第十章 空间分布规律——自然地带性第一节 自然地理地带性
为了阐明地球上产生自然地理地带性的原因及其规律,我们首先作出下面三个基本假设,以帮助我们考虑在理想状况下,自然地理面上,必然应当出现的空间分布特征。
假设一:地球的自转轴与其绕太阳公转时的轨道面完全垂直,而不是象现在那样所具有的二十三度半的倾角,这时太阳光线永远直射赤道;
假设二:地球表面上的物质组成一致,既不存在着大陆和海洋这两大体系的差异,也不存在着物质特性方面的其它微小差异,使它变成一个连续的、均匀的和具有相同的物质组成的行星;
假设三:地球以海平面为基准,完全摒弃地形的起伏,变成一个完美的、光滑的几何球体。
人们首先会认为这种假设是离奇可笑的,而且与现实状况相去甚远,似乎根本没有什么讨论的意义。然而当我们冷静下来去思考的时候,就会从中发现,现实世界中的自然地理地带性规律,正是发端于这种基本假设的理想状态之中。只不过在真实的情况下,将这种理想状态所表现的规律加以复杂、加以畸变、加以模糊、加以隐藏、或者说加以破坏而已。如果我们洞悉了在理想状态下形成空间分布规律的基本原理,再进一步去把握实际情况下的变异,就可能得出更好的更符合现实的结论来。
谁都承认,在上述假设的条件下,自然地理地带性就会具有十分显明的表现,它可以呈现出数学上的精确表达,与纬度分布有很好的相符。前面的章节中已经述及,地球上各处所收入的太阳辐射能,取决于太阳的位置(假定日地距离不变)。而太阳在空间的位置(如以地球为基点),可用两种球面坐标系统来确定。这里不去详论它的一般知识,也不去引证和推求球面三角形的基本公式。总之,我们可以很准确地计算出来太阳高度的数值,它是由地面观测处的纬度、太阳时角所规定的,如果选择在春分或秋分时,而且恰恰在正午时刻一刹那,则基本符合于我们所做的第一个假设。这时的太阳高度的数值仅仅随纬度的变化而变化,而且它的变化很简单,在赤道为 90
°,而在两极分别为 0,如果永远保持着这种固定的位置,则昼夜长短也不随季节而变化。由此致使太阳辐射能在地表面的分布同样也变得十分简单。这种十分简单的分布规律,却是形成自然地带性分布的雏形和根本原因。
事实上,太阳不是永远处于春分和秋分时的位置,而且也不都是处于正午的时刻,因而使得辐射能的分布趋于相当的复杂,这种复杂的状况不需要多费篇幅去加以描述。尽管真实状况下,地球各处的太阳辐射能发生了变化, 但如其它两项基本假设条件仍然成立时,对于自然地理地带性的影响也还不算是太复杂,它仍然可以使地球表面具有明确的空间分布规律性,或者说仍具有理想状态下的基本轮廓,只不过使得各个自然带的衔接处发生重叠或呈现复杂的周期性变化而已。也就是说,使得自然带的界限变得更加模糊了, 但整个地带的雏形还是十分易于确定的。
接着我们来讨论第二项基本假设。在地球形成后的一段时间内,我们确切地知道,地球表面上并没有水。只是在其演化过程中,才逐渐地产生了水, 并最后形成占地球表面积达 71%的水体。从水的出现到近乎常数的大规模水
体的形成,对于理想的自然地理地带性的变化,有着极为重要的意义。水体的基本作用是什么呢?由于水与陆地物质在性质上的巨大差异,以及水对于运载能量方面极其活跃的特性,因此,它能使地球表面改换和修正原来无水时太阳辐射能的收支状况,而且它的巨大蓄热功能,使其在缓和能量输入输出之时的速率,迟滞太阳辐射能迅速返回空间等方面,尤有重大的作用。特别因为它是产生生命的发祥地,又是地球上生物存在所必需的基本条件,使得太阳能有了与以前完全不相同的转换方式。这样一来,地球表面不光是作为能量流通过程中的中继站,而且也逐渐形成了能量的贮存所。不应忘记, 植物本身也对在理想状态下地带性规律的变化起了一定的影响。经进一步分析后即可发现,即使单独在陆地上,组成它的物质也不是相同的,仍然具有各种各样的差异,无论是这些物质的物理性质或化学性质,均能明显地看出其不同来,当然它们对于能量的作用不如海陆差异那么显著,但也不是均匀一致的,因此它们各自对于太阳辐射能的收支、反应及转换也是不同的。
