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How weather works

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了解大气的基本知识有助于预测条件。


卡斯滕·希恩(Karsten Shein)
Comm-Inst气候科学家

到达地球的太阳能约有55%使其到达被吸收或反射的表面。表面吸收的能量加热上方的空气并驱动对流层。
A尽管大多数飞行员的飞行都很顺利,而有些飞行员却遇到了白屈指肘的情况,但每个飞行员都必须与天气抗衡,因为它几乎影响到每个飞行的各个方面。

但是,每年,飞行员都忽略了获取天气简报的机会,而遇到了超出其自身和/或飞机能力之外的不利天气条件。

尽管天气是飞行培训的重要组成部分,并且许多讲师试图向学生灌输雷暴,湍流或结冰的健康尊重,但我们倾向于依靠预报和天气简报来帮助我们避免最恶劣的情况。

但是,仅仅将预报当作福音,却不了解大气的运行方式,通常就是飞行员发现自己遇到天气问题的原因。

基本的气象知识可以大大有助于获得更多翔实的情况介绍,并领先于天气。

分子密度

天气主要涉及两件事-能源和水。但是,要真正了解大气,就必须把大气看作不是一层“空气”,而是一层由重力固定在位但总是试图逃脱的分子。

这些分子施加的力既使我们产生升力和推力,又产生阻力。之所以会发生天气,是因为组成大气层的分子被通电,断电和移位。大气总是在试图保持平衡,它是通过移动这些分子来实现的。

分子气氛主要是(78%)氮气和21%氧气。二氧化碳,臭氧,氩气和其他一些气体(包括水蒸气)占最后1%左右,尽管在某些情况下,它们的性质会对整体大气造成巨大影响。

这些分子中的每一个都有很小的质量。质量对于所有这些都是至关重要的,因为它是力方程中的主要变量(力等于质量乘以加速度。)由于质量很小,每个空气分子都会受到地球重力的影响,从而阻止其向太空扩散。

质量还意味着每个分子本身都会施加自己的重力。地球重力是这些气体分子最集中在地表附近并随着高度增加呈指数下降的原因。

但是引力不能将所有分子压紧到几米厚的超稠密大气中的原因是所谓的静水平衡,它与任何给定高度下大气中存在的分子的密度有关。实际上,大气中几乎所有的运动都与空气密度有关。

静水平衡是指作用在分子上的力处于平衡状态。在垂直方向上,这两个主力是向下作用的重力和向上作用的压力梯度力。压力梯度力(PGF)是分子自身在给定密度下施加的力。

空气量(密度)中的分子越少,质量就越低,因此力(大气压力)也就越低。因此,尽管密度差异驱动着大气的动力学,但更容易测量和考虑压力方面的差异。

对于大多数飞行员来说,PGF的概念并不新鲜。这就是为什么风从高压吹到天气图上的低压。一个位置上的更多分子将始终希望向外推到更少的位置。在垂直方向上也是如此,当然,影响我们大气系统的空气密度最终缺乏的是外层空间。

垂直的PGF向上拉动分子,而重力则向下拉动分子,在距地球表面任何给定距离处都支持固定密度的分子。在该高度下,不考虑任何外部影响,空气的密度可以平衡这两个力。

两种力都随着高度的增加呈指数下降,直到密度不再能支持飞行为止。这发生在100公里(62英里)的卡尔曼线。没有任何外部输入,理想的气氛将始终是绝对稳定的,没有任何水平或垂直运动,也没有天气。

但是由于太阳辐射,情况并非如此。与大多数气体一样,大气由与温度,压力和体积相关的理想气体定律控制。如果体积保持恒定并且温度升高,压力就会增加。如果压力保持恒定且温度升高,则体积必须增加。

这是因为温度是可感知能量的量度,当被空气分子吸收时,会促使它们加速并施加更大的力。它们所作用的体积必须增加以维持恒定压力,否则体积中的压力将增加。

这种取舍对于创造天气至关重要,因为在一个地方比在另一个地方输入更多的太阳能会造成压力失衡,从而形成PGF,从而使空气像风一样流动。

水对产生天气至关重要。蒸发水的冷凝提供了增强风暴和产生降水所需的热能。

对流层

大多数飞行和我们认为天气的大部分发生在大气的最下层-对流层,对流层在热带上延伸至约66,000英尺(20,000 m),在两极上延伸至23,000 ft(7000 m),并且占75%大气中的分子。

一些在较高纬度飞行的飞机也可能在平流层中巡航,该平流层从对流层顶部向上延伸至〜180,000英尺(55,000 m)。这些层由环境温度定义。对流层是从地球表面加热的,因此温度趋于随高度降低。

平流层通过其上游的臭氧层拦截太阳辐射而被加热,这意味着它是从上方加热的,温度通常随高度的增加而升高。两层边界处的温度反演可确保我们认为的大多数天气都局限于对流层。

在全球范围内,到达地球的太阳辐射中约有55%会被陆地和水吸收或反射到地面。地球绕太阳旋转,绕轴自转,甚至土壤类型或水的分布变化(从几平方米到整个半球)都会影响传入能量的分配和处理。

