許健民

國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081

提 要： 文章展示衛(wèi)星云圖和飛機(jī)航拍照片上的云，試圖把云的外觀表現(xiàn)與大氣的三維空間結(jié)構(gòu)、運動，以及可能存在的內(nèi)在物理過程聯(lián)系起來進(jìn)行分析，用對流-輻射平衡理論理解和解釋對流云的外觀表現(xiàn)。在未受擾動的情況下，層狀云在云圖上表現(xiàn)松散。動畫顯示，不同高度上的云，隨其所在層面上的風(fēng)水平飄蕩，走向各不相同。當(dāng)深對流發(fā)生時，云劇烈地翻滾，不同高度上的氣流，被對流活動聯(lián)系在一起。有組織的深對流雖然只在很少的地方發(fā)生，卻是維持對流層大氣熱量平衡必須存在的。對流活動把太陽照射在地面上多余的熱量散布到對流層大氣的內(nèi)部，抵消了對流層里長波輻射的冷卻效應(yīng)，保持了對流層大氣內(nèi)部的熱量平衡。

引 言

本文展示衛(wèi)星云圖和飛機(jī)航拍照片上的云，試圖把云的外觀表現(xiàn)與大氣的三度空間結(jié)構(gòu)、運動，以及可能存在的內(nèi)在物理過程聯(lián)系起來進(jìn)行分析，用對流-輻射平衡理論理解和解釋對流云的外觀表現(xiàn)。

大氣平均溫度和濕度廓線，在對流層中部存在一個濕靜力能量的極小值區(qū)。Riehl and Malkus(1958)首先從大氣能量平衡的觀點出發(fā)，認(rèn)識大氣中存在深對流的必然性和其在能量垂直輸送中的作用。對流層中部存在濕靜力能量極小值區(qū)，最根本的原因是由于輻射平衡：輻射平衡的熱量損失使對流層中部越來越冷；深對流把濕靜力能量從云下向上輸送，進(jìn)入對流層內(nèi)部，補(bǔ)償了那里由于輻射平衡造成的能量損失，這樣才保持了對流層內(nèi)部的能量平衡。這個理論，被命名為對流-輻射平衡理論，是積云對流在大氣能量平衡作用中的經(jīng)典理論。之后，許多研究人員在這方面繼續(xù)做工作，補(bǔ)充和完善了這個理論。

Manabe and Wetherald(1967)在大氣中不同水汽分布的條件下，用對流-輻射模式估計了大氣溫度的垂直遞減率。如果大氣中沒有對流，只依靠輻射平衡來調(diào)整其溫度垂直分布，那么雖然在平流層里和對流層頂部，溫度和濕度垂直廓線可以被正確地模擬出來，但是在對流層下部，模擬出的大氣層結(jié)卻總是不穩(wěn)定，后者與實際觀測不符合。如果大氣中存在濕對流，那么對流層下部不合理的不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)就被對流過程消除了。這說明，與積云對流相伴的能量垂直輸送，是維持大氣溫度垂直遞減率不可或缺的物理因素之一。

那么深對流是如何突破干燥的對流層中部而發(fā)展起來的呢？Lilly(1968)對從邊界層到低云頂部的物理量的垂直輸送過程進(jìn)行了定量分析。從個別積云的視點來看，由于其上升過程中遇到了對流層中部因輻射冷卻和下沉運動造成的濕靜力能量極小值區(qū)，因此大多數(shù)積云是發(fā)展不起來的。但是個別積云與環(huán)境干空氣混合而消散以后，其中的液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)樗Ａ粼趯α鲗又胁?，使那里的空氣被濕化。只要不斷有水汽從海面進(jìn)入大氣，使得對流層下部的濕靜力能量足夠大，大到與對流層上部相當(dāng)，那么對流層中部的濕靜力能量極小值區(qū)，遲早會被后來的積云突破。

