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《以浪漫的情怀认识气象》
第一章 气象卫星
张啸   [专访]   
得票 63 阅读 1141 评论 7

人生犹如一次旅行,沿途有无数的风景,有的美若画卷,有的平淡无奇。卞之章说:“你站在桥上看风景,看风景的人在楼上看你。”这样一幅隽永的图画,值得人们舒臂攀援,极目远眺地寻找。有的人说,我的旅行的所见所闻都是新鲜有趣的异国风情,我用脚步丈量过美国约塞米蒂国家公园、希腊圣托里尼岛、特立尼达和多巴哥海滨风光、意大利罗马圣彼得大教堂……;还有的人说,我大多是去国内的一些地方,例如重庆的大足石刻、云南的香格里拉、贵州的桫椤自然保护区、西藏的大昭寺、上海的黄浦公园等等,真是各有千秋。“一百个人的心目中有一百个哈姆雷特”,哪里才是你心中最美的风景呢?

把徜徉的心绪收回老家,不用挪动寸步,只好先从这里开始了。这里是拥有3000年历史文化积淀的北京城,既拥有胡同和四合院的淳朴沧桑,也拥有紫禁城的辉煌气派;既拥有万里长城的连天万里,也拥有现代广厦的巍然耸立。历史与现代的完美统一,使北京的风景名胜林林总总,融合了各种元素,吸引无数游人徜徉其中。如此多的遗迹珍赏的聚集,都取决于北京固有的地形地貌和气象条件:北京市中心位于北纬39度56分,东经116度20分,西、北和东北群山环绕,东南是缓缓向渤海倾斜的大平原,全市总面积16410.54平方公里。冬季平均温度-5℃-5℃,夏季平均温度18℃-29℃,为温带大陆性季风气候。也就是说这里的天气夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,春、秋季节短,年平均气温为13.5摄氏度。于是这里的市内以坚韧耐活的国槐和侧柏为市树;定皮实耐寒的月季、菊花为市花。再加上居民的民族属性复杂,人口多为汉族、回族、满族、蒙古族人,但实际上56个民族都有人口居住在此。使这里的民俗风情更加多元化,传统节日更添心裁;人文景观迥异,古代建筑样式繁多,华丽多姿。不知您是否见到过迎着朝阳的天安门广场,蓝天如洗的什刹海,风起云涌的八达岭长城,漫天飞雪的颐和园公园,还有风和日丽的国子监大殿。也不知您是否逛过繁华热闹的西单商业街,新奇时尚的中关村电子一条街,还是奢华高档的国贸商城、赛特购物中心。这都不能阻挡人们品尝簋街的美食,护国寺的小吃,各地方菜品的蒸、炸、煎、烤的特色菜,或是西餐料理的世界美食。有人会特别到博物馆里品鉴一番,例如中国国家博物馆、首都博物馆、中国科学技术馆、中国美术馆或是中华世纪坛艺术馆、798文化艺术区……春、夏、秋、冬,一年365天十二个月,北京用她特有的活力与激情容纳着五洲宾朋,八方来客。使诗人墨客们无论如何也不能放弃辞藻佳句赞美这里。

