第3章 草原氣候 林雨莊編譯
為什麼有季節?
冬天寒冷，夏天溫暖。在世界某些地區，全年的溫度變化不大，但冬天乾燥，夏天潮濕。這些變化標誌著季節，但是為什麼我們根本沒有季節呢？
夏季與冬季不同，因為地球繞著與垂直線傾斜約23.45 ° 的軸旋轉。想像一下，地球繞太陽公轉的軌跡標誌著平盤的邊緣。這盤被稱為黃道平面，因為只有出現太陽和月亮的日蝕時月球越過它。如果地球“ 旋轉軸傾斜成直角的黃道面，太陽將直接一年中的每一天是赤道上空。由於軸傾斜，但是，也有在一年只有兩天- 年3月20 - 21和22年9月- 23 - 當太陽直射赤道上空。在一年中的其他每一天，陽光照射到一個半球比另一個照射的更多。
該圖顯示了地球的指示地球方向箭頭軌道路徑“ 運動市場地球在其軌道上的四個位置，12月，三月，六月，九月。旋轉軸，通過全球，連接南北兩極，傾斜相對於地球' s軌道路徑。陽光穿過黃道平面。在12月，南半球的照明量大於北半球的照明量。北極處於陰影中，但南極已完全點亮。到了6月，情況發生了逆轉，北半球獲得了更多的陽光。在三月和九月，兩個半球的照明效果相同。這些差異在南北兩極附近最為明顯。儘管太陽只有兩天直接在頭頂上，但是靠近赤道的地方一年四季都被完全照亮。
從赤道表面的某個位置看，中午太陽在天空中的高度會發生變化。在達到最低中午高度後觀察到，每天的太陽要高一點，直到中午直接在頭頂的那一天。第二天，它並不是很高- 它已經移到另一個半球。之後，這每一天是有點低，中午直至達到最低點，之後將太陽每天升起更高一點- 它返回。
當不是直接在赤道上方時，正午太陽在與赤道相距一段距離的點上方直接。每年的6月21日至22日，太陽正好在北緯23.45 ° N 上方，這是標記北回歸線的緯度線。每年的12月22日至23日，其頭頂溫度為23.45 ° S，這是摩ri座的熱帶。這些日期被稱為冬至，而熱帶地區由於軸向傾斜而存在。
英文單詞day有兩個含義，第一天是地球完成繞其自身軸自轉的時間長度- 從午夜到午夜，或者從中午到中午。從這個意義上講，一個太陽日是86400秒，以太陽返回天空中特定位置所花費的時間來衡量。如果相對於固定恆星的位置進行測量，則稱為恆星天，它是86,164秒。這聽起來可能令人困惑，但至少總的思路很清楚：一天是地球繞其軸完成一圈的時間。
白天與夜晚相反。換句話說，這是黎明到日落之間的時間，即白天。“ 天”一詞的含義與第一個完全不同。影響這種一天的時長的條件使夏季和冬季有所不同。
由於地球傾斜的“ 軸傾斜這種長度” 天“ 根據緯度和一年中的時間而變化。一年中的每一天，太陽在赤道上方停留12.07小時，在地平線以下停留11.93小時。在紐約市，北緯40.72 ° N，太陽是地平線夏至15.1小時以上- 仲夏節- 但在冬至日只有9.9小時- 冬至。緯度越高，差異變得越極端。在格陵蘭島的卡納哥(Qaanaaq)，北緯76.55 ° ，人們在夏至時享有完整的24小時陽光，因為這裡有永晝與永夜。北極圈和南極圈標記的緯度是一年中有一天太陽沒有下沉到地平線以下，而另一天太陽沒有升出以上地平線。它們是在66.55 ° N和66.55 ° S和，如該圖所示，他們和他們的位置是由地球的角度來確定軸向傾斜。極點為90 ° ，北極圈和南極圈為90 °– 23.45 ° =
66.55 ° 。
在3月20日至21日和9月22日至23日，當太陽位於赤道正上方時，世界各地恰好有12個小時的白天和12個小時的黑暗。這些日期稱為春分點。
不論白天的長度，而太陽光在地面上放光，地球表面吸收它的溫暖。隨著溫度的升高，地面使旁邊的空氣變暖，並且溫暖向上擴散。到了晚上，地面失去了溫暖，向天空輻射，溫度下降。因此，在很大程度上取決於日光和黑暗的持續時間。例如，如果白天的時間多於黑暗的時間，則地面吸收熱量的時間多於失去熱量的時間。每天晚上降溫，但降溫幅度不及前一天晚上。地面以及地面上方的空氣一直在逐漸變暖，春天變成夏天。另一方面，當黑暗的時間多於白天的時間時，地面和空氣變涼，而冬季臨近。隨著距赤道距離的增加，這些變化(季節)變得更加明顯。在熱帶地區，夏季和冬季溫度之間的差異比下午和黎明之前的溫度差異小。
圖3-1 季節 由於地球自轉軸相對於黃道平面是傾斜的，因此在6月份，北半球更多的地區直接面對太陽，而南半球的更多地區在12月份面向太陽。這種變化產生了季節。
氣候如何分類
