学而时习

　　北京灾难性的暴雨牵动了许多网友的心。虽然天灾属于自然界的强大的不可抗力，但通过良好的应对措施，我们还是可以尽量降低损失的。暴雨之后，从特大降水的疏导应对到城市灾害的危机处理，已经有许多大牛侃侃而谈，因此在本文中，我想谈一下作为大城市里的个体，了解一下暴雨从何而来，并尽可能地避免直接与暴雨面对面。俗话说“防患于未然”，在城市的排水设计和灾害应对机制无法在短时间内有效提升的情况下，通过了解暴雨的“活动习性”，我们还是可以尽量避免自己在错误的时段出现在错误的地点的。

背景知识：降雨量怎么算？

　　首先，我们必须得介绍一点背景知识：降雨量是怎么定义的？你还别说，这恐怕还真必要，有朋友竟然认为“降雨量100毫米”等于“路面平均积水10厘米”——让我哭笑不得。

　　用最简单的说法，降水量等于一平方米的面积上的积水深度，比如说降雨量100毫米，等于一平方米的面积上积了10厘米深的水。不过这有一个问题：不提时间尺度的降水量，都是耍流氓，因为没人知道你说的这“多少毫米”是多长时间内下的。对于北京的夏天，一个月下100毫米其实是偏少了，但一天下100毫米则已经达到大暴雨的级别。其他常用的降雨量，主要还有“日雨量”、“24小时雨量”和“年雨量”。为了让大家对“暴雨”有个概念，简单的说，每小时10毫米的雨已经算有点大了。

特大暴雨：南方的专利？

　　在尚不知北京暴雨伤亡可观（就一场暴雨来说）、损失惨重的时候，我发现微博上有一种想法：北京这雨拿到南方沿海并不算大，南方的朋友大可以“笑而不语”。事实真是这样吗？我们不妨先来看几组比较数字：

• 2012年7月21日北京暴雨过程24小时雨量极值——460毫米 [出处]
• 1963年8月8日北京暴雨过程24小时雨量极值——464毫米 [出处]
• 广州24小时雨量极值——319.8毫米（2011年10月13-14日） [出处]
• 海口24小时雨量极值——333.6毫米（2011年10月4-5日） [出处]
• 香港日雨量极值——534.1毫米（1926年7月19日） [出处]
• 中国大陆日雨量极值——1054.7毫米（1975年8月7日，河南省方城县） [出处]
• 全球24小时雨量极值——1825毫米（1966年1月7-8日，法属留尼汪岛） [出处]
• “暴雨”的阈值——16毫米/小时或50毫米/24小时 [出处]

NOAA/NCEP再分析资料，1948年1月至2011年12月东亚可降水量月均分布（单位为千克每平方米），可以定性地看出我国南北降水的差异。

　　我们可以注意到这样一个现象：北京的最强降雨记录竟然高过南方几座城市的记录。然而，北京的年平均降雨量却仅为广州、海口和香港的1/3到1/4左右（这三座城市的年平均降雨量分别为1736.1毫米、1652.1毫米及2398.4毫米，北京仅571.8毫米）。而且，考虑到南方大多数城市都沿海、沿河而建，但北京却是一座不靠任何大型河流的内陆城市，这个区别就好像在卫生间里打翻一盆水和在客厅里打翻一盆水一样，前者还好办一些，后者就有得折腾了。所以，南方地区许多城市在短时降雨强度上，以及由此造成的排水难度上，都是不能和北京以及其他北方内陆城市相比的。

为什么北方的夏季暴雨更暴烈？

　　看了以上的数据，或许你会说：好像有bug哦。北方不是一般比较干燥嘛，为什么“不飞则已、一飞冲天”呢，风头居然能远超对暴雨习以为常的江南。

　　我们都知道杨贵妃同学喜欢吃荔枝，可当年没有什么温室大棚技术，所以只能从南方用特快专递的方式运到长安供她享用。假如当时的人们掌握现代温室技术的话，就可以“就地取材”，大量供应，杨同学也就可以吃个够了。