然而,无论哪一隅的“风华绝代、流连忘返”竟然只是大气环流的一个角落。大气环流是全球大气运动的基本状态,导致气象变化。这和旅游途中的万千气象、旖旎风光有着千丝万缕的联系。如果大家现在准备动身去哪里了,就先去看看当地的天气预报吧。根据科里奥利效应,大气运动分为高气压带和低压带。这时您要看清是出于哪半球高气压带中北半球气流是反气旋顺时针运动,南半球是逆时针;低压带北半球向右转顺时针,南半球向左转逆时针。再看风带,极地环流的冷空气在北冰洋上空下降;费雷尔环流,在沙漠上空下沉后变暖;哈得莱环流在赤道附近暖空气上升。这“三风四带”为大家解释了地球风云变幻的大致原因。具体的能使聚集在地球周围的大气运动的力量还要分两方面说:高空大气的水平运动主要受气压梯度力、地转偏向力影响;近地面的水平运动主要受到山脉地形的摩擦力、水平气压梯度力和水平地转偏向力的影响。于是,各种因素涉及到各层大气的方方面面就很难用简单的器械观测,我们利用洛伦茨蝴蝶效应的说法,解释细微处大气运动是以一种很难描摹的混沌状态运行的,也就是说天气系统中,一个极小的初始条件的改变就能影响局部地区天气的结果。于是人们发射了许多的人造卫星,对气象进行监测并采集数据,最后利用计算机模拟天气的变化。最终整合成人们熟知的天气预报,精确的天气预报更加便利了我们的生活。在卫星云图上我们能看见一些有代表性的图案形状:例如我国山脉地区常出现的锢囚锋。通常是锋面受山脉阻挡所形成或冷锋追上暖锋,或两条冷锋迎面相遇形成的地形锢囚;飑线(英语:Squall line),大致是一条带状雷暴群构成的,之后可能出现雷雨、大风和短时强降雨天气;以及海上飓风呈现的大气旋等。听着电视上的气象员的解说,冬天的北京城天气预报是这样预报的:今天是12月3日,星期六,晴转多云。最高气温8℃,最低气温-2℃,湿度59%,偏东风2、3级。日出时间7:18,日落时间16:49。生活指数:适宜洗车,紫外线较弱,感冒易发,较冷。未来趋势……这些播报词如果配合预报员身后的动态云图,就更能让人一目了然。下面我们看看风云卫星是搭载哪些装备采集气象数据的吧。

与我们日常生活息息相关的气象卫星风云四号卫星于2016年12月西昌卫星发射中心发射成功,今年9月在轨交付,而今我国风云4号卫星于9月正式投入使用。这颗卫星可不是轻易就当上明星的,下面请看它的高科技:风云4号卫星是中国新一代静止轨道气象卫星,轨道的倾角为零,在地球赤道上空35786千米——采用全新研制的SAST5000平台,装载了四种先进有效载荷,分别是14个多通道扫描成像辐射计、1700个干涉通道的干涉式大气垂直探测仪、1秒钟拍摄500张闪电图的闪电成像仪和空间环境监测仪器包。风云四号静止气象卫星观测系统通过其对云、云系、大气温度三维空间结构、下垫面物理状态属性的监测,全面提高对天气、环境灾害的监测能力。人造卫星有各种规格,例如碳卫星、微小卫星等就不尽相同,而主角风云四号卫星犹如一只展开深蓝色太阳能电池板翅膀的大鸟,在既定的运行轨道围绕地球公转,揭示地球的奥秘。另外在平时常用的天文仪器还有温度计、风向标、风速计、温度计、雨量表、气压计、天气浮标、天气飞机、天气气球、百叶窗等等,这些仪器可以人工测定小范围的天气状况。大家应该都知道,我们一般使用摄氏度表示温度的单位, 温度是能让人感觉到的一项数值。1742年瑞士天文学者安德斯•摄西阿斯提出:在1标准大气压下水的凝固点为0度,沸点为100度,把100度的沸点分成100份,1等份为1度。还有其他的温度单位:K(读开)。英国物理学家威廉·汤姆逊提出,表示绝对温度的单位(即热力学)。物质中的分子还有里面的原子都通过能量不停的振动。振动消耗最低能量时的温度叫做绝对零度,表示为0K,按摄氏度表达为-273.15度;荷兰物理学家华伦海特提出了华氏度,比摄氏度早30年出现。在1标准大气压下,水的凝固点定为32°F,沸点定为212°F,它们之间分成180等份,1等份就是1°F。它的转换公式是:(华氏温度-32)*5÷9。有人认为温度这项数值对我们的影响最大了,那么温度是指什么?就是冬天冷夏天热,天冷穿棉袄,下雨要打伞。我国的冬季最低气温是东北漠河,历史上最低-52.3度;海洋海底温度4度;绝对零度-273.15度;太阳表面约6000度;冰柜里的冻肉-10至-15度;地球表面最低气温-88.3度,大海深处的温度是4度——都是些既定的温度数值,温度方面嘛事都看数字。围绕温度数值,全国的天气预报是这样播报的:今天是2017年7月26日星期三,……气象局于晚20:00发布了相关气象数据,以下是未来两天的全国天气预报:今天夜间至白天,华北北部,内蒙古中部,新疆北部多云;华南中部,黄淮等地;四川盆地,江西大部份地区;浙江、福建沿岸地区……相关数据是气象局发布的,下面请听各省市天气预报。 要是“今有凉风倍感寒”,及时收看天气预报后就能“宠辱不惊,看庭前花开花落,去留无意,望天空云卷云舒。”若天空风起云涌之时,可添加衣物。依我看想拥有浪漫的情怀还得靠天公来成全作美……其实一直有疑问,为什么冰水混合物加盐会降温,而常温下的水加盐温度几乎不变?冰水混合物加盐会降温的原因是冰水混合物中的冰融化时吸热,你实践一下会发现,冰水混合物中加盐会使冰快速融化,盐的水溶液凝固点是低于0摄氏度的(和溶液浓度有关),如果所有的冰都已经融化了,那么再往里面加盐就不会使盐水的温度下降了。由上述实验可推知,冰水温度最高,冰水加盐后,温度要适当下降。到了冬天就要降雪了,路面会被撒上大颗粒的盐用于融化冰层。看来化雪到比下雪慢,这和温度之间联系紧密呀。

