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第8章 地球气候的成因(2)

当地球移动到“冬至”和“夏至”两个点的中间位置时,南北极都不对着太阳倾斜,阳光直射赤道,两个半球得到的太阳能量相同,南北两极地区成了晨昏状态,南北半球昼夜时间一样长短。由冬到夏,那个点为“春分”,由夏到冬,那个点为“秋分”。春分、秋分节气的命名是相对于北半球而言的,南半球正好与北半球相反。

黄道面被人为分成360°,历法上规定地球每移动黄经15°为一个节气。6月21~22日,地球移动到黄经90°,也就是地球北半球的“夏至”,太阳光直射北回归线上,北半球接受的光热最多,北半球正值历法上的夏季;以后太阳光逐渐南移,北半球接受的太阳光热随之减少,9月22~24日,地球移动到黄经180°,也就是地球北半球的“秋分”,太阳光直射赤道,南北半球所受的光热相等,这时北半球处于历法上的秋季;秋分过后,太阳光移向南半球,12月21~23日,地球移动到黄经270°,也就是地球北半球的“冬至”,太阳光直射南回归线,这时北半球受太阳光热最少,正值历法上的冬季;以后太阳光逐渐北移,北半球接受的太阳光热随之增多,3月20~21日,地球移动到黄经0°,也就是地球北半球的“春分”,太阳光再次直射赤道,南北半球所受的光热相等,这时北半球处于历法上的春季。由于地球不停地公转,春、夏、秋、冬四季便交替不断出现。不过,在北温带和南温带地区,四季的出现正好相反,当北温带的人们正穿着大棉袄的时候,南温带的人们却正在海滨浴场避暑。

由此可知,春夏秋冬四季是因为地轴的倾斜和地球的公转造成的,由于两个半球从太阳接收到的能量不同而产生四季更替。假设地轴与黄道面是垂直的,地球上是不可能有春夏秋冬之分的,假设只有地轴倾斜,但地球没有绕太阳的公转,也不会有四季的产生,二者缺一不可。太阳系里木星自转轴与公转平面的夹角是86°52′,自转轴与公转平面几乎垂直,造成了木星上没有分明的四季变化。有人认为是由于木星没有地球这样的大气层,所以木星上才没有四季,其实不是这样,假如地轴也是木星自转轴这样的倾斜度,地球也会没有春夏秋冬四季的变化。

假设地轴倾斜过大,或者地轴与黄道面没有夹角,地球上更不可能有春夏秋冬之分。太阳系中的天王星自转轴几乎倒在它的轨道平面上,因此当天王星的半个球面是夏季时,它的一个极点几乎直对着太阳,而另外半个球面完全处于黑暗的冬季之中。地球的公转轨道是个椭圆,地球与太阳之间的距离也有远近变化,这种变化使整个地球从太阳接受的总热量会产生一些微小的差异,但这一微小的差异不足以造成地球上一年的季节变化。

春夏秋冬四季变化主要是指地球相对于太阳位置的变化,也就是天文气候。对于真正意义上的气候,赤道地区只有夏季,两极地区和高原高海拔的雪山上只有冬季,低纬度地区没有冬季,高纬度地区没有夏季,只有中纬度的平原和非高海拔地区才有分明的冬夏春秋四季。

2.2.2四季的划分

划分四季有各种不同的标准,中国传统习惯是农历,主要以天文因素作为划分依据,由立春到谷雨的六个节气是春季,由立夏到大暑的六个节气是夏季,由立秋到霜降的六个节气是秋季,由立冬到大寒的六个节气是冬季。每一季度的时间都是三个月,以春分、夏至、秋分、冬至各日作为春、夏、秋、冬各季的中间日。

西方国家大多以月份来划分四季,3~5月这三个月为春季,6~8月这三个月为夏季,9~11月这三个月为秋季,12~2月这三个月为冬季。虽然按照历法将一年划分为四季,但如果按照气候要素(气温)划分,世界不同地区四季的早晚、长短有很大差异,而且,就全球范围来说,也不是所有地方都有四季的,在赤道和极地,只有夏季和冬季,有些地方一年中也许只有两季、三季。只有在温带地区,四季的界限才表现得相当明显。

