■ 陶祖鈺 范俊紅 李開元 劉淑媛 楊引明

談談氣象要素（壓、溫、濕、風）的物理意義和預報應用價值

■ 陶祖鈺 范俊紅 李開元 劉淑媛 楊引明

形形色色的氣象變量，本質上都是由“氣壓、溫度、濕度和風”這四個基本“元素”組成的，所以只有這四個量才被稱為氣象要素。

天氣預報中用到的氣象變量（有時也稱為物理量、診斷量），其數量之多數以十計、百計，但是只有氣壓、溫度、濕度和風這四個量被稱為氣象要素，簡稱“壓、溫、濕、風”。要素的英文名稱是“element”，它也可翻譯成“元素”。也就是說，形形色色的氣象變量，本質上都是由這四個基本“元素”組成的，所以只有“壓、溫、濕、風”才被稱為氣象要素。既然如此，氣象要素在天氣預報中也必定最具應用價值，而且還有直接、明了、方便的特點。

要用好氣象要素，首先必須真正理解氣象要素的物理意義，因為其中包含了做天氣預報必備的基礎知識。本文將概要地介紹壓、溫、濕、風的物理含義，并從這些基礎物理概念出發(fā)，討論它們在天氣預報中有哪些應用價值，以及它們之間的關聯(lián)。最后用“地面氣象要素四線圖”的實例介紹具體的應用方法。

一、 氣壓

氣象站觀測的地面氣壓（也稱為本站氣壓、場面氣壓），它代表該地單位面積上空整個大氣層的總質量。這是因為，除了在對流云中，大氣在垂直方向都處于靜力平衡狀態(tài)，所以真空水銀氣壓表中水銀柱的重量就等于大氣柱的重量，其數值在海平面上約為760mm高的水銀柱重量，約1000hPa。

最常使用的是海平面氣壓。這是因為地面高低起伏，大氣柱的長度不同，所以海拔高的地面氣壓總低于海拔低的。要比較不同氣象站氣壓的高低，必須先將地面氣壓都訂正成海平面氣壓。訂正的方法就是加上地面以下到海平面的氣柱質量。計算這個虛擬氣柱的質量時需要假設氣柱的溫度就是地面溫度，因此地面溫度偏低的測站，訂正出來的海平面氣壓就一定偏高，尤其是冬季海拔較高的測站，例如冬季蒙古高原常出現(xiàn)海平面氣壓偏高的情況。

大氣的總質量取決于空氣的密度。溫度低時，空氣密度大，氣柱的總質量就大，反之亦然。這就是我們常說冷高壓和暖低壓的物理依據。同樣道理，氣壓水平梯度的大小和溫度水平梯度也密切相關。海平面氣壓場中等壓線的密集帶，也應是大氣層中溫度水平差異較大的區(qū)域，即鋒區(qū)。因此根據地面天氣圖上等壓線的密集帶可以很快地大致判定鋒區(qū)的位置。

氣壓傾向，即地面氣壓隨時間的變化，如3h或24h變壓，也同樣和溫度變化相關聯(lián)。氣壓升高表示整個大氣層中有冷空氣活動，即比較冷的空氣代替了原來比較暖的空氣；反之，氣壓下降則反映有暖空氣活動。溫度平流是表征冷暖空氣活動的物理量，所以根據靜力學關系，正負變壓應與空中的冷暖平流相對應，正負變壓越大，反映冷暖平流越強（雖然我們不能確定空中溫度平流所在的高度和厚度）。更有價值的是，動力學理論證明，冷暖平流是導致下沉和上升運動的原因，所以氣壓傾向也與晴雨密切相關。氣壓下降天氣轉壞，氣壓上升天氣轉好。所以早年人們將氣壓表稱為晴雨表。

理論上，短時間內發(fā)生的氣壓變化，如3h或1h氣壓傾向，有助于我們迅速、及時地掌握空中冷暖空氣的活動。但在預報中應用時遇到的最大困難是，地面氣壓有很明顯的日變化，它與溫度的日變化和地球大氣圈的半日彈性波有關。所以只有明顯的、非日變化的氣壓傾向才有預報價值，這就需要我們在預報中用心體察。