先民昂首问苍天,旦夕祸福靠实践。遥控卫星缚白云,扶摇直上九重天。20世纪以来,有各种类的监测科技的飞速发展,发明了很多引人瞩目的技术和设备,其中就有天气预报及其相关领域的气象卫星。这些卫星是有区别的,卫星大致分为三类:科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。又根据其运行轨道划分,可以分为五类:近地轨道卫星,或地球低轨道卫星。另外还有地球同步轨道卫星,指卫星运行周期等于地球自转一周的顺行轨道;地球静止轨道卫星,指卫星轨道倾角等于零度的圆形地球同步轨道,位于赤道平面上空,仅有一条,以35786km/h(3600km)的速度运行,平均一分钟3.0746km/s。太阳同步轨道卫星,卫星轨道平面绕地球自转轴进动的方向与地球绕太阳公转的方向相同;极地轨道,指人造卫星每圈都经过地球南北两极,可以达到覆盖全球的目的。例如:气象卫星、地球资源卫星等一些遥感卫星常用。风云四号就属于静止卫星,是我国第二代静止气象卫星,它的主要目标是:提高多通道扫描成像辐射计的时间和空间分辨分辨率及区域观测,增强对中小尺度和灾害性天气系统的检测能力;开展大气垂直探测,实现静止轨道三维遥感,为天气预报特别是数值天气预报提供大气探测参数;在静止轨道上开展闪电观测,增加对强对流天气的检测手段;开展太阳活动和空间环境监测,加强空间天气监测预警。