縱觀歷史，人們一直在設計將氣候歸類的方法。希臘人將地球划分為每個半球的三個氣候帶，這取決於太陽在地平線上方的高度。炎熱的地區位於北回歸線和南回歸線之間，寒冷的地區位於高於北極圈和南極圈的緯度上，而溫帶則位於兩者之間。今天，我們仍在談論溫帶區，但不再使用術語“熱帶torrid zone”和“ 極地frigid zone”。
在19世紀，科學家開始開發更詳細的分類。其中大多數是基於與氣候相關的植被類型。他們引入了諸如熱帶稀樹草原氣候，熱帶雨林氣候，苔原氣候，其中某些術語仍在使用。
現代分類更為詳細。它們主要有兩種類型：通用或經驗的和遺傳的。通用或經驗分類依靠乾旱和溫度來識別對植被有相似影響的氣候。遺傳分類基於大氣循環的特徵，這些特徵導致特定的氣候發生在特定的地方。
使用最廣泛的分類方案是德國氣象學家弗拉基米爾·柯本(Wladimir PeterKöppen，1846-1940年)設計的通用分類方案。柯本的分類首先將氣候分為六類：熱帶多雨(A)，乾旱(B)，溫帶多雨(C)，寒帶(北方)森林(D)，苔原(E)和永久霜凍(F) 。這些主要根據接收到的降水量進一步細分，並用其他小寫字母標識。例如，將Cfb 指定為溫和的多雨氣候，冬季氣候溫和，夏季溫暖，全年濕潤。Cwa 是冬季溫和乾燥，夏季炎熱的C型氣候。這些類別還通過其他字母來細化，這些字母表示其他因素，例如夏天的乾旱季節(s )，經常起霧(n )或全年有足夠的降水量來使植物健康生長(f )。
美國氣候學家查爾斯·索恩斯韋特(Charles Warren Thornthwaite，1897-1963年)設計了另一種廣泛使用的通用系統。根據計算可用於植物的降水比例以及溫度對植物生長的影響，它將氣候分為九個水分省和九個溫度省。這些導致了降水效率指數和溫度效率指數，它們被結合起來以指示潛在的蒸散量—Thornthwaite引入了一個概念。當包括所有變化時，該分類系統可以識別32種氣候類型，並用代號和數字進行標識。
大陸和海洋氣候
草原位於大陸內部深處，那裡的氣候相當乾燥。熱帶草原氣候冬季乾燥炎熱，平均溫度從不低於18 ° C。這組條件稱為柯本K ö ppen分類。溫帶草原一年四季都有足夠的降水來生長健康的植物。在某些地區，夏季平均溫度約為22 ° C，在其他地區，夏季則涼爽，但每年至少四個月的平均溫度高於10 ° C。在柯本K ö ppen方案，這些氣候標記為CAF，DAF，和DBF。它們都是大陸性氣候。
氣候分類可能變得非常詳細和極其複雜，但是有一個主要且非常簡單的區別定義了兩種截然不同的氣候類型：海洋性和大陸性。
氣候和天氣是具有不同含義的單詞。由於天氣每天和每個季節都有所不同，因此某個地方的氣候在任何特定日期可能都不明顯。例如，去撒哈拉沙漠的遊客可能會在數月來第一次下雨的那天到達，但是得出撒哈拉沙漠氣候潮濕的結論是完全錯誤的。一個地方的氣候隨著時間的流逝而展現出來。
氣候是多年來持續且平均的天氣。天氣包括我們每天都在經歷的條件- 溫暖或涼爽，潮濕或乾燥，平靜或多風。
雲、雨、雪、風以及構成我們天氣的所有其他因素是由於空氣中發生的事件而導致的。想像一下北大西洋上空的空氣。底部的空氣與海洋表面接觸，熱量在空氣和水之間傳遞。如果空氣很熱，與冷海接觸會降低溫度，如果空氣很冷，與較熱的水接觸會升高溫度。同時，海水蒸發到空氣中。空氣運動使空氣混合，因此一段時間後，海洋上任何地方的任何特定高度的空氣都處於大致相同的溫度和壓力下，並包含相同量的水蒸氣。海洋上空空氣潮濕，而且非常熱也不很冷。
覆蓋海洋或大陸的大量空氣被稱為空氣團。如果它覆蓋了海洋，那就是海上空氣團。空氣團不會保持靜止。它們由盛行的風攜帶，當海上空氣團越過海岸時，會帶來溫和潮濕的天氣條件。一年一度的溫度範圍- 在某一年的最高和最低溫度之差- 相當小，降雨或降雪每個月。西雅圖的氣候是由空氣產生的，這種空氣橫越太平洋並盛行西風。最暖和最冷月份的平均溫度之差為13 ° C，年平均降雨量為838 mm，西雅圖是海洋氣候。
隨著空氣質量繼續穿越整個大陸，其特徵逐漸改變。由於空氣穿過陸地而不是海洋，因此蒸發到水中的水分較少，而且一點一點地流失的空氣中損失的大部分水分都積聚在海洋上。空氣變得更乾燥，因此引入了乾燥的天氣。空氣溫度也會隨著空氣質量在陸地上移動而發生變化。春季和夏季，陸地的升溫速度比海洋快得多，而秋季和冬季，陸地的降溫速度更快。與陸地表面的接觸使夏天的空氣比保持在海洋上的空氣要溫暖得多，而在冬天則要冷得多。海洋氣團已成為大陸氣團。
