大气运动的尺度

大氣運動系統的尺度 大气运动系统的尺度 所谓尺度（scale），指的是经历时间的长短或在空间上涵盖范围的大小。空间的尺度以长度计算，包括水平方向的覆盖范围，及垂直方向伸展的高度，分别称为水平尺度及垂直尺度。例如半径为300公里的台风，可以由地面伸展到对流层顶（十余公里），故其水平尺度为千公里，垂直尺度为十公里。同一大气运动系统维持的时间（生命期）或重复的周期（如果是周期性的运动）称为其时间尺度，以时间单位计算。例如台风，大致可维持一个星期左右，故其时间尺度为一星期。 一般而言，主要的大气运动系统的空间尺度大致和时间尺度成正比（按这里看图示）。换句话说，范围越大的系统，维持的时间会越久。所以，有时只要提示该系统的空间尺度，就知道其时间尺度了，而不必再特加说明。 各种尺度的定义和现象 小尺度 ： 几毫米到几公里 中尺度 ： 几公里到几百公里 大尺度 ： 千公里到万公里（综观尺度） 到几万公里（行星尺度 小尺度现象：范例 加热的平板上所出现的热对流情况，和柏油路面上的热对流相仿，基本上是乱流尺度的现象。 大致上，小的障碍物产生小的涡流，大的障碍物引发大的涡流。 蜂巢式的中小尺度对流胞。这种情形通常在寒潮暴发时，发生于较温暖的海面上。请注意在黄海及渤海上的云系。 注意红色眼圈范围内，海面上的浅对流云。这是1999年12月20日寒潮暴发后那一天的卫星云图。下页是由航天飞机上拍摄的近距离照片。 由航天飞机在大西洋上拍到的蜂巢状对流胞。注意左方的对流胞，中间是黑的，而四周白色的云，表示每一个蜂巢状对流胞（cellular convection）中，空气由四周上升，再由中间下沈。这种对流胞称为开放式对流胞（open cell），通常是非常冷的空气冲到温暖的海面上产生的；也就是前一页的情况。（取材自Weatherwise, 2000年） 这是十九世纪，Benard在实验室中所得到的蜂巢状对流胞的照片。热平均而稳定的加在平底锅的底下，在锅内流体很浅的情况下，就会发生此类对流。这种形式的对流胞称为本纳胞（Benard Cell）。 在大气有明显的垂直风切时，云会排列成行，称为云街（Cloud Street）。这张照片是由空中拍照的。 下暴气流 微下爆气流的照片 对流系统在下雨的过程中，周遭的空气也跟着被带下来，由于空气下降而压缩，饱和水蒸气压升高，里面的小水滴乃被迫蒸发，吸收潜热，而使得空气的温度不增反降。冷空气密度较大，故会向下加速而导致下冲气流。这类伴随主降水地区的范围较大的称为巨下爆气流（Macroburst）。下冲的气流到达地面后会反弹起来，并向外扩散，形成强大的垂直漩涡及阵风，可能卷起地面上的沙尘及物体。 范围较小的称为微下爆气流（microburst）。它的成因主要是由于雨水在下降过程中蒸发了，吸收潜热，而使空气变得很冷，密度变大，加速下冲所致。它可能发生在云的任何部位。由于它不在主降水地区（或者雨势较小）其周遭空气较干燥，小雨滴的蒸发非常快速，故下冲气流会非常强烈。这种情形在美国中西部经常发生；在台湾好在大气的相对湿度经常相当高，小雨滴的蒸发不明显，故还没有微下爆气流的观测报导。 下爆气流也只有发生在空中的（Mid-air microburst）。但无论如何，下爆气流发生的时间很短，强度很强。据观测显示，在一分钟内地面上的风速发生每秒三、四十公尺巨大变化的情形是常见的。 微下爆气流是飞航安全的最大威胁，特别是对正在起降中的飞机特别危险。这是1976年在卡达Doba机场发生空难的过程。 飞机在着陆的过程中，以30度的角度对准跑道下降。但在到达跑道前，飞机先是遭遇下爆气流所造成的顶头风，飞机因浮力大增而上扬，驾驶的反应当然是将飞机下压，想回到原订路线。但接着飞机到达下冲气流的中心位置，顶头风忽然消失，浮力剧减，驾驶立刻抬高飞机，以至于仰角过高，完全失去浮力而坠机。