照理说应该是太阳距我们越远越冷,越近越热,但最冷的三九严寒却不出现在冬至节气的前后,而是出现在太阳直射点抵达南回归线以后,三伏天气出现在太阳直射点抵达北回归线以后。这是为什么呢?因为太阳是地球的热源,地球是大气的热源。大气不能直接吸收太阳短波辐射,但可以吸收地面长波辐射。因此,地球表面的冷热决定了大气的冷热。当太阳直射点移至南回归线时,地表得到的热量仍少于支出的热量,故继续降温;当太阳抵达最北端时,地表所得到的热量仍多于是取得热量,故继续增温。正如一天之中最高温度并不是出现在正午太阳最高的时候,而是出现在午后,存在滞后现象。也很像一个没有热源的房间,初春时节,室外暖融融的,而室内却是依然清冷;入秋以后,室外开始寒冷,室内起初并不觉得有多么冷。

还有就是每年的春夏秋冬四季的到来和结束时间总是不一样,有时早有时晚,与二十四节气里的节气时间总存在差异,主要是地球气候系统各成员的变化,及其之间的相互作用,导致大气环流异常多变造成的。此外,地球自身的火山爆发也应该是气候变化一个原因。太阳系时刻也在银河系里移动,银河系也在时刻不停地运动,地球每时每刻所处的位置相对于太阳是已知的,相对于宇宙却是未知的,地球在跟随着太阳到达的那个区域是冷是暖也是未知的,这也应该是气候变化的原因之一。当然还有人类活动影响以及其他原因。

2.3气候差异的推手

2.3.1地转偏向力

地转偏向力是指地球上一切做水平运动的物体,由于地球自转而发生偏向的一种力。地转偏向力是由法国数学家古斯塔·加斯佩德·科里奥利于公元1835年研究发现的。由于地球的自转,当物体相对于地面运动时,对于站在地面上的观察者来说,感到物体运动的方向发生了改变,于是便设想物体受到一种力的作用,此力就被称为地转偏向力,也就是物理学中的科里奥利力。

假若一物体自南向北运动,物体起始时地面向东偏移的线速度大,末了地面向东偏移的线速度小,由于惯性物体仍保持原来向东的线速度,于是站在地球上看物体前进的方向也就向东边偏离原来经线的方向;假若一物体自北向南运动,物体起始时地面向东偏移的线速度慢,末了地面向东偏移的线速度快,由于惯性物体仍保持原来向东的线速度,于是站在地球上看物体前进的方向也就向西边偏离原来经线的方向。物体移动的速度越快,其偏离得也就越多,且都是向移动方向的右侧偏移。在南半球,其结果正好相反,物体会向移动方向的左侧偏移。这就是地转偏向力。

地转偏向力是由于地球自转而产生的,它不是真正的力,而是惯性力。它只在物体相对于地面运动时才产生,只改变物体运动的方向,不改变物体运动的速度;其值正比于运动速度,随纬度升高而增大,赤道附近运动物体不受偏向力的影响。地转偏向力可分解为水平地转偏向力和垂直地转偏向力两个分量。

受地转偏向力的影响,北半球的河流总是冲刷右岸。由于古代生产力低下,只能任凭河流自由弯曲,弯曲到一定程度,量变达到质变,河流开始改道,千百年来黄河一次一次地改道,地转偏向力就是最主要的原因。

2.3.2三圈环流

从全球经向环流看,大气在南北方向上及垂直方向上的平均运动,在南北半球分别构成三个经圈环流。因南北半球三圈环流成因相同,仅介绍北半球三圈环流成因。

(1)低纬环流

低纬环流即哈特莱环流。赤道空气受膨胀上升,高层形成高压后,受气压梯度力的驱动,向南北六级流动。由于受地转偏向力的影响(在北半球,地转偏向力使气流运动向右偏,即顺时针偏转,其值正比于风速),由赤道北上的高层空气,在30°N转为向东运动(西风),不再北上,于是由赤道源源北上的空气在30°N聚集下沉,在地面形成高压,该高压称副热带高压。在气压梯度力的作用下,地面副热带高压南北分流,南支气流南下赤道,与赤道上升气流构成低纬环流。

(2)极地环流

极地环流即费雷尔环流。由于极地接受的太阳辐射少,温度低,空气冷却收缩,空气密度大,在地面形成冷高压。在气压梯度力的作用下,极地高压中空气向南流动(同时引起极地下沉运动),在60°N与副热带高压北上相遇,两支相向气流辐合上升,在高空形成高压后,有南北风流。60°N高空北上气流,至极地后与极地下沉气流构成极地环流。