大陸氣團攜帶產生大陸性氣候的天氣條件。大陸性氣候的年度溫度範圍寬，降雨量少。內布拉斯加州的奧馬哈市為大陸性氣候，奧馬哈的年溫度範圍是30.5 ° C)，平均降雨量是737 mm。
儘管奧馬哈有大陸性氣候，西雅圖是海洋性氣候，但兩者都有一定的等級。氣候科學家計算出大陸性或海洋性氣候的程度。在0或更低的值表示極端海洋性氣候且100或更高表示極端大陸性氣候的尺度上，西雅圖得分32，奧馬哈得分113。
草可以忍受低降雨和大溫度範圍，但它們需要充足的陽光，不能在樹蔭下生長。樹木需要較高的降雨，並且對極端溫度的耐受性較低。因此，森林更喜歡海洋性氣候，草原佔據了大陸性氣候的大陸內部。
旱季和雨季
在溫帶地區，冬天是寒冷天氣的季節。許多熱帶地區的冬天並不寒冷。就植物而言，效果是相似的。當地面結冰時，植物無法獲得所需的水，就像它們在乾燥的土壤中找不到水一樣。因此，一個乾燥的冬天就相當於一個寒冷的冬天，就像寒冷的冬天一樣，它的發生是因為地球自轉軸的傾斜。
在晝夜平分點，太陽正好位於赤道上方，因此表面加熱得比其他任何地方都要熱。與表面接觸的空氣變熱。溫暖的空氣膨脹和上升，而來自較高緯度的較冷的空氣則以較低的高度流向赤道以取代它。上升的空氣在地面附近產生較低的大氣壓力，因為熱空氣的密度小於冷空氣，因此向下壓在地面上的空氣重量較小。赤道空氣上升到10 – 15公里的高度，並伴有從海洋和濕地中蒸發出來的水。上升的空氣冷卻，其水蒸氣凝結成雲，從而產生大雨。這就是為什麼赤道地區氣候潮濕的原因。上升的空氣移離赤道，並在兩個半球以約30 度的緯度沉降，新加坡就是標準的近赤道濕熱氣候。
當它到達地面時，空氣又熱又很乾燥，因為它在上升過程中釋放了水分，並且在下沉時絕熱地變暖。當溫度變化不涉及與周圍空氣的熱交換時，空氣絕熱地加熱或冷卻。沉降的空氣在地面上會產生較高的大氣壓，因為當空氣消退時，空氣會以較高的高度被吸入以代替空氣，從而增加了向下壓在地面上的空氣的重量。在表面處，空氣從高壓區域向外流動。這就是為什麼在兩個半球的亞熱帶地區都有一片沙漠。上升的空氣在地表產生低氣壓的帶。空氣被吸入低壓區域，產生從北半球的東北方向和從南半球的東南方向吹來的貿易風。
在英國氣象學家喬治·哈德利(George Hadley)(1685 – 1768)於1735年首次對其進行描述之後，這種垂直循環稱為哈德利細胞。該圖顯示了哈德利細胞中的空氣循環。來自北半球和南半球的貿易風在地球周圍匯聚的帶稱為熱帶匯聚區(ITCZ)。
由於地球沿著其軌道路徑繼續，地球軸向傾斜使得太陽似乎從EQUA-TOR搬走。在三月春分之後，它似乎移入了北半球，而在九月春分之後，它似乎移入了南半球。因此，這是最強烈的太陽加熱的區域- 該療法-MAL赤道- 也移動，並與它的赤道輻合帶移動。
赤道的位置隨季節在23 ° N和10 °– 15 ° S 之間變化。但是，它不是一條直線。1月，熱赤道和ITCZ都在非洲和南美上空約15 ° S，並且靠近海洋上的地理赤道。在七月，它們位於非洲上空約15 ° N，亞洲上空約25 ° N，海洋上空約5 °– 10 ° N。
冬天，ITCZ位於地理赤道的另一側。因此，在冬季半球中緯度介於30 ° 和45 ° 之間的地球那部分區域，天氣是由Hadley細胞乾燥乾燥的空氣產生的。一年的這個時候，熱帶草原的降雨很少。現在是旱季。夏季，隨著ITCZ的臨近，熱帶強降雨帶向草原的靠近，他們處於雨季。
貿易風總是吹向熱帶氣旋，但當熱帶氣旋離開赤道時，一個半球的貿易風會穿過赤道，當它們這樣做時，它們會改變方向。從上面看，風向上出現一個彎曲，貿易風被稱為信風，如圖所示。如果不是因為地球的自轉，從赤道兩側流向ITCZ的風會從正北和正南吹來。正是地球自轉使北半球的風偏右，南半球的風偏左。法國物理學家加斯帕德·科里奧利(1792-1843)在1835年發現了這一現象的原因，並被稱為科里奧利效應(簡稱CorF)。當ITCZ距赤道一定距離時，風繼續向赤道吹，但由於科里奧利效應引起的偏轉會隨著移動的空氣穿過赤道而改變方向。如果ITCZ位於北半球，南半球貿易風由科里奧利效應向左側偏轉，從赤道南面的東南方向吹來，但當它們進入北半球時，它們會轉向右側而不是左側。因此，東南風變成西南風。當ITCZ向赤道以南移動時，南半球的東北向貿易變為西北方向。貿易風相當溫和，因為科里奧利效應的大小在北極和南極最大，在赤道為零。 一年四季。由於地球的旋轉軸相對於黃道平面傾斜，因此北半球的更多部分在6月直接面對太陽，南半球的更多部分在12月面對太陽。這種變化會產生季節。
