第六章气候详解

第六章

气候的形成

气候对自然环境、人类社会、经济活动影响很大，气候是指在一个较长的时段内天气的统计状况。是在太阳辐射、下垫面性质以及大气环流的相互作用下形成的，把它们称之为气候形成要素。同时，从系统论的观点动身，将气候视为是由天文圈（宇宙—地球物理因子）、大气圈、水圈、冰圈、地面岩石圈以及生物圈等所组成的浩大系统——气候系统。是把气候放在天—地—生这样一个统一的系统进行探讨，可以弄清其规律性，说明实际气候成因以及任何一种气候变更的缘由。第一节气候形成要素气候本身的形成是相当困难的，气候系统的总体结构也特别困难，在当前还只能作为一种总体思想指导对个别因子的探讨，以便在困难的现象中找出规律。目前对具体的因子进行探讨仍旧是基本的。所以，本节主要从气候形成的物质基础动身，探讨太阳辐射，大气环流，下垫面以及人类活动等四个因子在气候形成和气候变更中的作用。一、太阳辐射在气候形成中的作用太阳辐射能是地球上一切热量的主要来源。它既是大气、陆地和海洋增温的主要能源，又是大气中一切物理过程和物理现象形成的基本动力。不同地区的气候差异和各地气候的季节变更，主要是由于太阳辐射在地球表面分布不均及其随时间变更的结果。太阳辐射在大气上界的分布，称为天文辐射。由天文辐射所确定的天文气候反映了全球气候的基本状况。（一）天文辐射总量变更特点1、太阳辐射总能量的分布是因纬度而异的。全年获得太阳辐射最多的是赤道，随着纬度的增高，辐射量便渐次削减，最小值出现在极点。2、夏半年获得太阳辐射量最大值在20°—25°的纬度带上，由此向两极渐渐削减，最小值在极地。3、冬半年获得太阳辐射最多的是赤道，随着纬度的增高，正午太阳高度角和每天白昼时间都快速地递减，所以太阳辐射量也快速地递减下去，到极点为零。表现在低纬度间气温顺气压的水平梯度也是冬季比较大。4、太阳辐射量的南北差异，不仅随冬、夏半年而有不同，在同一时间内随纬度亦有不同。5、夏半年与冬半年的太阳辐射量的差值是随纬度的增高而增大的。6、在极圈以内有极昼极夜现象，在极夜期间太阳辐射为零。但是，地球表面实际的气候要困难的多，这是由于地面温度在很大程度上是由辐射差额和热量平衡所确定的。（二）地面净辐射变更特点净辐射平均日总量随纬度的增加而削减。赤道最多，北极最少（为负值），在北纬38°N旁边为0。二、大气环流在气候形成中的作用大气环流是太阳辐射在地球表面分布不匀整的产物，大气环流是影响气候形成和变更的基本因素。通常，凹凸纬度之间和海陆之间的热量交换和水文交换是由大气环流过程来完成的，使一地气候不仅受当地太阳辐射和下垫面条件的作用，而且还受到其它方面的影响，形成不同的气候类型。全球总热量由低纬度向高纬度输送，在35°—40°之间最大，而且主要是靠水平涡旋运动输送的。地球上除了大气运动使低纬度向高纬度输送热量外，海水运动也在进行着热量输送。大气运动把水汽从盈余的地区输送到水汽亏损的地区。如副热带地区的旁边蒸发的过量水汽，主要是通过中纬度的西南风以及热带盛行的东北信风（北半球），分别向北和向南作径向输送的。季风环流，对于海陆之间的水分和热量交换起着很大的作用。此外，气旋和反气旋也是大气环流中的大规模扰动，它们可以促使不同性质的气团作大范围的移动，造成大量的热量和水分交换，使地球上南北及海陆之间温度和水分差异变得和缓，同时也使各地具有不同的气候特点。三、下垫面状况对气候的影响下垫面是大气的热源和水源，下垫面是能量的主要接收、贮藏和转化的场所，又是低层空气运动的边界面，对气候的影响特别显著。下垫面包括海陆间的差异，海洋中冷暖洋流的分布强度，陆地上地形和地表性质的差别。（一）海陆分布对气候的影响1、海洋是热量的存储器和调整器海洋是一个巨大的热量存储器。与同纬度大陆相比，具有冬暖夏凉的特性，冬季大陆明显地冷于海洋，夏季又明显地暖于海洋。海洋和大陆的冷热源的作用，冬夏完全相反，冬季海洋是热源，大陆是冷源；夏季海洋是冷源，大陆是热源。热源利于低压系统的形成和加强，冷源利于高压系统的形成和加强，这些凹凸压系统的形成，无疑会产生气压活动中心，在气候的形成过程中，起着重要的作用。因此，海陆的分布对气候的影响是显著的。

