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世界科技全景百卷书: 探测天气提高认识
探测大气 先要澄清一个事实，就是说，我们这儿谈的大气，主要是指地球最底层的大气。具体地说，就是地面以上的约十多公里距离的大气。在赤道地区要厚一些，约有17～18公里；到南北两极要薄一些，约7～9公里。这个底层叫对流层。对流层，就是指空气对流运动强烈。大气中的各种物理状态和现象，如风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、雷、电等，都发生在这一层。 那么大气是什么呢？大气是一种无色、无味的混合气体，它在我们周围到处存在。可以说，它就是空气。过去打过一个谜语，叫“看不见、摸不着、离不了”，指的就是它。说大气是混合物，一点也没有错。地球上大气按重量来计算，其中氮占75.5％，氧占23.1％，氩占1.3％，二氧化碳和其他气体占0.01％。不用说，这是指大气的化学组成。从这个组成我们可以了解到，空气中氧约占四分之一，正是因为它，才使我们人类在这小小的环球上得以生存，一直繁衍到今天。大气对于我们的生命是多么重要啊！ 是的，大气不仅对于地球现存的五十多亿生灵有着至关重要的作用，在我们生命的演化史上，大气还立下过汗马功劳呢。你看，地球上原始生命起初只在太阳辐射达不到的深水中出现，这些生物体后来发展为吸收金属氧化物来维持生命的低等生物。氧介酶出现后，生物转入到浅水中活动，地球原始大气中的二氧化碳溶入水中，生物借此增多。当含氧量增到约今天的1％时，高空大气的臭氧层出现，它吸收太阳紫外辐射，保护了地球原始生命，于是浮游生物，多细胞生物大量产生。当大气含氧量达到今天的三倍时，恐龙这一爬行动物出现。有人认为，由于恐龙产生的二氧化碳太多，植物来不及放出足够的氧气，最后导致恐龙等爬行动物灭绝。又过了一段时间，适应新气候的哺乳动物出现。约数百万年前，人类产生。看来，没有地球的大气，就不会有人这一高级动物的产生，更不用说今天。看看那荒芜的火星，赤裸的月球，寂静的金星，我们人类是多么幸运啊。 但是，我们今天要探测大气，还不仅仅是由于大气过去和现在给过我们人类某些恩惠，我们还同形形色色的大气现象打交道呢！进一步说，我们生活在形形色色的大气现象之中，我们能不了解它们吗？你知道，云，有的象重重叠叠的山峰；有的象成片成片的瓦块，我们通过探测知道，它们其实是空气在上升运动时，在有凝结核的条件下形成的小水滴、小冰晶。再如风，有时轻风拂面，水波荡漾；有时北风凛冽，寒气刺骨；有时阴风怒号，浊浪排空，我们通过探测知道，其实它是空气的水平运动。我们也知道，雨、雪就是变大后从空中掉下来的水滴、冰晶；雷电其实是积云雨中正、负电荷中心之间，或者云中电荷中心与大地之间的放电现象，等等。因而通过对大气的探测，再经过研究，人们知道了某些天气现象的成因。 特别有意思的是，人们对一些怪现象，如虹、晕、华、宝光也有了新认识。虹是阳光经过雨滴的折射和散射后产生的彩色光带，主要出现在与太阳相反的方向上；晕是太阳光线照射到冰晶上发生折射形成的彩色光环；华也是一种在太阳周围云层上呈现的多色光环，它由太阳光线经过小水滴或冰晶衍射而形成；还有宝光，也是一种光环，它包括观察者的幻影和以幻影头部为中心的光圈。可以说，这些奇异的自然景观无非是大气在某一时期、某一地点的“艺术杰作”’而已。懂得了这个道理，我们就不必把它们看成什么神秘的“雀桥”、“假太阳”、“佛光”等。我们完全可以相信，这并非是什么妖魔鬼怪在起作用，它们背后的指使者就是大气。明白了这些神奇现象的成因，对于我们破除封建迷信思想、提高科技意识、树立唯物主义世界观，具有深远的现实意义。 不仅如此，探测大气的性质，了解它们的活动规律，对于我们把握各种天气现象，进行各种工农业生产，还起一种防患于未然的作用。暴雨如注，洪水如虎，台风挡不住，没有预先的预测，人民的生命财产只会毁于一旦。然而，暴雨、台风、洪水，还有霜冻、冰雪、大雾等，都不过是大气在特殊条件下演绎的花样而已。如果我们能及时有效地跟踪和预报各种天气形势，就常常有截然不同的结果。如 1989年8909号和8923号台风在浙江省登陆，由于预报准确及时，使各级领导和防汛部门事先做好了充分准备，估计减少经济损失6～8亿元。再看别的国家的一个例子，1970年11月12日，孟加拉国大风暴潮造成30万人死亡，后来装备了气象卫星，建立了大风暴警报系统后，1985年遭受同样规模的风暴潮，却 到目前为止，人们不仅对于各种灾害性天气可以监测和预报，部分非气象性自然灾害，如地震，通过气象卫星的监测，预报水平也有所提高。原来，地震前有各种大气异常现象，比如地光、地气、增温、就可以捕捉到地震的蛛丝马迹。如 1989、 1990年、 1991年，我国国家地震局利用气象卫星的遥感红外线数据，成功地进行了大同、阳高、北京地区、台湾等地的地震预报。我国科学家甚至还发现了1991年5月日本云仙台火山和6月菲律宾比纳图博火山的喷发前兆，这些都证明了我国对天气临视和预报的准确程度是相当高的。 当然，科学家们不仅利用大气来探索天气的变化，还能预测未来的气候变化。