「觀雲識天」的故事：雲和天氣的那些事兒
雲和天氣的那些事兒
在全球各地也時常會出現形狀奇特的云：滾軸雲、帽子云、波浪雲、UFO著陸雲……它們有的宛如長蛇，橫卧天際；有的薄如羽毛，輕盈柔軟；有的美如油畫，色彩絢麗……千姿百態，讓人驚嘆不已。那麼，這些形狀奇特的雲是怎樣形成的呢？
卷積云：卷積雲出現時，高空狀態不穩定，這種雲如若加厚，天氣可能會變差。中國氣象局氣象探測中心提供
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看雲捲雲舒，垂直上升運動不可少
雲就像個淘氣的孩子，剛才還在你頭頂上空，一會兒功夫就不見了；抑或像個魔術師，搖身一變，成了其他模樣。是什麼氣象因素讓雲變得如此「調皮」呢？中央氣象台預報員楊舒楠說：「溫度、濕度、氣壓都會對雲的形態造成影響，而垂直上升運功和水平風是雲形態多變的主要原因。」
萬變不離其宗，在普通人看來形狀各異的雲，在專家眼裡，分為三種：積狀雲、層狀雲和波狀雲，它們皆因垂直上升運動而形成。積狀雲是大氣對流的產物，這種雲底部平坦，頂部凸起。積狀雲發展旺盛就會形成高大雲山，雷暴天氣就可能發生了。「如果遇到鋒面、氣旋或者地形，氣流緩慢抬升，那就形成層狀雲了。」楊舒楠說道。層狀雲通常是灰濛濛布滿全天的樣子，常伴有連綿陰雨天氣。波狀雲的樣子如水紋一般，它是大氣的波動、湍流和輻射冷卻形成的。
水平風也會「打造」出各式各樣的雲。它就像一把大風扇，左邊扇右邊吹，不一會兒，一朵樣貌姣好的雲就形成了。「比如積狀雲，頂部叫雲砧，就是被風吹地往前伸的結果。」楊舒楠說。
碎積云：雲體一般較小，比較零散地分布在天空之中。天上出現碎積雲，表明中低空氣層比較穩定，天氣晴好。中國氣象局氣象探測中心提供
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看雲識天氣，需因地制宜
以耕地為生的農民懂得雲，他們根據云的形狀、移速、厚薄、顏色等特點判斷天氣趨勢，總結出看雲識天氣的經驗，並通過諺語代代流傳。「西北天開鎖，明朝大太陽。」「滿天亂飛雲，雨雪下不停。」「棉花雲，雨快淋。」
看雲識天氣在一定意義上能夠表徵將來天氣的變化。楊舒楠介紹，當雲按照一個系統發展變化時，看雲識天氣是比較準確的。「比如你先看到了捲雲，接著又看到了卷層雲、高層雲，雲量越來越多，雲底高度越來越低，這時候就意味著要下雨。」楊舒楠說。
當然，看雲識天氣也不是百發百中。雲自身演變時的偶發因素，地域差異，地形條件都會使這種經驗預報法失靈。楊舒楠建議，看雲識天氣需結合當地的氣候特徵，再進行判斷。
地形云：由於地形抬升形成的雲，如若在冷鋒入境時可能預示著雨雪天氣即將出現，其他多數時間預示著晴好天氣。中國氣象局氣象探測中心提供
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預報員「看」雲，衛星雲圖上陣
天氣預報員當然也「看」雲，不過他們的視角與老農截然不同。他們不用眼睛直觀，而是通過分析衛星雲圖預測天氣變化。「可見光雲圖、紅外雲圖和水汽雲圖是我們現在經常使用的三種方法。」楊舒楠說。
可見光雲圖反映的是雲頂模樣和雲的厚度，紅外雲圖反映的是雲頂高度。有了厚度和高度，雲的表象就清楚了。「如果分析出雲很低又很厚，那降水的可能性就很大。」楊舒楠說，「所以雲圖反映的是我們用眼觀察不到的內部結構。」
楊舒楠介紹，從2014年開始，地面觀測只包括雲量和雲底高度，取消了人工對於雲狀的觀測。她建議，出行時最好還是多參考天氣預報。「觀雲只能預測短時天氣狀況，而且有時候雲與雲之間的形狀比較相似，判斷起來比較困難，並且雲的發展演變較快，對晴雨的預測很難達到令人滿意的程度。」
雲中玄機何人識
天空中鋪陳開來的各種形態的雲朵總會吸引人們的眼球，有的像棉花糖，有的像直立的熊，有的像羊群……面對漫天層雲，普通人似乎難以看出此中玄機。但對於「觀雲識天」的氣象工作者來說，各種雲層、雲狀，結合雲底高度都能幫助他們判斷即將出現何種天氣現象。
中國氣象局氣象探測中心地面與高空觀測室科長施麗娟告訴記者：「雲就像是天氣的『招牌』，天上掛什麼雲，就將出現什麼樣的天氣。」