圖3-2下雨時，暴風雨往往很激烈。這是塞倫蓋蒂平原的熱帶草原上的暴雨。
圖3-3 熱帶輻合區。空氣在北半球和南半球的貿易風相遇(匯合)的地方上升。溫暖的空氣是潮濕的，隨著空氣的上升和冷卻，水蒸氣凝結而產生雲和雨。
圖3-4 信風.貿易風
從北半球的東北方向吹出，而在南半球從東南方向吹來，但是當熱帶輻合帶(ITCZ)向赤道以北移動時，南方的貿易風向南擺動，直到從西南吹來。
圖3-5灰塵碗 在最壞水土流失20世紀30年代的乾旱影響了約38.8萬平方公里在德州，紐約墨西哥，科羅拉多州，堪薩斯州和俄克拉荷馬州。這就是後來被稱為“灰塵碗”的區域。
灰塵碗
溫帶草原也生長在相當乾燥的氣候中，乾旱並不少見。世界上有些地區，包括北美大草原，每隔幾十年就會發生乾旱。在大平原上，每20 至23年就會發生一次乾旱。反复乾旱的嚴重程度各不相同。極度乾旱發生在13世紀和16世紀- 當乾旱持續了20年- 以及最近在18世紀50年代，19世紀20年代，19世紀90年代和。在1950年代，1970年代和1990年代，乾旱程度較輕。2010年代很可能會發生乾旱。
北美近代最嚴重的乾旱始於1931年，影響了堪薩斯州西南部，科羅拉多州東南部，新墨西哥州東北部和東南部以及俄克拉荷馬州和德州約38萬8,500平方公里。這就是地圖上顯示的被稱為“塵埃碗”的區域。它是受災最嚴重的地區，很大的區域遭受了乾旱，其影響十分嚴重。
乾燥成粉末，土壤從農場裡吹了出來，並把種子播種在其中。在該地區大部分地區，塵埃雲使天空變得如此黑暗，以至於中午棲息著雞。鵝和鴨在飛過灰塵時窒息而死，灰塵落在海上數百英里的船隻上。人們稱沙塵暴為“ 黑色暴風雪” ，它們在高達9 m的地方產生了表層土壤的沙丘。最大的這些雲的擴展從加拿大到德州和蒙大拿州、俄亥俄州，佔地面積達350萬平方公里。
草原草具有紮根並固持土壤的深根。草在乾旱期間死亡並枯萎，但其根部保留下來以防止土壤被吹走，將土壤顆粒保持在一起，因此它們形成了像混凝土一樣堅硬地烘烤的大塊土。當雨水回來時，草叢恢復了。
但是農民耕種了大草原。農民最初來自東部，那裡的氣候不同。農民們竭盡全力打碎土塊，並生產出可以播種小麥和其他一年生作物的土壤。1929年開始的大蕭條導致穀物價格下跌，促使農民在更大的草原上耕作以維持其收入。儘管如此，價格的持續下跌意味著到1931年最貧窮的農民已接近破產。但是，大多數農民設法生存，因為天氣有利且單產很高。在內布拉斯加州，愛荷華州和堪薩斯州，1927年至1933年的年平均降雨量比長期平均水平增加127mm。
然後降雨開始減少，並且在幾年之內年降雨量大大低於平均水平。產量下降，然後農作物開始歉收。土地被裸露了，曾經給農民帶來很多麻煩的土塊不再在那裡固定土壤。土壤沒有乾燥烘烤，而是乾燥成粉末。1931年，第一支黑色的閃電戰爆發。1932年又增加了14個，1933年又增加了38個。到1934年，風暴幾乎是連續的。科學家估計，僅在1935年，就有7.72億公噸土壤從南部平原吹走。直到1940 - 41年冬天，雨水才恢復。到那時，已有250萬人從受災的農場遷移，其中20萬人搬到了加利福尼亞。
1970年代又發生了嚴重的沙塵暴。有時塵埃雲升至3,660 m，1977年2月在科羅拉多州東部的暴風雨使每10公頃土地除去了約5公噸土壤。但是，已經吸取了教訓，這些風暴沒有沙塵暴時期那麼嚴重。如今，農民種樹以減少風的力量，並且在部分草原上重建了原生草。
季風
普通季節會產生極端條件。雨季與雨季之間最大的反差發生在亞洲南部，那裡的季節被稱為季風。
熱帶地區一年有兩個季風季節。冬季季風乾燥，夏季季風濕潤。季風季節發生在熱帶地區的許多地方，但它們與南亞特別相關。例如，位於泰國大草原上的清邁市，在10月初至4月底之間平均降雨量為190.5mm。在大多數年份，一月幾乎沒有降雨。相反，在5月至9月的雨季期間，清邁降雨889mm。台灣島南部屬於熱帶，也是受到西南季風顯著影響的地區，6至9月降雨1465mm；11至2月降雨54mm。雨季與乾旱季之豐枯比達9：1，差距懸殊，島嶼環境山高河短，冬春季水庫乾涸，經常缺水。但是台灣島北部屬於溫帶，冬季受到東北季風影響，6至9月降雨1254mm；11至2月降雨410mm。雨季與乾旱季之豐枯比僅6：4，冬春季也可能缺水，但是沒有那麼嚴重。
