下面，我們來(lái)探討一下地球的氣候系統(tǒng)。本節(jié)的許多內(nèi)容并不復(fù)雜，也很容易理解，但要記住并不容易，比如有關(guān)各種氣候分帶。當(dāng)然，我們也并不需要將這些東西死記硬背下來(lái)，只是要知道有這樣的分類，以后在具體使用中可以隨時(shí)查詢，也知道查詢的方向。

氣象與氣候兩個(gè)詞，雖然我們常掛在嘴邊，但有時(shí)候不一定知道其確切的含義。下面說(shuō)幾個(gè)能讓你區(qū)別二者的內(nèi)容。比如，人們可以預(yù)測(cè)未來(lái)50年或100年的氣候，但不能預(yù)測(cè)未來(lái)幾星期的氣象狀況。在全球氣候變暖條件下，仍會(huì)發(fā)生寒冷的冬天或出現(xiàn)降溫的氣象。氣象站的功能是告訴我們最近幾天的天氣是什么，天天都有很大的變化，但中國(guó)氣候類型這樣的圖可以許多年不變。那么，我們現(xiàn)在來(lái)定義一下氣象和氣候。氣象是在1-3天這樣短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的天氣現(xiàn)象，如暴雨，大風(fēng)，雷暴，高溫等。氣候是一定時(shí)間和空間的平均天氣。當(dāng)前氣候，規(guī)定用剛剛過(guò)去的30年的平均值作為準(zhǔn)平均，而且每過(guò)10年更新一次。有了這些認(rèn)識(shí)，我們知道，天氣狀況的冷熱極值總是存在，但只有對(duì)天氣做時(shí)空平均值，才可明顯突現(xiàn)全球變暖的事實(shí)。另外，天氣和氣候的空間尺度基本一致，從幾千米到幾千千米乃至上萬(wàn)千米。時(shí)間尺度卻大相徑庭，天氣的時(shí)間尺度從幾小時(shí)到幾天、十幾天；氣候的時(shí)間尺度要長(zhǎng)得多，從一個(gè)月到一年，甚至幾千年、上萬(wàn)年。

根據(jù)前面的了解，我們知道氣候不是簡(jiǎn)單的某種表現(xiàn)，而是一個(gè)系統(tǒng)的呈現(xiàn)，所以我們有時(shí)候會(huì)稱氣候系統(tǒng)，指的是一個(gè)由大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈（陸面）和生物圈組成的高度復(fù)雜的系統(tǒng)，這些部件之間發(fā)生著明顯的相互作用。從氣候?qū)W角度，還可將氣候系統(tǒng)細(xì)分為六個(gè)子系統(tǒng)：大氣、海洋、冰川、干旱、草原和植物、以及森林子系統(tǒng)。生物過(guò)程與物理化學(xué)過(guò)程強(qiáng)烈相互作用，以此構(gòu)成復(fù)雜的地球生命支持系統(tǒng)。因而不但需要分別研究系統(tǒng)中各個(gè)部分的特征與循環(huán)，而且必須研究整個(gè)系統(tǒng)的集成行為及各分系統(tǒng)的相互作用。

如果沒(méi)有大氣的保護(hù)，地表平均溫度就會(huì)下降到-18℃，而實(shí)際地表平均溫度為15℃，這完全得益于地球的溫室效應(yīng)。根據(jù)我們已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)，我們知道大氣能使太陽(yáng)短波輻射到達(dá)地面，但地表受熱后會(huì)向外放出的大量長(zhǎng)波熱輻射，卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣的作用類似于栽培農(nóng)作物的溫室，故名溫室效應(yīng)。

考慮到多年來(lái)大氣的溫度基本穩(wěn)定，所以大氣、地面、地氣系統(tǒng)的各種能量應(yīng)當(dāng)保持在一定水平上的平衡狀態(tài)，這就是地球的熱量平衡。大家可以注視這張圖中的數(shù)字，有一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)。

