CPDN官方科普（一）：气候基础知识

tcogh327

很高兴在CPDN的官方网站上看到这样的基础类科普文章，在这里本人用蹩脚的英文做一下翻译，希望浏览本贴的朋友看了以后有些收获：）
有英文基础的朋友请直接访问：http://www.climateprediction.net/science/cl-intro.php
本贴仅做科普交流之用。如有翻译不准确的地方，欢迎大家指正。（在校对了以后，如果能被equn纳入CPDN的中文网站里那就更好了。）

                          你想知道的气候基础知识
    在这里，我们将为大家列出一个地球气候基础知识的提纲，从气候能量平衡开始，到全球大气循环。我们将把全球气候体系视为这样一个“热泵”：它从回归线内吸取热能，并把热能传送到两极。具体的介绍将分为以下几个部分：
    a、能量平衡
      b、全球大气环流
      c、洋流
      d、大气与洋流的交互作用
      e、温室效应
   
    a、能量平衡
    在任何能量平衡的系统内有一个原则，即，接受的能量必须和释放出去的能量相平衡。对于围绕着太阳运转的行星来说，这就意味着从太阳辐射里接收的热能必须和释放出去的热能相平衡。否则，这颗行星就会越来越热，或者越来越冷。维持这样的能量平衡是气候系统的基本原则。
    让我们先来看看一束太阳光直射到赤道的情况（见图1）。光线以与地面大约成直角的路线直接照射到地球表面，那么假设这束光的覆盖面积为a，a的面积和光束本身的横截面积是相同的。而在靠近地球极地的位置，一束同样横截面积的光束照射到地球表面，假设它覆盖的地球表面的面积为b，由于它是以小于90度的角度照射到地面的，那么b必然大于光束的横截面积，即，b大于a。由于两束光线有着同样的太阳辐射能量，这就意味着：就地球表面上单位面积接受到的热能而言，热带接受到的热能就高于接近地球两极的地区。类似的原理，在太阳高挂正空的中午，太阳光照射到的面积比在黎明或者黄昏时候低垂天幕的太阳所照射到的面积小。因此我们中午时分感觉到太阳是最热的。

    图1。太阳光以不同的角度到达地球赤道和两极的表面，因此，光线覆盖的面积在赤道最小，向两极越来越大（b的面积大于a的面积）。所以在赤道，每单位地球表面面积所接收到的热能高于地球两极。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-4-8 at 10:09 ]

tcogh327

地球所接收到的太阳辐射能量（主要包括紫外线、可见光和短波长的红外线）中，一部分被大气反射或者吸收后又直接回到宇宙空间，另外一部分被地球吸收（见图2）。一旦辐射被吸收，地球表面就开始释放一种能量，以较长的波长来释放辐射能量——这就是热能。

图2。地球每年的辐射能量平衡图。所有的数据单位为W/m2(瓦特每平方米)，一种能量度量单位。地球接收到的能量，49%（168÷342）被地球表面吸收，这部分热能再以多种形式向大气层释放（比如蒸发过程，热能辐射等等）。大部分的这种释放的热能被大气所吸收，然后又反射回地面，就这样反反复复。在这个过程中，一部分热能被释放到了外空，而一些热能则保留在了地球的气候系统内。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-11 at 13:56 ]

tcogh327

让我们再来看看接收到的太阳光短波辐射能量和地面释放的长波辐射热能在不同的纬度（距离赤道的距离）如何变化的。在南北回归线以内的热带，吸收到的太阳光短波辐射能量大于释放的地面辐射热能。在两极附近则恰好相反。这意味着热带会越来越热，而极地会越来越冷，但是实际情况并不是这样。因为地球会不断的将热能从热带输送向两极，它就象一个热能发动机一样。地球上大气的循环和海洋在这个过程中发挥着最重要的作用。它们从热带携带几乎相当的能量来到两极。