空中的氣壓在天氣分析中用等壓面高度來表示。等壓面的高度高，就表示相應等高面上的氣壓高，如500hPa等壓面上的高度偏高，就表示該地5.5km左右高度的水平面的氣壓偏高。

因為大氣的總質量約為1000hPa，所以500hPa等壓面把大氣層大致分為質量幾乎相等的上下兩部分。500hPa的高度H500等于1000hPa的高度H1000加上1000hPa等壓面和500hPa等壓面之間的厚度H1000，500，即：

由于1000hPa等壓面的高度變化很小，只有50m左右的起伏，而500hPa等壓面的起伏高達500m。所以相對于500hPa等壓面，1000hPa等壓面幾乎可以看作水平面。因此，H500主要由H1000，500決定。按照靜力學關系，厚度與兩個等壓面之間的平均溫度成正比，溫度越高、密度越小，等壓面之間的厚度就越大。500hPa高度偏高，表示500hPa以下大氣層下半部的溫度偏高，反之亦然。所以高層等壓面與海平面氣壓場不同，通常表現(xiàn)為冷低壓和暖高壓的溫壓場配置。500hPa正、負變高與對流層下部的暖、冷平流相聯(lián)系。

預報員都很重視分析500hPa等壓面圖上的小槽，并稱之為“抓冷空氣活動”是完全符合上述原理的。這里只需再強調一點，與500hPa小槽相關聯(lián)的是500hPa以下低層大氣中的冷空氣，而不是高層的冷空氣。即使在500hPa等壓面溫度場上分析不出與高度槽相配合的冷溫度槽，500hPa小槽活動仍可說明在對流層下半部有冷空氣活動。

對于925，850和700hPa這些較低的等壓面情況就不同于500hPa以上的高層等壓面。以850hPa等壓面的高度H850為例，由下式可見：

由于1000hPa等壓面到850hPa等壓面之間的空氣質量只占大氣總質量的一小部分，所以H850更多地與1000hPa等壓面的高度有關，即與整個氣柱的質量相關聯(lián)。故850hPa的變高和地面變壓相同，負變高表示有暖平流，正變高表示有冷平流。

500hPa以上和以下等壓面高度的意義不同，這是在預報中需特別注意加以區(qū)別的，千萬不可混淆。它也可從冷暖空氣氣柱的重心高低不同來解釋。同樣質量為1000hPa的空氣柱，暖空氣的氣柱高，重心也高；冷氣柱則相反。

當然必須注意，上面的氣壓（或等壓面高度）與溫度的關系都是從靜力學關系得出的，但并不是全部。實際上二者的關系要更復雜一些，例如地面上的溫帶氣旋當然是低壓系統(tǒng)，但里面既有暖氣團，也有冷氣團，故它不是熱低壓，而是半冷半暖的低壓；到錮囚階段則是冷低壓。氣壓和溫度的復雜關系，一方面是因為氣壓系統(tǒng)的熱力結構并不總是對稱的。另一方面，氣壓的變化除了熱力因子（也可稱為靜力學因子）外還有動力因子，如渦度平流。但前面說的氣壓和溫度的關系是最基本和最常用的，也是最容易理解的。

二、 溫度

天氣分析中，溫度的物理意義有兩個，一是質量，二是能量。質量是指單位體積的質量，即空氣密度（ρ）。因為根據氣體狀態(tài)方程：

等壓面上氣壓（P）是常數，故溫度分布就是大氣的密度分布，即質量的分布。所以溫度的三維分布就表示大氣質量（密度）的空間分布。它和氣壓不同的地方是，溫度代表的是三維空間中每一個點的質量（單位體積的質量，即密度），而氣壓則代表垂直方向一定體積內的總質量。正因為兩者都和質量有關，所以如上節(jié)所討論的，氣壓的分布和變化與溫度的分布和變化之間有密切的關聯(lián)。