影響氣候系統(tǒng)的主要因素有許多，涉及到太陽(yáng)輻射，大氣環(huán)流、地理位置和下墊面的條件。其中太陽(yáng)輻射主要是控制熱量的輸入，影響地理環(huán)境；大氣環(huán)流主要是動(dòng)量、能量和水分的輸送、調(diào)節(jié)和平衡；地理位置會(huì)影響人類的生存條件，農(nóng)作物的種植，交通和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等等；下墊面又會(huì)明顯地影響氣溫和大氣水分。

太陽(yáng)輻射照射在地球上并不是均勻的，會(huì)造成高低緯之間的溫度差異，形成低緯度低壓和高緯度高壓的局面，進(jìn)而產(chǎn)生了高低緯之間的氣壓梯度。在氣壓梯度的控制下，赤道附近空氣受熱膨脹上升，高空空氣流向兩極；在極地，空氣冷卻下沉，向低緯地區(qū)流動(dòng)，于是形成南北方向高低緯之間的大氣環(huán)流圈。所以，總結(jié)一下就是：大氣的運(yùn)動(dòng)既有垂直方向，也有水平方向的。垂直方向可形成大氣環(huán)流，水平方向則形成氣旋和風(fēng)。大氣的運(yùn)動(dòng)是在氣壓梯度的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生和維持的。

在繼續(xù)下面的話題之前呢，我們先補(bǔ)充理解兩個(gè)概念。在物理學(xué)中，我們認(rèn)識(shí)到，剛體進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，有兩種形式，那就是平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。平動(dòng)時(shí)，重心會(huì)隨著質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，重心保持不動(dòng)。如果沒(méi)有外力的作用，一個(gè)物體會(huì)保持其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，這種能力我們稱為動(dòng)量。同樣，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，也有一個(gè)保持轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)的能力，我們稱之為角動(dòng)量。那么根據(jù)動(dòng)量守恒原理，我們就很容易理解角動(dòng)量守恒定律了：所受的合外力矩為零時(shí)，系統(tǒng)的角動(dòng)量將保持不變。角動(dòng)量守恒定律，還是我們非常容易感受到的。比如，芭蕾舞演員在旋轉(zhuǎn)時(shí)，剛開(kāi)始的時(shí)候是伸開(kāi)手臂，如果她突然將手臂收攏，轉(zhuǎn)速會(huì)迅速增加，這就是為了保持角動(dòng)量守恒。

我不知道是否所有的天體都是在自轉(zhuǎn)，至少?gòu)奈覀円呀?jīng)觀察的天體來(lái)看，天體都有一定的自轉(zhuǎn)，為什么呢？因?yàn)檠剑诼L(zhǎng)的星體形成過(guò)程中，許多塵?；蛘咚槠瑥乃拿姘朔骄奂纬?。它們本來(lái)就帶有一定的初始速度，否則怎么可能跑過(guò)來(lái)？它們聚集起來(lái)作為一個(gè)整體系統(tǒng)，保持著原來(lái)每個(gè)碎片的角動(dòng)量加合。而宇宙真空對(duì)這整個(gè)系統(tǒng)的外力幾乎是沒(méi)有的。除非在特別巧合的情況下，角動(dòng)量加合，這種可能性幾乎沒(méi)有，所以一般形成的天體都會(huì)自轉(zhuǎn)。

