第一章 氣候是什么？

引言

從今天穿什么衣服到最近染上了什么病，氣候影響著我們生活中的一切，因為我們人類只有在一個非常狹窄的溫濕度范圍內才會感到舒適。這個舒適區間的溫度范圍大約為20～26℃，相對濕度在20%～75%之間（圖1）。然而，我們幾乎可以在世界的每一個角落生存，也就是說生存條件往往會在這個舒適區間之外，而我們也學會了通過增減衣物、改造住房來保持舒適。因此，你也許會認為自己的衣柜里掛著的衣服只是反映了你有沒有時尚品位，但實際上，它們展現了你生活所在地的氣候及其一年四季的變化。所以你有一件厚厚的加絨大衣以備在加拿大過冬，也有一件短袖襯衫應付里約熱內盧的商務會議。衣柜也暗示了我們喜歡去哪里度假——嶄露頭角的極地探險家的衣柜里會掛著非常保暖的北極服裝，如果喜歡在沙灘上曬太陽，那么衣柜里就會改掛短褲或比基尼。

房子也是在我們清楚了解本地氣候的情況下建造的。在英格蘭，因為室外的溫度通常低于20℃，所以幾乎所有的房子都有中央供暖，同時由于溫度很少超過26℃，因此又鮮有空調。然而在澳大利亞，大多數房子都有空調，卻很少有中央供暖。氣候還會影響城市的結構，以及世界各地運輸系統的運作方式。得克薩斯州休斯頓有長達7英里的地下隧道網絡，連接著市中心所有的主要建筑；這個全氣候控制的網絡把95個人口密集的城市街區連在一處。當外面下雨或天氣炎熱的時候，人們都走隧道，因為休斯頓每年至少有五個月的平均氣溫高于30℃。同樣，加拿大也有地下商場，以此來避免大雪和極寒的問題。

氣候決定了我們在何時何地獲得食物，因為農作物生產既受霜凍雨雪的限制，也被生長季節的長短所左右，其中包括日照量和溫暖季節的長度。因此簡而言之，水稻生長在溫暖和非常潮濕的地方，而小麥可以在范圍大得多的溫帶氣候區生長。氣候也會影響食物的質量，例如，眾所周知，法國葡萄酒的最佳釀造年份需要冬季有幾次短暫的嚴寒，可以讓葡萄藤更加強壯從而產出優質的葡萄。農民也可以“改善”當地的氣候，比如在溫室里種植番茄，或是通過灌溉土地來提供更穩定的供水。

氣候還會影響有熱浪、干旱、洪水和風暴等極端天氣事件的地方。但在很多情況下，我們對極端事件的認識取決于當地的條件，例如，2003年北歐遭遇了“熱浪”，英格蘭首次出現了100℉（37.8℃）的高溫紀錄。然而在熱帶國家，只有當氣溫超過45℃時才會作為熱浪記錄下來。氣候對我們的健康也有很大的影響，因為很多疾病都受到溫濕度的制約，例如流行性感冒（俗稱流感）的發病率會在冬季達到高峰。由于南北半球的冬季時間不同，全球每年實際上會有兩個不同的流感季。每個冬季過后，流感病毒都會在兩個半球之間遷徙，讓我們有時間根據另一個半球半年前出現的新型毒株來生產新的疫苗。關于流感為何受氣候控制的說法有很多，從理論上講，在寒冷干燥的條件下，病毒在各種物體表面存活的時間更長，所以更容易在人與人之間傳播。另一種說法是，維生素D可能會幫助人們對病毒產生一定的抵抗力或免疫力。因此，在冬季和熱帶的雨季，當人們待在室內、遠離陽光時，他們體內的維生素D水平會下降，流感的發病率就會上升。