按照雲的外形特徵、結構特點和雲底高度，氣象工作者將雲分為三族、十屬、二十九類。所謂的三族，即低雲、中雲和高雲。一般而言，低雲距地面600米至2000米，中雲距地面2000米至4500米，高雲距地面4500米至1萬米。大多數的雲都出現在對流層中。千百年來，觀雲識天已有規律可循。一般天空的薄雲，往往是天氣晴朗的象徵；那些低而厚密的雲層，常常是陰雨風雪的預兆。
密捲雲：這種雲出現時，高空風速較大，濕度較小，地面一般是晴好天氣，少有雨雪出現的可能性。中國氣象局氣象探測中心提供
淡積云：這是在空氣對流運動不很強盛的時候形成的積雲，它的出現表示在雲層上方出現穩定的氣層，表明在未來的幾個小時內，天氣都是不錯的。中國氣象局氣象探測中心提供
「不同形狀、雲底高度的雲，指示的天氣不同，比如說層雲（面積較大）指示的是較為穩定的大系統所帶來的天氣現象。出現這種雲時，降雨一般會呈現出連綿不絕的特點；而積雲（面積較小，較為深厚）出現代表著中小尺度天氣系統造成的降水，包括短時強降雨，甚至閃電或者冰雹等強對流天氣可能出現；如若積雲的高度大於其寬度時則屬於濃積雲，濃積雲的發展更加旺盛，如若進一步壯大就可能成為積雨雲，其下一般會有冰的結晶出現，它預示著降水將立刻出現。」施麗娟說。
雲主要是由水汽凝結液化而成的。水汽進入大氣後，由於各種原因會被慢慢地抬升，隨著高度增加，上升的水汽逐漸變冷。由於飽和水汽隨著氣溫下降而降低，原來不飽和的狀態逐步趨向飽和。如果水汽繼續被抬升到凝結高度後，這些水汽就會凝結成非常細小的小水滴，到了0℃等溫線高度以上時，還會變成小冰晶。這些小水滴和小冰晶成團地懸在空中，變成了雲。雲團發展，水滴或冰晶增大到一定的程度，就會以雨雪的形態落到地面上、湖海里，周而復始，循環不已。
由於雲與天氣現象有著密切的關係，氣象部門一直對雲進行觀測，而雲的觀測主要是依靠人工目測。觀測員會盡量選擇在能看到全部天空及地平線的開闊地點或平台觀測雲量、雲高，並且需關注云的連續演變。觀測時，如果陽光較強，觀測員要戴黑色（暗色）眼鏡進行觀測，避免太陽輻射帶來的視程障礙。觀測員目測雲高根據云塊大小、亮度、顏色、移動速度等情況，結合本地常見的雲高範圍進行估測。預報員可根據天氣系統上下游區域的雲狀、雲量和雲高來判定天氣系統類型和移動趨勢。
鬃積雨云：出現在對流發展旺盛階段，它的出現，一般預示著強對流天氣、包括雷暴、冰雹可能出現。中國氣象局氣象探測中心提供
圖為觀雲識天環節的比賽現場。賈敏攝影
據悉，在2014年之前，我國對雲高、雲量、雲狀的觀測都屬於人工目測項目，但是，由於人工觀測存在著主觀性強、不能定量、觀測不連續等缺點，自2014年1月1日起，中國氣象局取消了雲狀觀測和13種天氣現象觀測。部分台站實現雲高、能見度、降水類和視程障礙類天氣現象自動觀測。
「取消部分天氣現象觀測的主要原因是在地面氣象觀測自動化向前推進的過程中，部分觀測項目可以通過雷達、衛星等其他新型觀測手段代替。」施麗娟說，從氣象觀測的發展趨勢來看，人工觀測項目會逐漸減少，而在未來，雲高、雲量等自動觀測設備可提供實時（逐分鐘）、連續、定量化、客觀化的觀測數據，可進行雲觀測數據進入預報模式的研究和應用。
從毛髮濕度儀到「送上雲端」
—我國地面觀測儀升級換代記
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毛髮濕度表——人工觀測時代的寵兒
「我國的地面氣象觀測正在從人工器測觀測時代過渡到准自動化觀測時代，並且正在向全自動化觀測時代邁進。」中國氣象局氣象探測中心地面與高空觀測室副主任王柏林告訴記者。
在人工觀測時代，觀雲測天的儀器相對簡單，主要包括毛髮濕度表、虹吸式雨量計以及電接風向風速計等。
在木結構的儀器之中，一根固定長度的頭髮被拉得筆直。「毛髮濕度表是根據脫脂人發隨空氣濕度大小而改變長度的特性，用人發製成的測定空氣相對濕度的儀器。」王柏林說，人們發現頭髮和空氣濕度有較好的對應關係，在不同的濕度條件之下，頭髮的長度會發生細微的變化，如在即將下雨時，濕度接近飽和，頭髮就會悄然伸長。不過毛髮濕度表還是存在著10%左右的誤差。
人工測量風向風速的儀器叫做電接風向風速計，「駐紮」在十米風桿上。風杯和風向標會在自然風的作用之下發生偏轉，通過感測器將信號傳送到指示器上，而自記紙會將兩類數據記錄下來。這種簡單的觀測儀器也會出現誤差。第一種誤差的來源是控制風速和風向標的軸承，如果安裝時間較長，軸承的禁錮程度就會較強，對於風的響應比較遲鈍，此外，記錄風向風速的表筆也可能出現跳筆，導致漏記。
由於測量儀器相對落後，無形中增加了觀測員的人工操作工作量。
