气象学

概念

气象学研究大气的状态与过程，并把它们分成两个时间尺度来说：

尺度	对象	时间跨度	任务
天气	某一时刻的大气状态	小时到数天	预报
气候	长期统计特征	数十年以上	描述与归因

它与自然地理、世界地理的分工要讲清楚：自然地理 给出大气分层、气温与气压的垂直规律，世界地理 给出气压带风带与气候类型的分布结论；本篇讲这些结论背后的动力学——为什么会有三圈环流、锋面为什么会降水、气旋为什么会旋转。同一批现象，地理讲"在哪里"，气象讲"为什么"和"接下来怎样"。

这门课的入口是能量收支。 大气的一切运动都源于太阳辐射在地球上分布不均；温差产生压差，压差产生风，地球自转把风扭弯，水汽再把热与水搬来搬去——整条链条可以顺着推下来。

原理

辐射收支与温室效应

太阳常数为 1361 W/m²，但地球接收的是圆盘面积上的辐射，向太空辐射却是整个球面，因此要先除以 4。再考虑行星反照率 $\alpha$（约 0.30）：

$$T_e={\left[\frac{S(1-\alpha )}{4\sigma }\right]}^{1/4}$$

代入 $S=1361$、$\alpha =0.30$、$\sigma =5.670374419\times {10}^{-8}$：

$$T_e=254.58\text{K}=-18.57\text{℃}$$

而地表实际平均温度约 288 K（14.85 ℃）。两者相差 33.4 K，这就是温室效应的定量表达。

反照率的影响很大：

反照率	有效辐射温度
0.25	259.01 K
0.30	254.58 K
0.35	249.90 K

反照率每增加 0.05，平衡温度下降约 4.7 K。 这就是"冰雪融化 → 露出深色地表 → 反照率下降 → 升温"这条冰-反照率正反馈被高度关注的原因。

气压随高度与静力平衡

大气在垂直方向近似满足静力平衡：向上的气压梯度力与向下的重力抵消。由此得出气压随高度指数衰减：

$$p=p_0{e}^{-h/H}$$

取海平面气压 1013.25 hPa、标高 $H$ 约 8000 m：

高度	气压
1000 m	894.19 hPa
3000 m	696.40 hPa
5500 m	509.49 hPa
8848.86 m	335.23 hPa

珠峰顶的气压只有海平面的约三分之一，这也是登山必须携带氧气的原因。本表口径与自然地理一篇完全一致，两处引用同一组参数。

风的形成与科里奥利力

水平方向上，气压梯度力把空气从高压推向低压。但地球在自转，运动的空气会受科里奥利力作用：

$$f=2\mathrm{\Omega }\sin \phi$$

其中 $\mathrm{\Omega }=7.292115\times {10}^{-5}$ rad/s 为地球自转角速度，$\phi$ 为纬度：

纬度	$f$（s⁻¹）	科里奥利周期
0°	0	无穷大
15°	$3.7747\times {10}^{-5}$	—
30°	$7.2921\times {10}^{-5}$	23.93 h
45°	$1.0313\times {10}^{-4}$	—
60°	$1.2630\times {10}^{-4}$	13.82 h
90°	$1.4584\times {10}^{-4}$	—

三条关键性质：

1. 科里奥利力只改变方向、不做功；
2. 它在赤道为零，随纬度增大——所以赤道附近没有台风生成；
3. 北半球使运动偏右，南半球偏左。

在自由大气中，气压梯度力与科里奥利力平衡，得到地转风：

$$u_g=\frac{1}{\rho f}\frac{\partial p}{\partial n}$$

取 $\rho =1.2$ kg/m³：

气压梯度	$f$	地转风
1 hPa / 100 km	$1.0\times {10}^{-4}$	8.33 m/s
1 hPa / 100 km	$7.292\times {10}^{-5}$	11.43 m/s
2 hPa / 100 km	$1.0\times {10}^{-4}$	16.67 m/s

同样的气压梯度，纬度越低风越大（因为 $f$ 小，需要更大的速度才能平衡）。这条规律解释了一个常见现象：低纬度地区的台风与强对流往往风速极猛。

三圈环流与气压带风带

赤道受热最多、极地最少，本应形成单一的"赤道上升、极地下沉"环流。但地球自转把它切成了三圈：

环流	纬度范围	近地面气流	结果
哈得来环流	0°~30°	由 30° 流向赤道	赤道多雨、副热带干旱
费雷尔环流	30°~60°	由 30° 流向 60°	西风带
极地环流	60°~90°	由 90° 流向 60°	极地东风

三个上升区与三个下沉区交替出现：赤道（上升，多雨）、30°（下沉，干旱，即副热带高压带）、60°（上升，多雨）、极地（下沉，干燥）。撒哈拉、阿拉伯半岛等大沙漠正好落在这个下沉带上——干旱不是偶然，是环流的结果。