Arakawa and Schubert(1974)利用積云模式分析了對流活動對環(huán)境的作用，以及環(huán)境對對流活動的制約。在他們的模式里，積云復(fù)合體由大尺度環(huán)流、輻射平衡和從地面向上的湍流輸送驅(qū)動。來自云下的熱量和水汽，通過云中的垂直運動、云內(nèi)外氣流的夾卷，逐漸調(diào)制了云周邊的環(huán)境，使之緩慢的濕化。在相反的方向，用不同的大尺度環(huán)境參數(shù)，可以模擬出對流云不同的統(tǒng)計特征。這說明，積云對流和環(huán)境參數(shù)兩者是相互影響、雙向調(diào)制的。

本文作者長期從事氣象衛(wèi)星云圖的數(shù)據(jù)處理工作。風(fēng)云氣象衛(wèi)星的云圖就是由國家衛(wèi)星氣象中心制作的。在乘坐飛機(jī)時，作者經(jīng)常拍攝飛行過程中的云，回來后將它們與衛(wèi)星云圖做對比。通過觀察積累，作者領(lǐng)悟到：無論是衛(wèi)星云圖，還是航空拍攝照片，都通過云系的外觀表現(xiàn)，向我們展示著當(dāng)時、當(dāng)?shù)卮髿獾娜S空間結(jié)構(gòu)、運動和相關(guān)的物理過程。Riehl and Malkus(1958)通過理論和數(shù)值模式揭示的對流-輻射平衡物理過程，在云的外觀表現(xiàn)中可以看得見。所以作者把自己所見云的外觀表現(xiàn)展示給預(yù)報員，并試圖用對流-輻射平衡理論，解釋對流云的外觀表現(xiàn)及它們存在的機(jī)理。有關(guān)知識可以查閱動力氣象和天氣學(xué)教科書(約翰·M.華萊士和彼得·V.霍布斯，2008；Randall,2015;Houze,2014)。

本文第一節(jié)展示了動畫上云的運動。在大氣未受擾動的地區(qū)，云大體上呈水平運動，而在深對流區(qū)，云劇烈地垂直翻滾。第二節(jié)解釋了大氣中的云系有這樣的外觀表現(xiàn)，與輻射平衡、水汽的相變、云與周邊環(huán)境之間的夾卷有關(guān)系。用飛機(jī)航拍照片為實例，解釋了這樣的物理過程。第三節(jié)簡述文中提到的物理過程。本文把資料的外觀表現(xiàn)與內(nèi)在的物理過程聯(lián)系起來，有助于預(yù)報員從每天所看到的大量資料中抓住要點、提綱挈領(lǐng)，建立分析和預(yù)報思路。從本文的分析中可以看到，對流層中下部潮濕的環(huán)境，是深對流突然發(fā)生的重要條件之一。

1 動畫上云的運動

從高時間、空間分辨率的衛(wèi)星云圖動畫上可以觀察到，在大氣沒有受到強(qiáng)烈的擾動時，層狀云大體上呈水平運動。在這樣的情況下，云系往往比較稀疏、松散，不同高度層面上的云，隨風(fēng)飄蕩，走向各不相同。而在大氣中有劇烈對流活動的情況下，動畫上的云劇烈地翻滾。不同層面上大氣的運動，被對流活動聯(lián)系在一起，相互關(guān)聯(lián)。

1.1 在大氣未受擾動的地區(qū)，云的水平運動

圖1是2015年4月27日16時(北京時，下同)FY-2C衛(wèi)星可見光動畫(動畫展示于電子版，http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html;下同)。圖1顯示了大氣中盛行水平運動時的云系。在這幅云圖上，在哈薩克斯坦和塔里木盆地，絲縷狀的卷云隨高空西偏南氣流向東偏北方向流動，柴達(dá)木盆地有一個逆時針旋轉(zhuǎn)的渦旋。而在地面附近，有沙塵從天山北麓向東擴(kuò)散，還有小股沙塵通過天山的缺口溢向山脈南側(cè)?？偟膩碇v，云系不是非常濃密，不同高度上的云，隨風(fēng)水平飄蕩，走向各不相同。

