第一章 气候是什么？

引言

从今天穿什么衣服到最近染上了什么病，气候影响着我们生活中的一切，因为我们人类只有在一个非常狭窄的温湿度范围内才会感到舒适。这个舒适区间的温度范围大约为20～26℃，相对湿度在20%～75%之间（图1）。然而，我们几乎可以在世界的每一个角落生存，也就是说生存条件往往会在这个舒适区间之外，而我们也学会了通过增减衣物、改造住房来保持舒适。因此，你也许会认为自己的衣柜里挂着的衣服只是反映了你有没有时尚品位，但实际上，它们展现了你生活所在地的气候及其一年四季的变化。所以你有一件厚厚的加绒大衣以备在加拿大过冬，也有一件短袖衬衫应付里约热内卢的商务会议。衣柜也暗示了我们喜欢去哪里度假——崭露头角的极地探险家的衣柜里会挂着非常保暖的北极服装，如果喜欢在沙滩上晒太阳，那么衣柜里就会改挂短裤或比基尼。

房子也是在我们清楚了解本地气候的情况下建造的。在英格兰，因为室外的温度通常低于20℃，所以几乎所有的房子都有中央供暖，同时由于温度很少超过26℃，因此又鲜有空调。然而在澳大利亚，大多数房子都有空调，却很少有中央供暖。气候还会影响城市的结构，以及世界各地运输系统的运作方式。得克萨斯州休斯顿有长达7英里的地下隧道网络，连接着市中心所有的主要建筑；这个全气候控制的网络把95个人口密集的城市街区连在一处。当外面下雨或天气炎热的时候，人们都走隧道，因为休斯顿每年至少有五个月的平均气温高于30℃。同样，加拿大也有地下商场，以此来避免大雪和极寒的问题。

气候决定了我们在何时何地获得食物，因为农作物生产既受霜冻雨雪的限制，也被生长季节的长短所左右，其中包括日照量和温暖季节的长度。因此简而言之，水稻生长在温暖和非常潮湿的地方，而小麦可以在范围大得多的温带气候区生长。气候也会影响食物的质量，例如，众所周知，法国葡萄酒的最佳酿造年份需要冬季有几次短暂的严寒，可以让葡萄藤更加强壮从而产出优质的葡萄。农民也可以“改善”当地的气候，比如在温室里种植番茄，或是通过灌溉土地来提供更稳定的供水。

气候还会影响有热浪、干旱、洪水和风暴等极端天气事件的地方。但在很多情况下，我们对极端事件的认识取决于当地的条件，例如，2003年北欧遭遇了“热浪”，英格兰首次出现了100℉（37.8℃）的高温纪录。然而在热带国家，只有当气温超过45℃时才会作为热浪记录下来。气候对我们的健康也有很大的影响，因为很多疾病都受到温湿度的制约，例如流行性感冒（俗称流感）的发病率会在冬季达到高峰。由于南北半球的冬季时间不同，全球每年实际上会有两个不同的流感季。每个冬季过后，流感病毒都会在两个半球之间迁徙，让我们有时间根据另一个半球半年前出现的新型毒株来生产新的疫苗。关于流感为何受气候控制的说法有很多，从理论上讲，在寒冷干燥的条件下，病毒在各种物体表面存活的时间更长，所以更容易在人与人之间传播。另一种说法是，维生素D可能会帮助人们对病毒产生一定的抵抗力或免疫力。因此，在冬季和热带的雨季，当人们待在室内、远离阳光时，他们体内的维生素D水平会下降，流感的发病率就会上升。

冷暖地球

地球上气候的成因是赤道所接收的太阳能量多于两极。如果把地球想象成一个巨大的球体，离太阳最近的点就是赤道或球体中部。赤道是太阳照射最直接的地方，因而这里也是地球接收能量最多之处。离开赤道向北或向南，地球表面沿曲线远离太阳，地表与太阳所成夹角增大。这意味着太阳的能量被分散在更大的区域，从而导致温度降低。如果我们生活在一个平坦的圆盘上，就会从太阳那里得到更多的能量——大约每平方米1370瓦特（1370W/m2），而地表由于其弯曲的性质，获得的能量为平均每平方米343瓦特左右（图2）。在太阳迸发出的能量中，地球只接收了非常少的一部分。只需想想太阳每释放20亿瓦特的能量，我们只接收到1瓦特，就知道地球与太阳相比有多渺小了。这也是为什么在很多科幻小说中，作者都会想象恒星被条带甚或曲面所环绕，借此收集直接流失到太空的全部能量。

在我们接收到的太阳能中，大约有三分之一都被直接反射回太空了。这是由“反照率”，即表面反射率的大小，所造成的。例如白云和白雪的反照率很高，几乎可以把照在其上的阳光全部反射回去，而海洋、草地和雨林等比较暗的表面则会吸收更多的能量。两极接收的能量不仅比赤道少，而且还向太空散失了更多的能量（图3）：南北两极白色冰雪的反照率很高，把大量的太阳能反射回了太空。与此相反，颜色暗得多、反射率也更低的低纬度植被却吸收了大量的能量。这两个过程齐头并进，意味着热带地区炽热难当，两极则天寒地冻。大自然痛恨这种能量失衡，所以，能量以热能的形式由大气和海洋输送到两极，从而影响了气候。

太空中的地球

气候由地球与太阳之间关系的两个基本事实所控制。第一个事实是地球自转轴的倾斜，这导致了四季的变换。第二个事实是地球每日的自转，这给我们带来了日与夜，并驱动了大气和海洋的循环。