(3)中纬度环流

中纬度环流为间接环流,其形成得益于低纬和极地环流。地面副热带中北上气流与60°N上升气流,以及高空60°N南下气流与30°N下沉气流,构成中纬度环流。

上述三圈环流称为行星风系,是在平滑和性质均一表面的行星条件和地转偏向力作用下形成的。但地球表面并不平滑,性质也不均一,特别是北半球,地势起伏大,海陆相间对比明显,同时由于不同的季节海洋和大陆对环流的影响不同,因而行星风系常遭破坏,环流常发生季节和地方变化。

2.3.3善变的季风

季风是以一年为一个周期的大范围对流现象,它的形成是海陆分布、大气环流、大陆地形等因素共同作用,冬夏两季海洋和陆地的温度差异而导致的气压差所造成的结果。季风是指由于大陆及邻近海洋之间存在的温度差异,而形成大范围盛行的、风向随季节有显著变化的风系。季风和风带一样同属行星尺度的环流系统,是大范围盛行的、风向随季节变化显著的风系,夏季由海洋吹向大陆,冬季由大陆吹向海洋,具有大气环流的特征。

冬季,大陆气温比邻近的海洋气温要低,大陆上出现冷高压,海洋上出现相应的低压,空气大范围从大陆流向海洋,形成冬季季风。冬季季风在北半球盛行北风和东北风,尤其是亚洲东部沿岸,北风季风从中纬度一直延伸到赤道地区,这种季风起源于西伯利亚冷高压。非洲和孟加拉湾地区也有明显的东北风吹到近赤道地区,东太平洋和南美洲虽有冬季风出现,但没有亚洲地区显著。

夏季,海洋温度相对较低,大陆温度较高,海洋高压加强,大陆出现热低压;这时北半球盛行西南和东南季风,在印度洋和南亚地区最为显著。西南季风大部分源自南印度洋,在非洲东海岸跨过赤道到达南亚和东亚地区,甚至到达华中地区和日本。另一部分东南风主要源自太平洋,以南风或东南风的形式影响中国东部沿海地区。夏季风一般经历暴发、活跃、中断和撤退4个阶段。

2.3.4副热带高压带与东西风带

海陆的热力性质,影响到海陆的气压分布。夏季大陆增温比海洋快,大陆形成热低压;冬季大陆降温比海洋快,大陆形成冷高压。由于北半球的陆地面积比南半球陆地面积大,而且海陆相间分布,使得纬向的气压带被分裂成为一个个高低气压中心。夏季,北半球的副热带高气压带被大陆上的热低气压所切断,其中亚洲低压最为突出,从而使副热带高气压带仅保留在海洋上。冬季,北半球的副极地低气压带被大陆上的冷高气压所切断,其中亚洲高压最为强烈,控制范围广大,这就使副极地低气压带也仅保留在海洋上。由于南半球海洋面积占绝对优势,致使纬向的气压带比北半球明显,特别是30°S以南地区,气压带基本上呈带状分布。

在南、北纬30°附近的地面上形成的常年稳定、势力庞大的副热带高压带内盛行下沉气流,是个宽阔的无风带,所以常年缺云少雨,于是便形成了回归圈内庞大的沙漠群。

此外还有环绕全球、气势磅礴的西风带和东风带。西风带内的大气有明显的波动,很像大江里的波浪,高低起伏,奔腾不息。大气环流运动把热带剩余的热量输送到寒冷的北方,很好地实现了全球范围内水汽、热量的输送和交换,使地球各地的气候更加变化多端,个性鲜明。由于中国绝大部分地处中纬度地区,规模宏大的西风带从中国上空通过,对中国的天气、气候有很大影响。

2.3.5赤道信风

信风指的是在地面从副热带高压带吹向赤道低气压带的风。信风在赤道两边的低层大气中,北半球为东北风,南半球为东南风,这种风的方向很少改变,年年如此,稳定出现,很守信。

中国古代文献中,“信风”这个词指的是“随时令变化,定期定向而来的风,即季候风”,古代商船常借助信风,往来于海上进行贸易。所以,信风在英文中的名字tradewind,有时候被错误地译成贸易风。trade这个词并非现代英语中贸易的意思,而是来自中古英语,相当于path、track的意思,所以tradewind原意是“在常轨上的风”。英语tradewind就是汉语的信风,翻译成贸易风是不对的。

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