Houze(2014)分析了對流層下部、中部和上部厚度大約在1 km以下淺薄層狀云的動力學(xué)特征，指出：形成淺薄層狀云的物理過程，主要是輻射和湍流，而不是大尺度垂直運動。在淺薄的層狀云里，平均垂直運動只有1～10 cm·s-1，它們并不產(chǎn)生重要的降水，而只能下點毛毛雨。所以預(yù)報員看云圖，首先要把淺薄的層狀云和具有重要垂直運動的雨層云或積雨云區(qū)分開來。如圖1和圖2這樣高時間分辨率的云圖動畫，提供了區(qū)分云區(qū)中是否存在重要垂直運動的判據(jù)。

1.2 深對流云中劇烈的垂直運動

對流劇烈發(fā)展形成的高聳云塔，在垂直方向上可以貫穿大部分對流層，是許多氣象災(zāi)害的源頭。圖2是2012年8月10日06:30 FY-2C衛(wèi)星的可見光圖像動畫。動畫展示了蘇北、皖北、黃海東部強(qiáng)對流發(fā)生時，云劇烈翻滾的情景。在高聳對流云的西南方向背光一側(cè)，云在地面或低云上投下了影子，這印證了對流云宏偉的垂直伸展。

圖1 2015年4月27日16時FY-2C可見光圖像(動畫見http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html)

圖2 2012年8月10日06：30 FY-2C可見光圖像(動畫見http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html)

2 對流活動在維持對流層內(nèi)部熱量平衡中的作用

2.1 地氣系統(tǒng)的輻射平衡

大氣中的云除有上述外貌表現(xiàn)外，和地氣系統(tǒng)的輻射平衡也有關(guān)系。圖3引自Kiehl and Trenberth(1997)，是輻射在地球大氣中傳遞過程的示意圖。表1是根據(jù)圖3列出的地氣系統(tǒng)各部分的輻射能量收支。從圖3和表1可以看到：整個地氣系統(tǒng)是輻射平衡的。但是如果分別考察地面和大氣兩個分系統(tǒng)輻射平衡的狀況，結(jié)果就不一樣了。由于輻射平衡，地面盈余為98 W·m-2，大氣失去等量的輻射能。地面多余的能量，只能依靠非輻射的其他方式向上傳遞給大氣。Riehl and Malkus(1958)首先指出這一理論，其主要是依靠對流和降水方式。

2.2 平流層和對流層輻射收支的差別

圖4展示的是理想的70 km以下大氣的溫度、壓力、密度、臭氧混合比隨高度的分布(Randall,2015)。圖4關(guān)注大氣中臭氧和溫度隨高度的分布。臭氧是輻射活躍氣體，主要分布在11 km以上的平流層里，在35 km高度處達(dá)到密度的極值。由于臭氧對太陽短波輻射的直接吸收，圖4中從對流層頂以上到50 km的高空存在強(qiáng)烈的逆溫。

對流層頂附近的逆溫像天花板一樣阻擋了從對流層里沖上來的上升氣流，使得對流受到抑制?？諝鈮K上升時，因為周圍壓力降低，氣塊膨脹，溫度會降低。如果上升氣塊遇到了逆溫，那么氣塊的溫度會低于其周圍環(huán)境大氣的溫度。上升氣塊比其周圍的環(huán)境大氣更重了，于是掉下來，垂直運動不能維持，高云在這個高度上展開，向四周溢散出去。圖5是2017年8月23日00時臺風(fēng)天鴿登陸前FY-4可見光圖像。由圖可見臺風(fēng)中的上升運動在遇到對流層頂而外溢，并產(chǎn)生由中心向外傳播的波動。