溫度另一個重要意義是能量，即大氣的熱能。大氣如一臺機器在不停地運轉，它需要消耗能量才能維持。熱能是大氣運動的能量來源。天氣預報中關注溫度就是關注能量。溫度高，表示能量高；溫度低，表示能量低。大氣中的溫度隨高度遞減，每1000m溫度降低約6.5℃，所以高空的溫度比地面要低得多。如500hPa等壓面的溫度要比海平面的溫度低35℃以上。所以能量主要位于低空，天氣預報中最應該關注的是低空溫度，特別是1km以下最靠近地面的邊界層內的溫度。

熱能必須通過一定的物理過程才會轉化為動能，例如當地面溫度升高到一定程度（即達到對流溫度）就會產生對流，暖空氣上升、冷空氣下沉，熱能轉變?yōu)閯幽?。這是垂直溫度梯度引起的“能量釋放”。

另一種熱能轉換為動能的過程是水平溫度梯度引起的。這種情況不需要地面溫度達到對流溫度，但需要存在水平溫度差異，熱能也可轉換為動能，例如海陸風、山谷風和鋒面環(huán)流。它們可統(tǒng)稱為斜壓力管環(huán)流。這種轉換過程的本質是偏暖的空氣上升，偏冷的空氣下沉，造成大氣的重心下降，使位能轉換為動能?？傊?，天氣預報中應重點關注低空的溫度，包括低空的垂直溫度遞減率和水平溫度梯度。

地面氣象要素中，溫度是一個容易受各種因素影響的要素。除了大尺度天氣過程引起的溫度變化外，太陽短波輻射和長波輻射使溫度有明顯的日變化；天空云量會顯著改變溫度日變化；地面風速大小不同所以亂流垂直交換強度不同也影響地面溫度，預報中需要隨時仔細體察溫度的分布和變化。

三、 濕度

與其他的氣象要素不同，濕度這個要素包括兩個不同的內容，一個是絕對濕度，它表征空氣中包含的水汽質量；另一個是相對濕度，它表征空氣接近飽和的程度，二者雖有聯(lián)系，但性質不同，使用時需要嚴格區(qū)分，不可隨意混淆。

1. 比濕

比濕（q）是絕對濕度的常用單位，其定義是1000g濕空氣中所含的水汽質量，所以它的單位是g/kg。水汽在大氣中不是獨立存在的，它總是和其他空氣成分（即干空氣）混合在一起。水汽在整個空氣的質量中只占極少一部分，最多時也只占2%左右（即20g/kg左右），少的時候則可以少到幾乎為零。下圖為2014年6月26日08時沿115°E，從高緯度（60°N）到低緯度（20°N）的比濕垂直剖面圖，圖中實線為等比濕線，間隔2g/kg，它大致可以代表對流層中水汽分布基本特點。從等比濕線的分布可見，水汽主要集中在對流層的下半部，300hPa以上比濕幾乎為零，可以忽略不計。

平流層中水汽極度稀少，幾乎為零，故被稱為痕量氣體。對流層中水汽隨高度按指數減少。據估計，500hPa以上對流層上半部的水汽只占水汽總量的7%左右，即絕大部分的水汽（約93%）都在對流層的下半部。最大的比濕位于850hPa以下的邊界層中。圖中華南沿海地面的比濕高達20g/kg以上；在40°N有一個比濕14g/kg的比濕中心位于邊界層內925hPa的高度上。因此，水汽分析的重點應放在地面圖、925和850hPa等壓面圖上。

圖1 2014年6月26日08時沿115°E， 60°—20°N的比濕垂直剖面圖（單位：g/kg，間隔：2）

2. 露點溫度

比濕的優(yōu)點是物理概念明確，而且在干絕熱過程中保持不變，即具有守恒性。但常規(guī)天氣分析中用露點溫度（Td）表示絕對濕度，它是濕空氣的溫度下降到開始有露凝結生成時的溫度，所以它的優(yōu)點是比較直觀。與露點溫度相對應的比濕為飽和比濕（qs），即一定溫度下空氣中可以容留的最大水汽質量，溫度越高，飽和比濕越大。T和Td相等時，q=qs。