科学家们通过对地球大气气温的研究发现，目前全球平均地面气温有上升的趋势，大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度在不断增加，这就不得不使地球大气增温。大气增温后会使全球的气候条件发生极大变化，到时候南极冰山融化，海平面上升，干旱面积加大，物种灭绝等等，一系列不容乐观的结果等待着我们。而且，科学家们还发现，南极上空的臭氧层趋于衰减，这会使全球大气臭氧保护层变薄，形成一个巨大的空洞，届时大量的太阳紫外线会对地球生物产生伤害。这就使我们不得不保持高度警惕，及时采取防范措施，以免悲剧发生。 总而言之，通过对大气的探测，我们了解了我们生活的大气环境，弄清了各种天气现象的规律，进而预报各种天气，提高了应付自然灾害的能力。对大气本身的探测，有利于认识未来气候的变化形势，从而有助于我们采取有力措施，改善我们的生存环境。 观测形态走势 前面说大气探测是如何如何重要，那么到底要探测什么呢？大气现象复杂多变，大气组成多种多样，到底探测什么为好，是头发胡子一把抓吗？不是，这儿有两种观测。 一是常规观测。常规观测主要包括温度、湿度、气压、风力、风向等观测项目。可别看只有这几项基本因素，它们却分别反映了大气的热力状态和运动状态。 气温的高低表明了气体的冷热程度。测量气温的仪器叫温度表。和测量人体体温的体温表一样，它是利用热胀冷缩的原理制成的，如酒精最低温度表和水银最高温度表；也有根据导体、半导体电阻随温度变化原理制成的电阻温度表；或者根据温度不同、电流不同原理制成的温差电偶温度表。另有一些测温元件，如铂电阻、热繁电阻等。 气压是地球大气圈的大气对地球表面和周围大气产生的压强，测量气压的仪器常用水银气压表。 湿度是指大气中所含水汽多少的量，测量湿度的仪器有干湿球湿度表和毛发湿度表。干湿球湿度表实际上由两支温度表组成，其中一支绑有纱布，很显然，是用水分蒸发导致温差变化的原理来反映湿度的。 二是特殊观测。常规观测是每个气象站在每天规定时间，按照一定程度进行对规定内容的观测。特殊观测不同于常规观测，这主要反映在观测内容和观测位置上。一方面，特殊观测要观察目前变化比较大、并可能对未来气候产生很大影响的一些内容，如二氧化碳、甲烷、臭氧、酸雨、气溶胶粒子，这可以称为大气化学观测；另一方面，特殊观测主要把观测范围集中在地面以上一公里内，这叫边界层观测。大家可以猜到，这主要是因为边界层与我们生活生产活动太密切。 特殊观测的历史并不长，我国只有二十多年的经验。由于特殊观测对所涉及的知识、仪器精度、观测条件要求很高，所以难度很大。我国对大气的化学观测有一定的成果，如酸雨曾经在部分省市进行专题观测与研究，一个酸雨观测网已经建成。据悉，我国与美国、澳大利亚等国还展了一些特殊观测的合作，成果显著。 特殊观测是适应新形势需要而产生的观测，它在未来将变得越来越重要，一些新型的观测项目会增加。因此特殊观测会得到加强，但这并不意味着常规观测就不重要。事实上，我们的天气预报的主要根据仍然来源于常规观测。可以说，将来这两种观测会互为弥补，相辅相承。 警惕大气 地面观测网 地面观测网由各地地面气象站、自动气象站、气象观测塔等组成。 （1）地面气象站： 地面气象站有气象观测员连续不断地对天气进行观测。他们用眼睛观测各种气象要素，如云量、能见度、雨量、风向、风速等。一般地说，这只能得到估算的数据参数，经验便显得很重要。此外，他们还用各种仪器设备来测量大气的温度、湿度、气压、风力等。在这里，温度常用摄氏度 （℃）表示，湿度常用相对湿度、水汽压或露点湿度来表示。气压计算单位是百帕。风向用方位来表示，风速要在10米高的风杆上测量，其单位是米／秒。地面气象站观测项目很多，雨量、蒸发量、日照量、地温、积雪、太阳辐射等都应包括在里面。要强调的是，地面气象站的观测方法很统一，它们都要参照联合国气象组织和国家气象局制定的《观测规范》。观测的仪器性能、规格和计量单位也要符合国际标准。不用多的解释，大家已经明白，这无非是想保证观测结果的准确性和代表性，以便于比较。 自动气象站 自动气象站就是没有人工操作、完全由仪器自己完成测定地面各气象要素的全自动气象站。它们常常被安置在高山、海洋、沙漠、高原上。由于地球表面面积广大，人力物力有限，建设地面气象站的数目不可能很多，自动气象站弥补了地面气象站的不足。 自动气象站发展到现在已有三代。第一代研制于本世纪50年代末，当时它只能测量温度、湿度、气压、风力、风向、降水等少数几个要素。60年代中期，由于半导体元件和脉冲数字电路的普及，第二代自动气象站产生。它的感应元件能观测云高、降水、辐射总量、雷暴等。但是，这种气象站不能自动处理观测资料。70年代后，自动气象站已发展到第三代，电子计算机和卫星通信技术的兴起，使自动气象站自动化程度大为提高。 目前，全世界投入运行的自动气象站有几千台。有一些国家还建立了自动气象站网系统，称之为自动气象遥测系统。这种系统由中心站和野外站组成，中心站控制着野外站，野外站的主要任务是观测，它由铁塔、传感器、电子线路等组成。我国在“七五”期间就研制出了自动气象站，它们分别安装在内蒙古、青海等地，定期通过静止卫星向地面接收站发送各种气象信息，效果良好。 