首先是由于海陆的差异,再次是由于有机体与无机体的差异,第三是组成地表面物质间的其它差异,由此而引出的对于太阳辐射能作用的巨大改变,因而否定了我们的假设二,其后果就是使得原来能量沿纬度分布时的理想规律,发生了畸变,大大增加了原来空间分布的复杂程度。
现在让我们来讨论第三种状况。从地球形成的一刹那开始,地球内部的物质就经历着强烈的运动,这种不间断进行着的内力作用,无论是水平运动还是垂直运动,都造成了地球表面的高下参差,纵横起伏,破坏着作为光滑完美的几何球体的基本假设。或者可以更进一步地说,这种所谓完美的几何球体一天也没有存在过。尽管以太阳能为主要动力的外力作用,对地表也同时进行着不间断的夷平和剥蚀,但地球动力学的活跃,地表面水平运动和垂直升降的规模宏大,依然使得地球表面有如我们目前所处的这种真实状况。它推翻了我们的假设三,但同时它又是假设三的深化,即由于地表面的高低凸凹,因而对于太阳辐射能量和海陆间的水分交换(也包括陆地上各局部地区的小规模物质交换),起到了强烈的再分配作用,把本来已经十分复杂的地带性分布规律,变得更加错综了。
现在让我们清理一下自己的思路:建立在基本假设上的地带性规律,其产生的唯一原因就是太阳能量在一个特定的理想地球体上的分布规律所造成的,如果不是地球,而改换另一个类似的星体,照样也应当表现出这个规律, 当然这还取决于距离太阳的远近和星体本身的大小、形状等特征。这种理想的地带性分布规律,首先由于太阳直射地球的位置在南北纬二十三度半之间的范围内,有规律的做周期变动,因而使得原来十分确定的地带性界线也具有南北摆动的变化,从而模糊了原来的全球连续分布的状况。如果仅仅是这样一个变动,对于地带性的划分仍然可以看出清晰的规律及明显的沿纬度带分配的特征,只不过与原来相比出现重叠和周期交替而已。因此,在以后的讨论中,事实上将允许我们不再过多地考虑这个因素。但是地球表面上物质组成的不均一,特别是海洋和大陆两大体系的存在,通过对太阳辐射能分布的改换以及对于不同区域间物质交换的程度,频率和方向的干扰,就使得地带性规律发生了很大程度的变形,过去有人称这种作用而致的地带性转换为“经向地带性”,其实质不过是由于地球表面物质不均一,因而使得能量和物质进行重新分布而致。这种形式上变换的根本原因,可以归结到以水分为代表的物质分布对能量分布的变换上。它在影响的规模上只能是理想状况下
纬度地带分布的次一级形式。在这种已经复杂了的分布形式上,如果再加上高度位置的起伏变化,对于原来的能量分布与水分的作用进行了更进一步的再分配。从而形成了现在我们所看到的自然地理空间分布。我们从基本假设逐渐推演到真实的状况,可以看出这是对于理想状态下自然地理地带性的丰富和发展。在地球表面上可以寻找出这样一些地区,它愈是接近我们的基本假设条件,在其上的地带性表现就愈明显。如西伯利亚平原就具备这种代表性。俄国的道库恰也夫能够明确提出地理地带性的规律,与能够显现地带性规律的基本条件是不能分开的。但是,我们认为,由于地表面的真实状况, 距离我们的基本假设相去甚远,所以在全球找出完整的接近理想的规律性分布是相当困难的,而仅有的比较明显的表现,也不过是理想地带性规律分布的“影子”而已。从能量的输入及分布这个关键入手,可以得出富有成效的结论来。