從圖4中可以看到在11 km以下的對流層里，臭氧濃度極低，大氣不直接吸收太陽入射輻射。對流層大氣不僅不直接吸收太陽入射輻射，而且其中的大氣組成成分還向外太空發(fā)射長波輻射。圖6是根據(jù)典型的熱帶探空資料計算的晴空紅外輻射冷卻率(Randall，2015)。圖6中對流層內(nèi)部以每天2～3℃的速率降溫。一方面對流層大氣通過長波輻射降溫。另一方面，卻并沒有觀測到對流層大氣的溫度在降低。那么對流層大氣靠什么機(jī)制保持它的溫度呢？Riehl and Malkus(1958)第一個指出，這是靠大氣中的深對流。

圖3 輻射在地球大氣中傳遞過程的示意圖(單位：W·m-2)(引自Kiehl and Trenberth，1997)

表1 地氣系統(tǒng)各部分的輻射能量收支(單位：W·m-2)

2.3 對流活動把地面盈余的輻射能量送入大氣

從圖3和表1中可以看到，由于輻射平衡，地面存在98 W·m-2的能量盈余，大氣存在等量的能量虧損。Riehl and Malkus(1958)指出，地面盈余的能量靠對流和降水進(jìn)入大氣。在海洋上，海表盈余的能量主要用來使海水蒸發(fā)。每克水被蒸發(fā)，須要吸收598 cal(1 cal=4.2 J)熱量。進(jìn)入大氣的水汽攜帶著潛熱，受大氣環(huán)流驅(qū)動到地球上各個地方，在合適的地方成云致雨，最后回歸海洋。水汽的旅行不是在做無用功，它通過相變過程使大氣中的熱量在不同的地點之間重新分配，從而深刻地影響大氣環(huán)流的行為。通過被輻射、云和水汽相變共同驅(qū)動的垂直環(huán)流，對流層大氣受到加熱。

圖7是對流活動在維持對流層里熱量平衡作用的示意圖(Randall，2015)。凝結(jié)潛熱直接加熱了受對流擾動地區(qū)的大氣，與此同時，上升的云團(tuán)還驅(qū)動了一個垂直環(huán)流圈。為了維持質(zhì)量平衡，在未受擾動的晴空大氣中，存在普遍但是相對緩慢的下沉運動，這樣的下沉運動既保持了質(zhì)量平衡，又通過壓縮增溫，抵消了對流層里長波輻射的冷卻效應(yīng)，間接加熱了對流層大氣。通過這樣的機(jī)制，太陽照射在地面上多余的熱量，被散布到對流層大氣中的各個地方。雖然有組織的深對流只在很少的地方發(fā)生，卻是維持對流層大氣熱量平衡必須存在的。大氣中一定要有一些地方存在對流，它起到了把地面盈余的熱量送入對流層內(nèi)部，從而保持地氣系統(tǒng)能量平衡的作用。這就是Riehl and Malkus(1958)的對流-輻射平衡理論。

圖4 理想的70 km以下大氣的溫度、壓力、密度、臭氧混合比隨高度的分布[引自Randall(2015)，圖中溫度、壓力、密度垂直廓線根據(jù)NOAA(1976)繪制，臭氧含量廓線根據(jù)Krueger and Minzner(1976)繪制]

圖5 2017年8月23日00時臺風(fēng)天鴿登陸前FY-4可見光圖像

圖6 根據(jù)典型的熱帶探空資料計算的晴空紅外輻射冷卻率(Randall，2015)

圖7 對流活動維持對流層里熱量平衡作用示意圖[Randall(2015),根據(jù)Schubert et al(1995)修改繪制]

2.4 對流層中部干空氣的卷入，使對流活動受到抑制

深對流是如何突破干燥的對流層中部而發(fā)展起來的呢？下文通過飛機(jī)航拍照片直觀地進(jìn)行解釋。太陽輻射加熱了海洋，同時把海水從海洋中蒸發(fā)出來。水汽進(jìn)入大氣后，隨風(fēng)飄蕩，某些氣塊上升、膨脹、降溫、飽和、凝結(jié)成云。圖8是2011年11月6日16時作者從瓦努阿圖去悉尼途中拍攝的海上積云。這些積云從對流層下部上升。

