第 14 章 气候：一般特征

气候直接影响地球表面每个人的日常生活，并且是环境的一个重要特征。关于气候和人种特征之间的关系，存在着人所共知的许多争论，但谁也不能否认确实存在着一点关系。气候有助于决定食物、衣着、住房和一般生活方式；它的影响促进或者抑制人类在世界各地所见到的疾病和瘟疫。在帆船航行时代，通向世界的贸易航线在很大程度上受气流控制，气流在航空时代仍然是重要的。

此外，气候还影响环境的其他特征。气候要素是引起地球表面错综复杂的刻蚀——风化、流水和冰川的作用、荒漠地区风和水的作用——的主要原因，甚至冲击海岸的暴风浪，也都是气候的结果。土被以及自然和栽培植被的许多特征，都与它们的气候环境有关。

气候变化 今日世界上的各种气候，与过去的气候有相当大的差别。许多地方似乎经历过“温暖期”（即“间冰期”）和“寒冷期”（通常称作“冰期”），也经历过“干期”和“雨期”，这些是根据岩石本身的性质和岩石里发现的动植物遗体的特征这样一类地质学证据加以确定的。极地和赤道之间的一般区别似乎在很早以来就已经被人们了解，但是，有时极地的影响向赤道扩大，有时赤道的影响向极地扩大。中纬度位置（如不列颠群岛）经历了一系列的变化——石炭纪的热带气候、三叠纪的荒漠气候、白垩纪冷温带气候，和第四纪的极地气候，接着是冰后期气候较小的波动。

这些气候变化并不限于久远的地质时代。通过综合多种来源的证据来探索历史时期的气候变化，是一个十分有用的研究途径。许多方面本身资料不足，但常常能补充和证实一些其他资料。证据是很多的，包括在某一地区（现在是沙漠）已废圮的聚落，古代的灌溉工程，冰川的退缩，树木每年生长的年轮宽度（年轮学），以及关于水灾、旱灾和严寒的传说和目击者记录。从格陵兰现在的永冻地区掘出的棺材以及贯穿棺材的树根残体，就是这种证据的一个例子。把所有获得的证据经过仔细分析和综合，就能绘制出过去几千年的气候时间图（climatic time－chart）。

气候学与气象学

天气和气候 天气这一术语用来描述某一地区在某特定时间内的大气状况，它基本上是按天甚至按小时计算的现象。气候则是对一个相当大的地区长时期内大气状况的描述。过去通常认为，35 年是必须有的最短期限，达到这一期限才可能对一定的气候进行充分的概括。在世界有些地区，表述“气候”通常比描述其他现象难，例如有时人们说，不列颠群岛有某种天气，而不是说有某种气候。

气候学 气候科学基本上属于地理学家的研究领域，因为它以大气现象空间分布的分析为研究内容。气候一直被称为“地理实体”，气候学家的大部分工作是解释和描述在其地理环境中的各种气候。“气候”和“气候类型” 两个术语通常作为同义语使用。对主要气候类型的描述是第 18 章的基本内容。气候学一部分是描述性的，它描述气压、温度、降雨和其他要素的实际观测资料，但它在某种程度上也一定是解释性的。后来，地理学家开始接触气象学，他们近年来已认识到，他们必须从气象学中吸收越来越多的东西以

便帮助他们认识气候要素，因此出现了“概要的”和“动力的”气候学两个术语，这样一来，其对象便从它与大气能量的转化和交换、水热平衡和大气一般循环模式的关系的观点进行研究。

气象学 气象学是对大气中经常地起作用的物理过程进行的科学研究。现代气象学在很大程度上是擅长数学的物理学家研究的领域，因为如果大气过程要得到充分理解，热力学和流体力学的训练是极其重要的。气象学的一个功能是用来预报天气的将来趋势，这是目前航空时代的一项极端重要的发展。常规预报的基础是根据若干台站对大气现象同时进行的观测绘制的天气图。现代的发展包括数学预报，即用电子计算机解多组“预报方程式”，识别周期性和单一性，以及在长期预报中运用类推法（analogues），即通过分析和比较过去连续若干年的资料系列来推论将来重复出现的一系列天气形势模式。

从气候学家的观点看，更重要的是气象学所使用的科学方法和所作的科学解释对他们关于分布的描述所起的作用。对于具有不同温度和湿度特征的各个气团和高层空气状况的分析研究，都是地理学家能用以帮助作气候学描述的大量资料。