赤道辐合带（ITCZ）随太阳直射点南北移动，这带来了季风与热带草原的干湿季。

气团、锋面与天气系统

气团是温度湿度性质均匀的大块空气；锋面是两种气团的交界面：

类型	移动	降水特点
冷锋	冷气团推进	降水窄而强、历时短，常伴大风降温
暖锋	暖气团推进	降水宽而弱、历时长，连续性降水
准静止锋	少动	长时间持续降水（梅雨即典型）
锢囚锋	冷锋追上暖锋	降水范围大、强度变化复杂

气旋与反气旋的方向由科里奥利力决定（北半球）：

系统	气压	水平气流	垂直运动	天气
气旋	低压	逆时针辐合	上升	多云雨、天气多变
反气旋	高压	顺时针辐散	下沉	晴朗少云、天气稳定

"低压上升致雨、高压下沉致晴"是最实用的一条天气判断，而"逆时针"这一条只在北半球成立。

绝热过程与抬升凝结

空气上升时膨胀降温，这个过程很快，来不及与外界交换热量，因此叫绝热：

情形	递减率
未饱和（干绝热）	约 9.8 ℃/km
已饱和（湿绝热）	约 5~6 ℃/km

两者之差来自凝结潜热：水汽凝结时放出热量，抵消了一部分冷却。

抬升凝结高度可用经验式估算：

$$h_{\text{LCL}}=125\times (T-T_d)$$

其中 $T$ 为气温、$T_d$ 为露点温度（均以 ℃ 计），结果单位为米。例如地面 25 ℃、露点 15 ℃：

$$125\times (25-15)=1250\text{m}$$

差值就是"离下雨还有多高"。 从地面 25 ℃ 抬升到 1250 m，按干绝热降温 $9.8\times 1.25=12.25$ ℃，得 12.75 ℃（此时饱和）；再按湿绝热 6 ℃/km 升到 3000 m，再降 $6\times 1.75=10.5$ ℃，最终 2.25 ℃——这就是云顶温度远低于地面的完整算法。

降水的四种类型

类型	成因	特点
对流雨	局部受热强烈上升	范围小、强度大、历时短，常见于午后
地形雨	气流遇山被迫抬升	迎风坡多雨，背风坡形成雨影
锋面雨	锋面抬升	范围大、持续久
台风雨	热带气旋	强度最大，伴随狂风

热带气旋与等级划分

台风是热带气旋的一种。生成条件有四条：

1. 海表温度高于 26.5 ℃，且暖水层厚约 60 m；
2. 存在初始热带涡旋；
3. 离赤道 5 个纬度以上（科里奥利力不能太小）；
4. 垂直风切变小（否则热量无法在气柱中积累）。

中国按底层中心附近最大平均风速分六级（GB/T 19201—2006）：

等级	风速（m/s）	对应风力
热带低压（TD）	10.8 ~ 17.1	6~7 级
热带风暴（TS）	17.2 ~ 24.4	8~9 级
强热带风暴（STS）	24.5 ~ 32.6	10~11 级
台风（TY）	32.7 ~ 41.4	12~13 级
强台风（STY）	41.5 ~ 50.9	14~15 级
超强台风（Super TY）	51.0 及以上	16 级及以上

台风眼是下沉气流区，风平浪静——眼区经过时"风停了"是假象，绝不能外出，眼壁过后风向会反转且强度更大。

气候分类：柯本方案

柯本气候分类用气温与降水的组合划分气候，且与自然植被分布对应。五个大类：

类	名称	判据要点
A	热带	最冷月平均气温不低于 18 ℃
B	干旱	年降水量低于干旱阈值
C	温带	最冷月 −3~18 ℃，最热月高于 10 ℃
D	冷温带	最冷月低于 −3 ℃，最热月高于 10 ℃
E	极地	最热月低于 10 ℃

干旱阈值是这套分类里唯一需要计算的部分，以毫米计，$T$ 为年平均气温（℃）：

降水的季节分配	阈值
夏半年集中（约 70%）	$P_{th}=20T+280$
全年均匀	$P_{th}=20T+140$
冬半年集中（约 70%）	$P_{th}=20T$

年降水量低于阈值即为 B 类；低于阈值的一半是沙漠（BW），介于一半与阈值之间是半干旱（BS）。

气候变化

三个必须区分开的数字（均相对 1850—1900 年工业化前基线）：

口径	数值	来源
2011—2020 年十年平均	1.09 ℃（常用表述 1.1 ℃）	IPCC 第六次评估报告
2014—2023 年十年平均	1.20 ± 0.12 ℃	世界气象组织
2023 年单年	1.45 ± 0.12 ℃	世界气象组织