積云在上升過程中，遇到了對流層中部由于被長波輻射冷卻而下沉所形成的干燥大氣。云在上升的過程中，一定會卷入周圍的環(huán)境空氣。圖9和圖10為分別于2018年8月9日18時從上海到北京途中以及2018年7月28日16時從北京到上海途中拍攝。觀察這兩幅照片中的云，可以注意到：云上升時，周圍環(huán)境中的干空氣受上升氣流的夾卷，從云的下部進(jìn)入云體。

比較圖片上云周邊天空的顏色。圖9云周邊的天空蔚藍(lán)清爽，這說明云周邊的環(huán)境大氣干燥。而圖10周邊的天空中有白茫茫的霧氣，這說明云周邊的環(huán)境大氣潮濕。查閱圖片所在日期飛機(jī)經(jīng)過黃淮地區(qū)時的天氣圖(圖略)，圖9拍攝當(dāng)天，受一個很強(qiáng)的副熱帶高壓控制，各個層面都干，700 hPa比濕只有0～5 g·kg-1；而圖10拍攝當(dāng)天，有低層切變線，對流層中、下部各個層面都濕，700 hPa比濕普遍達(dá)10 g·kg-1。這證實：圖9中受夾卷進(jìn)入云的環(huán)境空氣，比圖10更加干燥。比較這兩幅航空拍攝照片里上升中的云，它們的表現(xiàn)是這樣：圖9中的云，卷入了蔚藍(lán)天空中更加干燥的環(huán)境空氣，其下部幾乎被掏空了；而圖10中的云，卷入了白茫茫天空中更加潮濕的環(huán)境空氣，雖然可以看見夾卷入云的干空氣，但云的下部依然存在。這兩幅航空拍攝照片的比較說明，如果對流層中部的環(huán)境大氣干燥，受到周圍環(huán)境夾卷進(jìn)來干空氣的稀釋作用，對流云是不容易發(fā)展起來的。

2.5 持續(xù)的對流活動使對流層中部環(huán)境濕化，深對流突然發(fā)生

那么大氣中低層的積云會不會就此罷休，不再向上竄了呢？不會的。因為被太陽輻射加熱的海洋，正在把海洋里的水汽，源源不斷地蒸發(fā)出來。來自海洋的水汽補(bǔ)充，使大氣中的低云有旺盛的生命力。就個體而言，深對流云是不容易發(fā)展起來的。但是從總體而言，雖然先前的云消散了，云中的液態(tài)水被稀釋蒸發(fā)，但是水汽仍然保留在大氣中，加濕了周邊的環(huán)境。在大量對流云的侵蝕下，某些地方對流層中部的環(huán)境大氣越來越濕，終于飽和了。當(dāng)周邊環(huán)境飽和時，夾卷過程的效率降低。在對流層中部大氣飽和地方，被夾卷過程卷入云體的是飽和濕空氣，于是云體不再被稀釋，可以一直向上沖到對流層頂，深對流突然發(fā)生了。

圖8 海洋上的積云[拍攝于2011年11月6日16時(LST)瓦努阿圖至悉尼途中]

圖9 強(qiáng)烈的夾卷把環(huán)境干空氣卷入云體，云體的下部被蒸發(fā)(拍攝于2018年8月9日18時北京至上海途中)

圖10 略濕一些的干空氣從積云下部卷入積云，云體的下部被部分保留(拍攝于2018年7月28日16時上海至北京途中)