　　说到夏季暴雨，道理也是有点相似的。地面上的水汽远比高空中多，但一般情况下很难让这些水汽一同升到天空中去成云致雨，所以南方夏季最典型的暴雨来源就是——扮演“邮差”的台风，千里迢迢地把水汽从大洋上带过来（当然实际上是一边下一边“吃”）；北方很少有台风，但却有另外一样威力更大的武器：冷空气。一般情况下，暖空气是老老实实地呆在地面的。但如果拥有“开挂技术”的冷空气杀过来的话，由于冷空气比暖空气重，冷空气的入侵会把暖空气“抬”到高空。空气可以吸收水的量是和温度成正比的，这些暖空气本身就相对“潮湿”，被这么一抬升降温，水就全给“挤”出来了。更糟糕的是，冷空气的影响范围一般大大超过一个台风的影响范围，所以大面积的翻云覆雨的天气自然也就来了。

冷空气将暖空气“抬起”并造成降雨的示意图

冷锋和暖锋以及与之关联的气旋。夏天的冷锋南下一般不会造成明显的暖锋。

　　这就是夏天北方暴雨的原因。这样的冷暖空气遭遇战并不是每次都会带来非常糟糕的天气，但总会有一些特殊的情况出现。强冷空气直接进攻炎热已久的地区，后果肯定比较严重（比如这次北京的暴雨）；又比如冷空气在前进的过程中，由于气流的方向与暖空气中气流的方向成一较大的交角，而且冷暖空气之间并不是垂直的一堵“墙”，而是一个比较复杂的倾斜的面，因此这种复杂的环境会成为微小漩涡的温床。大多数情况下这些漩涡只能短暂存在；但在少数情况下，在气流极其强劲的地方，漩涡可以发展成一个极其强烈的微型气旋——于是龙卷就这样形成了。美国中部大平原由于地势过于平坦，小漩涡们不容易因摩擦力而消亡，因此是龙卷的重灾区；我国由于地势比较复杂多样，所以龙卷相比较来说还不至于会成为一个非常令人担心的问题。

　　或许你会想：如果冷空气直接遇到了台风，情况会如何呢？这就是1975年8月在河南发生的特大暴雨的情况：超强台风“尼娜”一路杀入河南省，遇到了北方来的强冷空气，直接卡在原地不动了，使得许多地方一天之内的降雨量就相当甚至超过一年的雨量，直接导致了气象史和水文史上最黑暗的一页。

7月21日北京时间20时地面天气图：可以看到弱冷高压（蓝色的H）盘踞在蒙古上空，低压（红色的L）位于华北上空，大致指示了冷锋的位置（但未标出）。（图像来源：韩国气象局）

7月21日20时MTSAT-2的红外卫星云图，可以看到冷锋云系东北-西南横贯华北地区，其中有几个大对流泡。蓝色箭头所指的即为影响北京的对流泡。（图像来源：日本气象厅/台湾中央气象局）

夏季暴雨生存指南

　　好了，在啰嗦完一大串背景知识之后，我们应该了解一下最实用的内容了：怎样才能尽可能有效地避开暴雨呢？

　　首先介绍的方法肯定也是最“懒”的办法：乖乖把你当地的气象部门的网页加入收藏夹吧！一般来说除了“领导风采”之外，还是有一些会随时更新的东西的。在平时，你可以用任何你喜欢的气象网站——从天气在线到QQ天气之类的——关注天气。但一旦你发现“局部有暴雨”之类的字眼时，那几天请勤快地为气象部门增加访问量吧！而且即使做梦也要记得以下这么两种符号（注：不同地区符号可能会略有不同，但基本大同小异）：

　　不知道说明文字里“6小时之内XX毫米”或者“XX级”是什么概念？别着急，气象局之所以用这些字眼是为了确保语文成绩再差的人也知道这些文字来自于气象局。不涉及任何技术用语地说，如果你看到那下雨的符号——不管它是黄的还是别的什么色的——那你还是能回家尽快回家吧。如果看到那个带着哈利波特头上那道疤的符号——也不管是什么色的，赶紧考虑找一个安全地方暂避。雷雨大风往往是和强降雨一块出现的，所以如果你不躲的话，恐怕就不是单纯成为落汤鸡那么简单了。