但是，自动气象站并非完美无缺。它需要定期检修，它的观测项目有限，而且其准确性和可靠性赶不上目测，所以，它只能是一种地面气象站的辅助物。未来的气象站或许是两种气象站的有机结合，就像计算机不能完全代替人一样，将来的气象站只会模糊两者的界限。 （3）气象观测塔： 气象观测塔是一种特殊的气象观测装置。前面说过，特殊观测不同于常规观测，而气象观测塔恰好是为了特殊观测而设的。 气象观测塔常常是用来观测大气边界层的有效工具。其实，用于边界层探测的东西很多，如系留气球、低空探测仪、特殊飞机、声雷达、激光雷达、红外和微波探测器等。但它们的观测效果有很大的局限性，主要是间断不连续，而且因为不是直接探测，结果需要核对，所以人们对之并不十分满意，而气象观测塔却有这方面的优势。 用气象观测塔对大气边界层的观测，作为特种观测来看，目的很明确，其了解的是地表几十米至上千米这一范围大气的温湿度，以及高度分布随时间的变化状况。这种观测能为数值天气预报提供不同高度的准确数据。另外，它对高层建筑设计也给出了一些参考资料，因为不同高度的建筑对风力的考虑不容忽视，能否节既省建设资金，又提高质量，是建筑设计的重要问题。 气象观测塔，有专一性质的，如我国1979年在北京北郊建立的高约325米的专用气象塔；也有多用途的，如一些电视塔、广播塔、导航信号发射台，气象观测只是其“业余”任务的一部分。不过，这些塔身都是钢筋混凝土筑成的，升温快，降温也快，为了避免观测仪器受塔体的影响，一般仪器感应部分都离塔体较远，形成水平伸臂。所以，这些塔从近处看去，像全身长满了长长的刺似的。 空中观测员 这儿的空中观测员可不是地面气象站的观测人员，它们是在空中进行各种气象探测的工具。从空中对各种大气现象进行探测，改变了过去气象观测的单一形式，呈现出一种立体的效果。 （1）风筝： 风筝能够飞上天，当然可以用于大气探测。据说，大约在1749年时，携有温度表的风筝就到达了云层深处进行过温度测量。大家熟悉的科学家富兰克林也于1725年把风筝升到了雷雨之中，从而证明了闪电与摩擦生电一个道理。所以说，风筝在大气探测史上有过功勋。风筝最大的好处在于它设备简单、造价低廉、上升容易，但是它的上升高度有限，充其量不过三千多米。再者风筝容易断线，在地面建筑物和丛林多的地方还不能施放。这样一来，到19世纪之后，风筝就只作为玩具形式而存在了。 早期的气球充满了热空气，后来为了安全，由乳胶制成的气球出现，灌入适量的氢气，借助空气的浮力就可以上升。现代的载人气球高度已达三十多公里，是在本世纪60年代创下的纪录，对于探测大气的风筝高度来说，是个不小的突破。气球用于大气探测大约是在1893年，当时法国使用的是橡胶做成的气球，上面携有气象仪器升到了16公里的高空。早些时期，气球上面的气象仪器需要气球破裂，然后摔下来后才能获得各种气象数据；而现代常常使用无线电探空仪器，无需回收。 气球探测可以分成以下几种： 一是系留气球，又称风筝气球。它用绳索维系在地面上，其形状有的像船，有的像球。气球上面都带有测量温度、湿度、风向、风速的仪器。这些仪器要么用无线电发送测得的数据信号、要么直接采用有线传输的方式。系留气球的高度可以由绳索控制，不过一般只有几百米，它主要用于低空大气的探测。 二是探空气球、这种气球下面悬挂着探空仪。探空仪带有温度、湿度、气压三个传感器、转换器和发射机。气球升空后，会随时把测得的气压、温度、湿度等数据转换成无线电信号，再发送到地面，地面再经过信号转换得出探测结果。探空气球有的很低，只能测定2000米以下范围的大气物理状态；有的很高，可达到三万米的高空。我国的探空气球可达离地面2.5万米以上的位置。 目前，全球约有一千多个高空气象观测站，每天定时施放探空气球，由此获得常规的高空气象资料。这些资料可以加工成气象台预报人员使用的高空天气图。 三是平衡气球。它也叫无外力气球或定高气球。此气球施放后，球体可以保持在某一高度上，随着空气水平飘移。如果使用经纬仪和测风雷达，就可以判断其所在的位置；再根据其时间的变化，就可以求出同一高度层的大气各个气象数据。 平衡气球有的定点于平流层上，顺着西风带，可以围绕地球飘行。平衡气球的探测仪器和无线电发报机常常靠太阳能电池来供电，其信号则通过卫星直接转发到地面接收站。 四是“母球”系统。它包括一个大型气球和在飘飞途中逐次下投的探空仪。探空仪在下落时一边探测大气一边发报，母球接收到它的数据后，再经过卫星中继站传给地面站。 （3）气象火箭： 火箭有上千年的历史，但现代火箭投入运用的时间却不长，致于气象火箭的使用年限更短。目前使用气象火箭进行大气探测的国家有二十多个。一些国家，如美、苏、英、法、日等设置了许多气象火箭探测点，建成了全球气象火箭网，定期发射火箭，互相传递信息。我国的探空火箭已能发射到离地面120～140公里的高度，在海南省还建有探空火箭发射场。 火箭飞行依靠的是它本身携带的固、液体燃料，它的速度快，可以达到上百公里的高度，因而它填补了气球和卫星所在高度之间空白区的大气探测。但是火箭飞行的时间短，仪器因空气摩擦产生的温度也高，而且火箭本身需要制导系统，这些都给火箭的大气探测带来了不便。