季風季節，即使是與亞洲形成鮮明對比的季節，也都只是雨季和雨季。由於在它們主要是由熱帶輻合帶(ITCZ)的年度遷徙的亞熱帶和熱帶的其他地區。但是，地理位置會增強對比度。
亞洲是一個廣闊的大陸，冬天，由於陸地迅速散發出夏天吸收的熱量，室內變得非常寒冷。冷而稠密的空氣遍布大面積，產生高表面壓力- 一種反旋風。空氣從高壓向外流動。空氣乾燥，不僅因為大陸內部乾燥，還因為空氣很冷，冷空氣無法容納大量水蒸氣。當空氣向南移動時，後面的空氣將其推過喜馬拉雅山脈，在那裡失去的水分仍然很少。然後，空氣消散到山脈的南部，並且這樣做，使空氣絕熱地變暖。喜馬拉雅山脈將東西向氣流分開。該部門在印度北部上空產生了另一個勝出的反旋風，並加劇了吹過整個土地的風。
海上壓力相對較低。海洋保持夏季溫暖的時間比各大洲更長，因此與水接觸的空氣變暖並上升。海洋上空升起的暖空氣被亞洲大陸的熱空氣所代替，這導致大量的水分蒸發。海上和海洋島嶼的冬季降雨量很大。
如圖所示，冬天時，ITCZ靠近赤道，最南端。在ITCZ處於這個位置時，整個南亞都位於東北風的下方，從而以相同的方向從山上吹來的風增強了。冬季季風乾燥，但並不寒冷。在11月至2月之間，泰國清邁的日間平均溫度達到29 °– 32 ° C，這是令人討厭的高溫，因為相對濕度約為96％。南台灣高雄市6月至8月，日間平均溫度也常超過32度，相對濕度是空氣中存在的水蒸氣量，占飽和空氣所需量的百分比。
泰國清邁的降雨在四月開始，偶爾有雷暴雨，季風主雨在五月初開始。然後，ITCZ向北移動，到夏季中旬，它位於喜馬拉雅山脈的北部。當它們進入北半球的熱帶地區時，由於科里奧利效應，起源於南半球的信風(貿易風)改變了方向- 該效應使移動的物體向南半球的左側和北半球的右側偏轉。東南風變為西南風，因此橫跨印度洋，阿拉伯海和孟加拉灣進入亞洲。陸地的升溫速度比海洋快，並且溫暖的空氣在陸地上空升起，產生的地表壓力較低。然後，海洋上空的壓力更高，而海洋變暖的速度更慢，因此現在空氣從海洋流向陸地，加劇了貿易風。
這種空氣是濕的，當它上升穿過山丘時，它的水蒸氣凝結成雲，產生雨水。9月是清邁最潮濕的月份，平均降雨量為9.8英寸(249mm)。但是，到10月，隨著ITCZ向南移動並且土地開始變涼，降雨開始減少。在11月，清邁通常只接受到30mm的降雨。
圖3-6 亞洲季風 在冬季季風期間，來自中亞的空氣向西南方向移動，導致南亞出現乾燥天氣。這是乾燥的東北風或冬季季風。在夏季，潮濕的空氣向東北方向流動，形成了潮濕的、西南風或夏季風。
絕熱冷卻和加熱
空氣被其上方的空氣重量壓縮。想像一下一個氣球，該氣球部分充滿了空氣，由一些失重的物質製成，該物質完全隔離了內部的空氣。無論氣球外部的溫度如何，內部空氣的溫度都保持不變。
想像一下氣球被釋放到大氣中。內部的空氣被壓縮在其上方的空氣重量(一直到大氣層頂部)和其下方的較稠密的空氣之間。
假設氣球內的空氣比其上方的空氣密度低。密集的空氣將在其下方推動，氣球將上升。隨著它的上升，到大氣層頂部的距離變小，因此上方的空氣較少，從而使氣球中的空氣受到壓力。同時，當氣球在密度較小的空氣中移動時，它從下方受到的壓力也較小。這導致氣球中的空氣膨脹。
當空氣(或任何其他氣體)膨脹時，其分子移動得更遠。空氣量保持不變，但佔據的空氣量更大。當它們分開時，分子必須“推開”其他分子。這會消耗能量，因此當空氣膨脹時，其分子會損失能量。因為它們的能量較少，所以它們移動得更慢。
當移動的分子撞擊某物時，它的某些能量會轉移到任何撞擊的物體上，並且該能量的一部分會轉化為熱量。這使被打擊物體的溫度升高了一定數量，該數量與打擊物體的分子數量及其速度有關。
在膨脹的空氣中，分子之間的距離越來越遠，因此每秒有更少的分子撞擊物體。它們的行進速度也較慢，因此打擊力較小。這意味著空氣溫度降低。隨著膨脹，空氣冷卻。
如果氣球中的空氣比下面的空氣緻密，它將下沉。隨著下沉，空氣中的壓力將增加，其體積將減小，並且其分子將獲取更多的能量。溫度會升高。
這種變暖和冷卻與氣球周圍的空氣溫度無關。這就是所謂的絕熱升溫和冷卻，暗示該空氣通過一個假想的結合元，通過該熱是無法通過包圍。
厄爾尼諾El Niño
農民依靠季風降雨，但是季風並不完全可靠。在某些年裡，他們遲到。發生這種情況時，生長期縮短，農作物減產。有時雨完全沒有到。季風降雨的失敗意味著收割失敗，甚至可能導致飢荒。