图3。红色的线为从地球释放出去的长波热能，蓝色的线为从太阳光中吸收的短波辐射能量。在中间部分的EXCESS表示吸收的能量多余释放的能量，热能过剩，而右边的deficit表示热能不足。横坐标以南极为起点，右边终点为北极。纵坐标以0W/m2 为起点，向上显示每平方米的能量增加。（译者注）
来自太阳光辐射的短波能量，以及来自地面反射所释放的长波热能都随着地球纬度而变化。图中两条线表明，在热带，地球表面是净收入能量（即，吸收的能量大于释放的能量），在两极附近则是净支出能量（即，释放的能量大于吸收的能量）。这就形成了一种带状的效果。也就是说，热能分布是根据纬度不同而变化的，而与经度无关。如果你设想围绕地球的每一条纬度来旋转，那么你会感觉到在同一条纬度上，温度的变化会很平均，因为经度的变化所引起的热能变化远小于纬度所带来的影响。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-11 at 13:56 ]

tcogh327

b、全球大气环流
全球大气环流携带了大约50%的从热带流向两极的能量。它的基本原理非常简单：热带的热空气上升（译者注：温度高的空气分子拥有更多的热能，更加活跃，即，它们拥有更快的速度，也就需要更大的空间，这就是说，单位数量的空气分子，温度越高，能量越多，占用的空间也就越大。在空气分子数量一定的情况下，占用的空间越大，体积越大，它们的密度也就越小，它们也就越轻。热气球正是靠着加热以后的空气比周围的空气轻，才能获得升空的浮力。），（以此产生对流），它们对地球表面的压强减少，同时上升。这样一来，到达大气层高层的热空气就开始向两极流动，而大气层的低层空气就被吸引过来补充热空气上升以后的空间。（译者注：热空气上升以后，原来所在空间的空气分子数量减少，密度变小，压强变得小于周围的地区，这就形成一个压强差，使得周围的空气补充进来。这种空气移动以后所形成的空缺所导致的压强差，正是引起从赤道到两极地区形成一系列连续的空气移动的“多米诺骨牌”，最终形成大气循环的“传送带”。）这些温暖的向两极移动的空气在移动的过程中来到吸收太阳辐射能较少的地区，就开始逐步冷却并下沉，这样就完成了一个大气循环。

如果地球没有自转，那么我们将看到这样一个非常简单的模型：热空气在热带上升，离开热带地区，在靠近两极的高纬度地区逐步冷却，下沉，并最终回到靠近热带的地区。（参见图4）

图4。如果地球没有转动，热带的热空气将会上升并向两极移动，冷却、下沉，并回到热带。这些在所有高度的大气流动都将沿着地球的经线。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-11 at 13:58 ]

tcogh327

然而地球的自转使情况复杂化了。对旋转的地球上的某一点来说，在赤道运转的距离（地球半径的2Π倍，即地球的赤道长度）远大于中纬度地区，而在两极地区，它几乎是不动的。速度的定义是距离除以时间，所以在24小时自转一周的地球上，赤道上的转动速度是地球表面最快的，而这一速度将会随着纬度的升高而降低。

现在，想象一枚炮弹从赤道上向北极开火。这枚炮弹除了有向北的速度以外，因为地球自转，它同时还具有从其发射点开始的向东的速度。它越向北极飞，它下面的地球表面的自转速度越比它在赤道时的自转速度慢。所以，相对于地面来说，这枚炮弹就划出一道向东的相对运动轨迹。（参加图5）在法国工程师Gustave-Gaspard Coriolis 于1835年发现这一对所有物体都适用的现象以后，这一现象被称为Coriolis effect （科里奥利效应）。科里奥利效应能够很好的解释为什么在大气上层的向两极移动的空气（风！）是从西面吹来的（从西向东）；反之，贴近地面的向热带吹的风是从东面吹来的（从东向西）。在热带地区，这些从东面吹来的风就是我们所熟知的东风带季风。

图5。动态显示科里奥利效应。让你的眼睛盯着白点（或许是圣诞老人哦），这一点对一个在北极点观测的人（在这里就是你自己）来说是沿着直线运动的，但是对一个在自转的地球上的观测者来说，远远望去，这一点的运动轨迹则是向右偏移了。（译者注：白点出发地为北极点，在北极点观测的人可以发现，到达点与出发点之间为一条直线，白点是沿着直线运动的；然而由于地球的自转，其他地区观测的人看到的是，到达点与出发点之间的一系列连续的点随着时间的推移，也跟着地球转动，这样一来，从出发点到到达点的线段就被地球的自转“拉弯”了，从相对运动的角度来说，白点的这一运动轨迹就偏向右边了。）

