书城科普读物探索神秘的大自然:奇妙的天气
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第2章 天气及其成因(1)

“气象”、“天气”、“气候”这三个词,我们几乎天天都要碰到。当你打开收音机、电视机或是翻开报纸,就会听到或看到天气预告的消息;当您要到某地出差,总要向别人打听一下那里的气候、天气等情况。然而,“气象”、“天气”和“气候”的确切含义是什么,它们有什么区别?可能有些人会将其混为一谈,认为反正都是天气呗!其实三者的含义既有一定的区别,相互之间又有着密切的联系。

“气象”,用通俗的话来说,它是指发生在天空中的风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、闪电、打雷等一切大气的物理现象。

“天气”,是指影响人类活动瞬间气象特点的综合状况。例如,我们可以说:“今天天气很好,风和日丽,晴空万里;昨天天气很差,风雨交加”等,而不能把这种天气说成是气象。

天气、气象和气候“气候”,是指整个地球或其中某一个地区一年或一段时期的气象状况的多年特点。例如,昆明四季如春;长江流域的大部分地区,春、秋暖和,盛夏炎热,冬季寒冷,我们就称这里是“四季分明的温带气候”;每年的7月下旬和8月上旬是北京的雨季,我们就说这是北京的气候特点。

气候的形成主要是由于热量的变化而引起的,其形成因素主要存在以下6个方面。

辐射的作用

海陆表面的热能主要来自太阳,太阳辐射能是大气中一切物理过程的原动力。各地气候差异的基本原因是太阳辐射能量在地球上分布不均匀。各地全年所得太阳辐射因纬度而异,即随着纬度的增高而减少。各地所得太阳辐射量的季节变化也因纬度而不同,即随纬度的增高季节变化加大。由此可看出,气候的不同首先表现在纬度的差异上。

如果把地面和上面的空气柱看做是一个整体,那么收入的辐射(地面和大气吸收的太阳辐射)和支出辐射(返回宇宙间的地面和大气的长波辐射)的差额,就是地—气系统的辐射平衡。辐射差额赤道最大,向高纬度逐渐变小,由赤道到纬度30°地区为正值,在30°以北变为负值。它的绝对值向高纬度增加而到极地为最大。由此可见,热带和副热带热量收入大于支出,而温度和寒带则支出大于收入,因此必然会发生热量由赤道向两极输送的情况。

我们分析一下纬度所引起的辐射因子的最简单的情况,也就是在大气上界的太阳辐射情况,即天文辐射。因为大气上界排除了大气对太阳辐射的影响,太阳光热的分布只受日地距离、日照时数和太阳高度(即太阳入射角)3个因素的影响。尽管这是一种纯理论研究的理想情况,但它与今天地表面的实际辐射情况大体相似,而且,它是实际辐射情况的基础,是今天世界辐射分布和气候状况的基本轮廓。因此,它具有现实意义。

(1)天文辐射日总量的分布在纬度方向上是不均衡的。在春、秋分日,太阳直射赤道,单位面积上所获得太阳光热最多,而且在南北半球各相当纬度的太阳高度角对称分布,大致相同,日照时间也相等,获得等量的太阳辐射,并向两极逐渐减少。故赤道地区全年有2个最高值(春分日和秋分日),低纬度气温的年变化具有“双峰型”的特点。在夏至日,太阳直射北回归线,这时南极圈以内的地区出现极夜,日照时间自南极圈向北逐渐增大;太阳高度自南极圈的0°逐渐向北增大,至北回归线达最高,再向北又逐渐减小。因此,太阳辐射的分布自南极圈起向北递增。在北极圈附近,由于日照时数的增长大于因太阳高度角的减小而少得的太阳辐射,所以到达北极出现了最高值(冬至日情况与此相反),这样,就使高、中纬度的气温年变化呈现“单峰型”的特点。

(2)天文辐射日总量的年变化是随纬度的增高而加大的。赤道上为109卡/(厘米2·日)(1卡=4.18焦耳),而极地则为1110卡/(厘米2·日),二者相差10倍。这和气温年变化随纬度的增高而加大的特点是一致的。

(3)天文辐射的年总量随纬度的增高而递减。最高值出现在赤道,最小值在极地。这正和赤道在一年之内太阳高度角最大,获得的热量最多,气温随纬度的增高而降低的规律相符合。

(4)太阳辐射最高值,夏半年在北纬20°~30°附近的地区,由此向南、向北减少,且南北之间的辐射量差异小。

(5)同一纬度地带,日、季、年辐射量到处都相同,这表明天文辐射具有纬向带状分布的特点。这就是气温呈纬向分布的基本原因。

天文辐射的纬向分布特点,使地球上出现相应的纬向气候带。如赤道带、热带、副热带、温带、寒带等,都称为天文气候带。这是理想的气候带,但实际气候情况远为复杂,但这已形成全球气候的基本轮廓。