别看卫星们遥远地挂在天边,可是我们天天都能应用得到它的发回的科学数据。例如遥感卫星和导航卫星:我们使用GIS系统可以绘制出市政地图、勘探地形地图甚至一些特定坐标的个性化生活地图;气象卫星:我国已经初步建成一套气象立体观测系统,涵盖了“地基”、“天基”和“空基”相结合的从地面到高空,从陆地到海洋全方位、多层次地观测大气变化。通过计算机大数据“运算”出相关数据,天气预报员通过分析这些天气图和国内外数值预报产品,并研究各类天气图表,进行讨论汇总,综合分析,做出未来不同时间段的短期天气预报。当人们关注这些国家的尖端科技之时,一种自豪之情便油然而生。大家听过一首电影歌曲叫做《飞天》吗? “在星河灿烂里流连,期待着梦幻的童年。在你那边看我这边,岁月轻拂地改变。烟雨城廓茫茫人海,同此凉热共欢颜。一眼一世界一梦几千年……”星河璀璨,航天科技的发展为了圆五千年前万户飞天的梦想,似乎那天宫实验室就是人们探索太空深处的一截脚手架,而人类认识太空的历史,只不过还处于纯真的儿童阶段,他需要健步迈向更远的地方。问天,古往今来的文人墨客用诗词歌赋纵情四海,充满幻想;用诗文抒发所感所想,精心刻画眼前的景物。唐朝李白的《静夜思》:“床前明月光,疑是地上霜。”;朱自清的那篇《荷塘月色》“月光如流水一般,静静地泻在这一片叶子和花上。薄薄的青雾浮起在荷塘里。叶子和花仿佛在牛乳中洗过一样;又像笼着轻纱的梦。”诗人似乎在生活紧张的年月隐忍着淡淡愁绪,但仍然放不下对自然的矜持;我国的现代诗人徐志摩,他的一篇《泰山日出》就更富有浪漫色彩了,竟描绘出一幅美轮美奂的巅峰美景:“果然,我们初起时,天还暗沉沉的,西方是一片的铁青,东方些微有些白意,宇宙只是——如同旧词形容——一体莽莽苍苍的。但这是我一面感觉劲烈的晓寒,一面睡眠不曾十分醒豁时约略的印象。……东西南北只是平铺着弥漫的云气……”更妙的是,后半段诗人竟然使用“玫瑰汁、葡萄浆、紫荆液、玛瑙精、霜枫叶”来形容太阳照耀下的泰山层巅,真是辞藻精致,发人感慨。这些文中隐藏着新鲜有趣的形容词,言读者之不能闻,写读者之不能想。读了些许的文章,便觉得生活中有了浪漫的理由,有了大自然的元素。不过,这些描写只是诗人和作者写作时的点睛之笔,旨在通过文字传达出其真挚细腻的真实感受,文人墨客的喜怒哀乐、内心独白全赋予景色了。春有百花秋有月,夏有凉风冬有雪,四季轮回本无庸置疑,惊奇的是这些景色竟然可以和人们心意相通,任人描绘。也许远古时代的人类祖先第一次目睹的雷鸣电闪,第一次刀劈火种,已经让他们心生敬畏、歌颂起上天了吧,这是不是就是古人所说的“自然而然,道法自然”呢?

早在周代,我国祖先就提出了阴阳五行说——万物皆由金、木、水、火、土五种物质构成。《周易》中有“太极生两仪,两仪生四象,四象生八势”之说。战国时期的荀子认为:星坠日食,刮风下雨,春生夏长,是自然界的变化,自然界的变化又有一定的规律。继而人们对构成世界的物质元素展开了积极的探索和深入的讨论,古希腊的哲学家们甚至提出过:”物质是由不可分、不可辱的永恒的原子构成;原子在无限的虚空中的各个方向上运动,其互相结合、分离以及排列的次序、位置和原子形状的多样性,构成了纷繁复杂的物质世界。“这里提到的物质世界,现代科学研究发现,常见的物质是由极其微小的粒子——分子、原子构成。世间万事万物都是由原子构成,是直接构成某些物质的最小粒子。如果把分子看成球形的,一般分子的直径只有百亿分之几米,人们用肉眼和一般光学显微镜都分辨不出它们,即使100万个原子排成一排,其宽度也相当于一个头发丝的直径。就连我们自己也可以被量化成由7,000,000,000,000,000,000,000,000,000个原子构成。不过,电子显微镜可以帮助我们观察到这些分子和原子。也许我们都有这样的经历,就是周围有人喷了香水,一路上香水的味道很久也不会散去。或者在盛夏时节,公园里的花朵竞相开放,那浓郁芬芳的花香也十分扑鼻,而且还会吸引蜜蜂前来采蜜。这些有气味的分子的扩散属于空气分子的热运动,它的无规则运动属于布朗运动。再例如PM2.5级的悬浮在空气中的固体小颗粒,也属于无规则的布朗运动,而且气温越高,空气分子的热运动越剧烈。分子是古人无法感知的,但是他们可以根据每天观察到的天象气候,总结出有不同的物质,而且物质世界无时无刻在运动中,真是观察细致入微。这里有个分子扩散的小实验:使用家中吃剩的彩虹糖,整齐地摆放在盘底一圈,往盘中缓缓注入一些水等待一会,这时候大家就会发现彩虹糖的糖衣融化在水里了,并且形成颜色条浮在水上面十分好看。这个实验表明,糖果融化后,形成有颜色的糖水溶液,糖水溶液会不断的做分子运动,跟两边不同颜色的糖水接触,就会形成分子运动边界,也就是一种分子间的扩散现象。如果是热水的话,分子将更加活跃,那么扩散的速度就会越快,但是整体颜色就可能不那么整齐了。不仅是空气中有这种扩散现象,水里也有。如果将油滴进水中,油就会在水面上扩散开并形成一层薄薄的油层。通过这种方法甚至还可以计算出一个油分子的大小。看来多多观察,生活中就能发现科学知识。