单年值高于十年平均值是正常的——单年受厄尔尼诺等年际波动影响，判断趋势要看十年尺度，不能拿一年说事。大气二氧化碳浓度 2024 年约 427 ppm，比工业化前高约 50%。

示例

例 1：温室效应到底有多少度

完整计算过程：

$$T_e={\left[\frac{1361\times (1-0.30)}{4\times 5.670374419\times {10}^{-8}}\right]}^{1/4}={\left[\frac{952.7}{2.2681\times {10}^{-7}}\right]}^{1/4}$$

括号内约为 $4.2006\times {10}^9$，开四次方得：

$$T_e=254.58\text{K}$$

与实际地表均温 288 K 相比差 33.4 K。

这个数字常被误用。它说明的是"有温室气体与无温室气体的差别"，不是"人类活动造成的升温"——后者是上面那张表里的 1.1 ℃ 量级，两者差了一个数量级，混用是最常见的误读。

例 2：科里奥利力随纬度变化

$$\mathrm{\Omega }=7.292115\times {10}^{-5}\text{rad/s}\Rightarrow 2\mathrm{\Omega }=1.458423\times {10}^{-4}$$

• 30°：$f=1.458423\times {10}^{-4}\times 0.5=7.2921\times {10}^{-5}$ s⁻¹
• 60°：$f=1.458423\times {10}^{-4}\times 0.8660=1.2630\times {10}^{-4}$ s⁻¹
• 90°：$f=1.458423\times {10}^{-4}$ s⁻¹

从 30° 到 90°，$f$ 增加了一倍。 这直接解释了两个现象：台风不生成于赤道附近（$f$ 太小，气流不会旋转成涡旋），而高纬度的气旋尺度更小、更紧凑（同样的压差下能维持更强的旋转）。

例 3：地转风的风速

取 $\rho =1.2$ kg/m³、气压梯度 1 hPa/100 km：

$$\frac{\partial p}{\partial n}=\frac{100\text{Pa}}{1\times {10}^5\text{m}}=1\times {10}^{-3}\text{Pa/m}$$$$u_g=\frac{1\times {10}^{-3}}{1.2\times 1.0\times {10}^{-4}}=8.33\text{m/s}$$

若换成 30° 纬度的 $f=7.292\times {10}^{-5}$：

$$u_g=\frac{1\times {10}^{-3}}{1.2\times 7.292\times {10}^{-5}}=11.43\text{m/s}$$

同样的气压梯度、同样的密度，仅仅是纬度不同，风速就从 8.33 变成 11.43 m/s，高了 37.2%。 这就是"低纬风大"的算术出处。

例 4：抬升凝结高度与云顶温度

地面气温	露点	抬升凝结高度
25 ℃	15 ℃	1250 m
30 ℃	22 ℃	1000 m
20 ℃	10 ℃	1250 m

注意第二行：气温从 25 升到 30 ℃，抬升凝结高度反而从 1250 降到 1000 m——因为露点同时升了 7 ℃，差值缩小。决定云底高度的从来不是气温本身，而是气温与露点之差。

再算云顶温度。地面 25 ℃、露点 15 ℃，气流被抬升到 3000 m：

阶段	高度区间	递减率	降温	温度
干绝热	0 ~ 1250 m	9.8 ℃/km	12.25 ℃	12.75 ℃
湿绝热	1250 ~ 3000 m	6 ℃/km	10.50 ℃	2.25 ℃

云顶 2.25 ℃，比地面低 22.75 ℃。 若再往上抬升，温度很快就到 0 ℃ 以下——这就是为什么对流旺盛时云顶会结冰、出现砧状卷云。

例 5：用柯本阈值判定气候类型

年平均气温	年降水量	降水季节	阈值	半阈值	判定
20 ℃	400 mm	夏半年集中	680 mm	340 mm	BS 半干旱
25 ℃	200 mm	夏半年集中	780 mm	390 mm	BW 沙漠
22 ℃	900 mm	夏半年集中	720 mm	360 mm	非干旱（湿润）
18 ℃	300 mm	全年均匀	500 mm	250 mm	BS 半干旱

计算过程（以第一行为例）：$20\times 20+280=680$ mm；半阈值 $680÷2=340$ mm；年降水 400 mm 介于 340 与 680 之间 → BS 半干旱。

这里最能看出判据的必要性：400 mm 与 300 mm 的降水量，在 20 ℃ 与 18 ℃ 下判定结果可能完全一样，就是因为阈值随气温变化——干旱与否不是看降了多少，而是看降的够不够蒸。

例 6：台风等级的判定

风速	判定
12.0 m/s	热带低压（TD）
20.0 m/s	热带风暴（TS）
28.0 m/s	强热带风暴（STS）
38.0 m/s	台风（TY）
45.0 m/s	强台风（STY）
52.0 m/s	超强台风（Super TY）