從圖2a可見，在0℃以下，飽和比濕隨露點溫度增加得很慢，但是在10℃以上，比濕隨露點溫度迅速增大。根據天氣圖上的露點溫度，可以在T-lnP圖上的等飽和比濕線很方便地查到相應的比濕值。當空氣中水汽很少時，溫度必須降得非常低才會達到飽和而凝結，所以露點溫度可以非常低，如零下數十攝氏度。但是我們幾乎沒有看到過超過30℃的露點溫度，這是因為空氣中的水汽來源于海洋，海面的溫度決定了洋面空氣的飽和比濕，即使是夏季熱帶洋面的溫度，最高也只有29℃左右（圖2b）。

圖2 （a）各標準等壓面上飽和比濕隨露點溫度變化的曲線；（b）2000—2008年夏季平均海溫（單位：℃）

降水來源于空氣中的水汽，所以降水量的大小和絕對濕度的大小有直接關系。華南前汛期常有日雨量達200mm以上的大暴雨，它與華南露點溫度常常高達26～28℃有關；長江流域梅雨期常見的暴雨日雨量為50～100mm，它與長江流域露點溫度常常達到和超過24℃有關；華北和東北也會發(fā)生日雨量50～100mm的暴雨，此時露點溫度也通常超過24℃。相反，如果露點溫度低于20℃，無論什么季節(jié)，一般都不會有暴雨發(fā)生?？偨Y氣象要素的定量概念對預報是很有幫助的。

露點溫度的優(yōu)點是它的日變化比溫度小很多，因為輻射引起的溫度日變化不會改變空氣中的水汽含量，即絕對濕度（如比濕、露點溫度）。因此，露點溫度的顯著變化往往反映局地氣團性質的變化，這一特點在單站要素分析中非常有用。

絕對濕度和對流也有密切關系，這是因為地面的露點溫度和對流有效位能（CAPE）的大小關系非常密切。從對流溫度示意圖（圖3）可見，抬升凝結高度、自由對流高度和對流凝結高度都是由地面露點溫度及其相應的等飽和比濕線所決定，因此也就在很大程度上決定了CAPE的大小。當地面露點溫度小于15℃時，一般不會有強雷暴；如果露點溫度達到20℃或更高，就有可能發(fā)展成強雷暴并產生雨強20～40mm/h的短時強降水。

圖3 修正后的對流凝結高度和對流溫度示意圖（圖中填色區(qū)可視為與探空對應的初始狀態(tài)的對流抑制能量）（來源：李耀東等，2014）

3. 相對濕度

相對濕度是表示濕空氣接近飽和程度的量。在一定的溫度和氣壓下，單位質量空氣中所能包含的最大水汽質量為飽和比濕（qs），如果超過，就有凝結發(fā)生。實際比濕和該溫度下的飽和比濕之比就是相對濕度RH，用0～100%表示。

相對濕度也可用溫度-露點差（T-Td）表示。飽和時的溫度就是露點溫度，即T=Td，因此T-Td=0就表示達到飽和，T-Td越小表示空氣越接近飽和。由于探空中濕度觀測的誤差較大，在天氣分析中很少看到T-Td=0的情況。通常高空圖上T-Td≤4℃的區(qū)域就可看作是飽和區(qū)，它和云區(qū)或雨區(qū)的位置基本重合。在40年前沒有衛(wèi)星云圖的條件下，它是了解大范圍云雨區(qū)分布的基本方法。

需要特別強調的是，同為T-Td≤4℃的區(qū)域，其水汽的含量（即絕對濕度）可以相差非常大。因為兩個同樣是T-Td≤4℃的區(qū)域，如果溫度T相差顯著，其露點溫度Td也一定相差顯著，故水汽的含量也相差很大。如圖2所示，1000hPa溫度0℃時的飽和比濕約為3.5g/kg，溫度10℃時增大到7.5g/kg，溫度20℃時約為14g/kg，30℃時約為26g/kg。

