談?wù)剼庀笠兀▔骸亍?、風(fēng)）的物理意義和預(yù)報(bào)應(yīng)用價(jià)值

■ 陶祖鈺 范俊紅 李開元 劉淑媛 楊引明

談?wù)剼庀笠兀▔骸?、濕、風(fēng)）的物理意義和預(yù)報(bào)應(yīng)用價(jià)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(zhì)上都是由“氣壓、溫度、濕度和風(fēng)”這四個(gè)基本“元素”組成的，所以只有這四個(gè)量才被稱為氣象要素。

天氣預(yù)報(bào)中用到的氣象變量（有時(shí)也稱為物理量、診斷量），其數(shù)量之多數(shù)以十計(jì)、百計(jì)，但是只有氣壓、溫度、濕度和風(fēng)這四個(gè)量被稱為氣象要素，簡(jiǎn)稱“壓、溫、濕、風(fēng)”。要素的英文名稱是“element”，它也可翻譯成“元素”。也就是說(shuō)，形形色色的氣象變量，本質(zhì)上都是由這四個(gè)基本“元素”組成的，所以只有“壓、溫、濕、風(fēng)”才被稱為氣象要素。既然如此，氣象要素在天氣預(yù)報(bào)中也必定最具應(yīng)用價(jià)值，而且還有直接、明了、方便的特點(diǎn)。

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?yàn)槠渲邪俗鎏鞖忸A(yù)報(bào)必備的基礎(chǔ)知識(shí)。本文將概要地介紹壓、溫、濕、風(fēng)的物理含義，并從這些基礎(chǔ)物理概念出發(fā)，討論它們?cè)谔鞖忸A(yù)報(bào)中有哪些應(yīng)用價(jià)值，以及它們之間的關(guān)聯(lián)。最后用“地面氣象要素四線圖”的實(shí)例介紹具體的應(yīng)用方法。

一、 氣壓

氣象站觀測(cè)的地面氣壓（也稱為本站氣壓、場(chǎng)面氣壓），它代表該地單位面積上空整個(gè)大氣層的總質(zhì)量。這是因?yàn)?，除了在?duì)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(shù)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?yàn)榈孛娓叩推鸱?，大氣柱的長(zhǎng)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(zhì)量。計(jì)算這個(gè)虛擬氣柱的質(zhì)量時(shí)需要假設(shè)氣柱的溫度就是地面溫度，因此地面溫度偏低的測(cè)站，訂正出來(lái)的海平面氣壓就一定偏高，尤其是冬季海拔較高的測(cè)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(zhì)量取決于空氣的密度。溫度低時(shí)，空氣密度大，氣柱的總質(zhì)量就大，反之亦然。這就是我們常說(shuō)冷高壓和暖低壓的物理依據(jù)。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(guān)。海平面氣壓場(chǎng)中等壓線的密集帶，也應(yīng)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(jù)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(shí)間的變化，如3h或24h變壓，也同樣和溫度變化相關(guān)聯(lián)。氣壓升高表示整個(gè)大氣層中有冷空氣活動(dòng)，即比較冷的空氣代替了原來(lái)比較暖的空氣；反之，氣壓下降則反映有暖空氣活動(dòng)。溫度平流是表征冷暖空氣活動(dòng)的物理量，所以根據(jù)靜力學(xué)關(guān)系，正負(fù)變壓應(yīng)與空中的冷暖平流相對(duì)應(yīng)，正負(fù)變壓越大，反映冷暖平流越強(qiáng)（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(jià)值的是，動(dòng)力學(xué)理論證明，冷暖平流是導(dǎo)致下沉和上升運(yùn)動(dòng)的原因，所以氣壓傾向也與晴雨密切相關(guān)。氣壓下降天氣轉(zhuǎn)壞，氣壓上升天氣轉(zhuǎn)好。所以早年人們將氣壓表稱為晴雨表。

理論上，短時(shí)間內(nèi)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(shí)地掌握空中冷暖空氣的活動(dòng)。但在預(yù)報(bào)中應(yīng)用時(shí)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(guān)。所以只有明顯的、非日變化的氣壓傾向才有預(yù)報(bào)價(jià)值，這就需要我們?cè)陬A(yù)報(bào)中用心體察。