　　当然紧接着我必须补上一些技术解释：一般来说，蓝色信号都是某种“提前警告”，表明虽然天空中风平浪静，但危险可能就在转角。黄、橙、红色一般都是在恶劣天气“进行时”的时候发出，旨在警告恶劣天气可能会进一步升级。而且有许多地方会没有蓝色信号（比如广东就没有蓝色暴雨预警信号）。总之，若你看到蓝色信号，就最好考虑一下改变行动计划，即使外面晴空万里。如果你正好在上班或者不能马上回家，应该密切关注天空的状况以及信号级别，如果发现信号进一步升级，那最好考虑在安全的室内做长期打算。

　　这些预警信号正是设计给那些分不清淡积云和浓积云的人们的，而且在许多时候准确度还是可以的，比如北京这场暴雨，气象部门早在上午就发布了有关的预警信号。所以，在看到各色信号高挂的时候，还是暂时收起调戏气象学家的段子，认真考虑一下吧。谁也不想暴雨天堵在路上或者成为一只标准的落汤鸡的。

　　气象部门的预警信号是面对一个地区来发布的，只具备最基本的指示功能。如果你需要精确地评估自己所在地的天气情况，那最可靠的手段就是天气雷达。一般来说，恶劣天气系统移动的速度不会超过每小时几十公里，而雷达的探测范围可达300公里左右，时间频率一般也在10分钟上下。所以，如果你能熟练地判读雷达资料，那可以比较精确地判定恶劣天气到达某一个地方的时间，以及可能持续多久。这其实并不难！因为它们其实就是动态的地图而已，你可以方便地在国家气象中心的雷达数据汇总或是中国天气网的天气雷达页面找到你所在地附近雷达的实时资料（除非你住的地方比较偏远）。当然，也可以参考一下我在去年北京6·23暴雨之后写的入门文章。

　　说到这里，其实我们的“指南”也已经差不多了。说到底其实就是各位要经常关心天气，尤其是经常关心那些坐在雷达盖子下面天天苦逼刷雷达图的人是不是要“挂号令牌”，并能够杜绝“碰运气”的心理，想好各种“号令牌”下的行动步骤，并严格执行之。如今的技术还是可以让我们提前几个小时比较靠谱地摸到暴雨蛛丝马迹，要是不享受一下这个好处就实在浪费了。各位下一次看到各色牌牌，可不要再当耳边风了，或许你可能会给自己省下很多麻烦。

原文于7月22日发表在果壳网，有较大改动。

2003年多伦多的暴雪。来源：维基百科

　　这几天欧洲极寒天气过程引起了不少朋友的关注。几天前，微博上有朋友转了篇博文，标题为《北半球将进入小冰河期》，问我有何看法。我当时的回答是：“我只能说呵呵二字了…… 这个内容嘛，就相当于看某人小指比较小就断定某人发育不良……”总之，没太当回事。没想到后来各门户网站也发布了类似的报道，于是果壳网的编辑就找上门来要稿汁了。这下我就不能用“呵呵”二字打发了，这就是这篇文章的由来……

　　然而，文章是不好写的，为什么呢？因为，“槽都不知从何吐起”。打个比方，这儿有看球的朋友吧。大家可以统计一下各大门户网站的体育频道一年要出现多少次“惊世蜕变”、“N年一遇”、“XX二世”之类的词语，事实上呢？当然没有这么多惊世蜕变、N年一遇、XX二世，多数情况下只是某人恰好打入了一个关键进球而已，可能两三年后你就想不清楚他在哪个球队混了。所以关键点来了：偶然发生不等于经常发生。炒得满城风雨的“小冰河期”是否确有其事？如果你懒得往下看，想想那些个“XX二世”，心里大概就有答案了。