相對濕度和露點溫度不同，它有很明顯的日變化，呈現(xiàn)出與溫度日變化反位相的特征。所以，相對濕度的變化不能反映氣團性質的變化。但是相對濕度也有一個很突出的優(yōu)點，就是對垂直運動非常敏感。如果有上升運動，哪怕相當微弱，則由于絕熱膨脹冷卻會使相對濕度顯著升高（如70%以上）；反之，如果有下沉運動，則由于絕熱壓縮溫度升高而使相對濕度顯著降低（如30%以下）。由于垂直運動是天氣分析中最難掌握的，所以相對濕度的這個優(yōu)點非常值得我們在工作中總結和應用。

從大氣環(huán)流的角度看，濕度的重要性也是顯然的。因為大氣運動所依賴的太陽能量，有超過1/3（24/70）是通過水汽間接獲得的（圖4）。此外，水汽也是發(fā)生對流的根本原因，因為對流所依靠的浮力也是由于水汽凝結釋放的潛熱才使得云內的溫度高于環(huán)境的溫度?？傊?，在天氣分析和預報中應該十分重視濕度的分析，特別是天氣圖上露點溫度的分析。

圖4 大氣能量收支平衡圖（左為短波輻射，右為長波輻射）（來源：巴里R G等，1982）

四、 風

天氣學中，風專指空氣的大規(guī)模水平運動速度，即空間范圍內移動距離可達成百上千千米的空氣運動速度。移動范圍很小，只有數十或數百米的小尺度湍流運動速度不包括在內。以圖5給出的北京5個小時的一段風速記錄可見，在20：50風速顯著加大以后，瞬時風速（黑色）圍繞平均風速線（藍色）擺動非常明顯，說明瞬時風速存在脈動，有時大于平均風，有時小于平均風。極大瞬時風速（紅色）則明顯大于平均風速，有時甚至比平均風大一倍（圖中綠色虛線所指），說明地面風的湍流脈動非常強。地面天氣觀測記錄的風采用兩分鐘平均的辦法就是為了將湍流脈動的速度平滑掉。

從圖中可以看到，20：50以后風向也發(fā)生系統(tǒng)性變化，由無持續(xù)性風向轉為穩(wěn)定的西北偏北風。地面風向的系統(tǒng)性變化顯示了一次空氣的大規(guī)模運動過程，即有冷鋒移過本站?？諝獯笠?guī)模運動中垂直運動的分量非常?。考墳?0-2m/s），只有水平運動分量的千分之一，不是常規(guī)測儀器能直接測量的。所以天氣學中的風不包括空氣的垂直運動。

圖5 2014年12月11日18—23時（北京時）北京風速變化曲線（黑色為瞬時風速，藍色為10min平均風速，紅色為1min內的極大風速；橫坐標時間間隔為5min。原始數據時間分辨率為1min）

在壓、溫、濕、風四大氣象要素中，氣壓和溫度是氣體狀態(tài)方程中的兩個變量，故稱為狀態(tài)變量，即表征大氣熱力學狀態(tài)的變量。濕度是表征大氣中某一成分（即水汽）的物質變量。只有風，是表征大氣運動的變量。溫度和濕度分布都因大氣的運動而改變，因此風在四大要素中具有特殊的地位。一定意義上可以認為，風決定了溫濕的分布，所以風也被稱為動力學變量。由于水汽中所含有的相變潛熱是大氣運動的主要能量來源之一（圖4），所以溫度和濕度一起也被稱為大氣的熱力學變量。在數值預報的初值中，風起決定性的作用，它會引起溫濕場的迅速改變。