为了取得更大的收获，一些光学经纬仪、高精度气象雷达、计算机等常常与气象火箭配合，以弥补气象火箭的先天性不足。 运用火箭探测大气的方法有以下几个：一方面，火箭在上升途中运用其所带的仪器直接测量，这种方法常见于早期，现已淘汰；另一方面，火箭在上升时，可以按时将其携有的仪器分开，仪器再依靠降落伞缓慢下降，自动测量；还有一个就是火箭在上升或下降时，陆续释放出不同的仪器。这些仪器有的是探空仪，它们将所测的温度、湿度、气压和风向的数据，通过无线电发射机准确地发回地面；有的是各种跟踪物，如纳云、金属丝、无声榴弹、带反射靶的气球带，用以测量不同高度的风速、风向等。还有的你怎么也想不到，它们竟然是取样瓶，在取得空气样品后，能返回到地面。 气象火箭的类型有大有小。小的只测几种常规要素，大的能探上十种要素。气象火箭美国有洛基、阿卡斯型号；日本有MT—135型号；英国有大鸥火箭；俄罗斯有MP—100和MMP—06型号等。 （4）多面手的飞机： 飞机的诞生到现在还不到100年，但由于飞机有其卓越的性能，这使它在高空大气探测上显示出得天独厚的优势。飞机在垂直高度和水平范围的机动灵活性都比较好，因此它比气球、火箭的本领要大得多。飞机在气象上得到运用的有螺旋桨飞机和喷气式飞机；也有少量中低空中飞行的各种飞机，如直升机。 飞机有一个最大的优点，就是能够载上各种遥感仪器。这等于是说在空中设置了一个气象平台，有利于提高天气预报水平。另外，经过特殊改装后的飞机可以在台风眼中飞行，在核爆炸后的蘑菇云中飞行，甚至可以在积雨云的附近探测云中的水量及气流分布的情况。当然，飞机还可以用来人工增雨，这里已是题外话了。 气象飞机是为了填补空中气象情报的不足，或者是为了执行某种特殊任务而用的，它需要安装有特殊的仪器设备。一般地讲，气象飞机除了装有测量大气温度、温度、气压、风速、风向的仪器和数据处理机外，部分的还有红外线、微波遥感设备，用以测量海水温度、云粒子分布、臭氧等。 飞机的外表也很独特，如有的飞机机身某处有凸出的雷达无线罩，它是为了保护雷达而设置的，为的是使雷达天线更方便地获取云、降水、台风、冰雹等数据参数；还有的头部有一个尖尖的鼻子，可别以为它是歼击机的空速管，其实它是特地用来测量温度的设备。 （5）运筹帷幄的雷达： 雷达运用于气象上，是二战期间的事。由于雷达在搜索敌方飞机、舰艇目标时，云和雨在荧光屏上的意外出现严重干扰了军事搜索，但受其启发却产生了气象雷达。此后，精明的英国人首次用军事雷达对一块降水云体进行了成功的观测，并做出了天气预报。于是，各种气象探测雷达如雨后春笋般地发展起来。 气象雷达是如何测定天气的呢？说到这儿，大家会情不自禁地想起蝙蝠飞行和捕食原理。蝙蝠靠的是嘴发出的超声波，它的耳朵能接收回声，并由此判断前方障碍物的位置距离。气象雷达的发射机按时通过天线发射高频的电磁波，电磁波遇到云雨等目标后，经过折射、散射、绕射，就产生了回波，雷达天线接收后再交给接收机处理，这样就观察到了云雨的存在。电磁波的传播速度是每秒30万公里，根据发射脉冲和接收回波的时间间隔，经过核算，就可以得出云雨和雷达之间的距离。另外，根据雷达天线的仰角与方位角，也可以确定降水的性质和降水强度。 气象雷达测定内容有测云、测雨、测雹等等。测云和测雨雷达使用的波长较短。如有用8.6毫米或1.25厘米波长的测云雷达，测量不降水的云；用波长3.5或10厘米的测雨雷达，可探测可能降水的云。10厘米波长的雷达宜用于探测子降水（如冰雹）或大范围强降水（如暴雨、台风雨）。测风雷达常需要悬挂有一个角反射靶的气象气球的帮助。 雷达按使用效应不同也分成不同种类，这里举多普勒雷达、声雷达、激光雷达简要谈谈。 多普勒雷达，是用多普勒效应来测定云和降水粒子等运动速度的雷达。 激光雷达，是利用一种特殊的光——激光制造的雷达。激光亮度高，方向性强，发射角小，有人称它为“目光犀利”、“明察明毫”，一点也不为过。它的亮度比太阳光还高，红宝石激光器产生的亮度比太阳光要亮上百亿倍，可以看到大气中的气体分子、烟尘等溶胶粒子。而且它单色性好，一般普通光源有很宽的光谱，而激光只有单一光谱。激光雷达中，红宝石激光雷达有几十年的历史，我国在1966年就研制出了第一台百兆级的红宝石激光雷达。激光技术发展很快，并出现了分枝，如多普勒激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达等，它们在监测大气环境方面起了不少作用。 声波在不均匀的大气中散射本领要比无线电波和光波大，利用这一特点制造出来的雷达叫声雷达。大气温度、湿度、风速变化对声波折射率的影响，一般要比无线电波和光波要大上千倍，所以声波的散射量要比无线电波和光波长。 声雷达最简单的用途就是测定大气中某些目标物的位置。如果要测定大气湿度，则需要通过发射两个不同频率的声波；如果再加一个温度，就要发射四种不同频率的声波。声雷达对低层大气的遥感探测成效显著，它造价低廉，使用方便，深受各国的表睐。我国在1975年就研制出了声雷达，据悉，在大气探测方面已经取得了可喜的成果。 雷达技术发展迅速，目前与之相关的一些较完善的探测系统相继问世。如计算机与天气雷达相联的数字化天气雷达探测系统，它已经远远超出了对天气现象的监测，对洪水预报、江河水位的监视都完成得很好。