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· 正 · 文 · 来 · 啦 · 同学们好！ 下面，我们来探讨一下地球的气候系统。本节的许多内容并不复杂，也很容易理解，但要记住并不容易，比如有关各种气候分带。当然，我们也并不需要将这些东西死记硬背下来，只是要知道有这样的分类，以后在具体使用中可以随时查询，也知道查询的方向。 气象与气候两个词，虽然我们常挂在嘴边，但有时候不一定知道其确切的含义。下面说几个能让你区别二者的内容。比如，人们可以预测未来50年或100年的气候，但不能预测未来几星期的气象状况。在全球气候变暖条件下，仍会发生寒冷的冬天或出现降温的气象。气象站的功能是告诉我们最近几天的天气是什么，天天都有很大的变化，但中国气候类型这样的图可以许多年不变。那么，我们现在来定义一下气象和气候。气象是在1-3天这样短时间内发生的天气现象，如暴雨，大风，雷暴，高温等。气候是一定时间和空间的平均天气。当前气候，规定用刚刚过去的30年的平均值作为准平均，而且每过10年更新一次。有了这些认识，我们知道，天气状况的冷热极值总是存在，但只有对天气做时空平均值，才可明显突现全球变暖的事实。另外，天气和气候的空间尺度基本一致，从几千米到几千千米乃至上万千米。时间尺度却大相径庭，天气的时间尺度从几小时到几天、十几天；气候的时间尺度要长得多，从一个月到一年，甚至几千年、上万年。 根据前面的了解，我们知道气候不是简单的某种表现，而是一个系统的呈现，所以我们有时候会称气候系统，指的是一个由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）和生物圈组成的高度复杂的系统，这些部件之间发生着明显的相互作用。从气候学角度，还可将气候系统细分为六个子系统：大气、海洋、冰川、干旱、草原和植物、以及森林子系统。生物过程与物理化学过程强烈相互作用，以此构成复杂的地球生命支持系统。因而不但需要分别研究系统中各个部分的特征与循环，而且必须研究整个系统的集成行为及各分系统的相互作用。 如果没有大气的保护，地表平均温度就会下降到-18℃，而实际地表平均温度为15℃，这完全得益于地球的温室效应。根据我们已经学习的知识，我们知道大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后会向外放出的大量长波热辐射，却被大气吸收，这样就使地表与低层大气的作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。 考虑到多年来大气的温度基本稳定，所以大气、地面、地气系统的各种能量应当保持在一定水平上的平衡状态，这就是地球的热量平衡。大家可以注视这张图中的数字，有一个大概的认识。 影响气候系统的主要因素有许多，涉及到太阳辐射，大气环流、地理位置和下垫面的条件。其中太阳辐射主要是控制热量的输入，影响地理环境；大气环流主要是动量、能量和水分的输送、调节和平衡；地理位置会影响人类的生存条件，农作物的种植，交通和经济建设等等；下垫面又会明显地影响气温和大气水分。 太阳辐射照射在地球上并不是均匀的，会造成高低纬之间的温度差异，形成低纬度低压和高纬度高压的局面，进而产生了高低纬之间的气压梯度。在气压梯度的控制下，赤道附近空气受热膨胀上升，高空空气流向两极；在极地，空气冷却下沉，向低纬地区流动，于是形成南北方向高低纬之间的大气环流圈。所以，总结一下就是：大气的运动既有垂直方向，也有水平方向的。垂直方向可形成大气环流，水平方向则形成气旋和风。大气的运动是在气压梯度的驱动下发生和维持的。 在继续下面的话题之前呢，我们先补充理解两个概念。在物理学中，我们认识到，刚体进行机械运动，有两种形式，那就是平动和转动。平动时，重心会随着质点而运动，转动时，重心保持不动。如果没有外力的作用，一个物体会保持其运动趋势，这种能力我们称为动量。同样，对于转动的物体，也有一个保持转动趋势的能力，我们称之为角动量。那么根据动量守恒原理，我们就很容易理解角动量守恒定律了：所受的合外力矩为零时，系统的角动量将保持不变。角动量守恒定律，还是我们非常容易感受到的。比如，芭蕾舞演员在旋转时，刚开始的时候是伸开手臂，如果她突然将手臂收拢，转速会迅速增加，这就是为了保持角动量守恒。 我不知道是否所有的天体都是在自转，至少从我们已经观察的天体来看，天体都有一定的自转，为什么呢？因为呀，在漫长的星体形成过程中，许多尘埃或者碎片从四面八方聚集形成。它们本来就带有一定的初始速度，否则怎么可能跑过来？它们聚集起来作为一个整体系统，保持着原来每个碎片的角动量加合。而宇宙真空对这整个系统的外力几乎是没有的。除非在特别巧合的情况下，角动量加合，这种可能性几乎没有，所以一般形成的天体都会自转。