长期以来,地理地带性问题是讨论得比较多的一个自然地理基本问题。有人从广义上去看,有人从狭义上去看,更有人将纬度地带性现律作为地带性规律,而将由于海陆原因(实际上就是物质组成的原因)及地形原因而引起的畸变所表现出的自然现象作为“非地带性”看待。总之,诸家蜂起,众说纷纭。近年来,人们逐渐认识到,形成地带性规律是由于地表热量与水分的不同组合所致,应该说,这已从现象向本质深化了一步,但仍然无法将全球的真实分布,在特定的基础上有机地统一起来。内在联系尚未得到认真的发掘。比如说,人们普遍承认的纬度地带性与垂直地带性,为什么在自然现象上有许多相似之处。地球上热带与亚热带地区的高山,常可在水平距离不到一百公里的范围内,从基带向上的几千米高度上,刻印着从低纬到极地几千公里水平距离上所看到的自然地理景色。现象的相似,不足以作为理论的凭据,这就要求自然地理工作者深入研讨二者之间统一的本质。这样就使得近来关于地带性规律的研究,逐渐进入认识本质的阶段。
将地带性形成的基本原理廓清之后,即可完满地解释自然地理成分在空间联系上的统一性、在形成原因上的一致性,并已初步地建立了这种揭示本质的理论模式。今后的一个重要任务,就是按照地表面的真实状况,在理想条件的规律下进行引伸、完善和深化。我们知道,近代物理学的规律不少是建立在理想条件下的理想模式,如理想气体、热力学中的熵和其它一系列定律等,它们成为研究特定对象的基础和依据,这些成功的范例,应值得地理学工作者很好的借鉴。
以能量分配的差异为基础的自然地理地带性规律(我们把水分的功能, 主要归结为对于太阳辐射能的不同分配上,当然水分除此而外尚有其它方面的独特作用,尤其对于生物界来说更为明显,但从自然地理地带性研究的观点出发,首要的和基本的作用仍归结到它对能量的分配上),对于地表面各种自然地理成分和自然地理过程,必然起着控制的作用。其中反映这种作用最敏感的成分,就是植物。植物的正常生长发育有它自身的节律,但是,它必须与外部的环境条件密切的关连在一起,受制于对它所输入的能量和物质。因此,植物与环境之间在整个自然地理面具有极为明显的协调性。许多人都承认这一点:即植物可以作为输入能量和物质的综合指示体。
从地带性研究的历史来看,首先就是从植被沿纬度分配的规律开始的。在十九世纪,世界知名的德国科学家洪堡德,就已经确定了气候条件与植物地带性之间的依存关系。在考察中得知,植物从赤道向两极的推移中,可以
出现比较规律的地带性分布。但在实际的地球表面情况下,这种规律的确也遭到了破坏,使得它的特定分布在一个三度空间上得到了复杂的反映。如从平面上来看(为便于分析起见,首先考虑水分条件均一的情形),在自然地理面上随着从低纬到高纬能量分布的差异,植被呈有序的从热带雨林、常绿阔叶林、针阔混交林、针叶林的交替改变,一直到树木消失的边界,最后出现永久冰雪带;如果再从垂直高度上的分布来看,在热带的高山,会依次向上出现类似于水平分布上的变化,只要山有足够的高度,最后它也会出现树线(即树木分布的最高界线)直到高山冰雪带。由此,我们首先建立它们之间的统一关系。
下面选用了对于环境条件反应敏锐的树线高度作为例子之一,列出这个高度(垂直性)在不同纬度(水平性)的表现(这里尽管注意到水分状况的相近,但是出现水分差异也不影响对此规律的阐释,而且在研究的下一步, 必然提出水分状况对于这种分布的订正问题),我们能发现一种很有价值的规律,这不但因为它们之间所具有的可比性,而且由于从此得出了垂直高度上与水平距离上联系的纽带,对于我们深入揭示地理地带性的本质具有特别重大的意义。关于树线高度的数值,由于所采用资料并非出自一处,难免有各种各样的误差,但我们主要分析它们所代表的趋势,因此绘于图
表 10.1 我国湿润与半湿润区域的树线高度与纬度之关系
序号 |
地点 |
纬度 |
树线高度 (米) |
---|---|---|---|
1 |
玉山 |
约 23°30′ |
3,600 |
2 |
珠穆朗玛峰 |
约 28° |
3,900 |
3 |
滇西北山地 |