再如多普勒天气雷达系统，它对警戒龙卷风有特殊的本领。还有一些天气雷达系统，如双波长雷达探测系统、圆盘振波雷达系统，也在发展中。 卫星巡天 自从1960年1月美国第一颗气象卫星泰罗斯1号升空以来，俄罗斯、日本、中国、法国等都拥有了自己的气象卫星。气象卫星的问世，为太空探测大气翻开了新的一页。 气象卫星不同于气球、飞机、火箭等直接运用气象仪器探测，因为它使用的是遥感技术。遥感技术，就是不实际接触被测对象——大气，而是从远处高空感知事物的性质。但它又不同于雷达的遥感，如微波雷达、激光雷达、声雷达都需要人工主动地发射波动信号，通过回收大气相互作用信号来摸清大气的状况；气象卫星只利用天体信号源 （如太阳），或直接接收大气本身发射的信号 （大气信号源），就可达到探测的目的。按专业述语讲，它属于被动探测系统。 气象卫星利用它的探测器，接收被测目标发射或反射的电磁辐射，就可以测出大气的性质与状况。气象卫星有两个杰出作品，叫可见光云图和红外云图。可见光云图，简言之，就是用照相方式获得的云图，它用辐射仪器直接接收大气反射的太阳光成象。可见光云图很直接，只与反射率有关，如白色部分可能是反射率高的积雪和厚云；黑色的可能是反射率低的陆地或海洋。红外云图也不难理解，因为任何物体都具有温度，温度不同，发射的红外辐射就不一样，根据这种原理就可以得到一张反射不同物体的红外特别图像。当然，我们看到的电视卫星云图是经过计算机加工处理的，并非原图。 气象中以探测大气的温度、湿度以及不同气体的含量。如波长为6.3微米左右的水汽对红外辐射吸收能力很强，如果在卫星探测器上装有波长为6.3微米的滤光片，就可以发现大气中的水汽含量。气象卫星的探测能力正在逐渐增强，它已由最初的电视摄象方式发展为扫描辐射仪和分光计 （可见光、红外和遥感的结合），可以获取昼夜高低分辨率云图和大气要素以及环境参数的定量资料。卫星资料的传输已发展为速率更高、抗干扰力更强的数字制式；在资料处理方面，人机对话系统已经建立。 气象卫星按运行轨道可以分成两种，一种叫地球静止气象卫星，高度约为36，000公里左右，绕地球一周的时间为24小时，正好与地球自转速度相同，因而，从地球上看，好像卫星是静止不动的。目前，全球上空的静止卫星每30分钟可获得一张云图照片，通过连续图片的拼接，可以知道云的移动形势、高度、湿度和海水温度等。地球静止卫星已经发展了几代。在这之中，欧洲气象卫星组织已经和准备从1988年到2006年，分别发射3—7、MSG—3，共10颗气象卫星；印度将从 1990年到 1998年分别发射印度卫星1d、2a、2b、2e气象卫星；日本从1984年到1999年要发射向日葵－3——－5号，气象卫星－1号－I～M号共四颗卫星；俄罗斯计划从1994年到，1997年发射电子－1，电子－2气象卫星。 另一种叫极地轨道气象卫星，高度约为800～1000公里。它每天围绕地球运行14圈，可以对世界各地巡视两遍。由于这种卫星采用的是太阳同步轨道，所以每天几乎在同一时间经过同一地区的上空。显然，每天获得的观测资料由于时间相同，因而具有可比较性。极地轨道卫星探测的内容除了静止卫星的以外，还包括洪涝灾害、森林覆盖、气压、臭氧总量等。极地轨道气象卫星也发展了几代。目前美国有实验研究性气象卫星雨云系列；前苏联从1969年开始发展了流星系列，包括Ⅰ型和Ⅱ型。我国从1988年开始发射了风云号系列卫星。在最近在十几年中，一些国家和地区还将发射新的极地轨道气象卫星，这包括：欧洲气象组织预计2000年发射的极地轨道气象卫星－1—－3；美国国家海洋大气局预计到2006年发射的－11、－12、－J——－ 9N、NPOESS－1—－3，共11颗卫星；中国预计到本世纪末以前发射的风云－1C、－1D型卫星；俄罗斯预计到200O年发射的流星1－21、3－5～8、3M－1～2六颗卫星。 天气监测网 随着科学技术的发展，科学家们已经不满足于单纯的依靠气象站、飞机、火箭、雷达、卫星的大气探测，而是把它们统一地规划，系统地结合起来、从而形成了一张奇特的天气监视网。 从1962年初开始，世界气象组织就开始着手制定世界天气监视网计划，即WWW计划 （World Weather Watch）。第五届气象组织大会批准了WWW的第一期计划。WWW计划是世界上对地球大气监测规模最大的计划。 与此相应，世界气象组织还制定了全球大气研究计划。其中第一次大气试验从1977年到1984年引人注目。可以说，这次全球大气试验是第一次全球性的系统观测大气的尝试。当时，气象专家们为第一次全球大气试验设计了一个综合观测系统，它包括基本观测系统和特殊观测系统，基本观测系统以世界天气监视网的地面观测系统和气象卫星观测系统为主。特殊观测系统是反映在特殊观测时期所特有的特殊观测手段。 在第一次全球大气试验期间，世界气象组织150个成员国大约有9300个地面观测站每天进行定时观测；约有850个探空站每天进行1～2次释放探空气球活动。在海洋观测方面，约使用了50多艘专业船、7400艘商业船、17架专用气象观测飞机、80多架航空公司的飞机、300多个定高气球。我国的实践号、向阳红9号探测船参加了这次活动。