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科普:雨雪、冰暴與霜霧

(2013-12-28 06:55:26) 下一個

在各種天氣現象中,人們最熟悉和關注的,就是雲、雨、雪、冰現象了。但很多人還不是十分清楚造成它們之間差別的原因。

 

雲(cloud),是空氣中水汽的過剩現象,一般在1500米以上,最高的達6000米以上。過剩的水汽以塵埃等小顆粒為核心,凝結成小水滴,當高空的溫度低於某一溫度時,過剩的水汽便凝華成小冰晶。這些許許多多漂浮在高空的小水滴和小冰晶集聚在一起,便形成了雲。雲中的小水滴和小冰晶體積都非常小,直徑平均隻有幾微米,它們隻能飄浮在高空,還不能下降形成雨和雪。

 

雨(rain),當雲中的小水滴和小冰晶增大到所受的重力足以克服空氣的浮力和暖空氣(暖氣流)上升的舉力,又不會被蒸發掉時,才能降落到地麵上,形成雨或雪。當雲內溫度較高時,雲完全是由水滴組成的,降到地麵上的便是雨;水滴開始下降時,如果是冰晶或是雪花,但是當它們通過較暖的空氣層後,也會熔解成雨滴,或者形成雨加雪(雨夾雪,rain and snow mixed,);隻有當雲內和雲下空氣的溫度都低於 0時,掉下來的才是雪。

 

雪(snow),是降水(rain)形式的一種,是從雲中降落的水的結晶狀固體冰(常以雪花的形式存在)。因為雪是由小的冰顆粒物構成,所以是一種顆粒(pellet)材料。它的結構開放,因此顯得比較柔軟。雪花有多種的形式和大小。相對比較結實的球狀降雪,是由於在降落過程中雪被融化後又重新凍結,此類降雪有米雪(granular snowsnow grains)、冰粒(或冰丸ice pellets)和冰雹(hail)。它們的區別隻是體積大小,而體積大小是由於氣流和溫度變化而上下運動的次數或時間導致的水滴凝結多少來決定的。

 

冰雹(hail),是一種固態降水物,係圓形或圓錐形的冰塊,由透明層和不透明層相間組成;直徑一般為 550毫米,大的亦可達到10厘米以上。冰雹是在對流雲所形成的積雨雲(也稱秋雨雲)中形成,當水汽隨氣流上升遇冷會凝結成小水滴,若隨著高度增加溫度繼續降低,達到攝氏零度以下時,水滴就凝結成冰粒;在它上升運動過程中,並會吸附其周圍小冰粒或水滴而增大,直到因其重量增加而下降,當其降落至較高溫度區時,其表麵會融解成水;同時亦會吸附周圍的小水滴,此時若又遇強大之上升氣流再被抬升,其凝結成冰粒又不斷凝結變大,直到因自身重量而下落,若降到地麵時未融化解成水則仍呈固態的冰粒(或冰丸ice pellets)或冰雹。

 

冰淩(ice slushice run),是冬天下雪後,房頂的積雪融化,順著屋簷滴下而凍結成的椎狀冰柱,也稱冰鉤。如果使用ice run,則表示河流結冰的一種現象:水在0℃或低於0℃時,凝結成的固體稱為冰;流動的冰稱為淩。有時冰、淩通用,沒有嚴格區別。中國的黃河冰淩,是指隨著氣溫的下降,河水結成冰花,逐漸聚集在一起,如棉絮,似蓮葉,相互擁擠,緩緩流淌,漫漫凝結。如果在河流中出現冰塞、冰壩這種特殊冰情以後,還會導致淩洪泛濫成災。有的區間河段既有流淩又能封凍;有的區間河段僅能流淩不能封凍;還有的區間河段在自然條件卜經常發生封凍,但水庫修建後改變了熱力、水力條件,使水庫上遊發生過幾次冰塞,水庫下遊變封凍為不封凍。

 

冰暴(ice storm),是以凍雨或凍結的液態降水為特征的擾動天氣現象。它也是一種暴風雨,其所降落的雨(rain)隻要一接觸任何物體就立刻凍結。所謂凍雨(ice rainsleetshowerfreezing rain),是由過冷水滴組成,當它在降落過程中遇到溫度低於0的物體或地麵時,立即凍結成冰的降水。一般來講,這時候的地麵溫度會很低(0℃以下),再加上地麵暴風的作用,溫度往往低於氣象台預報的溫度。

 

霜凍地震(frost quake),也稱冰震(cryoseism),是大氣氣溫和地麵溫度突然下降,地下水結冰,令土地和岩石發生爆裂,它所釋放的爆炸能量造成巨大聲響和地麵震動,這種現象通常發生在午夜和黎明間。

 

從雨雪和冰暴的表麵解釋來看,其實都是水(waterH2O)的兩種或三種物理狀態之間的轉化。就冬季來說,一般隻會出現雨雪(包括米雪、冰丸、冰粒),以及冰暴和凍雨,但有時候也會出現冰雹,因為溫度的因素。水的三種物理狀態之間的轉化,主要就是溫度問題(大氣溫度與地麵溫度是兩個不同概念),當然,另一個條件就是風(氣流),風(氣流)是降溫過程中最顯著的外因。雲、雨、雪、冰的出現,實際上就是水在不同條件下的不斷積累與聚合的現象。

 