空中的氣壓在天氣分析中用等壓面高度來(lái)表示。等壓面的高度高，就表示相應(yīng)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?yàn)榇髿獾目傎|(zhì)量約為1000hPa，所以500hPa等壓面把大氣層大致分為質(zhì)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(dá)500m。所以相對(duì)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(xué)關(guān)系，厚度與兩個(gè)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(chǎng)不同，通常表現(xiàn)為冷低壓和暖高壓的溫壓場(chǎng)配置。500hPa正、負(fù)變高與對(duì)流層下部的暖、冷平流相聯(lián)系。

預(yù)報(bào)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(dòng)”是完全符合上述原理的。這里只需再?gòu)?qiáng)調(diào)一點(diǎn)，與500hPa小槽相關(guān)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(chǎng)上分析不出與高度槽相配合的冷溫度槽，500hPa小槽活動(dòng)仍可說(shuō)明在對(duì)流層下半部有冷空氣活動(dòng)。

對(duì)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(zhì)量只占大氣總質(zhì)量的一小部分，所以H850更多地與1000hPa等壓面的高度有關(guān)，即與整個(gè)氣柱的質(zhì)量相關(guān)聯(lián)。故850hPa的變高和地面變壓相同，負(fù)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(yù)報(bào)中需特別注意加以區(qū)別的，千萬(wàn)不可混淆。它也可從冷暖空氣氣柱的重心高低不同來(lái)解釋。同樣質(zhì)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(dāng)然必須注意，上面的氣壓（或等壓面高度）與溫度的關(guān)系都是從靜力學(xué)關(guān)系得出的，但并不是全部。實(shí)際上二者的關(guān)系要更復(fù)雜一些，例如地面上的溫帶氣旋當(dāng)然是低壓系統(tǒng)，但里面既有暖氣團(tuán)，也有冷氣團(tuán)，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(fù)雜關(guān)系，一方面是因?yàn)闅鈮合到y(tǒng)的熱力結(jié)構(gòu)并不總是對(duì)稱的。另一方面，氣壓的變化除了熱力因子（也可稱為靜力學(xué)因子）外還有動(dòng)力因子，如渦度平流。但前面說(shuō)的氣壓和溫度的關(guān)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(gè)，一是質(zhì)量，二是能量。質(zhì)量是指單位體積的質(zhì)量，即空氣密度（ρ）。因?yàn)楦鶕?jù)氣體狀態(tài)方程：

等壓面上氣壓（P）是常數(shù)，故溫度分布就是大氣的密度分布，即質(zhì)量的分布。所以溫度的三維分布就表示大氣質(zhì)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(gè)點(diǎn)的質(zhì)量（單位體積的質(zhì)量，即密度），而氣壓則代表垂直方向一定體積內(nèi)的總質(zhì)量。正因?yàn)閮烧叨己唾|(zhì)量有關(guān)，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(guān)聯(lián)。

溫度另一個(gè)重要意義是能量，即大氣的熱能。大氣如一臺(tái)機(jī)器在不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，它需要消耗能量才能維持。熱能是大氣運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源。天氣預(yù)報(bào)中關(guān)注溫度就是關(guān)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(yù)報(bào)中最應(yīng)該關(guān)注的是低空溫度，特別是1km以下最靠近地面的邊界層內(nèi)的溫度。

熱能必須通過(guò)一定的物理過(guò)程才會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，例如當(dāng)?shù)孛鏈囟壬叩揭欢ǔ潭龋催_(dá)到對(duì)流溫度）就會(huì)產(chǎn)生對(duì)流，暖空氣上升、冷空氣下沉，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。這是垂直溫度梯度引起的“能量釋放”。

另一種熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過(guò)程是水平溫度梯度引起的。這種情況不需要地面溫度達(dá)到對(duì)流溫度，但需要存在水平溫度差異，熱能也可轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，例如海陸風(fēng)、山谷風(fēng)和鋒面環(huán)流。它們可統(tǒng)稱為斜壓力管環(huán)流。這種轉(zhuǎn)換過(guò)程的本質(zhì)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(zhuǎn)換為動(dòng)能?？傊鞖忸A(yù)報(bào)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)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(gè)容易受各種因素影響的要素。除了大尺度天氣過(guò)程引起的溫度變化外，太陽(yáng)短波輻射和長(zhǎng)波輻射使溫度有明顯的日變化；天空云量會(huì)顯著改變溫度日變化；地面風(fēng)速大小不同所以亂流垂直交換強(qiáng)度不同也影響地面溫度，預(yù)報(bào)中需要隨時(shí)仔細(xì)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(gè)要素包括兩個(gè)不同的內(nèi)容，一個(gè)是絕對(duì)濕度，它表征空氣中包含的水汽質(zhì)量；另一個(gè)是相對(duì)濕度，它表征空氣接近飽和的程度，二者雖有聯(lián)系，但性質(zhì)不同，使用時(shí)需要嚴(yán)格區(qū)分，不可隨意混淆。