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-11 at 13:57 ]

tcogh327

对大气来说，这一效应就意味着向两极吹的风会有一个越来越大的从西向东的速度。这一速度在亚热带将达到最高，以大约40米/秒的速度运动在大气对流层的上部。在这样大的扭曲的速度和倾斜度的情况下，气流变得不稳定起来，气浪开始出现在西风里。我们可以在欧洲北部的低气压地区观测到这一现象有规律的发生。这一系统混合着大气，传送着吹向赤道地区的冷气流和吹向两极的暖气流。最后的结果是把热能传向两极。我们把这一模型叫做 Ferrell cell，反之，则把向赤道传送寒冷的大气环流模型叫做Hadley Cell。

在两极地区，大气环流模型非常类似于Hadley Cell，被称为Polar Cell。它是由热气流的上升和冷气流的下降所引起的。而在中纬度地区的对流层所发生的紊流，则是由Ferrell cell与 Polar cell的相遇所引起的。

图6。理想化的大气环流演示图。
大气在赤道被加热并上升，向两极移动，并在接近南北纬30度时遭遇Hadley Cell环流而开始逐渐下沉。在近地表面，气流从东向西运动，被称为季风。在中纬度地区（大约30度至60度），大气环流被大规模的气浪及亚热带风暴（这就是为什么欧洲气候如此难以预测的原因！）所主导，并表现为Ferrell cell环流。在高纬度地区则比较简单，冷热气流的对流驱使大气向赤道回流，形成这一地区的环流，被称做Polar Cell。高气压的地区和低气压的地区被分别标示了“H”和“L”。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-14 at 14:04 ]

tcogh327

你可以在下面读到更多的关于大气环流的信息：
①云和雨
②每日的循环
③季节的循环
④陆地和海洋
⑤热带
⑥中纬度地区
⑦两极地区

①云和雨
云和雨雪（雨或者雪，看你在什么地方而定）主要由温暖而潮湿的空气被迫上升所形成。当它上升的时候，它开始扩散并且冷却，所能保持的水蒸汽减少。剩余的水蒸气收缩并且开始凝结成小水滴，在数量足够多的时候大量小水滴以雨或者雪的形式落向地面。参见图7，显示了在热带和中纬度地区（50到60度）主要的上升暖气流形成的区域，以及在极地和亚热带地区主要的冷气流下降所形成的干旱贫瘠的区域。

图7。人造卫星的云层图片，2003年4月22日格林尼治时间18：30。Copyright 2003 EUMETSAT.
在热带，上升气流生龙活虎的携带着巨大的能量，以积雨云或thunder clouds（没找到，估计是暴雨云）的形式升到距地面10公里的高空，然后分散成许多云群。在图7里，热带被一条长线的云带清楚的标示出来。它们产生于海洋，那里有大量的温暖的海水蒸发，提供了水蒸气。然而在中纬度地区，上升气流仅仅是在低空形成了一些薄薄的漂浮着的零散的云。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-13 at 09:38 ]

Grё@thΙll

赞！斑竹可是为版子下了不少苦功啊～^_^

tcogh327

②每日的循环

观察图8，你就会发现气候冷热的每日动态模型。在一天中，大陆表面上最热的区域不断的向西方运动。同时，你还会发现海洋表面任何地方的温度在一天中并不会象附近的大陆（尤其是在一大块大陆的中心地区，比如非洲）一样剧烈的变化，无论变热还是变冷，海洋都需要更长的时间。

图8，来自CPDN模型的一天中的温度变化区域图，数据间隔时间为一小时。你可以发现大陆变热和变冷的速度都比海洋要快。

szterry

再赞，这位版主可是找对人了

tcogh327

这段时间做的一些工作都是希望普及一点气候保护知识,本贴的内容更是些基础的气象知识，实在是想抛出一两块砖头，引出一些美玉来。希望有更多的朋友把自己的气象资料拿来和大家分享。

tcogh327

③季节的循环
气候的季节性循环的根源在于地球的自转轴与太阳光之间并不垂直（实际上偏离了23度）。这就意味着在一年中的不同时间，不同的纬度将得到最大的太阳辐射。在春分和秋分时节，太阳直射赤道，而当夏至来临的时候，太阳直射的地区向北回归线移动，等到了冬至，太阳却接近了南回归线。这就意味着，在6月、7月和8月（北半球的夏季），北半球比南半球热；同样的道理，在12月，1月和2月，南半球更热。这些月份的划分并不是十分的均匀（比如我们不把11月、12月和1月看成是一个季节），因为气候系统总会延迟太阳辐射的效果，它需要一段时间才能够变热或者变冷。