另外，还有一个与转动物体有关的知识，那就是科里奥利力。由于自转的存在，地球并非一个惯性系，而是一个转动参照系。在惯性作用下，物体有沿着原有运动方向运动的趋势，在旋转体系中，经历了一段时间的运动后，体系中质点的位置会有所变化，从旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离，就像我们现在右边所看到的这个动画。根据牛顿力学的理论，以旋转体系为参照系，这种质点的直线运动会偏离原有方向的倾向，这被归结为一个外加力的作用，就是科里奥利力。是为了描述旋转体系的运动，需要在运动方程中引入一个假想的力，这就是科里奥利力。从物理学的角度考虑，科里奥利力与离心力一样，都不是真实存在的力，而是惯性作用在非惯性系内的体现。而地转偏向力就是科里奥利力在沿地球表面方向的一个分力。地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。
有了角动量守恒和科里奥利力的知识，我们就比较容易理解大气环流圈的形成了。大气环流圈是指具有全球规模的、大范围的大气运行现象，其水平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10km以上，时间尺度在数天以上。为什么会有这样的环流圈呢？其形成原因，主要有三个方面：（1）太阳辐射，这是地球上大气运动能量的来源，地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的，因而产生了气压梯度，有流动的潜力。（2）地球自转产生的偏转力，又会迫使运动空气的方向偏离气压梯度的方向。在北半球，气流向右偏转，结果使热力环流圈中自极地低空流向赤道的气流偏转成东风，而不能迳直到达赤道；同样，自赤道高空流向极地的气流，随纬度增高，为保持角动量守恒偏转程度增大，逐渐变成与纬度圈相平行的西风。可见，在偏转力的作用下，理想的单一经向环流圈，既不能生成也难以维持，因而形成了几乎遍及全球（赤道地区除外）的纬向环流。纬向风带的出现，阻挡着经向气流的逾越，引起某些地区空气的辐合与辐散，使一些地区的高压带和另一些地区的低压带得以形成和维持。结果，全球气压水平分布在热力和动力因子作用下，呈现出规则的纬向气压带，而且高低气压带交互排列。而气压带的生成和维持又是经向环流圈形成的必需条件。因而地球自转是全球大气环流形成和维持的重要因子。 如果，只受太阳辐射和地球自转影响所形成的环流圈，称为三圈环流，是大气环流的理想模式。但是，在地球上，还有一个作用，那就是（3）地球表面海陆分布不均匀。所以会显得更加复杂一些，在某些局部的地区并不完全符合三圈环流的理想模式。
刚才我们提到，大气环流的理想模式是三圈环流。为什么是三圈呢？简单地说，是南北温度梯度、自转速度和半径所决定的。从年际角度看，温度梯度、自转速度和半径是近似常数的，不过水平温度梯度有比较明显的季节变化。正是它们才决定了环流的尺寸，正好约等于地球四分之一周长的三分之一。所以在地球上会形成三圈环流，而不是二圈或者四圈、五圈。另外，补充一句，在其他有大气层的行星上也是完全有可能形成多圈环流的。木星的半径是地球的十倍，而自转周期是地球的二分之一，所以所形成的大气环流会比地球多许多倍。
下面，我紧接着提一个思考题：飞机往返上海和新疆，时间是不一样的，比如上海去乌鲁木齐，5小时左右；而回上海，4小时左右，为什么？航路不同；风：地势西高东低，强大冷暖高压气流由西向东；科里奥利力？