圖11展示了呈柱狀穿越對流層中部上升的云體，在飛機(jī)非常接近云時所拍攝。比較圖11、圖10和圖9，可以注意到這三幅照片上環(huán)境空氣卷入云體程度的差別。圖11中的云，雖然有環(huán)境空氣侵入，但因為環(huán)境空氣非常潮濕，云柱依然挺立，云體呈柱狀；圖10中的云，環(huán)境空氣卷入云下部的程度比圖11 更深一些，云的下部比圖11更窄，云體呈蘑菇狀；而圖9中的云，其下部幾乎被掏空了，云體呈雨傘狀。

圖12為在飛機(jī)離對流云很遠(yuǎn)的條件下所拍攝。照片中有幾個云柱，最右側(cè)的三個云柱，從右向左，越來越高，展示了云柱向上竄的過程。圖片的中間部位另外還有一個云柱，己經(jīng)在水平方向大大擴(kuò)張了，并且在云頂附近初步顯示出上大下小的砧狀結(jié)構(gòu)。

圖11 環(huán)境濕空氣卷入對流云，對流云呈柱狀穿越對流層中部上升(拍攝于2018年7月28日16時上海至北京途中)

從飛機(jī)航拍照片上看，對流云突破對流層中部上升時的形態(tài)呈柱狀是一個重要特征。呈柱狀的對流云形態(tài)，說明被卷入的環(huán)境空氣濕。對流層中部一旦飽和，云就可以像煙囪那樣，向上一直竄到對流層頂，形成高聳的云塔。對流天氣難預(yù)報，就難在這里：云塔形成的時間和地點難以掌握。所以未來氣象衛(wèi)星需要掌握時空分辨率更高的觀測手段，觀測對流層中部被加濕的細(xì)節(jié)過程。

2.6 發(fā)展起來積雨云的直立啞鈴狀結(jié)構(gòu)

發(fā)展起來的巨大云塔，呈直立的啞鈴狀：上、下大，中間小。圖13為2016年7月23日17時上海至北京的航班經(jīng)過山東與河北交界處時拍攝，顯示了一個孤立積雨云的側(cè)視外觀。圖14是同時刻FY-2G的可見光圖像，顯示了位于山東和河北交界處吳橋、德州境內(nèi)，這個孤立積雨云的俯視外觀。從衛(wèi)星云圖(圖14)上看，積雨云呈圓形，直徑約為8～9個可見光像元，根據(jù)這個地理位置上云圖的水平分辨率估計，這個孤立積雨云的直徑大概為30～40 km。圖13a是航空拍攝的積雨云側(cè)視全景圖，圖13b是在飛機(jī)非常接近積雨云中心部位時拍攝的側(cè)視局部圖。圖13b所示的積雨云中心部位的深厚云體，比圖13a上云的頂部，以及衛(wèi)星云圖(圖14)上的云砧小得多。所以如果在衛(wèi)星云圖上看見了一塊積雨云，我們可能只看見了云的頂部被水平鋪開的地方。其中只有很少的地方存在如圖13b所示的穿透整個對流層的對流核。

圖12 呈柱狀穿越對流層中部上升的云體(拍攝于2018年5月24日13時杭州至北京途中)

圖13 孤立積雨云的側(cè)面外觀全景圖(a)和中心部位側(cè)面外觀局部圖(b)(拍攝于2016年7月23日17時上海至北京的航班經(jīng)過河北、山東交界處的吳橋、德州途中)

圖14 2016年7月23日17時FY-2G華北地區(qū)可見光圖像(橢圓為河北與山東交界處位于吳橋、德州的孤立積雨云，即圖13所示的云)