约 27°30′ |
3,800 |
4 |
小凉山 |
约 28° |
3,500 |
5 |
南迦巴瓦山 |
约 29°30′ |
3,800 |
6 |
喜马拉雅山(东段) |
约 29° |
3,800 |
7 |
川北山地 |
约 32°—33 ° |
3,800 |
8 |
太白山 |
约 34° |
3,500 |
9 |
祁连山东段 |
约 38° |
3,200 |
1 0 |
吕梁山 |
约 38° |
2,700 |
1 1 |
贺兰山 |
约 38°30′ |
3,100 |
1 2 |
小五台山 |
约 40° |
2,500 |
1 3 |
长白山 |
约 42° |
2,100 |
1 4 |
大兴安岭北部 |
约 52°30′ |
1,100 |
上(见图 10.1)。
如果我们以 H 代表树线的海拔高度,用φ来代表地理纬度,则经过计算
后,二者呈现下述关系:
logH=-aφ+b (10.1)
其中的 a 及 b 分别为常数,H 与φ之间的相关关系也是比较好的(资料限于北纬 20°到 52°30′)。
1976 年,日本的一位地理学家在调查了南美安第斯山的现代雪线及更新
世的雪线后,加上对于先后从 1950 年到 1971 年间各国学者,经过八、九次考察结果的总结,最后他获得了 21 项数据,总结了从北纬 11°穿过赤道直到南纬 63°20′各纬度上的雪线高度,作了很有价值的资料积累工作。我们知道,雪线和树线一样,也是环境条件的指示计,应当把它看成是树线之上, 反映能量变化的又一个明显界线。我们根据这些资料,进行了整理分析,得出了与树线高度随纬度的分布十分近似的规律,只是在靠近赤道的两侧,发生了马鞍形的变化(根据东亚地区穿过赤道的树线高度变化,同样呈现如美洲雪线的那种变化),关于这种现象的解释,要等到全部掌握了分析数据后, 才能作出判断。
我们再次引证美国纽约州立大学地理系教授冯莱培尔关于雪线高度随纬度分布的资料,他应用盖泰利(Gentilli)关于全球各纬度雪线的典型海拔高度,列成下页表 10.2。
如果将雪线在各纬度上的最低高度准示在图上(见图 10.2),可以看出,与所作出的树线高度分布图有相当精确的一致表现。
表 10.2 在全球不同纬度上的雪线高度分
纬度 |
最高高度 (米) |
最低高度 (米) |
|
---|---|---|---|
北纬 |
80—90° |
50 |
0 |
70—80° |
1,000 |
300 |
|
60—70° |
2,000 |
550 |
|
50—60° |
3,200 |
800 |
|
40—50° |
4,100 |
1,400 |
|
30—40° |
6,100 |
3,500 |
|
20—30° |
6,000 |
4,900 |
|
10—20° |
4,700 |
4,600 |
|
0—10° |
4,600 |
4,500 |
|
南纬 |
0—10° |
5,600 |
4,500 |
10—20° |
6,100 |
5,000 |
|
20—30° |
6,100 |
4,600 |
|
30—40° |
4,500 |
1,600 |
|
40—50° |
2,200 |
700 |
|
50—60° |
1,200 |
500 |
|
60—70° |
0 |
0 |
现在我们着手建立在不同纬度上,这种特定的界线(不管是雪线,还是树线,或者其它的可比界线,如针叶林与混交林界线,混交林与常绿阔叶林界线等)与能量之间的关系。为了叙述上的方便,暂时仍然以树线的分布作
为主要的例子。在先前的章节中,我们已经论证了温度的本质意义,而且知道用它作为衡量净能量收入数量的标志,在近似考虑的条件下是可行的,因此在目前普遍缺乏太阳辐射能资料的状况下,作为趋势分析,引用温度资料作为表征是无可非议的。