边界值是容易出错的地方：41.4 m/s 是台风、41.5 m/s 就是强台风；50.9 m/s 是强台风、51.0 m/s 就是超强台风。等级只看底层中心附近的最大平均风速这一个数，与降水、范围无关。

例 7：气候变化三个数字的区别

数字	含义	能不能用来代表趋势
1.09 ℃	2011—2020 十年平均	可以，是十年尺度
1.20 ℃	2014—2023 十年平均	可以，且更近
1.45 ℃	2023 年单年	不宜，含厄尔尼诺的年际波动

三个数字一个比一个大，看起来像"加速"，但这种比较本身不严谨——十年平均值与单年值的口径不同。正确的做法是同一口径的时间序列比较，而不是挑一年来对比十年。 这一点和科学方法论里"比较必须在同一口径下进行"是同一条原则。

要点

要点与常见误区

1. 接收太阳辐射要除以 4：圆盘面积接收、球面面积辐射，这个 4 是所有行星温度计算的起点。
2. 温室效应的 33.4 K 与人类活动升温的 1.1 ℃ 差一个数量级，两者不可混用。
3. 反照率每增加 0.05，平衡温度约降 4.7 K，这是冰-反照率正反馈的量化基础。
4. 气压随高度指数衰减，5500 m 处约 509.49 hPa，与自然地理一篇口径一致。
5. 科里奥利力只改变方向、不做功；它在赤道为零，所以台风不生成于赤道附近。
6. 北半球运动偏右、南半球偏左，气旋逆时针这一条只在北半球成立。
7. 同样的气压梯度，纬度越低地转风越大：30° 比 45° 位置高 37.2%。
8. 副热带干旱是环流造成的：30° 附近为下沉气流区，大沙漠正在这里。
9. 干绝热 9.8 ℃/km、湿绝热 5~6 ℃/km 的差别来自凝结潜热，不是测量误差。
10. 云底高度由气温与露点之差决定，不是由气温单独决定。
11. 暖锋降水宽而弱、冷锋降水窄而强，两者的降水形态常被记反。
12. 台风眼是下沉区，眼区平静是假象，眼壁过后风向反转且更强。
13. 台风等级只看风速一个数，边界值上的 0.1 m/s 就会改变等级。
14. 柯本干旱阈值随气温变化，干旱与否看"降得够不够蒸"，不是看绝对降水量。
15. 判断气候变化趋势必须用同一口径，不能拿单年值与十年平均值直接比。

小结

• 气象学与地理的分工：地理讲"在哪里"，气象讲"为什么"和"接下来怎样"。
• 辐射收支给出有效辐射温度 $T_e=254.58$ K（−18.57 ℃），与实际 288 K 相差 33.4 K，即温室效应。
• 静力平衡导出气压随高度指数衰减；气压梯度力 + 科里奥利力导出地转风。
• 三圈环流（哈得来、费雷尔、极地）给出三个上升区与三个下沉区，副热带大沙漠是下沉带的结果。
• 天气系统：冷锋降水窄而强、暖锋宽而弱；低压气旋上升致雨、高压反气旋下沉致晴（北半球气旋逆时针）。
• 绝热过程：干绝热 9.8 ℃/km、湿绝热 5~6 ℃/km；抬升凝结高度 $h_{\text{LCL}}=125(T-T_d)$。
• 柯本气候分类五类，干旱阈值 $P_{th}=20T+280$ / $+140$ / $+0$（按降水季节）。
• 验算锚点：$T_e$ = 254.58 K、温室升幅 33.4 K；科里奥利参数 30° 为 $7.2921\times {10}^{-5}$ s⁻¹、60° 为 $1.2630\times {10}^{-4}$ s⁻¹；1 hPa/100 km 时地转风 8.33 / 11.43 m/s；地面 25 ℃/露点 15 ℃ → 凝结高度 1250 m、3000 m 处 2.25 ℃；柯本两例 680/340 → BS、780/390 → BW；气候变暖 1.09 / 1.20 / 1.45 ℃ 三个口径。
• 主线呼应：黑体辐射与斯特藩-玻尔兹曼定律接热学；大气分层与气压衰减接自然地理；气压带风带与气候分布接世界地理；卫星与雷达探测接遥感导论——那里讲的是怎么把大气"看"出来，这里讲的是看到的东西为什么是这样。

天文与地球三章到此收束：天文学基础 把视线放到天体与宇宙，地球科学 落回行星内部与深时，本篇讲包裹着地表的这层大气。三章共用一条线索——尺度与时间远超直觉，但都能用几条定律算出量级。回天文与地球总览。

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