第一节 自然地理面的确定

习惯上，人们把周围的自然界称为环境。通常所谓的自然环境，总是包括着人类认识自然的能力在内。我们不能想象，一个原始人会能了解到距其半径为一百公里以外的地方。在他看来，那儿至少是一个遥远的神秘莫测的处所。对于使用人体器官进行直接观测来说，我们的眼睛能够分辨清楚的最小长度，不过相当于一根头发的直径，这大约是一毫米的十分之一。至于能够观测的最大长度，即使选择十分晴好、能见度极高的天气，在一个甚为平坦的地貌单元中，极目望去，也只能达到几公里的距离。再远一些，就是摒弃掉地球本身的曲率效应，我们的眼晴也会失去摄取景物的能力，当然这也与观测对象的大小与要求的精细程度有关。以上就是天赋的人所能认识到的空间尺度。这样就帮助我们合理地推测出，原始人类所能认识的自然环境， 范围必然是相当小的。

人是富于进取的，他不会屈服于这种束缚自己的桎梏。人在进化过程中， 总是不断顽强地沿着两个方向——微观世界与宏观世界，去探索那经常烦扰自己而不得其解的自然奥秘。在扩大认识范围的征途中，人们同时采用或交替采用两大类行之有效的方式，一是延长自己的眼睛，例如显微与缩宏；另一是加快自己的速度，以便达到扩大观测的范围与提高观测的频率。举例来说，现时已从古代人平均速度仅仅每小时几公里左右，提高到每小时达三万公里的数值，在几千年的时间中，速度这个数值提高了将近六千倍。这样， 由于活动半径的迅速扩大，所能认识自然的范围，与原始人相比当然不可同日而语。可以想见，未来对于人类环境范围的认识必然越来越扩大，越来越深入。

鉴于上述，对于自然环境的范围作一个精确的规定，看来是毫无意义的。但是，为了深入地研究某个特定领域中的客观规律，很有必要从总的自然环境中，人为地分割出某个部分来，作为自己讨论的对象，并且假定它应该与周围其它的自然环境之间具有明确的边界，由此建立所划定部分与周围其余环境部分之间的联系；在这样的基础上，探讨划定范围内的规律表现。

这里似乎被一些含混的叙述与假定，将我们陷入一个困惑的境地。进一步澄清要说明的主题，对于以后章节的理解，将是十分有益的。从自然地理学研究的基本内容出发，需要从地球中心乃至整个宇宙空间这样庞大的自然环境里，划出一个特定的部分，以便我们探索其中的基本规律。此特定部分

便是我们所说的自然地理面。从几何学的定则来看，所谓“面”，它是不具厚度的，而这里所说的自然地理面，却有某个特定的厚度，与几何上所称的面不相符合。但是若以自然地理面的厚度与内部环境或外部环境的厚度相比，则它小得无法比拟，近似于没有厚度，只是从这个意义上讲，我们称其为自然地理面。

作这样的划分完全是由所研究问题的特点，以及讨论时的方便来决定的。进一步将自然地理面这部分空间及其所包含的内容，称作“系统”。而与系统发生直接联系的相邻部分，称之为“环境”。需要特别指出的是，这里所谓的“环境”，与本节开头泛指的自然环境在含义上是不同的，它们的基本差异就在于：环境和系统二者，实质上都是整个自然环境的一个部分， 人为地将其分开，只是有利于问题的解决，其优越性在今后的讨论中，很快就能显现出来。

现在已经十分清楚的是，推动自然地理过程发生发展的根本动力，在于自然地理面与内外环境之间的能量与物质交换。从内部环境和外部环境所输入的能量和物质，经过自然地理面这个系统的变换（或映象）后，即呈现出当时或随后所看到的相应的自然地理现象，其中当然也有反馈和贮存，那不过是使这种从输入到输出的通道更加复杂而已。这种能量与物质交换的特性，决定着自然地理过程的强度及方向，规定了各种自然地理要素的存在条件与存在方式，制约着自然地理各要素间的动态联系与空间分布，反映了自然地理基本规律的内在实质。从这个意义上来看，我们所研究的“自然地理面”是个开放系统。只是有时为了理论上的分析，需要抽象出一种假想条件时，才将其作为孤立系统或作为闭合系统看待。