2、海陆分布对气温的影响

由于对流层大气中的热能主要来自于下垫面，而海气之间与陆气之间的热量交换不同，因而导致了海陆气温的显著差异。北半球多陆地，常称陆半球，南半球多水域，常称为水半球。

北半球（陆半球）与南半球（水半球）温度差异（℃）区域要素北半球南半球差值夏季平均气温22.417.15.3冬季平均气温8.19.1-1.6气温年较差14.37.4气候特征冬季寒冷冬季暖和夏季酷热夏季凉快从年平均温度来看，大陆气温的影响，在高纬度(纬度40—55°以北)，陆面上的年平均气温低于同纬度的海面上的气温，在低纬度则相反。另外，在不同纬度上由沿海向内陆，冬季气温有明显降低，夏季气温稍有增高，而且纬度较高的地区的变更比较低纬度为大（见表）。可见海陆分布对气温的纬向分布有很大影响。

相同纬度（40°N）沿海与内陆气温对比（℃）

地点一月七月年平均年较差天津（沿海）-4.028.713.532.7包头（内陆）-9.027.48.936.43、海陆分布对大气水分的影响大气中的水分主要来自下垫面上江、河、湖、海、潮湿的土壤、植物层的蒸发和蒸腾等。海洋的蒸发远比大陆为多。离海愈远空气中的水分含量就愈少。对于降水量来说，从海洋到内陆，理论上是递减的。但事实上海洋表面空气中水汽含量虽多，而要造成降水还必需有足够的抬升作用，足够的稳定度条件和确定的气温垂直梯度，使海上及沿岸地区一般以冬季和夜间降水为主，大陆上以夏季和白天降雨为主。（二）洋流对气候的影响海洋是地球表面巨大的热量贮存器。它的温度变更和表层(200—1000m)洋流状况对于气候的影响有着重要意义。洋流（oceancurrent）是海洋中的海水，常常朝着确定方向的有规律的流淌。世界洋流分布与地面风向很相像，大洋上北半球副热带洋流是呈反气旋式旋转，而南半球呈气旋式旋转，它们和副热带高压的气流方向是相像的。另外，在赤道旁边有自东向西的洋流，它是同信风气流方向一样的。温带以上的纬度是围绕副极地低压流淌，所以高纬度的洋流在北半球呈气旋式回转，南半球呈反气旋式回转。所以洋流的形成主要是长期稳定的风力驱动的结果。洋流流速较慢，一般约为10cm/s。洋流有冷暖之分。暖洋流是指从低纬度流向高纬度，其温度比流经地方的水温高的洋流；冷洋流是指从高纬度流向低纬度，其温度比流经地方的水温低的洋流。在南北40°以内的洋流主要受副热带高压气流的驱动。在大陆东岸的洋流，大都来自低纬度，是暖流，其中有大西洋的湾流、北太平洋西部的黑潮暖流、南太平洋的东澳大利亚暖流、南印度洋的莫桑比克暖流、南大西洋的巴西暖流。大陆西岸的洋流大多来自高纬度，是冷流。如加那利冷流、加利福尼亚冷流、秘鲁冷流等。南北在纬度40°以外的海面，海水受副极地低压气流驱动，有北大西洋暖流、格陵兰冷流和堪察加冷流等。洋流对气候的影响，除它在高、低纬度之间的热量输送中起重要作用外，还造成大陆东西气温以及降水的差异。在热带和副热带地区，大陆东岸暖流的水温比同纬度平均水温高3℃左右，海气之间的热量交换，使气温上升，来自海洋的气流使大陆东岸的一些地区气温也上升；大陆西岸冷流的水温比同纬度平均水温低3℃左右，来自海面的气流使大陆两岸一些地区气温降低。结果就造成同纬度大陆东西两岸气温的显著差异。洋流对大陆东、西两岸降水的影响也是明显的。在暖流流域，热量和水汽的输送，形成暖而湿的海洋性气团，带有大量水汽，使热带、副热带大陆东岸的降水普遍增多，反之在冷流流域，空气低层变冷，层结稳定，有水汽也不易向上输送，因而大陆西岸降水普遍稀有。（三）地形对气候的影响地形对于气候的影响有两方面：

一是地形地势本身所形成的气候特点；

另一个是高原和山系对于邻近地区气候的影响。地形对气候的影响有时可以完全超过纬度和海陆分布的影响，成为支配当地气候状况的主导因子。就地势来讲，高度增加，干洁空气组成的基本成分虽无什么变更，但可以影响辐射、温度、湿度、降水和风等各个气候要素。气压却随着空气柱的减短而降低，空气中的悬浮物质和水汽显著削减。因此，山顶空气常清晰干净。正是由于这个缘由，高山上的太阳干脆辐射相对增加，天空散射辐射相对削减；山上紫外线辐射的增多，可以抑制微生物的活动和树木的生长高度；大气逆辐射减弱，地面有效辐射增加，使高山上辐射收支差额常常保持为负值。气温随高度的增加而降低。大气中水汽虽随高度增加而削减，但相对湿度随高度的变更则甚困难。在山地，一般状况下，在确定高度的范围内，特殊是在向风坡，相对湿度随高度的增加而增加，云雨量也相对地增多，但超过这个范围，那就不同，甚至相反了。高大山系走向，常成为气候的自然分界。假如山脉走向与盛行风向相垂直，它的屏障作用就显得更为明显。若盛行风为一不稳定气团，向风坡常为多雨坡，背风坡为少雨坡。向阳、背阳对于温度的影响是自不待言的。世界上很多大山系都具有明显的气候屏障作用，我国秦岭南岭就是其中之一。秦岭是我国中部的著名山脉，大致为北亚热带和暖温带的分界线，也就是我国习惯上所说的南方气候与北方气候的分界线。秦岭以南地区，1月份平均气温在0℃以上，如汉中为2.0℃；秦岭以北在0℃以下，如西安为-1.3℃。秦岭南北侧降水量差异明显，汉中年降水量为889.7mm，西安仅为604.2mm。