季風的不規律在1877年和1899年造成印度嚴重的飢荒。1899年的英國殖民地政府氣象局局長吉爾伯特·沃克( 1868 -1923年)試圖尋找季風季節的規律，可以預測農作物歉收。可靠的預測將使當局能夠在食品儲藏處防止飢荒。沃克未能在季風中找到任何模式，但是當他檢查了來自世界各地的詳細天氣記錄時，他發現一個地方的事件常常與遙遠地方的不同事件一致。今天，這些被稱為遠程連接。沃克特別指出，澳洲達爾文的氣壓通常較低，而塔希提島的氣壓較高，但達爾文的氣壓上升時，塔希提島的氣壓卻有所下降。一段時間之後，變化將逆轉，壓力在達爾文下降而在大溪地上升。這種變化每隔兩年到七年就發生一次。沃克稱這種變化為南方濤動。
1969年，挪威，美國氣象學家雅各布
(1897 - 1975)成為第一位科學家解釋厄爾尼諾，這是發生在熱帶太平洋的另一氣候現象。氣象學家現在知道厄爾尼諾鏈接到南方濤動事件。
在通常的情況下，南太平洋東部的高壓和西部的低壓產生的力量會加劇東南風。貿易風驅動洋流- 南赤道流- 從東向西流正南EQUA-TOR的，來自南美和向澳洲北部和印度尼西亞攜帶溫暖的表層水帶走。印度尼西亞周圍有一圈深的溫水，但在東太平洋，地表水很淺。溫暖潮濕的空氣在印度尼西亞上空升起，涼爽乾燥的空氣在東太平洋上空消退。這種循環，圖中所示，產生在西方大雨，但天氣乾燥，東部，那裡的阿塔卡馬沙漠，一個世界“ 最乾燥的沙漠，沿南美洲的太平洋沿岸地區的謊言。
南美熱帶風從東南吹來，到達西海岸時已經橫渡了大陸，在此過程中失去了水分。這就是為什麼西部沿海地區氣候乾燥。但是風有第二個作用：它們將水推離海岸。當風將地表水推離海岸時，科里奧利效應和與更深層水的摩擦力使上層水流成一圈，從而非常緩慢地吸取水以將其從海底完全取代。這稱為上升流。深水富含植物養分，這些養分沉積在海底，上升流將這些養分帶到水面附近，在那裡滋養了被稱為浮游生物的微觀動植物。浮游生物可以養活大量魚類，從而為海象和海鳥等海洋哺乳動物提供食物。
在南方濤動期間，壓力逐漸變化。隨著西方的壓力上升而東方的壓力下降，加速貿易風的力量減弱而風力減弱。在極端情況下，順風停止甚至從東南方向改變為西南方向。南赤道洋流也減弱或偶爾反轉方向。南美沿海地區開始積聚了溫水，印度尼西亞周圍的溫水池變得更淺。西部，印度尼西亞，澳洲和菲律賓的天氣條件變得更加乾燥，這些地方可能會出現乾旱。在海洋的另一側，南美洲乾旱的沿海地區傾盆大雨。
氣壓和風的變化持續了幾個月，但由此導致的天氣變化來得相當突然，通常是在12月。對於秘魯和厄瓜多的農民來說，這場降雨意味著豐收，由於它們在耶誕節前後到來，這一現象被視為聖誕禮物，被稱為“男孩”厄爾尼諾現象。然而，强烈的厄爾尼諾現象也會導致惡劣的天氣。降雨可能導致南美洲西部的洪水和山體滑坡，以及美國西部、海灣國家和墨西哥的潮濕暴風雨天氣，而大洋西部的乾旱則可能引發森林大火和森林火灾。東南信風的减弱也封锁了冷水沿著秘魯海岸湧向海面。當上昇流停止時，魚和鳥會轉移到別處，秘魯的漁業也會受到影響。
在這種天氣狀況發生幾週後，壓力分佈開始恢復正常。然後它可能會擺動得太遠，以致於壓力上升到東部的正常值以上，而下降到西部的正常值以下。當這種情況發生時，貿易風增強，南赤道海流加劇，產生的條件導致印度尼西亞非常潮濕的天氣和南美嚴重乾旱。這種情況稱為LaNiña ，“ 女孩”。 一次完整的ENSO活動包括ElNiño 和LaNiña 。
圖3-7 厄爾尼諾現象每隔幾年發生，地面氣壓在南太平洋東部下降，在西部上升。壓力的這種降低改變了風的方向和赤道以南的地表氣流。通常情況下，溫暖表面水從東到西流動，但是一個厄爾尼諾期間它由西向東邊。
對流和風暴
當草原上下雨時，雨常常是猛烈的暴風雨來臨，伴隨著冰雹，烈風，通常是雷電。大部分草原每年約有50天遭受雷暴襲擊。
暴力風暴在夏季比冬天更頻繁發生，並且最有可能在午後或傍晚開始。個別風暴很少持續超過一小時，但隨著一場風暴的消亡，另一場風暴往往始於附近。有時，風暴會沿著一條可以延伸數百英里的直線並排發展。這就是線。單個風暴和線在地面上移動。
暴風雨需要某些成分。靠近地面的空氣必須溫暖潮濕。這就是為什麼風暴通常在地面有時間預熱後的一天晚開始。然後必須有一些東西使溫暖潮濕的空氣開始上升並繼續上升。在天氣前沿，冷空氣在溫暖的空氣下推動，使溫暖的空氣上升，一些暴風雨以這種方式開始。但是，大多數夏季風暴始於空氣上升到比周圍環境溫暖的地面上方的地方。據說以這種方式上升的空氣是不穩定的。隨著空氣的上升，其溫度下降，其中包含的水蒸氣凝結形成液滴- 雲滴。待其完全發展後，稱為積雨雲的暴風雲可能會從距地面1.5公里的基礎延伸到超過9.15公里的高度。
