气象学研究什么

走出门时天空还很亮，半小时后街道却被阵雨淋湿。气象学（meteorology）想解释的不只是“云来了”，而是水从哪里来、空气为什么抬升、降水为什么落在这里，以及这些过程能提前知道多少。你不需要先学完热力学和流体力学；本书会在问题出现时介绍必要的量、单位和关系。

把“天气不好”变成可以比较的描述

大气（atmosphere）是受地球引力约束的气体包层。靠近地面的空气主要由氮气、氧气组成，水汽含量会变化，还混有液滴、冰晶和微小颗粒。液态云滴不是水蒸气：气态水通常不可见，云的白色来自小液滴或冰晶对光的散射。

描述一次天气，需要时间、位置和物理量。温度告诉我们冷热，气压描述单位面积受到的压力，湿度与水汽有关，风是空气的运动，降水量记录落到地面的水。多数日常天气发生在对流层（troposphere），其顶部高度随纬度、季节和天气而变，并不是固定的十千米。大气各层的划分主要依据温度随高度的变化。NOAA：大气分层

一个合格的记录可以是：“某地今天14时，距地面约2米的空气为28°C；14至15时累计降水4毫米。”后半句是一个小时内的累积，不能与瞬时温度混成同一种数据。站点周围的建筑、树荫、仪器安装位置也会影响测量，因此“同一城市”不保证“同一个值”。

同时认识状态、过程和尺度

状态（state）是某时刻的情况，例如温度28°C；过程（process）是变化的方式，例如日照加热地面、地面再向空气传递能量。两个地点同样28°C，下一小时可以走向完全不同：一个正在被海风降温，另一个还在日照下升温。知道一个数字，不等于知道其变化原因。

尺度（scale）指研究的空间范围与时间长度。树旁的阵风可能持续几秒，一片雷雨云可演变数十分钟，大范围冷空气影响常持续数日。它们相互作用，但不能拿一个尺度的经验不加检查地套到另一个尺度。例如街角的局地阵风，不足以直接证明整个地区的盛行风已改变。

天气与气候不是互相竞争的解释

天气（weather）描述具体时地的大气状态；气候（climate）关注长期统计，包括平均值、季节变化、变率和极端情况。常用气候平均期为30年，但“气候”不只是把所有数据压成一个平均数。假设两个地方某月平均温度都是20°C，一个每天接近20°C，另一个在10°C与30°C间波动，生活体验和风险明显不同。NOAA NCEI：天气与气候

常见误解： 一天很冷不能单独否定长期增暖，一天很热也不能单独建立长期趋势。比较趋势需要同类观测、足够长的记录，并检查仪器与环境的变化。

观测不是预报，模型不是动画

观测（observation）提供大气已经留下的证据；预报（forecast）估计未来。数值模型（numerical model）把物理关系写成计算规则，以观测估计的当前状态为起点，再逐步推演。地图上的平滑颜色只是结果的表达，不能凭画面精细程度判断预报可靠性。本书的互动实验更简单：一次只改变少量条件，帮助看清因果，不输出真实天气。Met Office：建模系统

自检：这句话少了什么

“这里降水10毫米，所以现在雨很大。”这项推断是否充分？请补充至少两项信息，再说明“这个月比常年湿”与“今天下雨”有什么区别。

展开答案

需要知道累计的起止时间与覆盖位置，还要确认是实测还是预报。10毫米可以集中在短时间，也可以分散在一天，现在甚至可能已停雨。月尺度异常要与可比的长期月统计比较；今天下雨只描述一次天气。先说清量的定义，才有讨论原因的基础。

继续：单位、比例与模型。