大气环流的作用

在高纬与低纬之间、海洋与陆地之间,由于冷热不均出现气压差异,在气压梯度力和地转偏向力的作用下,形成地球上的大气环流。大气环流引导着不同性质的气团活动、锋、气旋和反气旋的产生和移动,对气候的形成有着重要的意义。常年受低压控制,以上升气流占优势的赤道带,降水充沛,森林茂密;相反,受高压控制,以下沉气流占优势的副热带,则降水稀少,形成沙漠。来自高纬或内陆的气团寒冷干燥,来自低纬或海洋的气团温和湿润。一个地区在一年里受2种性质不同的气团控制,气候便有明显的季节变化。如我国大部分地区气候冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨,则是受极地大陆气团和热带海洋气团冬夏交替控制的结果。总之,从全球来讲,大气环流在高低纬之间、海陆之间进行着大量的热量和水分输送。在经向方向的热量输送上,大气环流输送的热量约占80%。在大气环流和洋流的共同作用下,使热带温度降低了7℃~13℃,中纬度温度则有所升高,北纬60°以上的高纬地区竟升高达20℃。

大气环流是决定气候形成因素之一

大气环流水分输送,也起着重要的作用。大气中水分输送的多少、方向和速度与环流形势密切相关。北半球,水汽的输送以北纬30°附近为中心,向北通过西风气流输送至中、高纬度;向南通过信风气流输送至低纬度。我国的水汽输送,主要有2支:一支来自孟加拉湾、印度洋和南海,随西南气流输入我国;另一支来自大西洋和北冰洋,随西北气流输入我国。南方一支输送量大,北方一支输送量小,两者的界线是黄淮之间和秦岭一线,基本上相当于气候上的湿润和半湿润的界线,秦岭—淮河一线也大体是我国南北地区的分界线。

降水的形成离不开天气系统,离不开云、水汽的输入和空气的垂直上升运动。这一切都和环流形势紧密相连。例如,降水量的多少和进入各种天气系统的水汽量有关,暖湿赤道空气的流入能在几小时或1小时以内产生100毫米的降水;雷暴降水量的多少可和流入积雨云内水汽量的多少成正比。世界降水的分布有2个高峰和2个低峰,即2个多雨带和2个少雨带。2个多雨带和赤道辐合带、极锋辐合带2个气流辐合带的位置基本相符;2个少雨带和副热带高压带、极地高压带2个气压带的位置一致。

大气环流在气候的形成中起着极其重要的作用。在不同的环流控制下就会有不同的气候。即使同一环流系统,如环流的强度发生改变,则它所控制的地区的气候也将发生改变;如环流出现异常情况,则气候也将出现异常。大气环流状况的变化,可用经向环流和纬向环流的强弱和转换来表示。某地区在较长时间内的大气环流的变化都有一个该时期的平均状况。当某年某一段长时间内的经向环流和纬向环流的持续时间和转换频率大大超过该时期的平均状况时,则称某年某一段长时间内的大气环流状况为环流异常。由于环流异常,必然引起气压场、温度场、湿度场和其他气象要素值出现明显的偏差,从而导致降水和冷暖的异常,出现旱涝和持续严寒等气候异常情况。

世界气象组织在1972年度报告中指出:“1972年世界的天气是历史上最异常的年份之一。”这一年,1月,美国密执安州的功圣马利降雨、雪量达1351.3毫米,超过正常年份10倍以上;2月,强烈暴风雪袭击了伊朗南部,在阿尔达坎地区,许多村庄被埋在8米深的大雪之下;3~5月,美国中、北部和欧洲地中海沿岸各国先后遭到强大的风、雨、雪袭击,而在中东和近东地区几乎同时也发生了数次暴风雪并伴有强烈的低温、冻害;5~6月,印度酷热,最高气温超过50℃以上,香港发生了百年难遇的特大暴雨;7~8月,北冰洋上漂浮着一眼望不到头的大冰山,比常年同期多出4倍。欧洲地区连续近2个月出现酷热少雨天气,引起泥炭地层自焚及森林着火,而西欧地区却连续低温,致使英国伦敦出现了1972年夏至日最高气温比1971年冬至日气温还低的特异现象;秋季,亚欧东部地区普遍低温,使初霜提早;冬季,西北欧的瑞典出现了200年来少见的暖冬,前苏联也出现了异常暖冬,莫斯科郊区的蘑菇竟能在冬季破土而出,彼得格勒下了百年未见的“冬季雷雨”,在西非、印度以及欧洲地区几乎出现了全年连续干旱的严重旱情(在西非,人和牲畜的饮水都成了问题)。

在我国,由于欧洲和亚洲西部阻塞形势持久稳定,冷暖空气在我国交绥机会少,以致我国北方和南方的部分地区汛期少雨,干旱严重。

由此可知,在环流异常的情况下,可能在某一地区发生干旱,而在另一地区发生洪涝,或者在某一地区发生奇热,而在另一地区发生异冷。

海陆分布的影响