2.7 云圖動畫上積雨云頂部的上沖云頂和波狀外流

圖15a是2016年5月27日14時高分四號衛(wèi)星可見光通道圖像動畫。高分四號衛(wèi)星水平分辨率為50 m，觀測時相為每20 s一幅圖。其獲取的云圖是目前數(shù)據(jù)公開的靜止氣象衛(wèi)星中，空間分辨率最高的。在云圖的南側(cè)，南海西北部有一個熱帶氣旋。從圖15a高分四號衛(wèi)星的動畫上可以看見強(qiáng)烈的上升氣流沖入平流層底部，受逆溫層的阻擋掉下來，形成若干個上沖云頂。在上沖云頂?shù)乃闹?，氣流向外擴(kuò)散鋪展，形成伴有波紋狀紋理的巨大云砧。如果在氣象衛(wèi)星動畫上觀測到有上沖云頂和劇烈向外擴(kuò)張的波狀外流云系，可以判斷這個地方對流層內(nèi)部有劇烈的上升運動，以及與其相伴的重要天氣發(fā)生。在云圖(圖15a)的北側(cè)，廣東省有許多發(fā)展中的濃積云。它們處于不同的發(fā)展階段。矮小的云居多數(shù)。有若干個發(fā)展得比較高大一些。其中位于云圖東北側(cè)的那個濃積云，剛剛升到對流層上部，己經(jīng)開始出現(xiàn)云砧。通過高分四號衛(wèi)星的動畫淋漓盡致地展示了大氣中的對流活動。

圖15 2016年5月27日14時高分四號衛(wèi)星可見光通道圖像(a)和FY-2G可見光圖像(b)(圓圈所示為上沖云頂和波狀流云系，動畫見http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html)

作為對比，這里列舉圖15b。圖15b是與圖15a同時間、同地點的FY-2G可見光圖像。FY-2G的時間、空間分辨率，對大氣中對流活動觀察的細(xì)致程度，遠(yuǎn)不及高分四號衛(wèi)星。在圖上，雖然也可以看見南海西北部熱帶氣旋云團(tuán)的云砧頂部，有起伏的紋理，但是它遠(yuǎn)不如圖15a動畫上表示出來的上沖云頂和波狀外流那么直觀、醒目。廣州西北方的濃積云，在圖15b上也不如圖15a表現(xiàn)得清楚。預(yù)報員看了圖15b，對于當(dāng)時對流活動的強(qiáng)度可能會估計不足，但是看了圖15a一定會警覺。所以衛(wèi)星遙感觀測的時間、空間、光譜分辨率，必須高于觀測目標(biāo)物的時間、空間、光譜可變性。否則，遙感觀測就很難監(jiān)測到自然界里正在發(fā)生事件它們的外觀、行為和性質(zhì)。如果只觀測天氣尺度的天氣系統(tǒng)，那么千米級的空間分辨率和0.5 h級的時間分辨率，大致可以滿足要求；如果要觀測中小尺度天氣系統(tǒng)和對流，那么圖15a表明，如高分四號衛(wèi)星那樣50 m空間分辨率和20 s頻率的云圖動畫是更有用的觀測手段。

2.8 深對流在大氣中存在的必然性

如圖7所示，太陽首先加熱了地面，然后再把熱量分配到大氣中每一個角落。在熱量重新分配過程中，輻射平衡、水的相變、云的夾卷、大氣環(huán)流四種物理過程缺一不可，其中大氣環(huán)流起著十分關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，是不可或缺的因子。根據(jù)Riehl and Malkus(1958)計算，大氣中一定會有，而且也只會有大約千分之一的地方存在深對流。在受到擾動的深對流區(qū)，大氣被深對流中水汽的凝結(jié)直接加熱。同時，這樣的深對流激發(fā)了一個質(zhì)量垂直環(huán)流圈。在這個質(zhì)量垂直環(huán)流圈的補(bǔ)償下沉區(qū)，大氣被下沉壓縮增溫間接加熱，直接加熱和間接加熱共同起作用，補(bǔ)償了由于對流層內(nèi)部輻射平衡的冷卻。有深對流存在才能實現(xiàn)對流層里的熱量平衡。

3 結(jié) 論

(1)大氣是環(huán)繞地球非常薄的氣層。天氣現(xiàn)象主要發(fā)生的對流層，對流層的垂直厚度平均只有約11 km，因此大氣中普遍盛行水平運動。但是大氣中一定要有一些地方，存在深對流。