十分清楚,低于临界温度的时候,树木是不可能生长的,因此树线高度本身必然是可以生长树木的临界温度处(对水分的要求我们已经作过假设了)。同时又知道,温度从海平面向上,随着高度呈规律性的递减,尤其是在无水汽影响(或者考虑水汽含量为常数)时,这种规律更为确定。下面引用一个比较新的资料:
日本学者 Yoshino 在他 1975 年发表的专著中,对于标准大气状况下,大气的压力、温度、密度等随着高度的变化,列出了一个表(见表 10.3)。从赤道水平地到达两极,气温的分布也如同高度分布那样呈现递减的特
征。这里着重指出的是,尽管这种递减的趋势是相似的,从能量平衡的角度来看,其根源也都是由于能量的状况发生变化而引起的,但是必须注意到, 造成二者发生温度递减的基本方式是不相同的。这里引用的是温度沿纬度的分布状况。
如果把温度视做一地能量收支因素综合作用的一个结
表 10.3 大气压力、温度和密度的垂直变化以及气
温每改变 1℃时气压的变化
海拔高度 (米) |
标准大气 |
气温改变 1℃时 |
||
---|---|---|---|---|
压 力 (毫巴) |
温度 (℃) |
密度(公斤/立方米) |
的气压变化(毫巴) |
|
0 |
1,013 |
15.0 |
1.2249 |
0.0 |
100 |
1,000 |
14.4 |
1.2083 |
0.1 |
500 |
955 |
11.8 |
1.1626 |
0.2 |
1,000 |
899 |
8.5 |
1.1071 |
0.4 |
1,500 |
846 |
5.3 |
1.0538 |
0.6 |
2,000 |
795 |
2.0 |
1.0024 |
0.7 |
2,500 |
747 |
1.3 |
0.9531 |
0.9 |
3,000 |
701 |
-4.5 |
0.9054 |
1.0 |
3,500 |
658 |
-7.8 |
0.8598 |
1.1 |
4,000 |
616 |
-11.0 |
0.8159 |
1.2 |
4,500 |
577 |
-14.3 |
0.7737 |
1.3 |
5,000 |
540 |
-17.5 |
0.7331 |
1.4 |
5,500 |
510 |
-20.8 |
0.6943 |
1.4 |
6,000 |
472 |
-24.0 |
0.6571 |
1.5 |
果,那么它可以成为联系垂直地带性与水平地带性的中心环节。我们从上面推算的树线高度随纬度分布以及雪线高度随纬度的分布中,已经看出了在其中既包含着垂直的因素,亦包含着水平的因素,这就是说,任何一个地方,只要达到相应的高度,就一定会按照特定规律出现各种应该出现的临界限度。倘若此地区是平原,海拔高度很小,不存在出现树线或其它界线的真实高度,我们既有必要也有可能去想象在上空其一高度处应当是某种自然类
型分布的界限,这样在全球即能建立起沿纬度分配的水平地带性及沿高度分配的垂直地带性
表 10.4 沿纬度的平均温度
纬度 |
一月(℃ ) |
七月(℃ ) |
年平均(℃) |
年较差(℃) |
陆地占有的比率(%) |
|
---|---|---|---|---|---|---|
北纬 |
90 ° |
- 41. 0 |
- 1.0 |
-22.7 |
40.0 |
— |
80 ° |
- 32. 2 |
2.0 |
-17.1 |
34.2 |
20 |
|
70 ° |
- 26. 3 |
7.3 |
-10.7 |
33.6 |
53 |
|
60 ° |
- 16. 1 |
14. 1 |
-1.1 |
30.2 |
61 |
|