雲層內部的空氣通過對流上升，這是熱量從一個地方轉移到另一個地方的三種方式之一。太陽的熱量以輻射的形式傳至地球。輻射熱使地面變暖，並通過傳導傳遞到與地面接觸的空氣中。空氣越暖和就膨脹。膨脹使其密度降低，密度更高的空氣在其下方下沉，推動其向上運動。空氣繼續上升，並在上升過程中變冷，直到其密度與周圍空氣的密度相同為止。在地面上代替它的空氣也會被加熱並上升，所以熱量會向上輸送。這是對流。
對流會產生垂直氣流，而垂直氣流會增強風暴。起初，當雲還小到可以歸類為積雲時，洋流就相當平緩，但是到了雲長到全積雨量時，其內部的空氣可能會以每小時160公里的速度上升。氣流攜帶水，水不斷凝結並再次蒸發。在雲中，其中溫度低於冰點的上部，水蒸汽直接凍結，形成冰晶，而一些液滴冷卻到低於冰點溫度，但沒有轉向冰- 它們被過冷。水從這些過冷的水滴中蒸發，並在冰晶上以冰的形式積聚。冰晶生長並彙聚成雪花，當雪花落入雲層下部時融化。隨著液滴繼續下落，它們會收集其他液滴。上升流將其中一些帶回到雲層頂部，在那裡結冰，然後再次下降，在下降時聚集了一層薄薄的冰層。當它們太重而無法被上升氣流抬起時，它們就會從雲層中掉下來，成為冰雹。到達地面的冰雹的大小表明雲內部上升氣流的強度。雲越大越猛烈，冰雹越大。
在這個階段，雲正在下大雨。並非每個風暴雲都會產生冰雹，但是確實會累積冰雹然後立即將其全部掉落，從而產生約1.6公里寬， 10公里長的冰雹條紋。
由於其表面暴露於冷空氣中，水滴從外面凍結。當內部在短時間內凍結後，其膨脹使顆粒破裂，釋放出微小的冰碎片。碎片帶有小的正電荷，較大的冷凍液滴帶有負電荷。碎片在雲的頂部附近聚集，而液滴在雲的底部附近聚集，因此云在頂部附近獲得正電荷，而在底部附近獲得負電荷。雲底的電荷在下面的地面上感應出相反的電荷。這些電荷會增加，直到它們足夠強到可以克服空氣的電氣阻力為止。然後，他們放電為火花- 一個閃電- 雲中的一個部分與另一個之間，兩個雲之間，或雲和地面之間。閃電釋放出如此多的能量，以至於不到一秒鐘的時間，閃光燈周圍的空氣就被高達30,000 ° C的熱量加熱。這種效果使空氣迅速膨脹並爆炸，產生了我們以雷聲般撞擊而聽到的衝擊波。
雨是融化的雪，冰雹是冰。兩者都很冷，當它們從高處落下時，每個雨滴和冰雹都會帶動少量的冷空氣。雨和冰雹會產生冷空氣流。它們從雲層的底部冒出，是陣陣陣陣狂風。下行氣流還冷卻了雲內部的暖空氣的上行氣流。最終，下降氣流完全抑制了上升氣流。當這種情況發生時，風暴結束並且云消散。隨著雲的死亡，雲可能會立即釋放所有剩餘的水分，成為暴雲。陣雨強烈。巨大的積雨雲最多容納27.5萬公噸的水。
失效率和穩定性
空氣溫度隨著高度的增加而降低(或下降)。這樣做的速度稱為失敗率。儘管所有空氣中都包含一些水蒸氣，但是沒有被水分飽和的空氣(所有水分都以蒸氣而不是液滴或冰晶形式存在)被稱為乾燥的。當乾燥空氣絕熱冷卻時，每上升9.8°C/km，冷卻速度為-14.8°C。這被稱為乾絕熱失效率(DALR)。
當上升空氣的溫度充分下降時，其水蒸氣將開始凝結成液滴。冷凝在露點溫度開始，達到該溫度的高度稱為提升冷凝水平。冷凝釋放潛熱，使空氣變暖。潛熱是一種能量，當液態水汽化或冰融化時，它允許水分子彼此分離。它不會改變水或冰的溫度，這就是為什麼它被稱為潛伏的意思，意為“隱藏”。當水蒸氣凝結和液態水凍結時，釋放出相同量的潛熱，使周圍環境變暖。因此，上升的空氣隨後以較慢的速度冷卻，稱為飽和絕熱流失率(SALR)。SALR隨凝結率而變化，但平均為每公里6°C。
溫度隨空氣中未升高的高度而降低的實際速率稱為環境失效速率(ELR)。通過比較表面溫度，赤道上方對流層頂的溫度為–65°C和對流層頂的高度16公里；在赤道上方進行計算。
如果ELR小於DALR和SALR兩者，則上升的空氣將比周圍的空氣冷卻得更快，因此它將始終更冷並且趨向於降低到更低的高度。據說這種空氣是絕對穩定的。
如果ELR大於SALR，則在DALR處以及隨後在SALR處上升和冷卻的空氣將始終比周圍的空氣暖和。因此，它將繼續上升。這樣，空氣絕對不穩定。
如果ELR小於DALR但大於SALR，則上升的空氣將比周圍的空氣冷卻更快，而保持乾燥，但一旦上升到高於冷凝水高度，冷卻的速度將比周圍的空氣慢。起初它是穩定的，但在凝結水位以上時，它變得不穩定。據說這種空氣有條件地不穩定。它是穩定的，除非滿足條件(上升到其凝結水位以上)，然後它變得不穩定。