关于“自然地理面”的空间厚度问题，一直是地理学家们讨论的基本问题之一。一些地理学家，希望把这个空间范围定得大一些，尽管他们之间的看法也不尽一致，但都将自然地理面（在他们的著述中，称这个空间范围为“地理壳”或称之为“地理环境”）的厚度定为 30—40 公里的距离之中，即从地表向上达到对流层顶、从地表向下至地壳的沉积岩石圈底部。这种把实质上已经属于地质学、地球物理学以及大气物理学的研究范围，统统纳入自然地理学研究领域中的看法，使得多数人陷于迷惘，并经常产生一种自然地理学被其它学科占领的危机感。而且事实是，世界上从事自然地理学研究的人们，至今尚未见到一人能精辟地将上至对流层顶、下至沉积岩层底部的各个要素、它们的动态分析等，全部纳入一个统一的体系，因此，使得定出这样大的范围流于空泛。当然，将这样厚度内的各种要素进行综合分析，并不是他们不想去做，而是没有可能去做。持上述观点的，多为苏联地理学家们的看法。

至于另外一些地理学家，例如美国的斯川勒（A．N．Str-ahler）则把“人类的环境”规定做自然地理研究的范围。这代表了一种更加实际一些的倾向， 把自然地理学研究的领域限制到与人类活动密切有关的空间，就避免了那种过于空泛而事实上做不到的定义。但是，斯川勒的界限并未具体划出，同样也存在着弱点。特别在极地、高山、沙漠或人类很少存在的地方，这种概念不易得出明晰的范围。

当然，我们已经说过，纯粹的界限，犹如一个盛着水的玻璃杯那样，杯内与杯外判若分明的状况，在自然界中是不多见的。由此，使我们联想起自1965 年以来，蓬勃发展的一个数学新分支——“模糊数学”（或叫不分明数

学）。模糊数学是美国人载德（L．A．Zadeh）首先提出的，用于处理现实世界中大量遇到的不分明现象。在自然地理中，无论从赤道到两极的水平分布， 还是从地心到宇宙空间的垂直分布，都不具备经典数学上的确定界限。例如热带与温带之间的分界线就很难划定，不论把此线划定在何处，由此线向南或向北分别跨出一步，其差异肯定是存在的，但是这种差异能够代表典型的热带与典型的温带所具有的那种明显特征吗？必然不是的。于是人们就创造出亚热带这个名词来，目的是为了弥补或是为了缓和划线上的某些缺陷，但原先提出的问题照样存在，使用经典集合论的办法，不可能进行符合实际的刻划。因此从客观实际出发，要求我们去掌握模糊集合这样一种对自然地理研究十分有用的工具。

现在再回到本题。我们可以十分方便地利用模糊数学所阐明的基本原理，去处理自然地理面的范围界限。我们力求把自然地理学集中研究的领域， 同大气物理学、地质学、地球物理学集中研究的领域区分开。这样就牵涉到从地表之上某一定高度，它更倾向于何种学科的程度或称“隶属度”（相似于某种性质或学科的程度）的数值。根据所阐述的自然地理学所研究的基本内容，借用这种数量上的判别，能够帮助更客观的做到这一点。从自然地理系统研究去要求，我们不主张将自然地理研究的范围划的那样广泛。鉴于自然地理学与其它学科研究对象的根本差异，本书认为，自然地理面的上限应放在地球—大气的“近地面边界层”，下限应放在太阳能量（代表外部环境的能量）影响地表的终止线（一般按多年平均的地下温度或水下温度的变幅稳定线）。

这样产生了一个问题，如大气环流、水分循环、地质循环等，均不可能如过去的定义那样统统包括在“地理壳”之中，自然地理面中只能容纳这种全球规模运动的某一个“链条”。对这类问题，按我们的解释，可分别把它们作为外部环境（自然地理面上限之上）与内部环境（下限之下）对系统（自然地理面）的物质能量输入和系统对它们的输出。这既符合于系统分析的原则，也符合自然地理学的实际研究范围。如照原先苏联地理学界对地理壳厚度的看法，上下超过四十公里，似乎已经包罗万象了，其实认真追究一下， 它依然要与对流层以上部分、沉积岩层以下部分发生联系。甚至要与太阳直接发生联系，难道因为有直接联系，就要把研究范围划到太阳去吗？显然是不符实际的。但是，如把自然地理过程集中发生的范围划定，其上和其下对自然地理过程产生影响的因素作为输入（或称“激励函数”），再加上自然地理过程对外部环境和内部环境所产生的输出（或称“响应函数”），这样对于自然地理研究，就会明确得多。于是，也就成为划分自然地理面的根本出发点。这里仍需指出，地球上自然地理面的厚度，各处都不相同，随着地表组成物质的不同、随着所处海拔高度不同、随着纬度的不同，这个厚度是变化的。尽管自然地理面的范围在不同的地区可以不相同，但都遵守划分自然地理面的确定原则。因此也就显得比斯川勒的定义要确定的多。