　　好了，首先我们要解释一下“小冰河期”是怎么一回事。其实“小冰河期”应该被称为“小冰期”(Little Ice Age)，所谓“小冰河期”可能是电影看多了的翻译者的用法（其实我没看过《冰河时代》…… 那是讲什么的？）。以下我们将严格使用“小冰期”的说法。根据美国国家航空航天局的定义，小冰期指1550年到1850年之间全球气温显著偏低的时期，与之前的中世纪暖期(Medieval Warm Period)作为比较。小冰期到底有多冷呢？说起来似乎并不夸张：比20世纪偏低不到1摄氏度，但这小数点之后的变化已经足以让海南北部的部分地区下雪了（如《琼台志》记载正德元年“冬，万州大雪”等），广州等地更是多次有平地积雪数寸乃至尺余的记载。总之，我们注意到一点：“小冰期”的重要特征，是长时间、全球范围内气温的显著下降。

过去2000年间全球平均气温的变化，来源：R. A. Rohde

　　那最近欧洲的极寒算不算“长时间大范围”呢？时间再长也就几个星期，范围再大也就小半个地球罢了，和小冰期那一连几十年全球一块遭殃的景象是没法相比的。身在北美大陆的我还可以给大家描述一个不同的场景：我们这儿可热乎着哪。我所在的城市有五大湖地区“雪城”的美誉，从每年12月到次年3月有超过5厘米的连续积雪；然而这个冬天几乎就没几天有雪的，身边的加拿大同学都连连说“这个冬天不算冬天”。北美洲东部多数地区气温也明显偏高。当然，我们还可以更严谨一些，借助科研资料定量的说明：

2000-2011年全球气温平均值与1951-1980年平均值比较。来源：NASA/GSFC

　　以上是我利用美国航空航天局戈达德宇航中心的在线工具生成的分析结果，这个东东很有意思，人人都可以玩，大家可以到 http://data.giss.nasa.gov 生成自己的分析。我们将2000-2011年全球气温平均值与1951-1980年平均值比较，可以看到大多数地方的升温在0.5-2摄氏度之间。考虑一下全球降温不到1度就可以让四季如夏的海南岛有个雪白的冬天，大家可以自己想想看这个升温的量级有多么大？

　　小冰期的成因目前尚不十分明确，主流的说法是地球轨道变化、太阳活动偏弱以及大规模火山爆发等。刨去近期内不大可能发生或者无法预料的一前一后，太阳活动偏弱是最可能和所谓的“新小冰期说”挂上钩的：不错，历史上的“蒙德极小”(Maunder Minimum)的确对应着1645-1715年的极寒期，即将到来的2013-2014年太阳极大年比预期到得偏晚，活动预计也偏弱。但别忘了，“同时发生不代表相互联系”，目前人类对太阳活动是如何变化的、以及它对与地球气候变化有何关联等问题仍然不十分清楚，科学家们对此也有持不同意见的（诸如 Miller et al. 2012），我们更无法预测未来三五十年是不是会出现下一个蒙德极小。

17世纪至今太阳黑子数的变化。来源：Hoyt & Schatten 1998, Solar Physics

　　文章的结尾，我就直接拿那几篇文章动刀，逐条吐槽了：

整个北半球正在遭遇严寒考验，从亚洲的日韩到欧洲的英法，寒流正横扫欧亚大陆……

　　应该说“除了北美洲以外的整个北半球”…… 不过北半球也就三个大洲吧？除去偏南的非洲之外。

美国媒体报道说，气象专家指出北半球严寒只是全球天气变冷的开端，这样的冷天可能会持续20年至30年。英国《每日邮报》称，今年的寒冬显示“小冰河期已来临”。

　　《每日邮报》的原文应该是这篇：http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2093264/Forget-global-warming--Cycle-25-need-worry-NASA-scientists-right-Thames-freezing-again.html。里面的句子是“...suggest that we could even be heading for a mini ice age...”——显然，翻译者直接忽略了could和even这两个表不确定的词。对于啃不动英文的读者，这两个词的意思是“甚至可能”——比如我可以说 you could even win $1,000,000,000 lottery tomorrow ——“你明天甚至可能能赢十亿美金的彩票”——我想这下，不少人倒是很希望能忽略“甚至可能”这几个字。