50 ° |
- 7.2 |
17. 9 |
5.8 |
25.1 |
58 |
|
40 ° |
5.5 |
24. 0 |
14.1 |
18.5 |
45 |
|
30 ° |
14. 4 |
27. 3 |
20.4 |
12.6 |
43.5 |
|
20 ° |
21. 9 |
28. 0 |
25.3 |
6.1 |
31.5 |
|
10 ° |
25. 8 |
27. 0 |
26.8 |
1.4 |
24 |
|
0 ° |
26. 5 |
25. 7 |
26.3 |
0.9 |
22 |
|
南纬 |
10 ° |
26. 4 |
23. 0 |
25.5 |
3.4 |
20 |
20 ° |
25. 3 |
19. 8 |
23.0 |
5.5 |
24 |
|
30 ° |
21. 6 |
14. 5 |
18.4 |
7.1 |
20 |
|
40 ° |
15. 4 |
8.8 |
11.9 |
6.6 |
4 |
|
50 ° |
8.4 |
3.0 |
5.4 |
5.4 |
2 |
|
60 ° |
3.2 |
- 9.3 |
-3.2 |
12.5 |
0 |
70 ° |
- 1.2 |
- 21. 0 |
-12.0 |
19.8 |
71 |
|
---|---|---|---|---|---|---|
80 ° |
(- 4.3 ) |
(- 28. 7) |
(- 20.9) |
(24.4) |
100 |
|
90 ° |
(- 6.0 ) |
(- 33. 0) |
(- 25.0) |
(27.0) |
(100) |
之间的空间联系模式。当然如果进而考虑到水分的作用时,事实证明, 它并不会改变这种基本模式的实质意义,只不过需将原来的空间联系模式加以必要的订正而已。
由此,纬度Φ及高度 H 实质上均以温度的隐函数出现(倘若今后能量的资料充分时,相信用它来代替温度,将能出现更加准确的结果)。根据福拜斯(Forbes)对于北半球的计算,在海平面(即海拔高度为 0 米)上温度随纬度变化的方程式,可取以下的简单形式:
Tφ=mcos2(Φ-d)-P (10.2)
Tφ为处于海平面高度时,纬度Φ处的平均温度;其中 m=44.9,d=6.5°, P=17.8。
结合公式(10.1)和(10.2),可以推导出
φ = arc cos
将Φ值代入(10.1),即得
H = exp[b·arc cos
+ d (10.3)
+ c] (10.4)
式中 c=d+a(d 值及 a 值均见前)。我们已经提及,Tφ显示了在 H=0 时随纬度变化的能量状况,这样植物树线的分布高度 H 就与海平面高度上纬度Φ(借助于能量的隐函数)建立了确定的关系。同理,如果改用全球雪线高度也可建立一组与海平面高度上纬度Φ之间的联系,以此类推,用其它界线也都相应地与Φ建立类似的联系。如果有足够的资料能建成一系列的确切关系,那么就具备了建立统一的空间数量联系的基础。
从以上的分析和大量的事实中,终于发现了这样一个基本规则,即垂直地带性与水平地带性是以同一个根本要素——能量,将其联系起来的(需要时刻记住,暂且主要将水分考虑作为影响能量分配的因子)。并且它们之间也一定能建立精确的关系。这种关系可以理想成为(见图 10.3)。
类似于这种图式最近已见诸于某些著作,但关键问题是建立 H 与Φ之间联系的确切函数形式。即如公式(10.1)所示,它至多只是反映了上图中的一条曲线,其它曲线所对应的各种函数关系,还需根据大量的实测资料,并进行分析后才能初步完成。例如我国台湾省的玉山山地植物带与我国东部水平植物带之间的大致对应关系为:
热带 |
常绿阔叶 |
混交林 |
暗针叶林 |
树线 |
雨林季雨林 |
林 | ||||