以下即为我们划分界限的理由：观察由烟囱排出来的烟，可以看到烟的流动一般都不是有规则的扩散。又如测定风速时所用的风速计或风向计，总是不停地处于脉动状态。由此，可以想象出我们周围的空气，尤其是近地面层的空气，它的运动决不可简单地看作是规则的流动，即所谓的“片流”， 事实上它们是不规则的流动，叫做“乱流”（也有称“湍流”或“涡流”的）。哈根（Hagen）早在 1839 年就知道，水在一个细圆管中流动时，在不同的条

件下是有变化的。当流速逐渐增大，超过某一界限时，水即由片流转为乱流。此后又过了 45 年，雷诺（Reynold）于 1883 年对此进行了实验证明，他首先采用了“雷诺数”（Re=Um·a／v，其中 Um 代表平均流速，a——圆管之半径， v——分子动力粘性系数）作为指标。试验认为，在管子中当雷诺数大于 1， 000 时，水即由片流变为乱流。这个十分著名的雷诺数指标，一直应用到现在。对于空气来说，应用该指标也是完全成功的。有人举出这样一个例子， 在空气分子运动的情况下，如采用近地表面 10 米的厚度作为分析时的考虑对象，则风速只要达到 1.5×10-1 厘米／秒，亦即风速仅仅为每秒 1.5 毫米时， 就超过了临界雷诺数。因此，必须如实地肯定，地球近地表面上的空气运动， 是以乱流处主导地位的。乱流如此盛行，也是自然地理面的特点之一。

所谓乱流，是在流体的流动中，含有很多大大小小不同的、不规则的、十分复杂的旋涡，这就是有人称其为“涡度”的原因。这样，由于地球近地面层中乱流所占据的突出地位，它对于近地面层与其上大气层的物质能量交换，起着十分巨大的作用。因此，近年来关于地球“界面层”（也称“边界层”）的研究成为一个十分活跃的领域，一个最近创刊的国际性杂志，刊名就以“边界层”命名，足见对于近地面层研究的重视。从动力学的观点去划分大气的层次，可参见图 2.2。

由图可知，从地表面至 500—1，000 米以上，地面摩擦力的影响已告消失。超过此界的空气运动，一般均看作为理想流动，因此也称之为自由大气。从自由大气的下界向下，一直达到地球的表面，这个厚度的空气层叫做“行星边界层”，或叫做“摩擦层”。一如上述，这个摩擦层的厚度在整个地球上并不是固定不变的，它需视下垫面（即固体的地表面与液体的海洋面）的粗糙度和地理纬度这些因素，并随着这些因素的变化而变化。这个行星边界层亦可进一步区分：由地表面向上至 2 米高的这一层，叫做“贴地层”；由

2 米起到 50—100 米的高度，叫做“底部摩擦区”。贴地层和底部摩擦区二者合称为“地面边界层”。从地面边界层向上直达自由大气下界，这一层称做“上部摩擦区”。在上部摩擦区内，虽然仍受地面摩擦力和地转偏向力的作用，但切变应力在各个高度是不同的。与此相反的是，在地面边界层内， 气温等要素的铅垂分布受到地表面的强烈影响，但切变应力在该层内，一般说来并不随高度而变化。加上我们已经讲过的：这一层中乱流作用特别发育， 居主导地位，物质和能量的输送也很强烈，因此就把从地表起到其上 50—100 米高度的“地面边界层”顶部，定做自然地理面的上限。

至于自然地理面的下限，它不应当超过外力对地球的作用深度。已经测知，在陆地上以太阳能作用为外力代表的影响限度，其日变化作用的深度不过 1.5—2 米，多年变化平均影响的深度约为 25—30 米。在海洋中，这个深

度要大一些，向下传递太阳辐射能的深度可达 100 米。这样，我们即以陆地

上深约 25—30 米、海洋中深约 100 米的深度，作为自然地理面的下限。如此， 我们对于自然地理的研究，主要规定在这个比较狭窄的空间范围内，这就是我们所称的“自然地理系统”。在其上，称之为“外部环境”；在其下，称之为“内部环境”。环境和系统之间，物质和能量的输入和输出、交换与贮存、变化与平衡，随着时间和空间，永不休止地积极进行着。