漫談結霜

天氣寒冷的時候,市民會前往大帽山觀看結霜,但往往失望而回。有甚麼要注意呢?

結霜是因為空氣中的水汽飽和,多餘的水汽直接轉變為冰(稱為凝華,deposition)的現象。天氣乾燥,為甚麼水汽會出現飽和呢?由於空氣在不同溫度下可容納的水汽量並不相同,溫度越高,可以容納的水汽量越多;溫度越低,可以容納的水汽量越少。

這幾天晚間晴朗無雲、風力微弱,新界北部氣溫下降速度非常快。我們在天氣報告中聽到的相對濕度,就是現時空氣中水汽量與可以容納的水汽量之比。當冬季季候風佔據華南沿岸後,香港受乾燥的大陸性氣團影響,空氣中水汽量漸趨穩定。但當氣溫下降,空氣中可以容納的水汽量減少,分母變小,相對濕度便隨之上升。這時候新界北部的相對濕度明顯較其他地區為高,表示輻射冷卻現象正在進行中,並不是儀器出現故障。

隨著氣溫繼續下降,相對濕度逐漸接近100%,空氣的水汽開始出現飽和,我們將相對濕度為100%時之氣溫稱為露點(dew point)。假如露點高於0度,多餘的水汽就會凝結為露(dew);假如露點等於或低於0度,多餘的水汽就會凝華為霜(frost)。

由於地面溫度一般較氣象站公佈的(十米高)氣溫為低,露和霜一般在地面物件上出現,若物件為深色或金屬(例如私家車車頂),則溫度會更低,露和霜更易形成。現時天文台網站提供打鼓嶺及大帽山的草溫,可以作為結霜的參考。當草溫接近0度而相對濕度接近100%時,農作物就可能出現結霜,天文台便會發出霜凍警告提醒農民注意,以免農作物被凍壞。

凝結尾跡

天空中有時會出現一條甚至不同方向的線條,像煙一般,不少市民會拍攝並上載至社交網站分享。這些線條其實是雲的一種,稱為凝結尾跡(condensation trail/contrail)或飛機雲。

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凝結尾跡在香港並不罕見,屬於高雲的一種。雲的形成需要有潮濕空氣,但仍需要有凝結核(condensation nucleii)的存在,當空氣冷卻時,水汽可以依附在凝結核上變為水滴或冰晶,才成為雲。

在天氣晴朗但高空寒冷潮濕的環境下,當飛機經過,尾部噴出熱氣流及燃燒產生的微粒,氣流遇到寒冷的環境,水汽即時凝華(由氣體直接變為固體)並在微粒上變為冰晶,出現一條軌跡,就是凝結尾跡或飛機雲。

凝結尾跡並不是煙,可以在天空持續一段時間甚至數小時,但會受高空風影響出現形狀改變。起初只是一條幼長雲帶,假如空氣持續潮濕,雲帶會慢慢發展、擴闊,甚至與其他凝結尾跡合併,形成卷雲(cirrus)。假如當時太陽角度較低,太陽光射進卷雲時會出現光點或類似彩虹的七色光帶,稱為幻日(sundog)或環天頂弧(circumzenithal arc),這些現象昨天亦有發生。

凝結尾跡的出現有時是天氣轉變的先兆。由於高空天氣不穩定,卷雲慢慢發展並覆蓋天空,轉化為卷層雲(cirrostratus),雲底逐漸降低,卷層雲再轉化為高層雲(altostratus)。由於高層雲較厚,把太陽或月亮遮蔽,晴朗天氣因而結束。

不過,亦有陰謀論認為,凝結尾跡其實是化學尾跡(chemical trail/chemtrail),是政府或軍隊在空中噴射化學物質,企圖改變天氣、改善農作物生長甚至影響人類活動。至於是否屬實,仍然眾說紛紜。

日出與曙暮光

踏入2021年元旦,不少市民前往高地觀看及拍攝日出。有甚麼地方要注意?

香港冬季日出時間較夏季為遲。市民出門上班上學時,天空還沒有亮起來。香港最遲日出在一月中旬出現,日出時間為7時05分,而元旦的日出時間通常為7時03分。

我們可以瀏覽天文台網站或其他網站得知日出時間及方位,然後再揀選合適地點觀賞日出。留意不同季節日出方位稍有不同,夏季日出於東北偏東方,冬季日出於東南偏東方。部分觀賞地點遠處有山丘或小島,可能無法看到太陽從地平線升起的一刻。

日出前,雖然太陽在地平線下,但天空已開始亮起來,這段時間稱為曙暮光(twilight)。曙暮光分為民用曙暮光、航海曙暮光及天文曙暮光三種:

– 民用曙暮光(civil twilight):太陽在地平線至地平線以下6度的時間,這時雖然光線不足,但戶外物件輪廓仍可辨認,大型操作仍可進行。
– 航海曙暮光(nautical twilight):太陽在地平線以下6至12度的時間,這時雖然看不到地平線,但可以看到天上較亮的星星。
– 天文曙暮光(astronomical twilight):太陽在地平線以下12至18度的時間,這時天空接近全黑,天上只有星星及月亮作為照明。天文曙暮光是黑夜和白天的分界。

不同地方及季節的曙暮光長度稍有不同。香港元旦的民用曙暮光為24分鐘,航海曙暮光為52分鐘,天文曙暮光為80分鐘,因此如要觀賞日出,我們應於早上5時43分前到達觀賞地點準備。如果想拍攝天亮前的星空,到達時間要更早。

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2015年元旦日出,拍攝地點為港島南部鶴咀(來源:香港地下天文台)

我們確定了地點及時間後,還要留意天氣情況。香港冬季大氣比較穩定,晚間經常形成層雲,日出後才消散。有時亦會於低空形成薄霧或煙霞,影響觀賞日出。

傳統的「乾冬濕年」有多準?