例如,由于其在温度升高之前吸收能量的能力低,干地将迅速吸收吸收的太阳能,将其作为显热(通过升高的温度进行测量)通过传导加热上方的空气。

同样,在夜晚,没有太阳能输入,干燥的土地将无法保留其能量,因此它会从上方的空气中吸收能量,从而冷却空气。另一方面,水在升高温度之前可以吸收更多的能量。

在正常的气温下,水也是一种元素,可以利用吸收的能量来改变状态,熔化或蒸发而不是加热。当位置上方的空气被温暖的表面加热时,其分子会增加运动,从而彼此分开。

受热表面上分子的减少意味着空气密度降低。这有两件事。首先,它相对于向上的PGF减小了向下的重力,从而使空气漂浮。其次,它会产生向内的压力梯度,并且空气会流向密度较低的区域。

当它收敛时,它必须到某个地方,并且唯一可用的地方是向上。随着加热的空气通过其较密(较冷)的环境上升,它从热源传播更远,并迅速向周围环境散失热量,逐渐变得更密,直到最终与周围的空气密度达到平衡。

风将垂直于高处的压力梯度流动(平行于地图上的等压线),因为旋转的地球的科里奥利效应垂直于风流,从而平衡了压力梯度力。

水是天气方程中的另一个关键因素。没有水,我们的“天气”将完全由风和晴朗天空中的湍流组成。水蒸气比大气中的氮气或氧气轻,因此有助于密度效应,这意味着,随着更多的水被添加到空气中,空气密度降低。

水在创造天气方面起着更为重要的作用,因为它能够利用吸收的能量蒸发(如果是冰则融化)。当它变成气体时,水及其所储存的能量会被大气夹带,并随气流带到新的地方或新高度。

但是水不能永远保持这种能量。实际上,大多数水分子在释放并凝结为液态之前仅保留其气态能量几毫秒,但是在足够温暖和不饱和的空气中,有多余的热能使这些分子重新注入能量重新蒸发。

当空气中有足够的水蒸气时,可能会发生几件事。首先,在任何密度下,空气都具有有限的能量,可以将夹带的水蒸气保持在气态。当蒸发速率和冷凝速率彼此平衡时,空气就被认为是饱和的。

如果饱和空气通常通过冷却变得更稠密,则空气分子将从冷凝的水蒸气中吸收能量,而不会将其返回。相反,这种热量减慢了空气的冷却。这在2个方面很重要。当表面空气过夜冷却时,它可能会饱和,产生雾气并降低夜间温度。

这就是为什么夜间温度在干旱地区比潮湿地区更冷的原因。在对流上升的空气中,饱和会降低空气从存储在水蒸气中的能量中吸取的空气的冷却速度,从而使上升的空气比其环境保持温暖的时间更长,甚至上升得更多。

至关重要的是,如果空气中存在大量气溶胶,它们可能会吸引并清除冷凝水成云滴。没有气溶胶,例如海盐,灰尘,甚至一些污染物,云和雾将很难形成。

有了这些气溶胶,液态水分子就会附着起来,当这样做时,它们就会形成云滴。卷入上升气流中,其中一些云滴碰撞并与其他滴合并。

最常见的是,它们在高于大气层冰点的温度下能很好地生长,并以冰晶的形式生长,能够优先吸引和吸收液滴或直接来自水蒸气的水分子。最终,这些晶体获得足够的质量以克服上升气流并以降水的形式向地球倒退。

重要的是,高于冰点水平时,温度约为-40°C(-40°F),但主要在0°C至-15°C(32°F至5°F)的温度下,大多数云滴和降水滴将保持液态。这些过冷的液滴会自发地冻结到它们撞击的任何亚冻结表面。

幸运的是,虽然水在低于冰点的温度下仍可能保持液态,但一旦温度升至0°C以上,冰便会迅速融化。飞行员应在任何可能出现结冰的空气中(任何可能出现水汽(云或降水)的环境)进行冷冻操作时,均应考虑机身结冰的可能性。存在。

科里奥利效应

我们应该解决的最后一个主要概念是地球的旋转及其如何影响天气。在地球上的任何位置,地表或高空的风速和风向都是该区域内压力(密度)变化的直接函数。

但是,查看任何表面或高空天气图将显示,风从不直接从高压吹向低压。其原因是在移动的空气上还有另一个明显的力作用。该力归因于地球的自旋,称为科里奥利效应。

科里奥利效应的强度取决于纬度,并且与地球的自转有关。在赤道处的影响为零,在高纬度地区更为明显,北半球的风向总是向右90度(南部向左)。

这种影响导致风出现(相对于地球自转)在北半球向右转向,在南半球向左转向。高高举起,直到PGF和科里奥利部队直接对立。发生这种情况时,风垂直于PGF上下移动,被称为地转风。

但是,在地面上,摩擦作用使风变慢,相对于PGF降低了科里奥利效应,后者仅取决于压差。结果是,风向低压侧旋转。这就是为什么表面的水流看起来呈螺旋形旋入低压中心的原因。

该偏转的角度取决于摩擦的大小,而摩擦的大小又受表面粗糙度的影响。可以理解的是,大气层的动力学远比这里描述的复杂得多,而且在其褶皱内发生的各种天气现象还受到除优先供暖,水的可获得性和旋转行星之外的许多因素的影响。

但是,这些是解释大大小小的天气的核心基础知识,对它们的理解提供了将重要信息读入标准天气预报的更大能力。与往常一样,如果您遇到其他飞行员应该知道的天气状况,请务必发送Pirep。


Karsten Shein是ExplorEiS的联合创始人兼科学总监。他曾是Shippensburg大学的助理教授和NOAA的气候学家。 Shein持有具有仪器等级的商业许可证。

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