1. 比濕

比濕（q）是絕對(duì)濕度的常用單位，其定義是1000g濕空氣中所含的水汽質(zhì)量，所以它的單位是g/kg。水汽在大氣中不是獨(dú)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(gè)空氣的質(zhì)量中只占極少一部分，最多時(shí)也只占2%左右（即20g/kg左右），少的時(shí)候則可以少到幾乎為零。下圖為2014年6月26日08時(shí)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(shí)線為等比濕線，間隔2g/kg，它大致可以代表對(duì)流層中水汽分布基本特點(diǎn)。從等比濕線的分布可見，水汽主要集中在對(duì)流層的下半部，300hPa以上比濕幾乎為零，可以忽略不計(jì)。

平流層中水汽極度稀少，幾乎為零，故被稱為痕量氣體。對(duì)流層中水汽隨高度按指數(shù)減少。據(jù)估計(jì)，500hPa以上對(duì)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(duì)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(dá)20g/kg以上；在40°N有一個(gè)比濕14g/kg的比濕中心位于邊界層內(nèi)925hPa的高度上。因此，水汽分析的重點(diǎn)應(yīng)放在地面圖、925和850hPa等壓面圖上。

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

2. 露點(diǎn)溫度

比濕的優(yōu)點(diǎn)是物理概念明確，而且在干絕熱過(guò)程中保持不變，即具有守恒性。但常規(guī)天氣分析中用露點(diǎn)溫度（Td）表示絕對(duì)濕度，它是濕空氣的溫度下降到開始有露凝結(jié)生成時(shí)的溫度，所以它的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀。與露點(diǎn)溫度相對(duì)應(yīng)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(zhì)量，溫度越高，飽和比濕越大。T和Td相等時(shí)，q=qs。

從圖2a可見，在0℃以下，飽和比濕隨露點(diǎn)溫度增加得很慢，但是在10℃以上，比濕隨露點(diǎn)溫度迅速增大。根據(jù)天氣圖上的露點(diǎn)溫度，可以在T-lnP圖上的等飽和比濕線很方便地查到相應(yīng)的比濕值。當(dāng)空氣中水汽很少時(shí)，溫度必須降得非常低才會(huì)達(dá)到飽和而凝結(jié)，所以露點(diǎn)溫度可以非常低，如零下數(shù)十?dāng)z氏度。但是我們幾乎沒(méi)有看到過(guò)超過(guò)30℃的露點(diǎn)溫度，這是因?yàn)榭諝庵械乃麃?lái)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(biāo)準(zhǔn)等壓面上飽和比濕隨露點(diǎn)溫度變化的曲線；（b）2000—2008年夏季平均海溫（單位：℃）

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

露點(diǎn)溫度的優(yōu)點(diǎn)是它的日變化比溫度小很多，因?yàn)檩椛湟鸬臏囟热兆兓粫?huì)改變空氣中的水汽含量，即絕對(duì)濕度（如比濕、露點(diǎn)溫度）。因此，露點(diǎn)溫度的顯著變化往往反映局地氣團(tuán)性質(zhì)的變化，這一特點(diǎn)在單站要素分析中非常有用。

絕對(duì)濕度和對(duì)流也有密切關(guān)系，這是因?yàn)榈孛娴穆饵c(diǎn)溫度和對(duì)流有效位能（CAPE）的大小關(guān)系非常密切。從對(duì)流溫度示意圖（圖3）可見，抬升凝結(jié)高度、自由對(duì)流高度和對(duì)流凝結(jié)高度都是由地面露點(diǎn)溫度及其相應(yīng)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(dāng)?shù)孛媛饵c(diǎn)溫度小于15℃時(shí)，一般不會(huì)有強(qiáng)雷暴；如果露點(diǎn)溫度達(dá)到20℃或更高，就有可能發(fā)展成強(qiáng)雷暴并產(chǎn)生雨強(qiáng)20～40mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。

圖3 修正后的對(duì)流凝結(jié)高度和對(duì)流溫度示意圖（圖中填色區(qū)可視為與探空對(duì)應(yīng)的初始狀態(tài)的對(duì)流抑制能量）（來(lái)源：李耀東等，2014）