另外，還有一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)物體有關(guān)的知識(shí)，那就是科里奧利力。由于自轉(zhuǎn)的存在，地球并非一個(gè)慣性系，而是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)參照系。在慣性作用下，物體有沿著原有運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，在旋轉(zhuǎn)體系中，經(jīng)歷了一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會(huì)有所變化，從旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會(huì)發(fā)生一定程度的偏離，就像我們現(xiàn)在右邊所看到的這個(gè)動(dòng)畫(huà)。根據(jù)牛頓力學(xué)的理論，以旋轉(zhuǎn)體系為參照系，這種質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)會(huì)偏離原有方向的傾向，這被歸結(jié)為一個(gè)外加力的作用，就是科里奧利力。是為了描述旋轉(zhuǎn)體系的運(yùn)動(dòng)，需要在運(yùn)動(dòng)方程中引入一個(gè)假想的力，這就是科里奧利力。從物理學(xué)的角度考慮，科里奧利力與離心力一樣，都不是真實(shí)存在的力，而是慣性作用在非慣性系內(nèi)的體現(xiàn)。而地轉(zhuǎn)偏向力就是科里奧利力在沿地球表面方向的一個(gè)分力。地轉(zhuǎn)偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

有了角動(dòng)量守恒和科里奧利力的知識(shí)，我們就比較容易理解大氣環(huán)流圈的形成了。大氣環(huán)流圈是指具有全球規(guī)模的、大范圍的大氣運(yùn)行現(xiàn)象，其水平尺度在數(shù)千公里以上，垂直尺度在10km以上，時(shí)間尺度在數(shù)天以上。為什么會(huì)有這樣的環(huán)流圈呢？其形成原因，主要有三個(gè)方面：（1）太陽(yáng)輻射，這是地球上大氣運(yùn)動(dòng)能量的來(lái)源，地球表面接受太陽(yáng)輻射能量是不均勻的，因而產(chǎn)生了氣壓梯度，有流動(dòng)的潛力。（2）地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力，又會(huì)迫使運(yùn)動(dòng)空氣的方向偏離氣壓梯度的方向。在北半球，氣流向右偏轉(zhuǎn)，結(jié)果使熱力環(huán)流圈中自極地低空流向赤道的氣流偏轉(zhuǎn)成東風(fēng)，而不能逕直到達(dá)赤道；同樣，自赤道高空流向極地的氣流，隨緯度增高，為保持角動(dòng)量守恒偏轉(zhuǎn)程度增大，逐漸變成與緯度圈相平行的西風(fēng)?？梢?jiàn)，在偏轉(zhuǎn)力的作用下，理想的單一經(jīng)向環(huán)流圈，既不能生成也難以維持，因而形成了幾乎遍及全球（赤道地區(qū)除外）的緯向環(huán)流。緯向風(fēng)帶的出現(xiàn)，阻擋著經(jīng)向氣流的逾越，引起某些地區(qū)空氣的輻合與輻散，使一些地區(qū)的高壓帶和另一些地區(qū)的低壓帶得以形成和維持。結(jié)果，全球氣壓水平分布在熱力和動(dòng)力因子作用下，呈現(xiàn)出規(guī)則的緯向氣壓帶，而且高低氣壓帶交互排列。而氣壓帶的生成和維持又是經(jīng)向環(huán)流圈形成的必需條件。因而地球自轉(zhuǎn)是全球大氣環(huán)流形成和維持的重要因子。

如果，只受太陽(yáng)輻射和地球自轉(zhuǎn)影響所形成的環(huán)流圈，稱為三圈環(huán)流，是大氣環(huán)流的理想模式。但是，在地球上，還有一個(gè)作用，那就是（3）地球表面海陸分布不均勻。所以會(huì)顯得更加復(fù)雜一些，在某些局部的地區(qū)并不完全符合三圈環(huán)流的理想模式。

剛才我們提到，大氣環(huán)流的理想模式是三圈環(huán)流。為什么是三圈呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，是南北溫度梯度、自轉(zhuǎn)速度和半徑所決定的。從年際角度看，溫度梯度、自轉(zhuǎn)速度和半徑是近似常數(shù)的，不過(guò)水平溫度梯度有比較明顯的季節(jié)變化。正是它們才決定了環(huán)流的尺寸，正好約等于地球四分之一周長(zhǎng)的三分之一。所以在地球上會(huì)形成三圈環(huán)流，而不是二圈或者四圈、五圈。另外，補(bǔ)充一句，在其他有大氣層的行星上也是完全有可能形成多圈環(huán)流的。木星的半徑是地球的十倍，而自轉(zhuǎn)周期是地球的二分之一，所以所形成的大氣環(huán)流會(huì)比地球多許多倍。