冷暖地球

地球上氣候的成因是赤道所接收的太陽能量多于兩極。如果把地球想象成一個巨大的球體，離太陽最近的點就是赤道或球體中部。赤道是太陽照射最直接的地方，因而這里也是地球接收能量最多之處。離開赤道向北或向南，地球表面沿曲線遠離太陽，地表與太陽所成夾角增大。這意味著太陽的能量被分散在更大的區域，從而導致溫度降低。如果我們生活在一個平坦的圓盤上，就會從太陽那里得到更多的能量——大約每平方米1370瓦特（1370W/m2），而地表由于其彎曲的性質，獲得的能量為平均每平方米343瓦特左右（圖2）。在太陽迸發出的能量中，地球只接收了非常少的一部分。只需想想太陽每釋放20億瓦特的能量，我們只接收到1瓦特，就知道地球與太陽相比有多渺小了。這也是為什么在很多科幻小說中，作者都會想象恒星被條帶甚或曲面所環繞，借此收集直接流失到太空的全部能量。

在我們接收到的太陽能中，大約有三分之一都被直接反射回太空了。這是由“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，幾乎可以把照在其上的陽光全部反射回去，而海洋、草地和雨林等比較暗的表面則會吸收更多的能量。兩極接收的能量不僅比赤道少，而且還向太空散失了更多的能量（圖3）：南北兩極白色冰雪的反照率很高，把大量的太陽能反射回了太空。與此相反，顏色暗得多、反射率也更低的低緯度植被卻吸收了大量的能量。這兩個過程齊頭并進，意味著熱帶地區熾熱難當，兩極則天寒地凍。大自然痛恨這種能量失衡，所以，能量以熱能的形式由大氣和海洋輸送到兩極，從而影響了氣候。

太空中的地球

氣候由地球與太陽之間關系的兩個基本事實所控制。第一個事實是地球自轉軸的傾斜，這導致了四季的變換。第二個事實是地球每日的自轉，這給我們帶來了日與夜，并驅動了大氣和海洋的循環。

地球自轉軸的傾斜角度是23.5°，這導致兩個半球全年接收的能量存在季節性差異。目前，季節性變化對氣候的影響最大。如果地球不傾斜，而是直直地立在軸線上，那么我們就不會有春夏秋冬了，想到這些不禁令人驚嘆。如果真是這樣，溫帶地區的植被不會存在巨大的變化，也不會有熱帶地區的季風和颶風季節了。四季的由來源于一年中陽光照射地球的角度發生了變化。以12月21日為例，由于地球的自轉軸偏離太陽，所以照射到北半球的陽光角度更大，能量擴散的范圍也更廣。此外，這種傾斜實在是太大了，以至于在北極地區，陽光甚至無法到達地表，因而產生了24小時的黑暗和北半球的冬天。然而，在南半球一切都恰恰相反，因為南半球當時是向著太陽傾斜的，因此烈日炎炎。這意味著南極洲24小時都沐浴在陽光下，澳大利亞人則在海灘上享受圣誕晚餐，同時還能把皮膚曬得更黑。地球繞著太陽運轉一圈大約需要365.25天（因此每四年便有一個閏年），軸線的角度保持不變。到了6月，地球的自轉軸就會向太陽傾斜，北半球于是有大量的陽光直射，如此便進入夏季，而南半球因遠離陽光而墜入冬季。

如果全年追蹤太陽，就可以看到這種傾斜是如何通過四季輪回影響地球的。我們從6月21日開始，此時的太陽在正午時分位于北回歸線（北緯23.4°）的正上方，即北半球的夏至。此后太陽的角度向南移動，直到9月21日正午時分位于赤道上空，也就是二分點或北半球的秋分。太陽繼續南移，12月21日的正午出現在南回歸線（南緯23.4°）的正上方，此時是南半球的夏至。然后，太陽看來像是北移了，在3月21日二分點或北半球春分時的正午到了赤道正上方，如此循環下去（圖4）。