地球自转轴的倾斜角度是23.5°，这导致两个半球全年接收的能量存在季节性差异。目前，季节性变化对气候的影响最大。如果地球不倾斜，而是直直地立在轴线上，那么我们就不会有春夏秋冬了，想到这些不禁令人惊叹。如果真是这样，温带地区的植被不会存在巨大的变化，也不会有热带地区的季风和飓风季节了。四季的由来源于一年中阳光照射地球的角度发生了变化。以12月21日为例，由于地球的自转轴偏离太阳，所以照射到北半球的阳光角度更大，能量扩散的范围也更广。此外，这种倾斜实在是太大了，以至于在北极地区，阳光甚至无法到达地表，因而产生了24小时的黑暗和北半球的冬天。然而，在南半球一切都恰恰相反，因为南半球当时是向着太阳倾斜的，因此烈日炎炎。这意味着南极洲24小时都沐浴在阳光下，澳大利亚人则在海滩上享受圣诞晚餐，同时还能把皮肤晒得更黑。地球绕着太阳运转一圈大约需要365.25天（因此每四年便有一个闰年），轴线的角度保持不变。到了6月，地球的自转轴就会向太阳倾斜，北半球于是有大量的阳光直射，如此便进入夏季，而南半球因远离阳光而坠入冬季。

如果全年追踪太阳，就可以看到这种倾斜是如何通过四季轮回影响地球的。我们从6月21日开始，此时的太阳在正午时分位于北回归线（北纬23.4°）的正上方，即北半球的夏至。此后太阳的角度向南移动，直到9月21日正午时分位于赤道上空，也就是二分点或北半球的秋分。太阳继续南移，12月21日的正午出现在南回归线（南纬23.4°）的正上方，此时是南半球的夏至。然后，太阳看来像是北移了，在3月21日二分点或北半球春分时的正午到了赤道正上方，如此循环下去（图4）。

换季标志着气候中最明显的变化；以纽约为例，冬季的气温可低至-20℃，而夏季的气温可以超过35℃——温差达55℃。此外我们还将发现，季节更替是风暴的主要成因之一。

热量在地球上的移动

影响地球气候的第二个事实是地球日复一日的自转。首先，这使得地球坠入和冲出黑暗，造成昼夜温度的巨大变化。例如，撒哈拉沙漠夏季白天的温度可以超过38℃（100℉），夜间的最低温度为5℃（40℉）；而香港的昼夜温差只有4℃（7℉）多一点。根据季节的不同，不同地区的日照时间也不同。具体的日照时间可能是两极的24小时白昼或24小时黑暗，也可能是赤道每天12小时左右的日照。日照的变化加剧了季节性反差，因为在夏季，我们不仅能获得更多“烈日当头”的阳光，照射的时间也更长了。

但地球的自转也使从赤道向外输送热量变得更加复杂。这是因为地球的自转让包括大气层和海洋在内的其他一切都在转动之中。简单的规律是，地球的自转会使北半球的空气和洋流被推到其行进方向的右边，而在南半球则被推到行进方向的左边。这种偏转名为科里奥利效应，越靠近两极，其作用越明显。

日常生活中经常被人引用的一个例子，就是水从排水孔或马桶流下去的方向。在北半球，据说水是按顺时针流下排水孔的，而在南半球则是逆时针。但我不得不告诉诸位，水从浴缸或马桶里排出的方向与科里奥利效应或地球的自转无关，而且目前也没有观察到南北半球的马桶在水流方向上有持续存在的差异。这是因为与水的残留移动和容器形状的影响相比，科里奥利效应的影响小到可以忽略不计。也就是说，赤道地区的奇妙手工作坊向游客展示的科里奥利效应只是一个小把戏而已。例如在肯尼亚穿越赤道时，你会看到竖立的大牌子上写着这一点；如果游客愿意在路边停下来，当地人会兴高采烈地把水从桶里倒进一个大漏斗，似乎能清楚地证明，站在牌子的两侧所看到的水流方向并不相同。不过，这种变化完全取决于演示者的手腕，水怎么倒进去，会影响到它往哪边转。尽管这完全是假的，但我还是喜欢这些演示，因为这意味着许多当地人和游客可以得知有关科里奥利效应的知识！

说回气候，洋流和气流为什么会有这种偏转？试想一下从赤道直接向北发射一枚导弹。因为导弹是从向东自转的地球上发射的，所以导弹也在向东移动。地球自转时，赤道必须在太空中快速移动以跟上其他的地方，因为它是地球最宽的部分。地表向北或南远离赤道时会向内弯曲，所以它不必移动得那么快来跟上赤道。因此在一天之内，赤道必须以每小时1670千米的速度移动40074千米（地球的直径），而北回归线（北纬23.4°）必须移动36750千米，速度为每小时1530千米，北极圈（北纬66.6°）必须移动17662千米，所以速度为每小时736千米。北极点根本没有相对运动，所以那里的速度是每小时0千米。一个直观的证明是，如果你和朋友手拉手站在一处同时甩手，手的速度会比你们快很多。因此，从赤道发射的导弹，其东进的速度较快，等同于赤道的东进速度；当它向北移动到北回归线时，地表东进的速度不如导弹快。因为导弹的东进速度快于它所进入的区域，这就给人一种导弹向东北方向移动的感觉。当然越接近两极，这种速度的差异就越大，所以向东的偏转就越大（图5）。

总结

气候系统非常简单，它由赤道和两极接收到的不同量的太阳能所控制，气候只是要消除这种不平衡的能量再分配。正如我们将在第二章中看到的那样，进行这种重新分配的正是大气和海洋。由于地球的自转轴与太阳成一定的角度，导致了明显的季节周期，使得情况变得更加复杂。除此之外，地球每24小时就会自转一圈，让地球坠入和脱离黑暗，这也意味着远离赤道的能量的重新分布发生在一个自转的球体上。科里奥利效应由此产生，并有助于解释为什么几乎所有的天气系统似乎都在旋转。