風(wind)與氣流(air currentairflow)的區別:在地球上,風是由空氣的大範圍運動形成的。從科學的角度來看,風常指空氣的水平運動分量,包括方向和大小,即風向和風速。而流動的空氣,通稱為氣流,比如風。氣流的種類很多,除了大自然的大氣氣流,也有人工氣流。大氣氣流一般分為暖氣流和冷氣流,再冷就是寒潮(cold-air outbreak)了。另外,高速氣流,或稱噴射氣流、高空急流Jet Stream)不同於地麵氣流。雲、雨、雪、冰主要與前者相關;主要與後者相關,但並不是絕然分開的。

 

從溫度變化來簡單描述水變化的第一條軌跡:地麵(或水麵)上的水升溫,就上升到了大氣層,形成雲;雲在顆粒塵埃的作用下,溫度高的形成雨,溫度低於0時形成雪;當風(氣流)變化加上溫度變化時,雪花逐漸形成米雪、冰丸、冰粒;當米雪、冰丸、冰粒繼續變大時,形成冰雹。

 

水變化的第二條軌跡:先有雲,後有雨。不過,這時候,大氣中的溫度並不低,在0以上,所以不能形成雪,但還是可以降雨。當風(氣流)變化時,一般是寒潮,地麵溫度很低(0以下,但在風的作用下,很可能感覺有零下10度左右,因為風有帶走熱量而降溫的作用)。這個時候,就可能形成凍雨,也就是說雨隻要遇到溫度低的物體就結冰;如果不遇到溫度低的物體,就不會結冰。但是,如果繼續降雨、繼續寒潮,凍雨就會不停地在溫度低的物體上凝結,再加上狂風,這就是冰暴。如果地麵降溫更低,可能會出現霜凍地震。

 

所謂的暴(sudden and violent,就是又急又猛的風(或氣流)而已,比如風暴、雪暴、冰暴等。

 

水變化的第三條軌跡

 

霜(frost),是水蒸氣(也就是氣態的水)在溫度很低時,一種凝華現象,跟雪很類似,但通常在地麵以上幾百米,不在雲層範圍。嚴寒的冬天清晨,戶外植物上通常會結霜,這是因為夜間植物散熱的慢、地表的溫度又特別低、水蒸氣散發不快,還聚集在植物表麵時就結凍了,因此形成霜。此外,溫度低於的地麵和物體表麵上有水汽凝結成白色結晶的是白霜;水汽含量少沒結霜稱黑霜;對農作物都有凍害,稱霜凍。每年春季,最後一次出現的霜凍稱為晚霜凍。

 

露(dew),也稱露珠、露水,是稀薄的小水滴,出現於早晨或夜晚中。由於早晨氣溫較低,當物體的表麵溫度低於露點時,氣化的水份會液化成液態,凝聚在物體表麵,形成露水。由於其形態經常凝結成珠狀,因此也被稱為露珠。露與溫度表麵有關,所以露在仲夏時最容易出現。當溫度夠非常低,露水就會以冰的固態形式的出現,是為霜。文學上,露經常同純淨和生氣勃勃聯係在一起。

 

科學上,霜是由冰晶組成,和露(dew)的出現過程是雷同的,都是空氣中的相對濕度到達100%時,水分從空氣中析出的現象。它們的差別隻在於露點(水蒸氣液化成露的溫度)高於冰點,而霜點(水蒸氣凝華成霜的溫度)低於冰點,因此隻有近地表的溫度低於0時,才會結霜。

 

冰霜(icy water),也稱冰霜花,看上去類似雪花,它是房間(或汽車)的玻璃窗外麵凝結的冰,由霜和露凝結而成。冰霜花大小姿態各異,有六瓣的,像放大了的雪花;有不規則的,長短不一,呈輻射狀的花瓣。

 

霧(fog,霧),是指在接近地球表麵的大氣中懸浮的由小水滴或冰晶組成的水汽凝結物,是一種常見的天氣現象。霧的高度一般要比霜和露更高,有時候霧的頂端會達到雲層的高度,但霧的主體還是在地麵範圍。霧能影響能見度,對交通影響很大。根據國際上的定義,霧中的能見度要小於1000米;而將目標物的水平能見度在100010000米的這種現象稱為輕霧或靄(Mist)。當氣溫達到露點溫度時(或接近露點),空氣裏的水蒸氣凝結生成霧。根據凝結的成因不同,霧有數種不同類型。霧形成的條件:一是冷卻,二是加濕,增加水汽含量。

 

霧霾(fog and haze),也稱陰霾,是“霾”的同義詞,是指大量煙、塵等微粒懸浮而形成的渾濁現象。在史書中,“霾”是用來表示有風沙的天氣的,有“風而雨土為霾”之說。在氣象學中,霾是一種天氣現象,也稱灰霾(煙霞),指空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等大量極細微的幹塵粒子均勻的浮遊在空中,使空氣渾濁,視野模糊並導致能見度惡化。如果水平能見度小於10000米時,將這種非水成物組成的氣溶膠係統造成的視程障礙稱為霾(Haze)或灰霾(Dust-haze),香港天文台稱煙霞(Haze)。當水汽凝結加劇、空氣濕度增大時,霾就會轉化為霧,或者描述為煙霧,香港稱“毒霧”。這個詞的原意是指在倫敦出現的“豌豆湯霧”。中國目前進入霧霾高發期,可能會持續10-20年。

 

上述這三種現象與雲沒有多大關係,隻是大氣的水蒸氣(steamvapour)運動而已,而霧霾是人為的災難。

 

(編輯整理)

 

 

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