（取材自"The Downburst"，作者为 T.T. Fujita, 1985 1975年6月24日发生在美国肯尼迪机场发生空难的过程几乎如出一辙。 晴空乱流：美丽的波状云（Billow cloud）通常出现在有强烈垂直风切的情况下，波状云在晨曦下显得特别美丽。 波状云通常不见得会是美丽的，其实发生波状云的地方是乱流非常强烈的地方。如果大气比较干燥，则波状云并不会显现，但是乱流依旧，称为晴空乱流实验室所模拟出来的波状云形式的波动。这种实验其实自己在家里也可以做，方法是准备一个可密闭的长条形容器，里面装两种密度相差很少的流体，如水和色拉油。然后先将容器水平放置，等里面的流体完全静止后，突然将容器倾斜一个角度。这时密度比较大的流体会向下流，而密度比较小的流体向上流，两者流动方向相反，而在界面上形成非常大的「风切」（流速差异）。于是波状运动就出现波状云最终会演化成乱流，这是演化的过程。需要补充的是，在大气中如果水气不充裕的话，波状云肉眼是看不到的，故造成的乱流也是肉眼看不到的。这种形式的扰动据信是许多晴空乱流的形成原因。 波状云发生的物理机制，是一种浮力与风切的翻转作用对抗，最终风切的翻转作用超越浮力抑制作用的结果。图的下面显示垂直风切有使空气在垂直方向翻转的作用，但在上面的空气要跑到下面时就会受到浮力的抑制，在下面的空气要跑到上面时亦然。当浮力作用占优势时，什么事都不会发生，但当翻转作用占优势时，上下的对流就发生了。而由于空气都在流动，而且有很大的风切，故对流的结果是波状的形式（这表示并不真的有「波」产生）。 这种情形称为风切不稳定度。 中尺度 海陆风环流是由于海陆温度的日变化不同而造成的。白天陆地因为比热较小，太阳晒后加热比海面快得多，因此温度较高。故陆地上空气压比海面上空高（详见「大气运动的原理」），上层空气乃由陆地吹向海上，而海面上的空气同时吹向陆地以补充。于是贴近地表的高度，风是由海面吹向陆地的，称为「海风」而形成的环流称为海风环流。 夜晚陆地散热较快，和白天情形正好相反，故贴近地表处风是由陆地吹向海面上的，称为「陆风」。一天的时间里正好形成一次循环，故统称为海陆风。 由于在海风前沿在辐合作用，空气被抬升而在云雨的产生。反之，在夜晚，陆风前沿也是比较容易发生云雨的地方。 山谷风：山与平地接受太阳辐射的程度有异，在白天使空气沿山坡而上，称为谷风。这时在山顶是辐合区，故有云的发展，台湾的午后雷阵雨通常相信与此有密切关联。在夜晚，山上散热较快，空气反从山上而下，称为山风。两者合称山谷风环流 在多山的海岛上，区域环流是海陆风和山谷风交互作用的结果。本图为计算机仿真的结果 积雨云：气团性雷雨是在同一性质的气团里，因热力不均而发生的对流。午后雷阵雨属之。在雷雨胞达到成熟程度时，开始下雨。由于雨水可以落下来，表示重力已经克服了上升气流的上托作用。下降的雨水把四周的空气也一起带下来，于是上升气流开始消失，雷雨胞失去生存的动力，也跟着消散。所以气团性雷雨不会维持很久。在有垂直风切的情况下，对流系统会倾斜着发展，以至于上升气流和降水区域的下降区域是区隔开的，这样的对流系统会发展到很强烈的地步，而且可以维持相当久的时间。 这是绿岛（纬度22度40分）外海的积雨云，基本上它是垂直发展的。低纬度的积雨云因为缺乏垂直风切，所以大多数是直直向上发展的；台湾春末到秋初的积雨云大多具有这种特性。 （洪天助摄影） 这是典型的中、高纬度的积雨云。因为中、高纬度地区水平的温度梯度相当大，而导致垂直风切（称为热力风）；所以中、高纬度地区经常有相当大的垂直风切存在，使得积雨云发展都会向上倾斜着发展 重力波：发展高度很高的深对流，有时会引发重力波在大气中传播。这张照片是人造卫星上拍照的，是最有名的一张。照片中写着Ｃ字母位置的左下方是位于美国中西部的一个强烈深对流，而以此为中心，一波一波的「浪」向右下方送出，就像石头是投在水面上Ｃ的附近，眼看波浪向四下传出一样。