季节的循环对气候有很多影响。参见图9，我们可以发现极热的地区（ITCZ）随着季节的变换而往复于南北回归线之间。而整个大气循环系统也随之移动。它还会产生一些顺带的效果，比如季风。而只有在夏季结束时分海洋的水温太高的时候才会产生热带风暴。

图9。来自CPDN的气温变化模型图，数据时间为一年，数据间隔为一个月。你会发现 ITCZ （标记着最高温度的地区）在南北回归线之间振荡。

tcogh327

④陆地和海洋
大陆和海洋的不规则分布也破坏了简单理想化的全球大气循环模型。陆地比海洋的冷热变化更快，导致了大规模的东亚季风，但是却很少吹到海洋。有一个在海岸线地区很普遍的现象，那就是风在白天从海面吹过来，夜晚则从大陆吹过来。大陆的存在明显的干扰和破坏了洋流的路线，而山脉又使气流偏转方向（比如，喜玛拉雅山脉就影响到了东亚季风），所以大陆与海洋的尺寸比例，大陆的数量，以及山脉的排列等等因素都会影响大气循环。

南半球的大陆数量比北半球少，所以大气循环模型也简单得多。例如，南半球的风暴的路径在全球范围内就显得更加连续。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-18 at 11:25 ]

tcogh327

⑤热带
热带，这一位于南北回归线之间的区域，气候主要受大规模的大气对流的影响，就是那些出现在Inter-Tropical Convergence Zone (the ITCZ)区域的东西。这一现象是季节性的，取决于哪一条纬线离太阳最近。在春秋分时期，赤道离太阳最近，在12月，南回归线离太阳最近，而在6月，北回归线离太阳最近。迅速爬升的热空气形成积雨云出现在ITCZ区域。这就是为什么我们在热带可以常常看到倾盆的暴雨和气势磅礴的雷暴现象。

通常，热带气候炎热潮湿，温度变化的季节性比温带气候要弱得多。另一方面，其它气候的特征，比如降雨及风，表现出一定的规律性，如季候风。

最有活力的热带气候系统就要数热带气旋了。它在大西洋、加勒比海和太平洋东部地区被称为飓风，在印度洋被称为旋风，在太平洋西北部地区被称为台风。它们是典型的低气压系统，它的面积有200-2000公里宽，风速超过120公里每小时。它们由厚厚的积雨云组成，从海平面一直延伸到12公里高的高空，围绕着低气压的风眼呈螺旋状旋转。它们自热带海洋上生成，但是却只限于南北纬5度之间的区域，因为这里的科里奥利效应很弱。它们一旦登陆并离开生成它们的那些温暖的海水以后，它们就迅速的衰减了。

我们目前使用的模型（译者注：估计指CPDN）还不能很好的运用到生成中的飓风，因为网格对相关过程的分析运行还很粗糙。

季候风是热带气候的另外一个特征，它源于大陆和海洋差异，以及季节对气候的影响。大陆比海洋的冷热变化得更快是由于大陆的热容量相对较低。这就意味着，在冬天，大陆上的空气比海洋上的空气更冷。由于与形成全球气候循环一样的原理，空气在海洋上上升，又在大陆上下降，从而形成从大陆到海洋的大气环流。在夏天，这一过程则反过来发生。这些随季节变化而往复流动的气流就被称为季候风（源自阿拉伯语“季节”这个词，mausim）。其主要影响范围在印度洋和位于热带的太平洋的西部地区。季候风与全球大气循环相互影响，同时它还受到山脉地形（陆地表面的形状，比如喜马拉雅山脉）的影响。这些因素共同作用，给亚洲西南部带来了一个极其复杂的气候模式。

图10、2002年2月10日在墨西哥湾的飓风莉莉

[ Last edited by tcogh327 on 2006-2-28 at 10:46 ]

JockWen

太感谢版主了！^_^