換季標志著氣候中最明顯的變化；以紐約為例，冬季的氣溫可低至-20℃，而夏季的氣溫可以超過35℃——溫差達55℃。此外我們還將發現，季節更替是風暴的主要成因之一。

熱量在地球上的移動

影響地球氣候的第二個事實是地球日復一日的自轉。首先，這使得地球墜入和沖出黑暗，造成晝夜溫度的巨大變化。例如，撒哈拉沙漠夏季白天的溫度可以超過38℃（100℉），夜間的最低溫度為5℃（40℉）；而香港的晝夜溫差只有4℃（7℉）多一點。根據季節的不同，不同地區的日照時間也不同。具體的日照時間可能是兩極的24小時白晝或24小時黑暗，也可能是赤道每天12小時左右的日照。日照的變化加劇了季節性反差，因為在夏季，我們不僅能獲得更多“烈日當頭”的陽光，照射的時間也更長了。

但地球的自轉也使從赤道向外輸送熱量變得更加復雜。這是因為地球的自轉讓包括大氣層和海洋在內的其他一切都在轉動之中。簡單的規律是，地球的自轉會使北半球的空氣和洋流被推到其行進方向的右邊，而在南半球則被推到行進方向的左邊。這種偏轉名為科里奧利效應，越靠近兩極，其作用越明顯。

日常生活中經常被人引用的一個例子，就是水從排水孔或馬桶流下去的方向。在北半球，據說水是按順時針流下排水孔的，而在南半球則是逆時針。但我不得不告訴諸位，水從浴缸或馬桶里排出的方向與科里奧利效應或地球的自轉無關，而且目前也沒有觀察到南北半球的馬桶在水流方向上有持續存在的差異。這是因為與水的殘留移動和容器形狀的影響相比，科里奧利效應的影響小到可以忽略不計。也就是說，赤道地區的奇妙手工作坊向游客展示的科里奧利效應只是一個小把戲而已。例如在肯尼亞穿越赤道時，你會看到豎立的大牌子上寫著這一點；如果游客愿意在路邊停下來，當地人會興高采烈地把水從桶里倒進一個大漏斗，似乎能清楚地證明，站在牌子的兩側所看到的水流方向并不相同。不過，這種變化完全取決于演示者的手腕，水怎么倒進去，會影響到它往哪邊轉。盡管這完全是假的，但我還是喜歡這些演示，因為這意味著許多當地人和游客可以得知有關科里奧利效應的知識！

說回氣候，洋流和氣流為什么會有這種偏轉？試想一下從赤道直接向北發射一枚導彈。因為導彈是從向東自轉的地球上發射的，所以導彈也在向東移動。地球自轉時，赤道必須在太空中快速移動以跟上其他的地方，因為它是地球最寬的部分。地表向北或南遠離赤道時會向內彎曲，所以它不必移動得那么快來跟上赤道。因此在一天之內，赤道必須以每小時1670千米的速度移動40074千米（地球的直徑），而北回歸線（北緯23.4°）必須移動36750千米，速度為每小時1530千米，北極圈（北緯66.6°）必須移動17662千米，所以速度為每小時736千米。北極點根本沒有相對運動，所以那里的速度是每小時0千米。一個直觀的證明是，如果你和朋友手拉手站在一處同時甩手，手的速度會比你們快很多。因此，從赤道發射的導彈，其東進的速度較快，等同于赤道的東進速度；當它向北移動到北回歸線時，地表東進的速度不如導彈快。因為導彈的東進速度快于它所進入的區域，這就給人一種導彈向東北方向移動的感覺。當然越接近兩極，這種速度的差異就越大，所以向東的偏轉就越大（圖5）。

總結

氣候系統非常簡單，它由赤道和兩極接收到的不同量的太陽能所控制，氣候只是要消除這種不平衡的能量再分配。正如我們將在第二章中看到的那樣，進行這種重新分配的正是大氣和海洋。由于地球的自轉軸與太陽成一定的角度，導致了明顯的季節周期，使得情況變得更加復雜。除此之外，地球每24小時就會自轉一圈，讓地球墜入和脫離黑暗，這也意味著遠離赤道的能量的重新分布發生在一個自轉的球體上。科里奧利效應由此產生，并有助于解釋為什么幾乎所有的天氣系統似乎都在旋轉。