十二月二十一日是冬至。中國人的傳統是「冬大過年」,香港也不例外,部分公司會安排員工提早下班,街市會比平日擁擠,晚上市民與家人相聚過節。

古人日出而作,日入而息,把地球想像為中心,將太陽「圍繞」地球公轉的軌道(黃道)分為二十四份,稱為二十四節氣,即:
立春、雨水、驚蟄、春分、清明、穀雨
立夏、小滿、芒種、夏至、小暑、大暑
立秋、處暑、白露、秋分、寒露、霜降
立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒

我們將根據地球圍繞太陽運行而制定的曆法稱為陽曆,每年的日子相對固定;將根據月球圍繞地球運行而制定的曆法稱為陰曆,每年的日子並不固定。由於節氣以太陽在黃道上的位置而制定,與陽曆相似,因此每年節氣出現的日子相對固定(例如冬至通常在十二月二十一或二十二日),前後相差不會多於三天。

老人家常說「乾冬濕年」,假如冬至沒有下雨,農曆新年便會下雨。我們翻查天文台記錄,把天文台雨量為零或微量(即少於0.1毫米)的日子定義為乾,雨量為0.1毫米或以上的日子定義為濕。過去30年(1990-2019),冬至日多數沒有雨量,「乾冬」佔27年之多。至於農曆新年,由於每年的日子並不固定(農曆是陰陽合曆),直接比較意義不大;不過如果要比較的話,過去30年「濕年」佔11年,因此「乾冬濕年」的準確率只有四成。假如我們把年初二及年初三也計算在內,準確率則有六成。

氣候學上,香港十二月受寒冷乾燥的大陸性氣流影響,天晴的機會較高;一月開始,溫暖潮濕的海洋氣流開始影響華南沿岸地區,天氣變得多雲間中有霧,適逢有冷空氣南下時,兩股氣流相遇便形成雲和雨,因此「乾冬」和「濕年」其實沒有直接關係。

ECMWF 的氣溫集合預報

大氣是一個「混沌」的系統,只要觀測數據稍有誤差,預報結果完全不同。「集合預報」的出現,就是模擬數據及模式的誤差,從不同的預報結果推敲預報的可信性及發生概率。

熱帶氣旋路徑集合及概率預報相信大家不會陌生,天文台氣溫延伸(概率)預報也應該見過。隨著 ECMWF 今年公開預報數據,我們可在網上觀看世界各地的10天雲量、雨量、風力及氣溫集合預報。(如果該點不在模式的預報點上,則以該點四周預報點作插值運算,並以海拔高度調整。)

ECMWF 有 52 個預報成員。第 1 個是根據觀測數據,利用高解像模式進行運算得出的預報(HRES),亦即是在 Windy 或 Tropical Tidbits 看到的預報。理論上這是最準確的預報。

第2個成員,就是利用同樣的觀測數據,放入簡化了的集合預報模式(以加快運算)計算得出的控制預報(CONTROL)。由於模式不相同,即使數據相同,CONTROL 與 HRES 預報通常並不相同。

餘下的50個成員,就是將觀測數據及模式進行擾動(pertubation)來模擬誤差,計算出不同的結果。這些結果的平均就是集合預報平均(ensemble mean)。

熱帶氣旋路徑集合預報就是50條不同的預報路徑(假設熱帶氣旋在預報期內未有消散)。利用這些路徑的分散程度,我們就得出熱帶氣旋路徑概率預報。

— 消化時間 —

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我們在了解 ECMWF 的氣溫集合預報前,要對統計學上的「盒鬚圖」或「箱形圖」(box-whisker plot,簡稱 boxplot)有些認識。 假設有一個由小至大排列的數列,排在中間的叫中位數(median),代表數列中有50%的數值比它小。我們將中位數兩邊的數列再一分為二,得出下四分位數(1st quartile, Q1)及上四分位數(3rd quartile, Q3),分別代表數列中有 25% 及 75% 的數值比它小。舉個例,在數列 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11中:

Median=6
Q1=3
Q3=9

Q1至Q3的距離稱為四分位距(inter-quartile range, IQR),代表50%的數值在這範圍內。IQR越短,代表數據越集中。

盒鬚圖中「盒」,表示Q1至Q3的範圍,盒中間的線是中位數。至於「鬚」的長度則有兩種表示方法:第一種是表示數列中的最小及最大值;第二種是表示Q1-1.5*IQR 及 Q3+1.5*IQR,在這範圍外的數值稱為異常值(outlier)。

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附圖是 ECMWF 香港赤鱲角機場未來10天雲量、雨量、風力及氣溫集合預報(時間是UTC,香港時間要加8小時)。藍色線是 HRES,紅色線是 CONTROL,盒鬚圖是 50個成員預報的分佈,留意盒子上下各有額外一層,分別是75-90%及10-25%。

針對氣溫集合預報,可以歸納出幾點:

1. 未來10天氣溫有兩次下降,分別為27-29日及4-5日早上,後者氣溫比前者低。

2. 預報初期盒鬚圖 IQR 較小(盒子較窄),表示預報較集中,可信性較高。預報後期IQR 較大(盒子較闊),表示預報較分散,可信性較低。

3. 在部分預報時間,HRES 的氣溫明顯比集合預報為高(例如26及27日06UTC,即香港時間下午2時,我們可以驗證一下)。

至於如何演譯其餘氣象元素的集合預報,留待大家發現。