由于天象与农耕时节的周期有极其紧密的契合关系,犹如天然的钟表,周而复始。于是古今中外的各国天文学家们,均有十分类似的天文工具的发明。据历史考证,早在新石器时代,我国古人对天象有了非常形象的认识,并且每个时期都会总结出更完备的观点并编制历法:两千多年前的汉代游牧民族认为,天为一个穹顶,地平坦而四方,北极是“盖笠”状的天穹的中央,日月星辰绕之旋转不息。春秋时期,鲁国的天文学家在天象观测中,观测到37次日食,其中33次已经被证明是可靠的。还测定了冬至和夏至的日期,留下了世界上关于哈雷彗星的最早记录。东汉时期的张衡,他著了一篇《张衡浑仪注》,称天如鸡蛋黄在鸡蛋内部一样,并且浮在水上。之后有一种学说叫做宣夜说,称日月星晨飘浮空中,动与静全靠“气”。我国远在周、秦记录下最早的关于星空的划分——三垣四象二十八星宿,在其划分上自成一体,三垣分为紫薇星垣、太微星垣、天市星垣。二十八星宿是把沿着黄道和赤道附近的星象划分为二十八个不同部分,每一部分为一宿;河南洛阳发现公园386-534年的星图,银河纵贯南北,波纹呈淡兰色,清晰细致。星辰为小圆形,大小不一……;公元940年,敦煌星图上赤道区域采用圆柱形投影,极区采用球面投影,与现代趋同;证绘于公元1116年的宣化星图据考,绘制方法为盖图式,图中心嵌着一面直径为35厘米的铜镜,象征天空的中心。外圈是二十八宿,最外层分布源于巴比伦的黄道十二宫;考古发现的公元1453年的北京隆福寺正觉殿的利用盖天法绘制的天文图,以半径不等的几个同心圆分别显示内、中、外和重规,还有联接内外规和二十八星宿距星的28条赤经线,现存1420颗星于上;圭表是中国最古老、最简单的天文仪器之一:表是直立在平地上的标杆或石柱,圭为正南北方向平方的尺,圭和表互相垂直,组成圭表。通过测量正午时的表影长度来推定解气和确定一回归年的长度和季节。战国时期的浑仪,主要用于天体的定位 和时间的测定。后经汉代张衡、落下闳等天文学家的改进。整个仪器分为三层,外层叫六合一,包括地平圈,子午圈和赤道圈。中层叫三辰仪,包括赤道环、黄道环、二分环、二至环,内加一个与赤道品行的天运环。最里面称四游仪,由选装的四游环和窥管组成。这两件天文仪器,由简易至复杂的设计构造,由单线条量天尺式的圭表,过渡到多维度的,嵌套式复杂工艺的浑仪,为天文仪器开辟了更广泛的测量。再以古希腊的文明成就为例:大约公元前5世纪,等同于我国北魏时期前后的古希腊国,发明建造了一种叫做“安蒂基西拉”的机器,它可以测量太阳日的一年365天、黄道十二宫、转动手柄可以显示一年中任意一天太阳月亮的确切位置,月亮的圆缺,月亮的周期,日月食的星宿以及预测下次的日月食的星星,等相关精确的天文周期,这个仪器有可能早哥白尼1400年预证实“日心说”;大约公元前3世纪,等同于我国汉代时期前后的古希腊国,发明出 “Skafion”型日晷,人们通过观察指针的影子,判断时间和日期。只是一个月被划分为22天,一天被划分为12等份;公元250年至公元350年,发明出可用于粗略计算纬度、地平线及天体高度的日晷,由三个相连的圆环组成:中间的圆环有两个独立的半圆环组成,其上刻有月份以及四个城市的名字,这四个城市分别是亚历山大港、罗得、罗马和维也纳,只以四个城市的所在纬度使用;公元1062年,等同于我国的宋代,发明的拜占庭星盘,在星形轮上刻着十二星座的名称,星形轮的指针代表十四颗星星,都是在天空中较为明亮的星星……成年累月的观察仰望,精进了理论成果,也促使科学家们发明创造出大批天文计量工具。这真如一首打油诗,正所谓:“同住地球村,共存一方天。文明通古今,科学无疆界。”