信风的英文是tradewind。Trade在中古英语中，相当于path、track的意思，人们很早就知道了利用信风航行。在长达几个月的远洋航行中，大海显得非常顺从人意，海面上一直徐徐吹着东南风，把船一直推向西行，然后东南风渐渐减弱，大海又变得非常平静。在赤道两边的低层大气中，风向是不一样的，北半球吹东北风，南半球吹东南风，这种风的方向很少改变，而且年年如此，稳定出现，很讲信用，这也就是tradewind在中文中被翻译成“信风”的原因。由于信风是向纬度低、气温高的地带吹送，所以没有水汽凝结条件，属性干燥；世界上有些沙漠和半沙漠，多分布在信风带。
除信风之外，地球上还有一个因季节而变化的季风：在一个大范围地区内，盛行风向或气压系统出现明显的季节变化，而且随着风向和气压系统的季节变换，天气发生明显的变化。这里，海陆间热力差是季风形成的重要原因之一。亚洲大陆夏季为热低压控制，东亚和南亚的气流由大洋进入陆地，为夏季风，此时空气温暖潮湿，多降雨。冬季来临，亚洲大陆为强大的高气压所控制，东亚和南亚的气流为从内陆向海洋的偏北气流，即为冬季风，空气干燥寒冷。东风带和西风带随季节南北移动，其过渡区的风向也随季节交替形成季风。季风是大范围地区的盛行风向随季节改变的现象，这里强调“大范围”是因为小范围风向受地形影响很大；随着风向变换，控制气团的性质也会产生转变，例如，冬季风来时感到空气寒冷干燥，夏季风来时空气温暖潮湿，让我们感受到明显的天气变化。
也就是说，形成季风最根本的原因，是地球表面性质不同。受青藏高原的地形作用及其他因子的影响，东亚的季风比南亚地区更复杂。同样，热力反映的差异，可以由海陆分布、大气环流、大陆地形等因素所造成。由热力分布不均匀形成的热力环流在海-陆之间、坡与谷之间、城与郊之间也可能出现。
我们总结一下导致各地气候差异的主要原因，大概包括如下三个方面： （1）海陆之间的辐射与热状态差异。这导致了森林气候、草原气候、湖泊气候、沙漠气候、山地气候之间的差别； （2）陆地上地形起伏和植被覆盖情况的差异。这导致了全球范围内的海洋型气候与大陆型气候的差异； （3）海洋中冷、暖洋流的差异。暖洋流流经的地区，冬季带来暖湿空气而使其气候温暖湿润。冷洋流流经地区，夏季使空气冷却而干燥少雨。 据此，我们可以将全球的气候粗分为低纬度气候、中纬度气候及高纬度气候三个纬度带和高地气候四个大区，每个纬度带又可分出若干气候类型。我们来简单介绍一下。
低纬度气候主要受赤道气团和热带气团控制，气温全年皆高，最冷月平均气温在15~18℃以上。可分为五种气候类型：赤道多雨气候；热带海洋性气候；热带干湿季气候；热带季风气候；热带干旱与半干旱气候
中纬度气候是热带气团和极地气团的角逐地带。影响气候的主要环流系统有盛行西风、温带气旋和反气旋、副热带高压和热带气旋。在北半球还有大陆地形和植被的影响。中纬度气候变化最丰富，分类数量最多。大致分为： 干燥少雨的副热带干早与半干旱气候夏热冬温 季节明显的副热带季风气候降水量充沛的副热带湿润气候 夏干冬雨的地中海气候 西风盛行，冬暖夏凉的温带海洋性气候 冬季寒冷干燥，夏季湿热多雨的温带季风气候 性质迥异的温带大陆湿润气候和温带干旱和半干旱气候
高纬度是南北纬度60度到南北极之间的区域，这里盛行极地气团和冰洋气团，气候类型单调。可以划分出三种气候类型：（1）冬季长而严寒，暖季短促的副极地大陆气候；（2）全年皆冬，降水量少的极地长寒气候，也称苔原气候；（3）全年气温在0℃以下的极地冰原气候。
从低纬至高纬的热带、温带和寒带气候，在高山的垂直方向上也会自下而上依次出现。每升高1千米降低6.5摄氏度。所以我们经常说：一山有四季，十里不同天，高处不胜寒。随高度增加，空气愈来愈稀薄，气压降低，水汽减少，日照增加，但气温降低，而且在一定坡向、一定高度范围内降水量随高度增加而增加，过了最大降水高度后变为随高度增加而减小，表现出明显的垂直地带性。
陆地表面由植被、裸露的土壤岩石、人类建筑和冰雪组成，这些组分的表面反射特性对地球的暖化有较大影响。深色表面吸收太阳能并以热量的方式辐射，可能被大气中的温室气体所截获。浅色表面反射太阳光，其波长范围不会被温室气体截获，具有降温作用。所以，有时候不恰当的植树造林和森林管理，也许会加剧大气增温。如果对此话题感兴趣的同学，可以扫描上面的二维码，阅读我写的两篇科普文章。
好了，有关地球的气候系统的内容，现在就全部结束。同学们，再见！
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