五、 地面氣象要素四線圖

在地面單站氣象要素分析中，壓、溫、濕、風四要素的時間變化曲線（常稱為四線圖）是預報中很有用的工具。在四線圖中經?？梢钥吹斤L的變化引起溫濕的急劇變化，或者說，利用風的變化來認識溫濕變化的原因。例如在圖6a中，2014年12月11日21時以后（圖中黑色虛線右方），北京的地面風從西南偏西風轉為西北風，同時風力也從1～2級加強為4～5級。在風轉變后，露點溫度（綠色線）在1h內急劇下降6～7℃，顯示出北京上空氣團的更替，轉變?yōu)槭芨衫涞臉O地氣團控制。單站氣壓表現(xiàn)出顯著的上升（黑色虛線箭頭所指），也證明冷氣團的到來。但是，與此

圖6 2014年12月11日08日—12日08時北京地面氣象要素變化（a）、相關的地面圖（b、c，其中c為b局部放大的華北區(qū)域地面圖），以及850hPa天氣圖 （d）（紅色線為溫度，綠色線為露點溫度，藍色線為相對濕度，黑色線為氣壓）

同時，溫度并未出現(xiàn)下降，反而出現(xiàn)接近2℃的小幅升溫。一方面有冷鋒過境，同時又發(fā)生在上半夜正常日變化的溫度下降時段，這樣的小幅升溫顯得尤其異常。其原因也與風有關，因為地面風力的突然增大，邊界層內垂直方向的湍流混合也相應增強，其絕熱過程使溫度不降反升。

從常規(guī)天氣圖分析可見，這是一小股冷空氣的補充南下影響北京的過程。在20時的地面圖（圖6b、6c）上可以分析出有一條副冷鋒已非常接近北京，但這種小股冷空氣在高空圖上很難辨認，只表現(xiàn)為持續(xù)的、一致的西北氣流和冷平流，如圖6d所示。但是在單站要素四線圖上這股冷空氣的活動卻清楚地得到反映。在四線圖（圖6a）的左邊，11日上午氣溫的日變化非常清楚，到13時，溫度上升超過6℃（圖中紅色虛線箭頭所指），而露點溫度曲線非常平穩(wěn)只有1℃左右的變化（圖中綠色虛線箭頭所指）。當13時地面風向由西北風轉為西南風以后（圖中紅色虛線右方），露點溫度轉變?yōu)槌掷m(xù)上升，說明北京轉為受來自南方相對潮濕的變性氣團控制。氣壓曲線由10時以前的平穩(wěn)轉為持續(xù)下降，則反映北京從高壓后部轉為低槽控制，直到21時偏北風突然增大，說明冷空氣補充南下已影響北京。12日00時以后，溫度、露點溫度、相對濕度的變化都趨于平穩(wěn)，表明已轉入比較均勻的冷氣團內部。

總之，仔細考察地面要素的變化，如三線圖或四線圖，可以幫助我們及時掌握最新發(fā)生的變化，從而對天氣預報做出必要的補充或修正。日常工作中經常可以發(fā)現(xiàn)這類例子，經常總結，對提高天氣分析和預報的能力一定大有裨益。

致謝：本文由國家自然科學基金（41475040）和公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201306023）共同資助。此文得益于和多位學長及同事若干年來不拘形式的討論，如周曉平、陳受鈞、秦瑜、毛節(jié)泰、鄭永光、俞小鼎、鄭媛媛、許愛華、何立富、孫繼松等，不能一一列舉，在此一并表示感謝。

延伸閱讀

巴里R G， 喬利 R J. 1982. 大氣、天氣和氣候. 北京： 高等教育出版社.

李耀東， 劉健文， 吳洪星， 等. 2014. 對流溫度含義闡釋及部分示意圖隱含悖論成因分析與預報應用.氣象學報， 72（3）： 628-637.

盛裴軒， 毛節(jié)泰， 李建國， 等. 2005. 大氣物理學. 北京： 北京大學出版社.

張建春. 2012. 雷雨天氣的單站物理條件分析. 北京： 北京大學.

陶祖鈺，北京大學；范俊紅，河北省氣象局；李開元，中國氣象局氣象干部培訓學院保定分院；劉淑媛，空軍氣象中心；楊引明，上海市氣象局）