在气象卫星观测系统方面，有五颗静止气象卫星和五颗极地轨道气象卫星参与了行动。这个规模庞大、组织复杂、经历时间长的国际性大气探测活动为世界监视网的建立打正了良好的基础。 目前世界天气监视网比较完善，它由三大系统，即全球观测系统、全球资料处理系统、全球电信系统组成。全球观测系统已经形成了立体网络，它有地面观测网、陆地海洋观测网、卫星观测网；全球资料处理包括世界气象中心处理系统、区域气象中心资料加工处理系统、国家气象中心资料加工处理系统；全球电信系统有三级通信线路和三级通信中心。前者包括主干线及其支线、区域通信网和国家通信网；通信中心包括世界气象中心、区域通信枢纽和国家气象中心。世界气象中心有三个，区域气象中心有30个。 世界天气监视网的建立，为大气探测提供了良好的条件，它必将提高天气预报水平。随着科技的发展，新型探测仪器会不断增加，探测的规模、广度也会扩大；那时，气象观测仪器密切协作、互相配合，组成一个密集的“疏而不漏”的天网，任何大气现象也休想逃出它的眼睛。 漫话天气预报 每天，我们收听中央人民广播电台的节目，就会知道全国的天气情况和海洋情况；我们收看中央电视台的天气预报节目，也能了解全国的天气形势，以及部分城市的气温……你或许以为天气预报不过如此，但是天气预报并不仅仅是这些，单就天气预报的内容就纷繁复杂、品种繁多，有的也许你还闻所未闻呢！ 天气预报按预测时间的长短，一般可分为短期、中期和长期三种。 短期天气预报，一般只预测未来三天以内的天气情况，它要求比较具体、详细，比如，明天有没有雨、有多大；后天有没有风、是几级；今天气温最高多少度，等等。这就是我们一般从收音机中听到的天气预报，特别是当地气象站播发的天气预报。 中期天气预报，一般预测一个星期到一个月以内的天气情况。它主要预报了一些特别重要的天气，像台风这种灾害性天气。 长期天气预报，一般指预测一个月以上到一年以内的天气情况。但是我们知道，气候是长时期的天气情况，它反映的是某地一年或一段时期气象状况的多年特点。所以一年以上的长期天气预测，可以看作是气候预测。它主要预报某些气象要素在月、季、年相对于其气候平均状态的偏差。如这个月的气温是偏高还是偏低，今年是干旱还是雨涝，这个季节降雨量是偏多还是偏少等等。 天气预报根据预测的内容不同，可以分为一般性天气预报和灾害性天气预报。前者就是我们每天可以听到的有关阴、晴、雨、雪、风向、风力、最高最低温度等气象内容的预报。后者又叫警报，只关注台风、寒潮。霜冻等等。 天气预报中还有农业气象预报。农业气象预报是以农业业生产为服务对象的预报。这种预报的目的是帮助农民预防和战胜各种不利天气条件，使农作物获得好收成。农业气象预报有物候预报、农作物发育期预报、收获期预报、产量预报、灾害性天气预报等。 当然，如果按区域来划分，天气预报有世界性的、全国性、各省市的、各地县市的。按预报的形式也有文字、图片、讲解或综合性等的划分。 天气预报一般愈短愈准，中期、长期天气预报目前并不完善，这方面的研究工作仍在开展。一般性天气预报现在发挥的作用太小，灾害性天气预报的水平当前已经大为提高。以后的天气预报水平更高，特别是中长期天气预报相对水平会有提高。农业气象预报对农业的指导作用会更明显有效。 制作天气预报 天气预报究竟是怎样做出来的呢？它也像我们看到的气象节目那样轻松而简单吗？当然不是。有趣的是，当你懂得它的整个制作过程后，你甚至也可以加入到他们的活动中去。 首先，在全球大气监测网上，成千上万个地面和高空观测站、气象卫星接收站、天气雷达站等，夜以继日地观测着大气的变化，它们迅速地将观测结果传送到各个国家的气象中心，各个国家的气象中心及时将这些数据通过通信设备传送给世界气象中心。世界气象中心将这些资料汇集整编后，再转发给各个国家和地区的气象台，气象台则把这些资料加工成各种天气图，条件好的则直接显示在计算机上。气象预报员再结合其他辅助性资料，根据大气动力学和热力学理论，运用各种预报方法，做出天气预报。 有时候可能有根据不同的方法得出不同的预报，乃至相反结论的情况；抑或碰到非常时期，如举办大型运动会，或者可能会涉及到灾害性天气时，气象台会招集各个气象专家进行集体讨论，最后得出比较一致的意见。为了保证天气预报的准确性，一些气象站还会与附近气象台进行气象信息的交流活动。 由此可以看出制作天气预报的程序并不难。不过，在一些具体制作方法上却不容易。下面分别对几处预报方法扼要谈谈。 先说天气图预报方法。天气图分地面和高空两种。前者填有在各地用同一时间观测到的海平面气压、气温、风向、风速以及天气现象等；等温线、等压线也标明出来，这样从图上就可以分析出高压、低压、冷锋 （冷空气向暖空气方向移动的锋了、暖锋（暖空气向冷空气方向移动的锋）等各种天气系统，根据天气系统在一段时间后的移动情况和强弱变化，就可以确定它未来的位置和天气状况。但天气形势也会有变化的时候，它与天气现象并非是一一对应的关系，这就要依靠各地气象预报员的经验了。 再说数值预报方法。数值预报的产生与高等数学的关系很密切。当气象学家们把大气运动规律用微分方程表示出来时，实际上就建立了一种数学模型。数值预报是由气象要素场在某一时刻的状态，通过数学计算得出气象要素在这一时刻的变率。