---|---|---|---|---|---|
玉山高度 |
<500 米 |
500— 1,800 米 |
1,800— 3,000 米 |
3,000 米以 上 |
3,600 米 |
水平分布纬度 |
23— 25°N 以南 |
25—33° N |
33—50°N |
50°N 以北 |
约 70° N |
如果这可以作为例子时,它也只是给出了图 10.3 中纵坐标与横坐标上的数值,即 H1,H2⋯⋯Hn 和Φ1,Φ2⋯⋯Φn,单是这两个边界数值还不能决定它们之间联系的曲线形式,仍然要靠在各个不同纬度上该界线的相应高度表现来加以填充,这必须有大量的考察资料才能作到。现在已经应用的遥感技术手段,有可能比较迅速的实现这一要求。即令求出了这种函数形式,也正如在上面再三强调的那样,它也是暂时撇开了水分因素作用时较为简单的模式。因而将它们进一步推广到真实状况下的联系,则需制定出水分订正后的更为复杂的模式。
现在假定植物在水平和垂直两个方向上,分布的各种界线,符合于公式
(10.1)所表达的函数形式,那么它们之间的空间联系即为:
H1
2
n
= ea1 φ+b1
= ea 2 +φb2
= eanφ+b n
(10.5)
这样 fn(φ)=Hn=eanφ+bn (10.5)
上式可以看作是垂直地带性与水平地带性联系的基本表达形式。这样图
10.3 中的 S1,S2⋯⋯Sn,分别表示着某一带的空间分布范围。换句话说, 就是它们在地球上特定范围内应当占据的空间。这个空间可以用它们各自所显示的面积来表达:(在平面图上为面积,在立体图上为体积)
i
Si = ∫φ fi (φ)dφ − Si−1 (i = 1,2,3 ) (10.6)
上式综合表达了在各个不同的水平纬度上,相同的自然带应该占据的空间范围。如果要变成体积,还要在另外一个方向上(即沿着经度方向)再进行一次积分。至此,我们初步完成了垂直地带性与水平地带性的空间统一, 也是对于本章开始时基本假设的丰富。这种理论推求导出了它们之间空间联系的一般形式。原来认为的水平地带性与垂直地带性,其实质是同源的,它们所依赖的基础,即是对于系统所输入的能量状况。
进而考虑水分的影响时,问题立即变得复杂起来。截止目前,这项工作尚未得出完美的结果。但是这个更加符合真实情况的复杂订正,迟早总是要实现的。举例来说,在我国喜马拉雅山的东段,山的南侧和北侧,二者在垂直带分布上相差就很悬殊。如森林线和雪线的高度,南侧比较低,北侧比较高,相差竟达数百米;在其它相近纬度的地区,亦发现有类似的现象,如天山(约北纬 43°)与白头山(约北纬 42°30′)相比,天山的树线为 2,700 米,白头山仅为 2,100 米,日本的富士山(约北纬 35 度多)与我国的太白
山(约北纬 34°)相比,富士山的树线为 2,500 米,而太白山的树线高达 3, 500 米,每个相同纬度上的雪线也有最高和最低的差异(见表 10.2),看来这种差异是普遍存在的。但是这种差异的表现,如果采用其所处位置的水分状况进行比较时,即可以得出近乎实际的结论。于是就显示出了水分对于地带性畸变的强大作用来。我们已经述及,详近推导水分状况对于地带性的变换,以及它对于垂直地带性与水平地带性空间联系的影响,需要专门进行研讨,本书只在此提出,尚无可能去作深入的叙述。
这里只能一般地把某些初步结果及原理介绍给读者,人们可以从中看出我们反复强调的水分因素是何等的重要。此处仍然暂不涉及水分对生命的关系(并不是不重要,相反,它在另外一些场合讨论时,常常是首先考虑的因素),而只是从其对能量的转换上去深化我们开头的基本假设。
用毫巴来表示的水汽压(e),与以每立方米的克数来表示的水汽浓度
(x),二者之间有一简单的数量关系,如取水的分子量 M=18,则