當然，在人工觀測時代，專業人員的「一雙慧眼」對於觀雲測天的意義不可小覷。此時，觀測員通過他們的「火眼金睛」關注著雲、能（能見度）、天（天氣現象）的變幻，這也是那時觀雲識天的主要依據。
透光高積云：類似魚鱗的白雲，一排排一列列，當強冷空氣到來時出現的一種雲層，預示近期天氣狀況不穩定。來源：中國天氣網
圖為目前使用的能見度觀測儀。中國氣象局氣象探測中心提供
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濕敏電容—准自動化時代的傑作
目前，我國正處於從准自動化到全自動化觀測的過渡期，儀器自動觀測已成地面觀測主流。測量濕度的濕敏電容、測量溫度的鉑電阻等均是這一時期的代表作。
濕敏電容是用有機高分子膜作介質的一種小型電容器，當大氣中的水汽透過上電極進入介電層，介電層吸收水汽後，會導致電容器的電容量發生變化。電容量的變化正比於相對濕度。由於儀器更加精密，演算法更科學，其誤差也從毛髮濕度表時代的10%左右降低到了4%左右。
在准自動化時代，原本應當由觀測員負責的觀雲測天工作也被儀器「搶佔」。舉例而言，原本由觀測員完成的觀雲識天已經由一種特殊的攝像鏡頭所取代。這一鏡頭一般被安裝在近地面位置上，直視天空，按照指令定時拍攝照片。軟體自動通過圖像識別的方式，計算出雲和天之間的比例，從而測算出雲量；而計算雲高是通過激光測距方式進行的。激光雲高儀將一束激光打入天空，當激光遇到雲層，就會被反射下來，通過激光的傳播速度和傳播時間，軟體便可以輸出雲層距離地面的高度。
能見度觀測的進步也是代表准自動化時代觀測科學性的「佳作」。在人工觀測時代，觀測員通過目視固定設置於離台站不同距離的物體來判斷能見度的大小，而在准自動化時代，能見度儀則承擔起這一職責，它利用氣溶膠粒子對於光線的散射作用，通過判定顆粒物的多少以及直徑大小，計算出能見度的值。
此時，觀測陣地也在悄然前移。以往，人工觀測只能在2423個國家級站點進行，在准自動化時代，觀測站點可擴展到約55000個區域性站點，甚至可到達無人區。「以往只能依靠安裝在沿海的設備獲取颱風的資料，而今，觀測儀器可以被安裝在沿海省份的無人島甚至於海面的浮標之上。」王柏林告訴記者，雖然衛星可以識別颱風的個頭大小及移動方向，但地面觀測儀卻可以直接「觸摸」颱風「身體」，獲悉颱風過境之時，風速風向、相對濕度以及氣壓有多大，這些資料對於預測颱風的強度乃至發展趨勢彌足珍貴。
「在當下，觀測人員的職責也從以往主要負責天氣現象觀測和記錄轉變為主要承擔儀器的維護和維修工作，並保證觀測數據的完整性。「王柏林說。
堡狀高積云：屬於垂直發展的積雲，雲塊較小，高度較高。中國氣象局氣象探測中心提供
莢狀高積云：又稱為豆莢雲，形成在局部升降器氣流匯合的地方。莢狀高積雲常常生成於山地或者冷鋒前後，多出現在晴朗有風的天氣條件下。中國氣象局氣象探測中心提供
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開放兼容—全自動化觀測時代的風潮
到2020年，我國將努力實現地面氣象觀測的全面自動化，此時的儀器質量又將有質的飛躍。王柏林向記者透露，「以天氣現象儀為例，它原本是通過放置於地面上的一個儀器，承接雨雪冰霜，並且通過其反光率的不同，判斷在其上覆蓋物的差別。這種方式的弊端在於其會受到天氣現象左右（包括太陽輻射量的多寡、白晝與黑夜的區別等等）。未來，氣象部門將會嘗試地表感測器測量方法，即在地下安裝感測器，向上放射光束，通過不同光束的敏感性識別地面覆蓋物的類型。」王柏林還提出，目前觀雲測天技術路線也存在欠缺之處，譬如，目前測量雲量和雲狀的設視角範圍有限，未來，中國氣象局氣象探測中心將嘗試使用雲雷達技術，對雲天進行360度「無死角」掃描，獲取更精確的信息。
「利用社會力量，擴充觀測點也是未來我們努力的方向之一。」王柏林說，目前，加上區域觀測站，我們僅有5萬多個站點，難以捕捉到小尺度天氣系統，未來，隨著氣象行業開放度進一步擴大，我們將有望吸引更多的志願者，甚至行業力量加入，於無形之中增加觀測的站點和資料，並藉助信息雲將這些氣象部門之外的觀測數據送上「雲端」，為預報人員提供更加豐富和精準的實況信息。
來源：中國氣象報
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