寒流狂袭，英国或成南极…… 日本遭遇严寒56人丧生…… 中国，春节前后，位于内蒙古东北部的牙克石市持续遭遇极寒天气侵袭，最低温度始终保持在零下40℃以下……

　　冬天很冷这不挺正常嘛。我去年到内蒙古东北部的时候每天最低也是零下四十六七度。有没有这一带的朋友来说说，零下四十多度在你们那算非常异常吗？

新加坡《联合早报》报道称，北半球遭遇寒冬，并非是全球变冷，而是因为北半球出现了气象颠倒的情况，这种情况是北极磁场震荡造成的。报道解释称，北极上空的大气压力会出现两种极端变化，直接影响北半球出现暖冬或寒冬。

　　这读起来简直太让人哭笑不得了…… 的确，有时人们会觉得加个什么“磁场”之类的词语会让文章看起来更新潮些…… 然而，这和所谓北极磁场毫无关系：《联合早报》本身要提到的显然是“北极震荡”(Arctic Oscillation)。这又是什么？各位读者别害怕，这只是描述一个特别简单的现象，那就是如果北极气压高，北半球中纬度气压就低，反过来也一样。研究表明，这个简单的现象和北半球冬季气候存在关联：北极震荡处于正相位的时候，北美偏暖，欧洲偏冷；反过来则是北美偏冷，欧洲偏暖。今年冬天北极震荡指数超过+2，是1990年以来冬天最高值，所以我们注意到现在的天气和这一点符合得挺好。

1950-2012年北极震荡指数的月变化。来源：国家环境预报中心(NOAA/NCEP)

而此前有科学家预计2012年太阳会面临非常强烈的活跃期，这将影响到地球磁场变化，甚至出现地球磁场偏转或者转移。

　　太阳活动的确会影响到地球磁场，但没人知道它是否能让地球磁场反转…… 什么？你知道？来来来，过来读六年PhD先吧。如果读完你还确信自己知道，将结果发表出来并得到公认，那当然将是中国科学界的幸事！——我这没说反话呢，努力学习是永远不变的主题嘛。

《每日邮报》说，根据科罗拉多州美国国家冰雪资料中心的资料，自2007年以来，北极夏天的海冰增加了近106万平方公里，也就是26%，即便是大力倡议防止全球变暖的人士也未反驳这一点。

　　你拿1000块钱去炒股，亏得只剩下500块钱，然后牛市里你又挣了26%也就是630块钱，但本质上还是亏了超过三分之一，这个说法没错吧。于是我们直接拿国家冰雪资料中心的数据看看，事情就很清楚了：

2007-2012年夏秋季北冰洋海冰面积。来源：国家冰雪资料中心(NSIDC)

　　的确，这几年北冰洋最小海冰面积的确增加了一些，但比起1979-2000年的平均值仍然缩小了三分之一左右。

今年冬季，北极震荡指数出现负值，北极上空出现高气压，寒带喷射气流都被挤压到比以往更远的南部地区，造成美国、欧洲和中国出现寒冬。……北极震荡同全球变暖或全球变冷都没有关系。唯一可以肯定的是，它不是第一次出现。

　　我就不解释寒带喷射气流是个什么东西了…… 首先如同上图所显示的，今年北极震荡指数可是个大大的正值，北极震荡也已经被证明和北半球区域性气候存在相关性。此外什么叫北极震荡不是第一次出现？这可是个必然会在那里的东西啊。有兴趣的学术型读者，可以去读有关北极震荡的经典论文：Thompson & Wallace 1998, JGR。

　　显然，会有不少对2012末日论不明就里的同学会将欧亚严寒与2012末日论联系起来…… 在我看来，这大概就将一个喷嚏与各种各样可怕的呼吸道疾病（从非典到猪流感，诸如此类）联系起来一样荒谬。于是乎，我在这里请大家欣赏小提琴家A. Igudesman的《猪流感波尔卡》作为结尾吧。

按：与电动力学火拼之后，终于可以腾出时间来阅读四个月来导师塞来的一叠论文了，其中有一份2005年比利时“雷达流星交流会”的学习材料，由若干篇短小的综述组成，共计130页，比较全面地介绍了流星、尤其是雷达流星方面的理论入门，有些内容还是蛮有意思的，于是我决定学习的同时也将笔记记在博客上，供有兴趣的朋友参考。

