一 何謂氣象

氣象學(Meteorology)指與天空有關的科學現象研究,包括大氣、天氣、氣候及它們的預測。英文名詞源自兩部分:Meteors或Meteoron,意指從天上跌下來的東西;Logos,意指知識。希臘哲學家亞里士多德曾於公元前350年著「Meteorologica」。

中文名詞「氣象」可分為兩部分:「氣」,指天氣;「象」,指形態或樣子。傳說的黃帝時代(公元前三千年),已有專人從事氣候觀測。公元前的帝堯時代,相傳已設有掌管天文及氣象的官職,一直流傳至清代,此官員被稱為「欽天監監正」。

西周(約公元前1046年—公元前771年)時,《詩經.幽風.七月》記有每月的物候現象;同時期完成的《夏小正》則為我國最早的氣候學專著。

以下是氣象學的分類:

觀測氣象學

雷達

衛星

GPS(全球定位系統)

空間規模

全球氣象

宏觀氣象

微觀氣象

太空氣象

垂直規模

中層/平流層氣象

邊界層氣象

時間規模

天氣學

氣候學

古氣象學

地區氣象

熱帶氣象學

中緯氣象學

極地氣象學

氣象學的基本原理

動力氣象學

輻射氣象學

熱力學氣象學

大氣化學

大氣電學

應用氣象

航空氣象學

農業氣象學

水利氣象學

天氣現象

雷暴/颱風/閃電/季風/塵暴等氣象學

廣播

天氣報告

預報

數值預報氣象學

觀測及預報

資料分析及預報方法

大規模/小規模

十年/季節;長期/中期/短期/非常短期(即時)預報

以下是一些名詞的定義:

天氣(weather):某時某地的大氣狀況。

狀態(condition):晴朗、有雨、多雲、大風等等。

大氣(atmosphere):覆蓋地球表面的薄氣體。

天氣預測(weather forecast):估計未來的天氣情況。

大氣物理學:研究大氣物理過程的學科。

天氣預測:應用物理及其他學科的知識。

氣候:某地長期(如季/年/一百年)天氣狀況的平均。

氣象學常與其他學科結合,產生新學科,如氣象學加水利學就成了氣象水利學;氣象學加社會學,可變成氣候對社會的影響──2007年諾貝爾獎得主就與對氣候變化研究有關。又如,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)針對氣候變化問題的組織,不時發表氣候轉變報告。

氣象學要求物理學,以及其他知識,分別如下:

物理

非物理

力學

數學

熱力學

統計學

光學

化學

聲學

電腦科學

電磁學

電子工程學

現代物理學

大氣成份及結構

地球是太陽系中惟一人類能生存的星球,原因和大氣成份和溫度有關。再者,地球有水。

接近百份之百的空氣粒子集中在海平面以上三十公里範圍,而影響地球天氣的空氣層是在十至十五公里或以下的大氣。

氮氣佔大氣的78.08%,氧氣則佔20.95%,氬佔0.93%,二氧化碳佔0.037%。氣態水雖只佔大氣體積0至4%(視乎濕度),對天氣或氣候卻至關重要;二氧化碳含量更少,但控制溫室效應。臭氧(O3)防止大部分有害射線進入地表,但含量只有0.000004%。

海平面氣壓被視為1013.25百帕。百帕(hPa)是氣壓單位,一百帕等於一毫巴(mb),也等於一百個單位帕斯卡(Pa)或一百個牛頓/平方米(Nm-2)。高度愈大,氣壓通常愈低。

流體靜力學

流體靜力學公式如下:

dp/dz = -ρg

其中 p = 氣壓

z = 高度

ρ = 氣體密度

g = 引力

理想氣體方程

pV = nR*T

其中 p = 氣壓

V = 氣體體積

n = 氣團中氣體的摩爾數

R*= 氣體常數 = 8.314焦耳/摩爾 度

T = 溫度(克氏度)

簡體的大氣模型(等溫/等引力)

由於現實環境大複雜,先將情況簡化至任何地方等溫和有相等重力。T0 代表任何地方的溫度,p0代表海平面氣壓= 1.01325e5 帕。

dp/p = -g/(RT0) dz

將以上數式積分,得出氣壓與高度的關係:

p(z) = p0 exp[(-0.0342/T0) z]

從算式可看到,理論上,大氣在高空沒有邊界。

現實上,大氣分為五層:

分層

高度(公里)

對流層

0 – 15

對流層頂

15 – 20

平流層

20 – 50

平流層頂

50 – 55

中間層

55 – 80

中間層頂

80 – 100

熱層

100 – 550

外逸層

> 550

對流層是大氣最低層。溫度下降率由最低層的6-7度/公里上升至7-8度/公里。對流層包括全大氣75%的氣體,以及大部分水氣。對流層頂在近赤道處最高,有約16-18公里;在高緯及極地,對流層頂只有8公里左右。

平流層的特徵是溫度隨高度上升。除最低處外,平流層完全沒有雲帶。平流層上半層存在臭氧,吸收紫外線。

中間層的特徵是溫度隔高度下降。此層或以下的氣體成份除水氣及臭氧外,大致相同。

熱層一如其名,溫度隨高度急升。熱層上部,在太陽非活躍期,溫度可達攝氏600度;在活躍期(太陽黑子活動增加),溫度更可升至二千度以上。大量離子出現在此層,極光由此而生。

在外逸層,氣體開始逃離地球的引力束縛。

計算氣體的逃逸速度,可用以下公式:

總能量 = 動能 + 位能 = 0

0.5mv2 – GMm/r = 0

逃逸速度 = v = (2GM/r)^0.5 = 10.73公里/秒

其中 m = 氣體質量, G = 重力常數, M = 地球質量, r = 地球半徑

可從以下算式中算出氣體逃逸速度的溫度要求:

0.5mv2 = kBT

KB = 波茲曼常數 = 1.38 e-23 焦耳/度

氫氣要逃離地球,所需溫度為9000度,氧氣更需144000度,怎能解釋仍有以上氣體逃離地球的現象?

其實,v只是平均速度,不同氣體粒子均有不同速度,在任何高於0度(克氏)的環境下,總有部分氣體速度高於逃逸速度,如氫氣,奔外逸層,所有氫氣逃離地球所需時間只是一天而已,所以大氣中氫氣含量甚低,大部分氫氣均為水粒子分解而成。

地球表面溫度

假設地球表面熱量收支平衡,而地表為黑體(不反射陽光和輻射),溫度應只有攝氏零下18度,遠低於真實情況。這現象和溫室效應有關:水氣、二氧化碳、一氧化二氮和臭氧均吸收地表放出的紅外線並將它們放回地表。把溫室效應考慮在內,地表溫度為攝氏30度,高於平均(攝氏15度)。原因在後詳述。

大氣環流

如地球沒有自轉,每半球應只有一環流(由極地流向赤道的空氣)。由於有自轉,地球環流遂分為三支:哈德萊環流、費雷爾環流及極地環流。在北半球,前者產生東北信風,而後者是冷空氣的來源。

氣候轉變

數據顯示,地球正變得愈來愈暖。與此同時,二氧化碳含量也有上升之勢。不同的預報模式分別預測未來一百年,地球平均溫度上升0.4至4度。