数值预报模式，就是大气情况的数学模型，这种模型数目很大，准确率大小不一。 接下来说统计预报方法。统计方法就是根据过去已掌握的资料，来研究天气本身的规律，进而预报未来可能出现的天气变化。统计预报由于撇开了背后形成天气现象的原因，可以说是“就事论事”，所以有其致命的弱点，但气象学家们引进了天气学进行分析，即把因果机制运用上来，也就形成了天气统计方法。 但是数值预报报出的等压面高度、风温度、湿度等值涉及面大，其解决的是大尺度环流势场的预报，而局部地区数值预报却很难有所作为。科学家们经过一番努力，开始把天气资料用统计方法罗列，再将数值预报报出的值代入方程进行运算，竟然得出局部地区的天气预报，这样，完全预报方法产生。 到本世纪60年代末期，美国气象学家们提出了一种MOS（Model OutputStatistics模式输出量）方法。此方法利用模式中输出的各种动力统计量，建立了与局部地面气象要素存在的统计关系，并用概率统计方法建立一种关系模式进行预报。它也被称为统计方法。MOS的预报准确率比较稳定，美国、日本分别在1972、1976开始使用MOS方法。 另外，美国还有一种AFOS系统（Automation of FieldOperation and Service），用在短期预报服务上。此系统全部实现了自动化，可以对未来两天的降水量类型、概率、风、云量、最高最低温度等天气现象作出预报。 关于长期天气预报方法，特别是进行气候预报方法，目前并不理想，但长期天气预报并非不可能。本世纪二、三十年代，英国气象学家瓦克根据大气活动中心与世界天气的关系进行过长期天气预报。几乎在同一时期，前苏联气象学家莫尔坦诺夫斯基也以北极极地气团 （气团指一些基本属性与性质比较均匀的大范围空气）的动向为根据，做过区域性长期预报和一般性季节预报。三、四十年代，还有不少气象学家，如德国的保尔，还用过周期性方法进行了长期预报。 长期天气预报也离不开统计方法，它建立于过去天气变化的基础上。不难理解，这无非是想通过过去天气变化的规律来推知未来天气演化的形势。自然，数值预报也适合于长期预报。目前，长期天气预报方法基本上是这样的：通过对一些主要的大气环流系统（如副热带高压）和下垫面状况（如海水湿度、地面温度）的分析来确定它同旱涝、冷暖等长期天气变化规律之间的关系，从而建立一种模式。这种模式有的是定性的，有的是定量的，有的是定性与定量的结合，不一而足。 天气统计方法对长期预报也有一定的启发作用。例如，厄尔尼诺现象—秘鲁和厄瓜多尔沿岸的海水升温现象，与世界气候异常很有关系。在每隔2～7年后，从冬末春初开始的一年中，秘鲁附近的海水开始增温，增温时产生很大的热量使海面上空气温剧增，引起大气环流和世界天气异常。此时，一些地区发生很大的洪涝灾害，而另一些地区则出现特大的干旱；有的地方出现奇热的现象，有的地方，甚至夏季会出奇地冷。据此，我国科学家发现，我国东北地区在厄尔尼诺年冬季往往出现异常低温，如 1969、1972年以来东北地区出现的几次大范围严重低温，有六年是厄尔尼诺年。 另外，还有天文（如太阳黑子的活动）和地质变化（如地震）等进行长期预报的，此种方法还在探索之中。 中期天气预报介于短期和长期天气预报之间，它的方法与前两种并没有严格的界限。这里主要介绍一下中期数值天气预报。 中期数值天气预报是随着大气探测、计算机和通信技术及气象科学发展起来的。由于一些灾害性天气均为中期天气过程，所以从70年代以来，世界上一些发达国家都加强了对时效为10天左右的数值天气预报的研究和试验工作。 我国是世界上自然灾害最多的国家之一。暴雨、台风、寒潮、暴风雪等灾害都给国家和人民带来了巨大的损失。因此我国的中期数值天气预报系统地研制极为迫切。经过科技工作者的努力，1991年我国第一代具有中等分辨率的中期数值天气预报T42L9业务系统投入使用，并开始向全国各级气象台 （站）发布中期天气形势分析报告。几年后，我国第二代中期数值天气预报TL业务系统研制成功。该系统预报水平可与当代中期数值预报的最高水 6316平ECMWF（欧洲中期天气预报中心）预报模式媲美。它以我国自行研制的银河—Ⅱ巨型计算机（四台计算机，每秒可运算10亿次）为主。配接有各种不同的计算机。此系统包括要素库、预处理、客观分析、初值化、预报模式、图形系统、业务监测系统等部分。中期数值预报产品通过工作站，以各种形式输给中央气象台预报员使用，各大区域中心和省、地气象台也可以收到其传送的资料。不用说，中期数值预报的产品通过加工处理后，可以在各级新闻媒介播出。总而言之，我国的中期数值天气预报水平已经接近于国际先进水平。 生物“气象员” 生物学家根据观察，发现水母是一个高度准确的“活气压计”。在暴风雨到来很早之前，它就急急忙忙地把身体隐藏到安全地带。 科学家仔细地研究了水母的身体，发现它有一个可以感觉超声波的“耳朵”。在暴风雨发生前10～15小时内，它的“耳朵”就能清晰地“听”到由水中传来的超声波。在水母的“耳朵”前端有根细细的棒状物，上面带一个圆球，充满液体，有一个小小的石头浮起，并同神经末梢接触。超声波首先被充有液体的圆球接收，然后由水泡中的小石子传给神经，于是水母就接收到大风警报的信息了。