资料 气候学资料由多年来记录温度、压力、风、降雨和其他要素的台站提供。在西欧和北美洲东部，具有一个相当稠密的气象台站网，其他地方的台站分布要零星得多，北半球大约有 2500 个台站。陆地上许多地区（和海洋的大部水域），仅有短期记录或者根本没有记录，气候学家在描述气候类型方面的大部分工作，一定得采取根据一般原理和短期观测加以谨慎推论的形式。近年来，对美国、英国、挪威和东大西洋其他欧洲国家资助的长期停泊的“天气观测船”，和装有专门设备的飞机的飞行（如气象局研究飞行Research Flight for the Meteorologlcal Office）所记录的数据进行系统的汇编，大大丰富了海洋气象学的知识。目前，在轨道上运行的许多气象卫星不断地发回数据信息。

1967 年 l 月，在北美洲和西欧之间开辟了一条高速天气通讯线路，传送从轨道上的卫星获得的信息。这条通讯线路是世界气象组织建立的世界天气监测系统（the world weather watch)的一部分。世界气象组织总部设在日内瓦，于 1968 年开始工作。这个系统的核心由在苏特兰（Suitland，美国马里兰州）、莫斯科和墨尔本的三个中心组成。这些中心是有关从海面到大约公里（20 英里）高处全球天气形势的大量统计资料的交换场所。这个复杂组织的全部精华以三项技术的发展为基础：远距离高速通讯线路、电子计算机， 和绕轨道运行的卫星。卫星不仅提供云系变化势态的照片，而且还能提供可供计算机处理的大量资料。

“地方气候”和小气候

近年来，“地方气候”的详细研究有了相当大的发展，研究包括仔细查明可能由坡度和方位的微小差异、土壤颜色和质地、靠近水面、植被性质和建筑物的影响等造成的气候上的微小而又重要的差异。

这项研究的应用，在于评价这些微小气候变化对植物、动物、昆虫和人类的意义。例如，至关紧要的霜冻问题同样都引起了气候学家和园艺家的注意。研究范围多种多样，包括：冷空气向下缓慢运动的路径、“霜袋”的位

置，呈厚篱形态的“霜障”的形成。目前，已对城市气候进行了许多研究—

—建筑物对空气运动的干扰、大气污染和雾的发生问题、城市内和城市上空气团的变暖程度（例如伦敦的“热岛”）的研究。新城镇、村落和机场位置的确定，就需要在这方面做具体准备工作。这主要是记录地面上厚度为几米的空气层的温度，还包括记录一定深度的土壤温度。

人们在“地方气候”即小区域气候的研究，与“小气候”研究（即主要从生态学的观点对天然和栽培植被内的气象条件作详细、极小尺度的研究） 两者之间加以区别。后来非常合乎逻辑地出现了一个新术语，即现在使用的小气象学。小气象学是指对大气最低层进行详细的科学研究。

气侯因素和要素 “气候要素”这一术语是表示构成整个气候的每个成分——温度、气压、

风、湿度和降水等的最方便的名称。这些气候要素是若干因素或支配因素即

决定性原因相互作用的结果。在后面描述每个要素时，实际上起作用的决定因素也予以考虑。有几个因素将反复出现。

纬度是一个重要的因素，因为它不仅决定一年中白天的长短，而且决定所获得太阳光的强度和可能持续时间。海拔高度对温度压力和降水有非常明显的影响，山脉有时形成明显的气候屏障，因而成为气候类型的界限。海陆分布是第三个因素；“大陆”和“海洋”的影响可能是非常重要的。洋流对其所流过的大陆边缘附近起冷却和增温的作用，如果有向岸风吹过洋流的话。大湖泊的存在，自然特征的影响，具有较为局部的重要性。自然特征包括方位的差异（避开还是面对寒风），深谷和盆地的存在，以及土壤和植被的影响。

大气圈

大气圈是被重力吸引于地球的一层薄薄的气体，其 3/4 位于地球表面 11 公里（7 英里）以下，90％的大气位于 16 公里（10 英里）以下，多达 97％ 的大气位于 27 公里（17 英里）以下。“形成天气的”大气层仅限于几公里的高度内，这特别是因为大部分水蒸气包含在最低的 3000 米（10000 英尺） 以内。事实上，一半以上在 2300 米（7500 英尺）以下。

近年来，对高层空气的物理状况进行了大量研究。携带自记记录仪器的探测气球已逐渐被无线电探空仪所代替：气球充气时，将发出表示压力、温度和湿度变化信号的无线电发报机带到 18000—30000 米，即 60000—10000 英尺的高空。雷达探空测风仪（rawinsonde，为 radar wind －tounding 的缩写）携带着能直接追踪气球路径，因而能量测高空气流的一个雷达。最近， 已通过火箭和在轨道上运行的人造卫星获得了大量资料。这样取得的观测资料可用不同的方法标绘在图上。对它们进行译释能显示关于大气圈垂直结构的许多情况，因而人们现在知道，大气圈根据其温度变化、化学组成和电磁性质可以分成不同的带或层。所以创造了“圈层”这个难以理解的术语。

