也发布了飓风预警信号，但最终仍造成了灾难性结果。这在一定程度上反映了美国在应急体系上存在的问题以及应对灾难准备上的不足。预警信号发布后，人们采取何种应对措施没有强制性。而新奥尔良多数被困居民是穷人，没有交通工具，所以他们几乎没有能力离开。灾难发生后，救灾行动迟缓，也是这次灾害扩大的一个因素。
2016年第14号台风“莫兰蒂”是中国1949年以来登陆闽南的最强台风，鼎盛时强度达到17级，近中心气压一度低至883百帕，刷新世界气象纪录。给福建省造成了严重灾害。造成了26.3亿美元的损失，30人死亡、49人受伤、18人失踪。
2012年的桑迪是一个典型的温带气旋。一般情况下，西半球秋季的飓风常常从加勒比海前往墨西哥湾，并且随着纬度的上升，供应给飓风的海上暖湿能量减少，从而影响力逐渐削弱，但在特殊情况下，当飓风北上至北纬40°左右时，恰遇北方冷空气南下至该处，于是冷空气并入飓风内部，并导致飓风的北部偏冷、南部偏暖。当飓风均匀的结构被打破，且冷暖空气结合形成斜压位能，这种位能就会成为飓风的帮手，在转化为动能的过程中为其提供源源不断的能量。2012年10月29日晚袭击美国东部地区的“超级飓风”桑迪就是这样的。美国纽约是此次“桑迪”风暴来袭的重灾区，导致113人死亡，联合国总部受损。纽约呈现出一幅“末日景象”：风暴卷起4米多高的海浪涌向曼哈顿，洪水淹没多条地铁隧道，金融中心华尔街陷入一片漆黑，大火烧毁数十栋房屋。桑迪飓风告诉我们，即使在世界上最发达国家的最发达地区，碰到这样的风灾，人类仍然是无能为力。
每当上海预报有台风的时候，最后结果总是可能这样。从图上看，确实很像上海有结界一样，每次台风都绕着走。如果这你认为是偶然的，我们再来看这一张，不同颜色代表近些年来不同台风的路径，天呀，几乎特意将上海空出来。这是巧合还是上海有一些特殊的气象条件呢？应该说，有些气象条件应该是有关系的。首先，上海是平原地形，并不利于台风气流的抬升，其次，上海近海的温度相对较低，难于维持台风强度。第三，台风移动到高纬度时会受到大气环流和西风带的影响，只能向北或者向东移动。而上海恰好就在受大气环流和西风带共同影响的位置。
飓风形成需要三个条件：温暖的水域、潮湿的大气，以及海洋洋面上的风能够让空气旋转起来。随着飓风越来越频繁的光顾，科学家们就在考虑，是否应将产生飓风的原因归于全球变暖呢？这篇发在美国国家科学院院刊上的文章说：与气温较低的年份相比，气温较高年份的大西洋飓风更为频繁，规模更大。就这篇文章来说，我们可以认为飓风与全球变暖存在的潜在联系获得部分证实。
让我们再来看看另一个破坏力特强的气象现象龙卷风。龙卷风是大气中最强烈的涡旋的现象，常发生于夏季的雷雨天气时，尤以下午至傍晚最为多见，影响范围虽小，但破坏力极大。其风力可达12级风以上，一般伴有雷阵雨，有时也伴有冰雹。
夏天一到，气象播报员的口中，经常会出现“副热带高压”一词。什么酷暑的持续、雨带的变化、台风的走向，似乎大多天气变化都与其形影不离。副热带高压，其形成原理并不复杂。太阳辐射和地球自转产生的地转偏向力，是其背后主要的两大推手。赤道地区太阳辐射强烈，该地区的空气上升，到高空后就会向极地方向流动，而地球自转产生的地转偏向力会使得气流不断发生偏移，北半球右偏，南半球左偏，随着纬度的升高，地砖偏向力就越大，致使在北纬30度附近的副热带地区，气流基本变成了自西向东流动，并对后续空气进行阻碍，使得该地区上空的空气聚集且被迫下沉，于是便产生了副热带高压。
长江中下游地区处在中纬度地区，一方面受从寒带南下的冷空气影响，另一方面又受到从热带海洋北上的暖湿空气影响。刚才我们看到，副热带高压的形状就像一个海面上伸过来的舌头，它是一个稳定的暖性高压，具有大范围的下沉气流，它占领的地区天气晴朗，但在它推进的过程中，却可以同时输送大量的水汽。每年从春季开始，雨带通常在副热带高压这条大舌头的北侧发生，因为冷空气和暖湿气流可以在此相遇，交界处形成锋面，锋面附近产生降水。这就是春雨绵绵。初夏时期，长江中下游一方面暖湿空气已经相当活跃，另一方面从北方南下的冷空气还有一定的力量，冷、暖空气就在这个地区对峙，互相争雄，形成一条稳定的降雨带。这条雨带南北只有二、三百公里，东西长却可达二千公里左右，横贯在长江中下游，向东一直可以伸展到日本。这就是我们所说的梅雨。
中国东部地区处于北太平洋副热带高压西侧，夏季开始它逐步向西向北扩展，以东南风向中国东部输送水汽，是中国东部降水的重要水汽来源之一。刚才我们已经介绍，初夏时江淮流域的大雨与它密切相关。盛夏时，副热带高压脊伸展到江淮地区，脊上的下沉气流使水汽难以凝结，也就不会出现降雨，呈现酷热无雨的伏旱天气。伏旱的伏，就是一年中最热的一段时间，又热又旱。
在冬季来临的时候，大陆表面的强烈辐射降低，冷空气密度高，并在大陆上聚集，从气压场看，是中心气压高于四周，并有闭合等压线的高压系统。从风场看，在北半球高压区内，风绕高压中心作顺时针旋转，也就是反气旋。温带反气旋一般生成在高纬地区并由冷气团组成，在合适的大气环流引导下，向南或东南移动。影响中、低纬地区，成为一次冷空气活动。有时可达到寒潮强度。
好，这一部分的内容到此结束。
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