科学家根据水母“耳朵”的工作原理，制成了自动预报大风警报的“电子耳”装置。 在自然界中，青蛙素有“活晴雨表”之称，因为青蛙能够感知大气的微小变化。非洲的土著居民，只要发现树蛙由水中爬到树上，便动手做防雨的准备，因为这预示着雨季要来到了。而当青蛙在水面“吧哒哒啦”地拍水时，也就是预报天要晴了。 许多鸟类也都是出色的“气象预报员”。它们对气压的变化，阳光的强弱，以及雷雨前大气中的积电现象非常敏感。这些气象的变化，往往会直接影响到鸟的歌唱、飞翔以及候鸟到达和出发的时间。 预报风向是老乌鸦的拿手好戏。人们只要看一下它朝什么方向站着，就可知道吹的是什么风。它的头朝南，便是南风；头朝北便是北风。因为它为了保护羽毛，总是让风顺着羽毛吹。 预报阴雨也是乌鸦的强项，因为它对天气变化很敏感。一般在大雨来临前1～2天它就会一反常态，不时发出高亢的鸣啼。一旦叫声沙哑，便是大雨即将来临的信号。故有民谚曰：“乌鸦沙沙叫，阴雨就会到。” 大雁是预报寒潮的专家。当北方有冷空气南下时，大雁往往结队南飞，以躲过寒潮带来的风雨低温天气。“大雁南飞寒流急”，这可一点不假。秋夜，它还用更加独特的方式发布气象信息，即：“一只雁叫天气晴，二只雁叫雨淋淋”，很灵验。因啼叫的大雁越多，即空气中湿度越大，预示大雨将至。 老鹰一般很少发出叫声，只有当地面有食物可猎取或冬天气温很低的寒冷时才会鸣叫。冬天高空气温很低，就可能下雪。所以“老鹰高空叫，大雪就来到”之说广泛流传于民间。 麻雀堪称“晴雨鸟”。若晨曦初露，它们成群吱喳欢快鸣唱，那是告诉人们，今天天气晴好；若麻雀活动迟缓，叫声“吱——吱”长鸣，则预示晴转阴或阴转雨；若在连日阴雨的早晨，群雀叫声清脆，则预示天气很快转晴；夏秋季节，天气闷热，空气潮湿，麻雀飞到浅水处洗澡散热，这又预示一两天内的雨，故谚语有“雀噪天晴，洗澡有雨”。此外，若麻雀傍晚提前入窝归巢，并不时在窝边发出长而缓慢的鸣叫，似在“忧声长叹”，这也预示着当晚或次日天阴有雨。 “燕子飞得低，准备穿蓑衣”。天将下雨时，空气里水汽增多，一些小虫子飞不高，多靠近地面飞行，燕子只好低飞捕捉。故燕子低飞时，就向人们预告：天要下雨了。 画眉对天气也能“未卜先知”。每当它们嬉戏枝头，亲昵对话，表明未来一段时间晴好无雨；而它们隐居枝头，诡秘无声，或销声匿迹，表明阴雨即至。 “子夜杜鹃啼，来日晒干泥”。这句民谚告诉我们，如果杜鹃鸣叫，它预示着明天将是晴好天气，或表示天气将由冷转暖。 喜鹊生性喜明丽、暖和，有“太阳鸟”的雅称。它对天气变化最为敏感。 “仰鸣则晴，俯鸣则阴”，这是古文《禽经》中的记载。清晨，如果喜鹊登枝，欢唱枝头，表明当日天气晴好；若在枝间来回蹦跳不安，低声噪叫，则告诉人们风雨欲来。 古巴一位退休的船长，家里养了一只能唱许多曲子的鹦鹉，它居然能将天气的变化用固定曲调唱出来。例如，它唱施特劳斯的圆舞曲时，就意味着快下雨了；在暴风雨来到之前，鹦鹉唱的是萨姆巴舞曲；如果从鸟笼里传出来是进行曲，就是向人们预报，飓风要来了。真令人叫绝！ 蜘蛛的气象预报决定了一场战争的胜负。1794年的秋天，法国军队侵入荷兰。当时荷兰没有阻挡得了法军的兵马和大炮，只好打开运河闸门，放水淹没道路，阻住了法军的锋芒。面对茫茫的大水，法军只得准备撤退。就在这里，法军司令官发现了蜘蛛异乎寻常地加倍拉丝结网。他立即命令停止撤退，原地待命。因为只有在晴朗严寒的天气里，蜘蛛才会有此举动。果然，不久气温骤然下降，荷兰人水淹道路的苦心，也随之“冻结”了，到底没有阻住法军的进攻。 还有些昆虫能做出长期的天气预报。譬如，在秋天时，蚂蚁把窝筑得越高，该年冬天就越冷。 一个晴朗的日子，大科学家牛顿外出散步，路上碰到了牧羊人。这位好心的牧羊人说要下雨了，劝牛顿不要走远。牛顿望着晴朗的天，不相信会下雨，还是继续往前走。可是不出30分钟，果然下起大雨。牛顿对牧羊人的准确预报十人吃惊，便去请教。牧羊人指着他的羊群说：“只要观察羊毛的起伏变化，就可以预见否要下雨。此外，山羊躲在屋檐下的时候，就要下雨；而在草地上蹦蹦跳跳戏耍时，必会晴天。” 在西伯利亚的针叶林中，生活着一种小小的啮齿动物——金花鼠。这种金花鼠对气候变化感应十分灵敏。有时天空虽然晴朗，金花鼠却会突然发出刺耳的尖叫，并且窜来窜去。每当这种时候，不久乌云就会笼罩天空，倾刻雨至。如果金花鼠在早晨就高声叫唤，那么傍晚时分天气就会变坏。 在漫长的进化过程中，生物为了适应周围环境的变化，形成了种种器官。这些器官仿佛是能够接受各种外界刺激的精巧装置，引起了生物学家和气象学家的极大兴趣。譬如，人们长期以来通过对家畜行动的日常观察总结出的许多谚语，对气象的科学研究就很有参考价值。除了动物以外，尚有许多植物对气温、气压、大气以及土壤湿度、阳光照射量等等变化反应也很灵敏。人们甚至可以同时用几种植物进行长期天气预报。例如，金盏草、钱葵草、牵牛花等，不论天气如何晴朗，只要它们开放的花儿又闭拢起来，那就预示不久要下雨了。 在自然界中，大约有400种植物可当作“晴雨表”使用，加上鸟类、鱼类、昆虫，在地球上总共有几千种“生物气象员”可供人类利用。 |
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