古人的关于天文方面的这些思考,为今天人们预留着巨大的探索空间,也激发着无尽的发明和实践热情。不过,古人对太空的观测,只是“举头望”。现在就让我们来看看现代科技的认识中,这些天文气象的真实面目吧!

-完-
我要评论
笑笑 2018-03-20 10:22
近期重学地理,确实发现症结必须写在这里,继续关注各位作品……
人人的天天 2018-01-24 13:20
作者旁征博引,广博涉猎,既以地理知识为主线为我们打开了气象学只是的大门,辅以历史、物理、天文,甚至文学知识,时空转换剧烈但和谐。我是理科生,从本文中既可科普到地理方面的知识,又能陶冶人文情操,另外说实话,文章中的理科方面只是也很丰富充实6666。本文内容充实且文字平易近人,很多内容适合青少年人阅读,实为科普文中的佳品。若能稍加修改分解为小篇幅科普文,或可为科普事业做一份大贡献。
木鱼 2018-01-17 13:19
写的好^_^
笑笑 2018-01-10 21:37
现在反思为什么一定要选择这一题材,内容之间的联系究竟在哪里。……
笑笑 2018-01-10 21:33
有的地方我其实不是了若指掌的感觉,总觉得这个知识不怎么明了,今日找对地方一看,恍然大悟,那字里是一槌定音啦!要怎么说认识是不断更新学习的呢。读了不吝赐教,是最宝贵的财富。
笑笑 2017-12-28 21:51
文不足甚多,盼评点。惟可及时阅读他人热文,相形见绌,莫过于此。缺图,字错,已然无法言语,见谅
笑笑 回复 笑笑 可以大家看看吧
2018-01-06 19:57 回复
冯冯 2017-12-21 17:28
写的非常用心,整体思路清晰理论扎实!必须赞一个
科普作品
以浪漫的情怀认识气象
| 目录  (共4章)
评委点评 评语汇总

这是一篇内容非常多的文章,能在几万字里塞进去这么多内容可真是不容易啊。但是这也同样存在一个问题,就是文章提到了很多知识点,却没有进一步的把它讲透彻。如果说一篇3W字浅浅地讲100个知识点的科普文,和一篇3W字深挖了3个知识点科普文相比,后者对于科普工作更具有价值。不过文章中多出引经据典,结合古诗词描科普气象,是不错的亮点。

2018-01-18 17:07 匿名 ——

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