3. 相對(duì)濕度

相對(duì)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(zhì)量空氣中所能包含的最大水汽質(zhì)量為飽和比濕（qs），如果超過(guò)，就有凝結(jié)發(fā)生。實(shí)際比濕和該溫度下的飽和比濕之比就是相對(duì)濕度RH，用0～100%表示。

相對(duì)濕度也可用溫度-露點(diǎn)差（T-Td）表示。飽和時(shí)的溫度就是露點(diǎn)溫度，即T=Td，因此T-Td=0就表示達(dá)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(cè)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?qǐng)D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(méi)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(qiáng)調(diào)的是，同為T-Td≤4℃的區(qū)域，其水汽的含量（即絕對(duì)濕度）可以相差非常大。因?yàn)閮蓚€(gè)同樣是T-Td≤4℃的區(qū)域，如果溫度T相差顯著，其露點(diǎn)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(shí)的飽和比濕約為3.5g/kg，溫度10℃時(shí)增大到7.5g/kg，溫度20℃時(shí)約為14g/kg，30℃時(shí)約為26g/kg。

相對(duì)濕度和露點(diǎn)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(duì)濕度的變化不能反映氣團(tuán)性質(zhì)的變化。但是相對(duì)濕度也有一個(gè)很突出的優(yōu)點(diǎn)，就是對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)非常敏感。如果有上升運(yùn)動(dòng)，哪怕相當(dāng)微弱，則由于絕熱膨脹冷卻會(huì)使相對(duì)濕度顯著升高（如70%以上）；反之，如果有下沉運(yùn)動(dòng)，則由于絕熱壓縮溫度升高而使相對(duì)濕度顯著降低（如30%以下）。由于垂直運(yùn)動(dòng)是天氣分析中最難掌握的，所以相對(duì)濕度的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)非常值得我們?cè)诠ぷ髦锌偨Y(jié)和應(yīng)用。

從大氣環(huán)流的角度看，濕度的重要性也是顯然的。因?yàn)榇髿膺\(yùn)動(dòng)所依賴的太陽(yáng)能量，有超過(guò)1/3（24/70）是通過(guò)水汽間接獲得的（圖4）。此外，水汽也是發(fā)生對(duì)流的根本原因，因?yàn)閷?duì)流所依靠的浮力也是由于水汽凝結(jié)釋放的潛熱才使得云內(nèi)的溫度高于環(huán)境的溫度?？傊谔鞖夥治龊皖A(yù)報(bào)中應(yīng)該十分重視濕度的分析，特別是天氣圖上露點(diǎn)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(zhǎng)波輻射）（來(lái)源：巴里R G等，1982）

四、 風(fēng)

天氣學(xué)中，風(fēng)專指空氣的大規(guī)模水平運(yùn)動(dòng)速度，即空間范圍內(nèi)移動(dòng)距離可達(dá)成百上千千米的空氣運(yùn)動(dòng)速度。移動(dòng)范圍很小，只有數(shù)十或數(shù)百米的小尺度湍流運(yùn)動(dòng)速度不包括在內(nèi)。以圖5給出的北京5個(gè)小時(shí)的一段風(fēng)速記錄可見，在20：50風(fēng)速顯著加大以后，瞬時(shí)風(fēng)速（黑色）圍繞平均風(fēng)速線（藍(lán)色）擺動(dòng)非常明顯，說(shuō)明瞬時(shí)風(fēng)速存在脈動(dòng)，有時(shí)大于平均風(fēng)，有時(shí)小于平均風(fēng)。極大瞬時(shí)風(fēng)速（紅色）則明顯大于平均風(fēng)速，有時(shí)甚至比平均風(fēng)大一倍（圖中綠色虛線所指），說(shuō)明地面風(fēng)的湍流脈動(dòng)非常強(qiáng)。地面天氣觀測(cè)記錄的風(fēng)采用兩分鐘平均的辦法就是為了將湍流脈動(dòng)的速度平滑掉。

從圖中可以看到，20：50以后風(fēng)向也發(fā)生系統(tǒng)性變化，由無(wú)持續(xù)性風(fēng)向轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的西北偏北風(fēng)。地面風(fēng)向的系統(tǒng)性變化顯示了一次空氣的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)過(guò)程，即有冷鋒移過(guò)本站?？諝獯笠?guī)模運(yùn)動(dòng)中垂直運(yùn)動(dòng)的分量非常?。考?jí)為10-2m/s），只有水平運(yùn)動(dòng)分量的千分之一，不是常規(guī)測(cè)儀器能直接測(cè)量的。所以天氣學(xué)中的風(fēng)不包括空氣的垂直運(yùn)動(dòng)。