下面，我緊接著提一個(gè)思考題：飛機(jī)往返上海和新疆，時(shí)間是不一樣的，比如上海去烏魯木齊，5小時(shí)左右；而回上海，4小時(shí)左右，為什么？航路不同；風(fēng)：地勢(shì)西高東低，強(qiáng)大冷暖高壓氣流由西向東；科里奧利力？

信風(fēng)的英文是tradewind。Trade在中古英語(yǔ)中，相當(dāng)于path、track的意思，人們很早就知道了利用信風(fēng)航行。在長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的遠(yuǎn)洋航行中，大海顯得非常順從人意，海面上一直徐徐吹著東南風(fēng)，把船一直推向西行，然后東南風(fēng)漸漸減弱，大海又變得非常平靜。在赤道兩邊的低層大氣中，風(fēng)向是不一樣的，北半球吹東北風(fēng)，南半球吹東南風(fēng)，這種風(fēng)的方向很少改變，而且年年如此，穩(wěn)定出現(xiàn)，很講信用，這也就是tradewind在中文中被翻譯成“信風(fēng)”的原因。由于信風(fēng)是向緯度低、氣溫高的地帶吹送，所以沒(méi)有水汽凝結(jié)條件，屬性干燥；世界上有些沙漠和半沙漠，多分布在信風(fēng)帶。

除信風(fēng)之外，地球上還有一個(gè)因季節(jié)而變化的季風(fēng)：在一個(gè)大范圍地區(qū)內(nèi)，盛行風(fēng)向或氣壓系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，而且隨著風(fēng)向和氣壓系統(tǒng)的季節(jié)變換，天氣發(fā)生明顯的變化。這里，海陸間熱力差是季風(fēng)形成的重要原因之一。亞洲大陸夏季為熱低壓控制，東亞和南亞的氣流由大洋進(jìn)入陸地，為夏季風(fēng)，此時(shí)空氣溫暖潮濕，多降雨。冬季來(lái)臨，亞洲大陸為強(qiáng)大的高氣壓所控制，東亞和南亞的氣流為從內(nèi)陸向海洋的偏北氣流，即為冬季風(fēng)，空氣干燥寒冷。東風(fēng)帶和西風(fēng)帶隨季節(jié)南北移動(dòng)，其過(guò)渡區(qū)的風(fēng)向也隨季節(jié)交替形成季風(fēng)。季風(fēng)是大范圍地區(qū)的盛行風(fēng)向隨季節(jié)改變的現(xiàn)象，這里強(qiáng)調(diào)“大范圍”是因?yàn)樾》秶L(fēng)向受地形影響很大；隨著風(fēng)向變換，控制氣團(tuán)的性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，例如，冬季風(fēng)來(lái)時(shí)感到空氣寒冷干燥，夏季風(fēng)來(lái)時(shí)空氣溫暖潮濕，讓我們感受到明顯的天氣變化。

也就是說(shuō)，形成季風(fēng)最根本的原因，是地球表面性質(zhì)不同。受青藏高原的地形作用及其他因子的影響，東亞的季風(fēng)比南亞地區(qū)更復(fù)雜。同樣，熱力反映的差異，可以由海陸分布、大氣環(huán)流、大陸地形等因素所造成。由熱力分布不均勻形成的熱力環(huán)流在海-陸之間、坡與谷之間、城與郊之間也可能出現(xiàn)。

我們總結(jié)一下導(dǎo)致各地氣候差異的主要原因，大概包括如下三個(gè)方面：

（1）海陸之間的輻射與熱狀態(tài)差異。這導(dǎo)致了森林氣候、草原氣候、湖泊氣候、沙漠氣候、山地氣候之間的差別；

（2）陸地上地形起伏和植被覆蓋情況的差異。這導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)的海洋型氣候與大陸型氣候的差異；