(2)云的外觀表現(xiàn)，與太陽輻射對大氣的加熱過程、大氣的運動，以及深入?yún)⑴c大氣環(huán)流中的水汽的相變過程有關(guān)系。在平流層里，大氣通過臭氧直接吸收太陽輻射能。從而在對流層頂形成一個逆溫。這個逆溫像天花板那樣，擋住了所有上升中的云，使它們向周邊擴(kuò)散出去。于是對流活動被限制在對流層的內(nèi)部。

(3)平流層里的臭氧可以直接吸收太陽入射的紫外波段的輻射。而到達(dá)對流層里的太陽紫外輻射已所剩無幾，對流層大氣基本上不直接吸收太陽的入射輻射。對流層大氣不僅不直接吸收太陽入射輻射，而且其中氣體成分，還以每天降溫2～3℃的速率，向外空發(fā)射長波輻射。一方面對流層大氣通過長波輻射降溫；另一方面，我們卻并沒有觀測到對流層大氣的溫度在降低。那么對流層大氣靠什么機(jī)制保持其溫度呢？通過對流活動，其中水汽的相變深入地參與到對流過程之中。

(4)到達(dá)地球的太陽入射輻射，首先加熱位于大氣層下面的陸地和海洋，然后再通過被輻射、云和水汽相變共同驅(qū)動的垂直環(huán)流，加熱對流層大氣。太陽輻射在加熱海洋的同時，把海水從海洋中蒸發(fā)出來。水汽進(jìn)入大氣后，隨風(fēng)飄蕩，某些氣塊上升、膨脹、降溫、飽和、凝結(jié)成云。

(5)積云在上升的過程中，遇到了對流層中部被長波輻射冷卻而下沉所形成的干燥大氣。受上升氣流的夾卷，環(huán)境中周圍的干空氣從云泡的下部進(jìn)入云體，云中的液態(tài)水被稀釋蒸發(fā)。所以，對流層下部的低云是不容易發(fā)展起來的。

(6)來自海洋水汽的補(bǔ)充，使大氣中的云有旺盛的生命力。雖然先前云泡中的云中液態(tài)水被稀釋蒸發(fā)，云泡消散了，但是水汽仍然保留在大氣中，加濕了周邊的環(huán)境。在大量對流云泡的侵蝕下，某些地方的對流層中部大氣終于飽和了。在對流層中部大氣飽和地方，在夾卷過程中被卷入云體的，是飽和濕空氣，于是云泡不再被稀釋，可以一直向上沖到對流層頂，形成直展云。

(7)由于對流層中部干燥大氣的普遍存在，這樣的深對流活動是不容易發(fā)展起來的。它們只在非常少的地方發(fā)生，卻是維持對流層內(nèi)部熱量平衡而必須存在的。在深對流活動發(fā)生的地點，凝結(jié)潛熱釋放出來，加熱了受擾動地區(qū)的對流層大氣，同時驅(qū)動了一個垂直環(huán)流。在大氣中其余未受擾動的地區(qū)，通過補(bǔ)償?shù)南鲁吝\動壓縮增溫，加熱未受擾動地區(qū)的大氣，維持了對流層內(nèi)部熱量的平衡。

(8)把資料的外觀表現(xiàn)與內(nèi)在的物理過程聯(lián)系起來，有助于預(yù)報員從每天所看到的大量資料中，抓住要點，提綱挈領(lǐng)，建立分析和預(yù)報思路。從本文的分析中可以看到，對流層中下部潮濕的環(huán)境，是深對流突然發(fā)生的重要條件之一。

(9)為了改善未來的天氣預(yù)報，未來氣象衛(wèi)星的一個使命，就是要通過提高時空分辨率以觀測大氣的垂直結(jié)構(gòu)，特別是濕度的垂直結(jié)構(gòu)。

注：掃描下方二維碼，可閱讀文章電子版及文中所示動畫。

Note： Scan the QR code below to read the HTML version and the animations.