这种由于重力、浮力交替而产生的波动，称为重力波。 气流流经山岳也是引发重力波的机制之一，称为山岳波。气流在流经山岳时，低层密度较大的空气被迫抬到高处。在越过山顶后，由于失去山的支撑，密度大的空气乃向下掉落（加速），等到达原来空气来处的高度时，因为惯性的关系还会继续向下（及下游）运动。但其时空气已经跑到密度较大的环境了（因为大气密度是随高度而成指数减少的），于是向上的浮力使之向上运动。这种上下交替的周期性运动就是重力波运动。 当山岳波振幅变得很大时，在山的背风区会有成排的云或成串的荚状云发生，称为背风波（lee wave，「山后波」是我比较喜欢的译名，因为「背风波」在没有交待前因后果前，意义不明，是个不明确的名词）。 圆形的山所引起的山岳波会导致像飞碟一样的荚状云（Lenticular cloud）。重力波可以往上传到很高的高度。像本图所示是在贝母云（离地面约七、八十公里的高度）里所拍到的重力波。如果对此波动体会上有困难，不妨把它倒过来看（下一页）。 上一张照片倒过来看的情形，像不像湖面上的波浪？ 根据中央气象局的定义，所谓豪雨指的是时雨量超过15毫米，同时日雨量超过130毫米的降水属之。一般千篇一律的说法是：由于台湾山很高，河流很短促，豪雨时山区雨势猛烈，水由山上急流而下，到了平地，一时宣泄不掉，而积水成灾。其实这种说法是不正确的，台湾在春雨到梅雨季时，豪雨绝大多数是下在迎风面的平地上的。换句话说，豪雨的雨是直接下在平原上而积水成灾的。上面的卫星云图就正好显示这一点，而且类似的可以说是不胜枚举。这是台湾豪雨的最大特色。这种现象本人称之为「山前豪雨」。 逆流效应（upstream influence）是一种非线性、瞬变的现象，在大气中发生的时间尺度大致在一小时以内。整个过程可以以下的动画表现出来。 当空气自左边移近山坡时，由于大气是稳定成层的，空气在爬坡时遭遇困难，而缓慢下来。于是跟在后面的空气推挤上来，而在山坡至山脚的地方形成高气压。这个高气压造成逆流方向（向左边）的气压梯度，更进一步阻拒后面的空气继续向山坡移动。于是高气压向逆流方向延伸，使得气流速度缓慢得更厉害，而且变慢的区域也持续向逆流方向推展，注意这时流速变慢的地方早已经不是在山坡上，而是在离山脚有一段距离的地方了。这种效应称为逆流效应。逆流效应严重时，在低层甚至于气流的方向都会逆转过来，称为回流（reverse flow），而回流与入流交会的地方称为停滞点（stagnation point）。不论是否有回流发生，在有逆流效应影响的区域都会有空气的辐合产生，而迫使空气向上抬升。当上层有充足的水汽时，就会引发对流系统，而在山前导至豪大雨。这是本人原创性的理论。 其它中尺度天气现象：冰雹必然形成于非常强盛的对流系统中。当雨水或冰晶初次落下时，被强盛的上升运动抬升上去，并且和更多的冰晶结合，也有更多的水凝固在它上面。当它长得够大而再次落下时，又被下一波强盛的上升气流冲到上层。如此反复多次后，原本的水滴或冰晶就变成相当大的冰球了 多胞体对流：有时雷雨系统不是只有一个单独存在，而是有多个依靠在一起，形成一排的雷雨胞，称为多胞（multi-cell）雷雨系统。下面是其中一种成因：起先有一个积雨云系统发展起来，当它成熟时会有强烈的降水（下雨），其下冲气流导致阵风锋面（注：这个不是大尺度的锋面）。这个阵风锋面再引发新的对流（前面有说过），于是这时就同时有两个靠在一起的积雨云了，一个在成熟期，另一个在发展期。接着新的系统在到达成熟期时，再引发第三个新的对流系统，而第一个雷雨系统则步入消散期，因此这时就有三代同堂的情形发生了，而且是成排排列的。 多胞雷雨系统照片。 （取材自Ahren's "Meteorology Today"） 多胞雷雨系统照片。 （取材自Ahren's "Meteorology Today"） 是绿岛的积雨云发展的过程，观看次序是由左上、右上、左下、右下。图中可以清楚看到一个新生对流系统产生于主对流系统的右方，同时主对流系统在消散 飑线：雷雨系统有时是排列成行，而且绵延上百公里的，称为飑线，下面是雷达所观测到的飑线。雷达波遭遇大的雨滴时，会产生反射，反射波被雷达接收到后，在雷达屏幕上就会产生荧光的痕迹，称为回波（echo），所以有回波的地方表示有大雨滴，表示在下雨。而且雨滴越大越多，回波越强，因此回波强度又通常可以反映雨势的强度。在本图中每个圆圈的距离是40公里，因此这个飑线长约三百多公里，宽约40公里。（取材自Ray, 1986: Mesoscale Meteorology and Forecasting, p.361） 由飑线的横剖面上看，它有点像在风切情况下的雷雨胞。这张图在进出屏幕的方向上假设是完全一样的，也就是说飑线有点像是二维结构的雷雨系统，但垂直风切以及地面上的强烈风变及气压变化是它的主要特征，这些特征在一般的雷雨系统中是不一定有的，在锋面系统中也并不都有。（取材自Ray, 1986: Mesoscale Meteorology and Forecasting, p.370） 中尺度对流复合体：有时有许多雷雨系统集中在一起，结合成一个准圆形的对流体系，其范围可以覆盖好几个州或省，称为中尺度对流复合体（Mesoscale Convective Complex ，简称MCC）。下面是人造卫星所观测到的中尺度对流复合体的云图，发生于美国中西部。（取材自Ray, 1986: Mesoscale Meteorology and Forecasting, p.398 依照定义，中尺度对流复合体必须很大，而且很强盛（发展很高，所以云顶的温度低于摄氏零下32度的区域会超过十万平方公里）。（取材自Ray, 1986: Mesoscale Meteorology and Forecasting, p.392） 超级雷雨胞（Super-cell）是一个很大的、非常强烈的对流胞，通常还有相当程度的旋转，龙卷风常常在里面产生。超级雷雨胞的旋转不是来自于柯氏效应，而是由于垂直风切及倾侧效应。 （照片取材自「时代周刊」） 想象大气中上面的风比下面的强劲，现在拿一张纸条垂直的放在空中，然后放手，看看这张纸条会怎么移动（如图，洪秀雄绘制）。因为纸条在上面一端风速较大，下面一端风速较小，所以纸条会依时针方向旋转。（制作：洪秀雄） 这意思就是：在有垂直风切（即不同的高度有不同的风速风向）的环境中，空气是具有旋转的特性的，就像转轴是水平躺着的自转陀螺一样。我们称呼这种旋转特性为「涡度」（vorticity），涡度是有方向的（称为向量），其方向依右手定则，竖起右手姆指，其它手指握拳，四个指尖所指的方向和空气旋转方向相同时，姆指所指的方向就是涡度的方向。因此像下图，涡度的方向是指向屏幕的。所以我们知道涡度的方向实际上就已经掌握旋转的方向是顺时针的（反气旋式的）或逆时针的（气旋式的）了。（按这里看动画示意图） 当大气中又有垂直运动，而且不同地点的垂直速度也不尽相同时，这个涡度的方向就会被改变掉，称为涡管（一整排都在旋转的空气，在这里就是深入屏幕都是在做顺时针方向旋转的涡管--vortex tube）的倾侧效应（tilting effect）。在本图中，屏幕内有下降运动，屏幕外有上升运动，因此涡管被压下地下。原来由天空看下来，看不到空气有旋转现象的情形，变成有顺时针方向旋转的运动了（按这里看动画图示），于是在水平面上出现了一个反气旋式旋转的漩涡。（制作：洪秀雄） 什么会造成水平方向上的垂直运动差异呢？对流！例如在屏幕内的方向有一个对流系统，在对流系统内就会有上升的运动，而它的周遭（屏幕外）同时会有下沈的运动，于是前图所需要的条件都有了。因此涡管的倾侧效应是超级雷雨胞的主要机制。