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空中课堂:气象知识之云吸

作者:翱翔欧洲 匿名蛙 
文章附图

喜欢飞的离云底很近的人,常可能会经历强烈的上升,消高也无济于事,一直上升,甚至升到云里。。大家都把这种现象叫"云吸"。好像是被云"吸"住了一样,很难逃离,很形象。


但这真的是因为云会像吸尘器一样会吸,所以飞行员才快速上升,不能逃离吗?


并不是!


我们学的传统气象学里说:"气流干绝热上升,每上升100米,温度下降1度。等气流上升到结露点,在形成朵云的同时,气态水通过结露释放能量。云中气流湿绝热继续上升,并进一步被冷却,每上升100米降低0.65度。这个过程如同气流加速器一样,使得气流在云里上升更快,并因此拉动云下面更多的空气跟进, 所以就产生了可以达到云底的"抽吸"效果...   "


很多人对这个解释深信不疑。很可惜,传统气象学的这个解释却跟物理运动的基本原则相悖!



为什么?


我们知道,空气是有质量的。云要将下面的空气吸上去,要做的功是很多的。如果要吸,至少先会把同一高度的周围空气吸进去。因为这要比克服重力,把下面的沉重的空气吸上去容易的多,这是物理运动的一般规则。


除非云周围有一个像管子一样的东西,把云给套住,那它才会被迫从下往上吸。但是我们知道,云的四周是全开放的,它并没有这根"管子"。

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图1:云的周围并没有管子。


在一般的,没有过度发展的积云下面,有时确实会形成强烈的上升,但这个上升却并非是因为云在往上"吸"的结果


既然云不是在"吸",那积云下有时出现的强上升到底是怎么产生的呢?


这里有一个常被传统气象学忽视的重要因素: 空气湿度


传统气象学常强调温度:空气团温度越高,越膨胀,所以密度越低,因此更轻,所以它会上升。


但是对于湿度而言,其实也有同样的效果:同等体积内潮湿的空气越多,那么这团气体的密度也会降低,因此它也会更轻,并上升。(因为,气态水占据了空气中一部分氧气的位置,而水H2O的分子量要比氧气O2的分子量小的多)


现代热气流学强调:气流泡会保持上升,直到其密度比其周围空气密度更小时停止。


根据现代热气流理论如果需要让气流在到达云下面的区域时能被加强,那它必须要跟这个区域的空气有很大的密度梯度才行。


密度梯度(气流本身密度和其周围空气密度的差值)越大,那么气流就会上升的越猛,反之则弱。


密度梯度气流升力

升力强

升力弱

表1. 密度梯度:气流空气密度和其周围空气密度的差量


我们知道,气流从地面上来,本身会带一定的湿度,密度较小。也就是说,当气流到达云下面的时候,云下面的空气密度必须比气流密度更大,才能产生大的密度梯度。这时必须有干燥的空气(干燥的空气密度更大)涌入云下方位置,才能加强气流的上升!


那么问题来了, 干燥的空气怎么才可以跑到云下面去呢?


干燥空气涌入云下方的幕后推手其实就是云朵本身。如果积云因为对流垂直向上发展,其周边空气会相反向下运动,这个下行风可以达到云底以下。下行风会带着云底以上的空气性质流向下方。


综上可以简单说云吸并非云真的在"吸",而是由于顺着云周围下行的高空干燥空气,使得云下相对潮湿的,密度更小的气流升力得到了加强!



所以,说云是爱"吸"的瘾君子,实在是冤枉了它,因为它确实不会吸啊。。。





如何判断高空空气干湿度?