圖5 2014年12月11日18—23時(shí)（北京時(shí)）北京風(fēng)速變化曲線（黑色為瞬時(shí)風(fēng)速，藍(lán)色為10min平均風(fēng)速，紅色為1min內(nèi)的極大風(fēng)速；橫坐標(biāo)時(shí)間間隔為5min。原始數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1min）

在壓、溫、濕、風(fēng)四大氣象要素中，氣壓和溫度是氣體狀態(tài)方程中的兩個(gè)變量，故稱為狀態(tài)變量，即表征大氣熱力學(xué)狀態(tài)的變量。濕度是表征大氣中某一成分（即水汽）的物質(zhì)變量。只有風(fēng)，是表征大氣運(yùn)動(dòng)的變量。溫度和濕度分布都因大氣的運(yùn)動(dòng)而改變，因此風(fēng)在四大要素中具有特殊的地位。一定意義上可以認(rèn)為，風(fēng)決定了溫濕的分布，所以風(fēng)也被稱為動(dòng)力學(xué)變量。由于水汽中所含有的相變潛熱是大氣運(yùn)動(dòng)的主要能量來(lái)源之一（圖4），所以溫度和濕度一起也被稱為大氣的熱力學(xué)變量。在數(shù)值預(yù)報(bào)的初值中，風(fēng)起決定性的作用，它會(huì)引起溫濕場(chǎng)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(fēng)四要素的時(shí)間變化曲線（常稱為四線圖）是預(yù)報(bào)中很有用的工具。在四線圖中經(jīng)?？梢钥吹斤L(fēng)的變化引起溫濕的急劇變化，或者說(shuō)，利用風(fēng)的變化來(lái)認(rèn)識(shí)溫濕變化的原因。例如在圖6a中，2014年12月11日21時(shí)以后（圖中黑色虛線右方），北京的地面風(fēng)從西南偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，同時(shí)風(fēng)力也從1～2級(jí)加強(qiáng)為4～5級(jí)。在風(fēng)轉(zhuǎn)變后，露點(diǎn)溫度（綠色線）在1h內(nèi)急劇下降6～7℃，顯示出北京上空氣團(tuán)的更替，轉(zhuǎn)變?yōu)槭芨衫涞臉O地氣團(tuán)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(tuán)的到來(lái)。但是，與此

圖6 2014年12月11日08日—12日08時(shí)北京地面氣象要素變化（a）、相關(guān)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(diǎn)溫度，藍(lán)色線為相對(duì)濕度，黑色線為氣壓）

同時(shí)，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(guò)境，同時(shí)又發(fā)生在上半夜正常日變化的溫度下降時(shí)段，這樣的小幅升溫顯得尤其異常。其原因也與風(fēng)有關(guān)，因?yàn)榈孛骘L(fēng)力的突然增大，邊界層內(nèi)垂直方向的湍流混合也相應(yīng)增強(qiáng)，其絕熱過(guò)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(bǔ)充南下影響北京的過(guò)程。在20時(shí)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?qǐng)D上很難辨認(rèn)，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(dòng)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(shí)，溫度上升超過(guò)6℃（圖中紅色虛線箭頭所指），而露點(diǎn)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(dāng)13時(shí)地面風(fēng)向由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)以后（圖中紅色虛線右方），露點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)上升，說(shuō)明北京轉(zhuǎn)為受來(lái)自南方相對(duì)潮濕的變性氣團(tuán)控制。氣壓曲線由10時(shí)以前的平穩(wěn)轉(zhuǎn)為持續(xù)下降，則反映北京從高壓后部轉(zhuǎn)為低槽控制，直到21時(shí)偏北風(fēng)突然增大，說(shuō)明冷空氣補(bǔ)充南下已影響北京。12日00時(shí)以后，溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度的變化都趨于平穩(wěn)，表明已轉(zhuǎn)入比較均勻的冷氣團(tuán)內(nèi)部。

總之，仔細(xì)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(shí)掌握最新發(fā)生的變化，從而對(duì)天氣預(yù)報(bào)做出必要的補(bǔ)充或修正。日常工作中經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)這類例子，經(jīng)?？偨Y(jié)，對(duì)提高天氣分析和預(yù)報(bào)的能力一定大有裨益。

致謝：本文由國(guó)家自然科學(xué)基金（41475040）和公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201306023）共同資助。此文得益于和多位學(xué)長(zhǎng)及同事若干年來(lái)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

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