雾是悬浮于近地面气层中的水滴、冰晶或两者的混合物,使水平能见度小于1km的一种天气现象,如果水平能见度等于或大于1km而小于10km时,称为轻雾。根据其形成条件的不同,可分为辐射雾、平流雾、上坡雾、锋面雾等。其中最常见的是辐射雾和平流雾。
(1)辐射雾
由于辐射冷却而形成的雾,称为辐射雾。它是由于近地面层强烈的辐射冷却,使潮湿空气的温度降低到露点温度而形成的。它多出现于晴朗、微风,且近地面水汽又比较充沛的夜间或早晨。我国内陆地区,秋冬两季辐射雾出现得比较多,特别是在雨(雪)后突然夜间转晴时,最容易出现辐射雾。
在晴朗无云的夜间,地面有效辐射强盛,散热迅速,近地面层降温多,有利于水汽凝结和低空形成辐射逆温层,使近地面层中的大量雾滴聚集起来而形成雾。阴天或多云时不利于辐射冷却,因此阴天夜间很少有雾。但是,能否形成一定厚度的辐射雾,还要看有无适度的湍流存在,因为地面辐射冷却作用所及气层的厚薄是与湍流强度有关的。无风时,湍流微弱,只有贴近地表相当薄的气层中失热冷却,这时仅能形成露、霜或浅雾;微风(1~3m/s)时,有一定强度的湍流混合作用存在,它既能使冷却作用扩展至适当的气层中去,又不影响下层空气的充分冷却和水汽的保存,最有利于雾的形成;有强风时,湍流混合层过厚,上层热量大量向下传递,妨碍近地面层的冷却,气温不易降到露点温度,同时,下层水汽也将大量向上传递,使低层水汽减少,不利于雾的形成。近地面层空气湿度大时,只要气温稍有下降,水汽就会发生凝结,所以近地面层湿度越大,湿层越厚,越有利于雾的形成:相反,空气干燥,则不利于雾的形成。另外,当近地面气层比较稳定或有逆温存在时,有利于水汽和尘埃杂质的聚集,如果又有辐射冷却作用便容易形成雾;当气层不稳定时,有利于上下层热量交换和水汽扩散,而不利于雾的形成。
由此可见,晴夜,微风,近地面层中水汽充沛,以及气层比较稳定或有逆温存在,是形成辐射雾的四个有利条件,它们常与一定的地面天气形势相伴出现。在我国,常见的天气形势有:①弱高压(脊),因为这些地区多为晴天少云天气,同时风力微弱,只要低层有足够的水汽,就会形成辐射雾;②鞍形场或均压场,由于这些地区气压梯度弱,风速小,风向不定,若天气晴好,低层水汽充沛,就容易有辐射雾的形成。
(2)平流雾
暖而湿的空气流经冷的地表面,或者海洋上暖而湿的空气流到冷的大陆上,或者海洋中暖海面上的空气流到冷的海面上,贴近下垫面的空气冷却凝结而形成的雾,称为平流雾。在我国,平流雾多出现在沿海地区。在冬半年,陆地较冷,暖湿的海洋空气吹向陆地时容易形成平流雾。平流雾形成的条件有:①平流条件:风速中度。平流是风速、风向的函数,平流量大小与风速成正比。风速大,平流引起的空气与下垫面的温差大,容易冷却,如其他条件适当,则容易形成雾。但是风速太大,湍流也强,容易将热量向下传递,这样就会抵消冷却的作用;风速太小,平流引起的空气与下垫面的温差也小,不易形成雾,同时风太小,湍流也很弱,仅能使下垫面上很浅薄的一层空气冷却,即使形成雾也很浅薄。因此,只有在中等风速的条件下,不但能源源不断地送来暖湿空气,而且因有一定强度的湍流,使雾达到一定的厚度。根据我国沿海一些台站的统计,形成平流雾时的风速多在2~7m/s之间。就风向来说,近于与地面等温线相垂直为宜。②冷却条件。平流过来的暖湿空气与冷下垫面之间的温差越大,低层冷却越厉害,平流逆温越强,就越有利于平流雾的形成。所以,在水平温度梯度比较大的海陆交界地区,和冷、暖洋流交界的地区,最有利于平流雾的形成。③湿度条件。平流过来的暖空气,湿度大,也是形成平流雾不可缺少的条件。④层结条件。出现平流雾时,低层一般都有比较稳定的层结,这样可以使低层水汽在稳定的层结下聚集,有利于平流雾的形成。逆温层一般在850hPa以下,逆温层底有时与地(海)面相接。我国沿海地区出现平流雾时,最常见的天气形势有:①入海变性高压西部;②太平洋暖高压西伸脊西部;③气旋和低槽东部。
4.云
云是大气中的水汽凝结或凝华而产生的。云的生成和演变与降水有着密切的关系,并对温度、湿度、空中能见度以及日照的变化都有重要的影响。形成云的基本条件有两个:一是空中要有足够的水汽;二是要有使空气中的水汽发生凝结的冷却过程,主要是由上升运动引起的绝热冷却。当然水汽凝结还要有凝结核,由于空气中的凝结核总是具备的,所以我们不单独分析它。上述两个基本条件对于云的形成是缺一不可的。如果干空气转变为湿空气,增热过程转变为冷却过程,则对云的生成和发展有利;反之,就不利于云的生成,或使己形成的云减弱以至消散。所以干和湿、冷却和增温是制约云的生消的两对基本矛盾。