（3）海洋中冷、暖洋流的差異。暖洋流流經(jīng)的地區(qū)，冬季帶來(lái)暖濕空氣而使其氣候溫暖濕潤(rùn)。冷洋流流經(jīng)地區(qū)，夏季使空氣冷卻而干燥少雨。

據(jù)此，我們可以將全球的氣候粗分為低緯度氣候、中緯度氣候及高緯度氣候三個(gè)緯度帶和高地氣候四個(gè)大區(qū)，每個(gè)緯度帶又可分出若干氣候類型。我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下。

低緯度氣候主要受赤道氣團(tuán)和熱帶氣團(tuán)控制，氣溫全年皆高，最冷月平均氣溫在15~18℃以上?？煞譃槲宸N氣候類型：赤道多雨氣候；熱帶海洋性氣候；熱帶干濕季氣候；熱帶季風(fēng)氣候；熱帶干旱與半干旱氣候

中緯度氣候是熱帶氣團(tuán)和極地氣團(tuán)的角逐地帶。影響氣候的主要環(huán)流系統(tǒng)有盛行西風(fēng)、溫帶氣旋和反氣旋、副熱帶高壓和熱帶氣旋。在北半球還有大陸地形和植被的影響。中緯度氣候變化最豐富，分類數(shù)量最多。大致分為：

干燥少雨的副熱帶干早與半干旱氣候夏熱冬溫

季節(jié)明顯的副熱帶季風(fēng)氣候降水量充沛的副熱帶濕潤(rùn)氣候

夏干冬雨的地中海氣候

西風(fēng)盛行，冬暖夏涼的溫帶海洋性氣候

冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨的溫帶季風(fēng)氣候

性質(zhì)迥異的溫帶大陸濕潤(rùn)氣候和溫帶干旱和半干旱氣候

高緯度是南北緯度60度到南北極之間的區(qū)域，這里盛行極地氣團(tuán)和冰洋氣團(tuán)，氣候類型單調(diào)。可以劃分出三種氣候類型：（1）冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒，暖季短促的副極地大陸氣候；（2）全年皆冬，降水量少的極地長(zhǎng)寒氣候，也稱苔原氣候；（3）全年氣溫在0℃以下的極地冰原氣候。

從低緯至高緯的熱帶、溫帶和寒帶氣候，在高山的垂直方向上也會(huì)自下而上依次出現(xiàn)。每升高1千米降低6.5攝氏度。所以我們經(jīng)常說(shuō)：一山有四季，十里不同天，高處不勝寒。隨高度增加，空氣愈來(lái)愈稀薄，氣壓降低，水汽減少，日照增加，但氣溫降低，而且在一定坡向、一定高度范圍內(nèi)降水量隨高度增加而增加，過(guò)了最大降水高度后變?yōu)殡S高度增加而減小，表現(xiàn)出明顯的垂直地帶性。

陸地表面由植被、裸露的土壤巖石、人類建筑和冰雪組成，這些組分的表面反射特性對(duì)地球的暖化有較大影響。深色表面吸收太陽(yáng)能并以熱量的方式輻射，可能被大氣中的溫室氣體所截獲。淺色表面反射太陽(yáng)光，其波長(zhǎng)范圍不會(huì)被溫室氣體截獲，具有降溫作用。所以，有時(shí)候不恰當(dāng)?shù)闹矘?shù)造林和森林管理，也許會(huì)加劇大氣增溫。如果對(duì)此話題感興趣的同學(xué)，可以掃描上面的二維碼，閱讀我寫(xiě)的兩篇科普文章。

好了，有關(guān)地球的氣候系統(tǒng)的內(nèi)容，現(xiàn)在就全部結(jié)束。同學(xué)們，再見(jiàn)！