穩定的空氣帶來穩定的天氣。不穩定的空氣會產生堆積狀的積雲。這些雲層的底部處於上升凝結水位，而云層頂部處於上升的空氣已經失去足夠的水蒸氣以使其再次乾燥的高度，因此DALR正在冷卻。但是，如果空氣足夠不穩定，則云可能會成長為高聳的積雨雲。赤道空氣通常不穩定。
圖3-8 超級雷雨胞
在大多數暴風雲中，有幾股溫暖的上升氣流，而冷空氣則在它們之間沉入。但是，如果上升的空氣柱彎曲並變為水平，則它們可能會合併並躺在冷的空氣中。這是一個超級雷雨胞。
龍捲風與颱風
一組上升氣流和下降氣流稱為一個單元，大多數暴風雲都包含幾個。但是，有時，雲層頂部附近的風將上升的氣流推向一側，使其彎曲。當發生這種情況時，一個非常大的積雨雲可能只包含一個單元，稱為超級單元。因為上升氣流和下降氣流是分開的，所以冷下降氣流不會像在多單元雲中一樣冷卻並抑制預熱氣流。
因此，超級單元雲的生存時間比多單元雲的生存時間長得多。該圖顯示了超級單元雲的非常簡化的橫截面圖。雲層上升到約15公里高度，其基礎覆蓋約225 平方公里的面積。雲中的空氣急劇上升，以至於產生隆起，稱為超頂。所述風引出雲的頂部，在該高度由完全冰晶的，成懸垂片。冰晶從片落瞬間蒸發在乾燥空氣，超級單元雲產生了最猛烈的風暴。
龍捲風(颶風)
正是周圍空氣中的風將雲頂抽成鐵砧形狀。這個過程清除了通過雲層上升的空氣，將更多的空氣吸入上升氣流以替代它。風也在裡面水平吹雲，風的速度或方向可能會在雲內部的不同高度發生變化。此過程會產生風切變，這是當特定高度的風以更大的速度橫越其下方的風道吹來時存在的力。風切變使上升空氣柱旋轉，因此空氣向上盤旋。旋轉開始於雲層的上部，低於風切變的水平。雲的旋轉中心於是被稱為介觀克隆。旋風一詞描述的是與地球旋轉方向相同的空氣- 在北半球逆時針旋轉。大多數中氣旋旋流器(沿順時針方向)旋轉，但原因尚不清楚，偶爾也有中旋風旋器沿順時針方向(逆時針)旋轉。
逐漸地，越來越多的雲內部開始旋轉，並且旋轉向下延伸。在此階段，中氣旋最遠可達8公里。最終，旋轉可能會延伸到雲層正下方的空氣中。現在，被吸入上升流的空氣在接近雲層時開始轉向，因此中旋流器由向上旋轉到被吹入砧座並被清除的空氣組成。
由於去除了空氣，因此中旋風分離器內部的氣壓很低，並且當空氣進入螺旋形時，其壓力下降。壓力的降低使空氣膨脹，使其冷卻，並且水蒸氣凝結。雲層底部下方旋轉空氣中的凝結使它看起來好像雲層本身正在下降。從遠處清晰可見其旋轉，並且可以看到雲碎片在其上移動。
旋轉繼續向下延伸，並因此而變窄。由於它產生的凝結而可見，旋轉的空氣柱在漏斗雲的下方像漏斗雲一樣延伸，在頂部變寬，並朝下端逐漸變細。空氣進入螺旋形時會加速，並且漏斗核心周圍的風速最大。加速度歸因於旋轉物體的特性。當它旋轉，對象具有角動量成比例其質量，旋轉速度(稱為其角速度)，和旋轉的半徑。它的角動量保持恆定，因此，如果其分量之一發生變化，則其他分量中的一個或多個也會發生變化以進行補償。這稱為角動量守恆。空氣不能改變其質量，但是當它接近漏斗的中心時，其旋轉半徑會減小，因此其角速度會成比例地增加。這意味著漏斗越寬，中心周圍的風速就越大。
如果漏斗接觸地面，則將成為龍捲風- 在美國某些地區被稱為“ 旋風” 或“ 扭曲” 。龍捲風將灰塵和其他雜物清除掉，從而在漏斗底部形成暗雲。當這種物質被向上運送並進入雲層時，龍捲風變暗。所有龍捲風都是危險的。即使是溫和的龍捲風也可以用力將碎片抬起並扔出螺旋形，除了最溫和的龍捲風，它們都能拆除小型建築物，並像玩具一樣將拖車房屋和汽車扔到周圍。
北美洲的龍捲風可以在任何地方，任何時間發生，但在某些地方，某些時候更可能發生。所有龍捲風的一半以上發生在春季。該季節始於2月在墨西哥灣州。在三月和四月，喬治亞州和佛羅里達州經常發生龍捲風。然而，數量最多的是五月和六月的大平原地區。來自德州北部和德州狹長地帶通過俄克拉何馬州和內布拉斯加州延伸的帶狀遭受高於全國其他部分更多龍捲風。”
颱風
颱風和颶風都是指風速達到33米/秒以上的熱帶氣旋。太平洋西岸常出現的颱風與龍捲風類似，但是颱風與龍捲風在持續時間上有著明顯的區別。龍捲風的持續時間非常短，屬於瞬間爆髮型，最長的也不會超過幾個小時；但是颱風行經路線長達數千公里，從太平洋赤道北側開始行進到達東亞大陸內部，可能需時兩周以上。並且颱風卷帶的水氣雨量要大得許多，可能一天之內降下300至500mm的雨量，造成洪水、土石流、斷橋、潰堤壩等多種災害。