一般将云底高度低于2500m的云称为低云。低云是由大气低层的水汽凝结或凝华而形成的。所以预报低云时,应着重分析大气低层(地面和850hPa)的水汽条件和冷却过程。低云直接受到地形、地表性质的影响,因而具有明显的地方性特点。例如,我国东部和南部沿海地区,由于水汽充沛,出现低云的频率远比内陆为高,云底高度也较低;而在我国西北的内陆沙漠地区,就很少出现低云天气,即使出现,其云底也较高。根据我国各地出现低云时所对应的天气形势,以及形成低云的主要物理过程,可大致归纳为锋面低云、平(回)流低云、扰动低云和对流低云四种。它们之间不是完全孤立的,而是互相联系的,在一定条件下可以互相转化。例如,在平(回)流形势下的平(回)流低云,当有冷锋过境时可以转化为锋面低云,出现锋面低云后,如果锋后冷空气势力较强,低层湿度又较大,常会转化为冷高压前部的扰动低云。因此,在制作低云预报时,不仅要掌握各类低云的特点,而且还应注意它们之间的转化规律。
中高云一般是指云底高度高于2500m的云。中云指Ac,As之类的云,云底高度一般为2500m~6000m;高云指Ci,Cs,Cc之类的云,出现在6000~12000m高度上。中高云是在中高空(主要指700hPa,500hPa)上升运动作用下,使空气冷却凝结或凝华而形成的。中高空水汽来源主要是靠水平输送,冷却主要靠系统性的上升运动和波动,所以,中高云的演变与中高空天气形势关系最为密切。根据我国的经验,一般说来,在高空槽和低涡的前部,暖平流区和锋区附近,都有利于中高云发展;而在低槽和低涡的后部,冷平流区,深厚的暖高压和浅薄的热低压中,都不利于中高云的生成。因此,只有正确判断中高空温压场形势的变化,并把中高云实况和形势结合起来分析,才能作好中高云的预报。
5.降水
降水是云的产物,但是,有云不一定有降水。只有当云滴增大到一定程度后,才能产生降水。因此,要形成降水,必须具备两个必要的条件:一是要有比形成云更充足的水汽供应(输送);二是要有更强的上升运动。较强的上升运动,如果能持续一段时间,那么就会产生持续的绝热冷却。由于冷却,充足的水汽就会达到过饱和而发生凝结,以致形成云和降水。
水汽是形成降水的最基本条件。在预报降水时,应对大气中的水汽含量、水汽来源和水汽输送等,作出全面的分析。大气中的水汽主要集中在对流层下半部,低层(850hPa和700hPa)是水汽的主要输送层。因此,在850hPa和700hPa两个层次上都有强的水汽输送,自然要比只有在850hPa或700hPa上才有强的水汽输送更有利于降大雨。
在日常天气分析预报中,常用各层天气图上的露点温度大小,表示水汽含量的多少。分析850hPa或700hPa图上的等露点温度线时,常出现露点高值区和低值区,它们犹如舌状,常称为湿舌和干舌,有时还有闭合中心出现。降水量大的地区,常常与湿中心或湿舌相配合。用各层温度露点差表示空气的饱和程度,通常将(T-Td)≤2℃(或3℃)的区域作为饱和区,并可取(T-Td)≤4~5℃作为湿区。湿层(饱和层)越厚,越有利于降水。在850hPa或700hPa图上分析等露点线,由风与等露点线的关系,用类似温度平流的方法,分析水汽的水平输送。输送量的大小决定于风速的大小,和等露点线的梯度,以及它们之间的交角大小。水汽的垂直输送依赖于上升运动,低空辐合流场,如切变线、低涡地区都有利于水汽的垂直输送。我国东部和南部直接与西北太平洋和南海接连,西南部靠近印度洋,其中孟加拉湾至南海是我国降水的主要水汽源地。
大气中有了充足的水汽以后,还必须有使水汽冷却凝结的条件,才能形成降水。大气中的冷却过程很多,对于降水来说,促使水汽冷却凝结的主要条件是上升运动,因为它能使空中水汽在较短的时间内,产生大量的冷却凝结。上升运动基本上可以分为两类:一类是属于大范围的、系统性的上升运动,另一类是与大气层结不稳定相联系的对流上升运动(已在前一章中介绍过)。大范围、系统性的上升运动往往与锋面、气旋、切变线、低涡,以及空中槽等西风带低值天气系统相联系,也包括热带气旋、ITCZ、东风波等热带天气系统,还包括低空急流、气流汇合带等流场系统,以及热带云团等。因此,学习和掌握它们的活动规律及其降水特点,对于做好降水预报是非常必要的。
我国中央气象台规定,日降水量大于或等于50mm的降水现象为暴雨,大于或等于100mm的为大暴雨,大于或等于200mm的为特大暴雨。暴雨是我国主要的灾害性天气之一。暴雨形成的宏观条件为:充沛的水汽供应,强烈的上升运动,持久的作用时间,以及有利的地形等。