流星带(meteor stream)基础理论

讲师：Oleg I. Belkovich

　　每一流星雨都来自于某一特定的流星带（英文meteor swarm或meteor stream，国内似未有标准译法，有翻译为“流星群”的，但个人认为不妥，故译为“流星带”），这便是我们讨论的出发点。流星带系由其母体喷洒出的微粒组成的带状微粒流，在与母体相似的轨道上围绕太阳运转。若流星带与地球轨道相交，则地球在穿过流星带时，部分微粒会落入大气层中形成流星，由于其速度矢量几乎完全一致，在地面观测者看来便是反向延长线交于同一点（严格来说是一个比较小的区域）的流星雨现象。

　　即使是一般大众也知道流星有亮暗之分，不同流星雨的亮暗比例也有所不同。简单来说，亮流星对应大颗粒，暗流星对应小颗粒。大小颗粒在流星带中是不是随机分布的呢？非也。于是我们要涉及到第一个物理概念：坡印廷-罗伯逊效应(Poynting-Robertson effect)。

　　看到坡印廷的名字立即让我想到电磁学里的坡印廷矢量。不错，这个效应和坡印廷矢量（或者说是能流矢量）有关，但理解起来还是挺容易的。我们在雨中骑车的时候，理论上雨滴是会对我们造成阻力的（当然这个阻力比空气阻力小太多了，可以忽略不计，除非雨特别大）。在真空的宇宙中，自然不会有空气阻力，但来自太阳的电磁波这时造成了另一种阻力，使得在轨道上运动的物体的角动量略微减小。对于大的物体，比如行星、宇宙飞船等，这一效应可以忽略不计；但对于微粒来说，这一效应就比较明显了。因此可以显然做出一个定性的推断：对越小的微粒，这一效应就越明显。坡印廷-罗伯逊效应的强度可以用以下公式表示：

其中代表物体的受力，代表颗粒物直径，代表太阳光度，代表太阳质量，代表颗粒物的轨道半径，和分别代表万有引力常数和光速。可以看出，与成正比。对于上述公式的详细推导可以参阅 Guess (1962, ApJ, 135, 855) 。

　　由于万有引力是与成正比，可以证明对于小的物体而言，更为显著。同时与成正比，与万有引力定律比较可以注意到，在较小时的效应会更显著。由于角动量守恒，这一效应将使得颗粒的轨道偏心率变小。因此，坡印廷-罗伯逊效应的结果是：流星云会变得越来越“弥散”，外围是较大的颗粒物，而内侧则是较小的颗粒物，地球可能可以在短时间内（比如几天之内）分别穿过较大和较小颗粒物占多数的部分。如果流星带具有一定的倾角，那倾角较高的是较大的颗粒物，倾角较底的是较小的颗粒物；对于这种情况，地球可能只能穿过流星带中，某一直径的颗粒较多的部分；因为其他直径颗粒在“上面”（或者下面）。

　　很好。现在我们知道颗粒物是有大有小的，而且它们并不是随机分布的；换句话说，当地球穿越某一流星带的时候，不同直径的颗粒物的数量比并不是一成不变的，更不要说不同流星带之间的差异了。总之，为了能构造一个流星带模型出来，我们首先需要的就是不同直径的颗粒物的数量比。回忆微积分里定义某个参量的办法，我们将定义质量比定义如下：设微粒的质量分布函数为质量介于和之间的微粒数与成正比。因此，直径大于的颗粒的数量可以通过以下算式得出：

　　由于微粒的数目显然和流星流量密度定义相同，因此

其中代表质量在之间的微粒的流量密度。通过取对数消去指数项，可以注意到和呈线性关系，其斜率为。这对于以后的讨论很有益。

　　然而，实际观测中用的并不多，较常用的是星等（对于目视观测）或者电子线密度（对于雷达观测）。在目视观测中，（注意这里的不能和常用的质量、半径混淆）被定义为族群指数(population index)，意为每增加一个星等，流星增加的倍数。根据 Koschack & Rendtel (1990, WGN, 18, 118) 的结果，之间的关系为

其中系数2.3是普森公式的2.5乘上一个经验系数得来。