南岭是我国华南地区重要山脉，大致是南亚热带和中亚热带的分界。

天山是南、北疆气候的分界。以北冷而湿，以南暖而干，北疆的乌鲁木齐，年降水量345mm，日平均温度高于0℃日数不到220d，而南疆年降水量普遍少于100mm，日平均温度0℃日数超过260d。高原对气候的影响，也是很明显的。例如青藏高原平均海拔4000m以上，面积达200km2，屹立在自由大气之中。高原本身构成了独特的高原气候区，它对邻近地区气候的影响，亦起着显著的作用。由于高原南面是暖和的印度洋，北面是寒冷的西伯利亚和新疆，假如不是高原的存在，那么，高原南北两方的冷、暖、干、湿空气，就简洁得到交换，源自西伯利亚的冷空气，就不会像现在这样强大而干冷，东亚冷空气的活动，也不会像现在这样频繁，整个东亚冬季半年的气候就要比现在温顺得多了。其次节人类经济活动对气候的影响人类在谋求生存和发展的过程中，不断改造自然，其中也包括不同程度上的改造和影响气候。人类经济活动对气候的影响有两种：一种是无意识的影响，即在人类活动对气候产生的副作用，如温室气体的排放引起的气候变暖，毁林开荒引起的气候变更等；另一种是为了某种目的，实行确定的措施，有意识的变更气候条件，如营造防护林影响农田小气候等。在目前的条件下，人类活动影响气候的途径主要有二：一是在工农业生产中排放至大气中的温室气体和各种污染物质，变更了大气的化学组成；二是在农牧业发展和其它活动中变更下垫面的性质，如城市化、破坏森林和草原植被，海洋石油污染等。此外人为热和人为水汽的释放也会对局地小气候产生影响。一、下垫面性质的变更对气候的影响人类的生产和生活都是在地面进行的，所以人类对下垫面性质的变更从古就已起先了。但是影响的范围还是比较局部的，其中有些生产活动，如盲目开荒、过度放牧、滥伐森林、人为污染等，影响了生态平衡，引起局地气候恶化。有些生产活动如扩大浇灌面积、兴建大型水库、疏通沼泽积水、种植防护林带等，调整了水热状况，改善了局地气候环境。二、人类变更大气成分对气候的影响人类的活动对空气成份的影响，主要是二氧化碳和人造微粒物质。其主要源地在人口稠密和工业化发达的北半球。在大气中二氧化碳的含量按容积比约占0.032%，海水中的二氧化碳浓度比大气高60倍。一般认为，大气中二氧化碳含量增加，在确定程度上增加了大气层对地面的保温作用。大气中二氧化碳含量愈多，这种保温作用愈强。据推算大气中二氧化碳含量增加一倍，增温效果在1—3℃之间，极地可达10℃。但是，二氧化碳是地球植物光合作物的“原料”，它也存在一个循环。植树造林，增加地表覆盖率，是调整大气中二氧化碳含量的有效措施。人造微粒的干脆影响，依据其直径的大小和分布的状况，有的使气候冷却，也有使气候增暖的。这些悬浮在大气中的灰尘微粒使空气层变得混浊。对太阳辐射有较强的吸取和反射实力，这就减弱了到达地面的太阳辐射，因而使地面温度降低。大气越混浊，地面温度降低得越明显，如1990年海湾斗争使科威特约有500眼油井燃烧，排放大量二氧化硫、二氧化碳及烟尘，由于烟云遮盖，天昏地暗，使科威特市内气温下降10℃之多。三、人类活动形成的特殊气候—城市气候1、城市浑浊岛效应城市浑浊岛效应主要有四个方面的表现：（1）城市大气中的污染物比郊区多。（2）城市大气中因凝合核多，低空的热力湍流和动力湍流又比较强，因此其低云量和阴天日数多、晴天日数少。、（3）城市大气中因污染物和低云量多，使日照时数削减，太阳干脆辐射(S’)大大减弱，而因散射粒子多，其太阳散射辐射(D)却比干洁空气强。如以D/S’表示大气浑浊度(又称浑浊度因子)，则城区明显大于郊区。在浑浊度因子分布上，城区呈现出一个明显的浑浊岛。（4）城市浑浊岛效应还表现在城区的能见度小于郊区。2、城市热岛效应城市的热岛效应可用热岛强度来表示，是指城区气温Tu与郊区气温Tr二者之差。通常城市热岛强度有明显的日