102 eM
x
RT
217e T
(10.7)
R 为气体常数,T 为绝对温度(K)。水汽分子量与空气分子量之比率ε
=0.622,可以写成:
x=ρaεe/(P-e) (10.8)
ρa——空气之密度,P——单位面积上的空气压力。控制水的蒸发使其进入一个固定容积的空气中,水汽的浓度最初随时间增加,一直达到空气的饱和,此后蒸发由于动态平衡的缘故而告停止。在饱和空气中所携带之水汽数量与其所处的温度有关。这样在饱和时相应的水汽压力为:
es(T)=xs(T)·T/217 (10.9)
我们知道,es(T)及 xs(T)分别代表在温度 T 时的饱和水汽压及饱和水汽浓度。从 0℃增加到 30℃时,es 的增加大约是:每增加温度一度,即增加 6.5%。这个数值的增加是很显著的。由于 es 随温度增加的速率,在自然地理研究中有着重要的价值,因此我们要特别提到它,在今后讨论对自然地理地带空间分布的订正时,我们还要用到它。
空气和水汽混合的密度,可以用单位空气容积中,空气与水汽的重量和来表示。假如 P 代表混合后的总压力,而 e 代表水汽之压力,空气的分压则为(p-e),而它的密度为(p-e)Ma/RT,类似的水汽密度为 eMv/RT(Ma 与Mv 分别代表空气的分子量和水汽的分子量),其混合之密度为:
ρ = (P − e)Mα
m RT
= PM α
- eM v
RT
e(1− ε)
1 −
RT
P
= ρ 1 − e(1 − ε)
(10.10)
α P
ρa 为干燥空气的密度(在相同的温度 T 时)。
注意到在相同的温度之下,湿润空气的密度比干燥空气的密度要小,表达它们的这种差异时是用“虚温”来计算的。这在自然地理垂直分带的分布规律中,对于由水分不同而引起的差异订正时,具有很大的意义。
含水汽多的空气与含水汽少的空气,在相同温度下,其压力变化有很大的不同。换言之,假设二者的压力相等时,则它们表现出的温度状况就有很大的不同。这就是说,在压力相同的条件下,含水汽多的空气温度要低,含水汽少或干燥空气的温度要高,这样才能将二者维系在一个相同的等压面上。事实上,在地表上空的同一高度上,气压的变化甚微,尤其在十分相近的地方更是如此,因而在此种压力变化很小的情况下,温度差异将主要视含水汽的多少来定。这就是“虚温”的基本表达:相同压力下,湿润空气的温度总是比干燥空气的温度为低。在虚温 Tv 时,干燥空气才能具有与实际温度T 时湿润空气所具有的相同压力,即
Tv = T e e
1 − (1 − ε) P ≈ T(1 + 0.38 P ) (10.11)
从一般描述上,喜马拉雅山南坡为季风作用之迎风坡,空气比较湿润; 而北侧为背风坡,相对干燥,在 500 毫巴等压面上,山脊两侧的水汽含量可差几倍。在此还可以举出我国的腾冲和酒泉这两个相距较远地点的对比情况,它们几乎处于同一经度上,只是由于中间青藏高原的阻隔,在 500 毫巴
等压面上,前者的水汽含量为 5.0 克/千克,而后者的水汽含量只有 1.3 克
/千克。至于在近距离上的迎风坡背风坡,这种干湿的差异也是很明显的。通过初步计算,喜马拉雅山东段南侧与北侧在相同的海拔高度上,由于水汽含量的不同,可使得其间的温度具有 2℃的差异。这 2℃以上的差异,足可使得北坡的树线或雪线比南坡升高 300—400 米。当然,我们不能把两者的树线及雪线的高度差异,统统归结到这样一个因素上,但毋庸置疑,它却是一个十分重要的因素。
我们还没有讨论在自然地理面中,由于水分状况的不同,在水平分布上所引起的地带性变化。而这种变化往往由于资料缺乏,方法不完善,因此尚未纳入统一的能量基础之中,因此对其解释也争议最多。随着在上述基础上进一步建立更精确的理论模式,相信这种争议将会以满意的结论而告结束。