人们长期以来就知道，大气圈下层的温度平均每上升 100 米降低 0.6℃

（每 1000 英尺下降 3.3°F）；这叫做环境（或静态）递减率。现在认识到， 温度的这种递减，只限于一定的高度，在赤道似乎大约 16 公里（ 10 英里），

在 50°纬度为 11 公里（7 英里），在极地可能 9 公里（5. 5 英里），尽管这些数字随季节（似乎夏季改变点较高）和一般大气状态而发生变化。大气圈下层可分为两部分：对流层（直到还有上述温度变化的那个高度）、平流层（到大约 50 公里即 30 英里）；它们之间的不连续面称为对流层顶。平流层在赤道上空一年之中的温度变化，仅从大约- 79℃（－110°F）到-90℃（－ 130°F）；但两极地区上空，季节差异较明显，从夏季的大约-46℃（－40

°F）到冬季的－79℃（－110°F）。

直至最近人们才认识到，平流层向上延伸到大约 80—90 公里（50—55 英里）。过去人们知道，从对流层顶到大约 30 公里（18 英里）处，温度增加极少。但是再往上，发现有了变化；50 公里（30 英里）处温度急剧上升到大约 77℃（170°F），然后在 80 公里（50 英里）处，又同样急剧地下降到大约－100℃（－150°F）。因此，从 50 公里（这个高度称为平流层顶）到

80 公里（中圈顶）的这一层（过去看作是平流层上部），现在叫做中圈层

（mesosphere)。平流层内有一臭氧集中层（25 公里处浓度最大），它能吸收太阳辐射能中较短的紫外线，结果使稀薄的大气增热，形成这一“热层”。但是，较长的紫外线可以通过臭氧层到达地球表面，造成许许多多人们所希望的古铜或黝黑的肤色。

在中圈顶附近是银白色夜光云的区域。夜光云在高纬度地区夏季的夜晚能清楚地看到。这种云是由水蒸气、冰微粒组成的，还是由火山尘或外面包着冰的陨尘组成，这还不了解。1908 年，当一块巨大的陨石在西伯利亚降落时，当天晚上出现了异常耀眼的夜光云，这似乎证实了它们是由陨尘组成的。

在中圈顶以上延伸着称为热成层的一个层次，这一层的温度常常达到很高，但是由于空气密度极小，以致接近真空，因而只能吸收、容纳和传导极少的热量。

热成层大致与电离层相吻合，这一层能将电磁波（包括无线电信号）反射回地球。在这一层中，大气圈气体被入射的太阳辐射电离。这一层以上是磁性层，在探险家Ⅰ号和Ⅱ号两个卫星向地球送回关于两个强烈辐射层的证据以后，人们曾假定了磁性层的存在。这两层辐射层称为“范艾伦带”（the Van Allen belts），外面一层从地球延伸到离地球大约 16000 公里（10000 英里）高处。

在南北半球的这些上部的层次中，可以观察到南极光和北极光；虽然在高 100 公里（60 英里）处出现最多，但远达 1000 公里（600 英里）的高处也曾出现过。在高纬地区的夜空，可以见到红、绿、白色的弧光、帷幕、飘带、光辉、薄幕等北极光效应。这个效应可能是在太阳黑子活动或“耀斑”期间的磁暴和太阳的放电，主要是电子微粒汇聚到地球磁场并被加速到必要的高能状态，从而引起气体电离的结果。这似乎已被美国最近进行的实验所证实， 在进行这些实验时，一个火箭携带的装置把电子射入大气层，结果产生了人造极光。极光的影响包括地球磁场的变化和无线电通讯的中断。

大气的组成 空气是气体的混合物，主要由大约 78％的氮气和 21％的氧气组成。少量的二氧化碳、氢、氩和其他惰性气体构成其余的 1％。这些气体在地球大气系统的辐射平衡方面起着极为重要的作用。

此外，空气含有在各种天气现象中起重大作用的、数量不定的水蒸气， 还有大量灰尘、呈煤烟形态的碳粒、植物的孢子、从海面进出的水花蒸发而成的盐粒和微小的陨石碎片（称为宇宙尘）。这些微粒的一个功能是用作水

蒸气的凝结核。

大气圈中化学组成保持恒定区域只有一直达到大约 80—90 公里（50—55 英里）高度的部分。现在人们知道，这是空间研究的结果。这一部分称为均质层，大致达到中圈层的顶部。均质层以上，为非均质层。非均质层由一系列依次为分子氮、氧、氦和氢的同心圆层组成。非均质虽然有趣，但很明显， 对气象学家来说几乎没有意义。