判断高空空气的干湿度通常可以通过两个方法:


方法一:大气温度图


这个图很多气象App里都有。它分别用纵横坐标标识了高度温度,里面通常有两条线:


一条是温度线,标识着空气温度随着高度变化的变化情况。

另一条线是露温度线,标识着结露点随着高度变化而变化的情况。


两条线的间距代表了空气相对湿度。"两线间距越小,说明空气越潮湿,两线间距越大,说明空气越干燥"


要知道高空(云底以上)空气的干湿度性质,可以通过云低以上两线间距大小来判断。


画几副小图说明:

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图2:云底以上两线间距大,高空空气干燥。云底以下两线间距比云底以上两线间距小。说明云底上空气比云底下空气更干燥。


图2中,云底以上,温度线和结露线间距很大,意味着高空空气相对干燥。这时候,云底以上干燥的空气会被云周边的下行风带到云底部。从地面来的潮湿气流达到云底部的时候,遇到上面下来的高空干燥空气,气流的上升得到了进一步加强,从而继续强烈上升


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图3:云底以上两线间距小,高空空气相对潮湿。云底以下两线间距比云底以上两线间距大,说明云底以下空气比云底以上空气更加干燥。


相反,图3中,云底以上,温度线和结露线间距很小,意味着高空空气相对潮湿。这时候,云底以上相对潮湿的空气会被云周边的下行风带到云底。潮湿的气流达到云底下面的时候,遇到更加潮湿的空气,所以不会向图2中那样被进一步加强,气流上升会被缓冲。


以上两种情况,正说明了为什么有的日子里,积云下面会"吸力"很强,但有时候却并非如此。


积云"吸力"强的日子里,云底之上的空气要比云底之下空气干燥的多。表现在大气温表中:云底之上两线间距明显会比云底之下两线间距要更大。这样的日子里,要对积云保持敬畏,不要靠的太近。


大气温度图在很多滑翔伞书籍中都有介绍,推荐查阅Burkhard Martens写的《热气流飞行》一书。



方法二:观察


"如果云底以下空气更呈现蒸发态的浑浊状况,而云上却是清澈湛蓝的天空,那么就预示着高空空气更加干燥!这种天气里,必须和积云保持必要的距离,避免被"吸"!"


这是两个基本,但却十分有效的方法,对于每个飞行员来说,都是必须掌握的知识。



如何避免被吸?


在英国飞行员Kelly Farina写了一本书叫《Matering Paragliding》,里面提到一个45度规则。简单总结一下:


"只要从自己所处的位置向云的边缘瞄准在45度角度时,就应该开始向云边飞逃离,这样刚好能在到达云底高度的时候逃离云下方。"


画一小图说明一下: 如果云的直径是400米,那么大约离云底200米高度时就要开始飞离。

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图4:45度规则。


这个45度规则之后的数学逻辑大概是这样的:


"在气流活跃的日子里我们常常会带着点刹车飞,这样的飞行方式能产生大约 8 米/秒的水平速度。假如我们现在处于云下一个8 米/秒的上升中,这两个运动速度刚好是一比一。两个方向的合向将是真正的飞行轨迹,这个轨迹刚好是45度斜上朝着云朵边缘。"


即使上升强到8米每秒的强上升情况下,只要在飞行中时刻注意保持这个角度不小于45度,一般都可以逃离。当然,现实情况中会遇到大于8米每秒的上升。所以凯利的这个45度规则,是一个参考值。


飞的离云近,是件很酷的事情,但却非常危险。在德国飞云是明确被禁止的。对于目视飞行,要求水平云距离至少保持1.5公里,垂直运距至少300米。这里面还有细分,也不是中国的标准,所以就不展开讲了,就只当是为大家提供一些参考吧。

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最后


关于云吸这件事情,说云是在"吸",也是个很形象的说法,但说无妨。但是要知道其本质并非是云在吸,否则就大错特错了。


当然,也有例外:雷暴云(cumulonimbus clouds)外围的下行风可能会强大到可以隔离部分空气从四周流入云中,以至于能在其周围形成一个无形的套子,起到套住云的作用。这时候,在雷暴云下面是真的可以聚集抽吸的效应。被它吸住,那基本就是该做人生中最后一次祈祷的时候。

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图6:雷暴云是极端的云种,一般由积云过度发展形成。


但是,雷暴云这种极端的云,并非突然而至,也并非积云这么常见。别说滑翔伞,就是民航大飞机,看到雷暴云也会绕道而行,谁会去惹它呢?尽管历史上确实发生过极个别被吸入雷暴云的飞行员,但作者认为,对于雷暴云的,丝毫不应心存侥幸心理,应对气象充满敬畏,安全飞行。。。