CPDN官方科普（一）：气候基础知识

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⑥中纬度地区（温带）
温带（南北纬30-60度之间的区域）的气候主要受Hadley Cell的影响，在这里Hadley Cell变得不那么稳定，并且碎裂成一系列的高低压混合的气候区域。在高低压区域集中的地方就会形成风暴。在南半球，大陆较少，风暴的路径是围绕地球的连续路径。而在北半球，风暴路径仅仅出现在海洋上。这是因为在不平坦的大陆表面的摩擦力要大得多，使所有吹过大陆的风都慢下来。图11显示北半球的风暴路径（译者注：本文多处出现storm track,其翻译为风暴路径好像不妥,待查证以后再做修改.）

温带地区的气候具有强烈的季节性,夏至的时候太阳出现在天空正上方,气温会出现最高温度.另外，温带气候也深受海洋与大陆的影响.英国比同纬度地区温暖就是得益于北大西洋暖流和西风传送来的热能.而英国之所以比西班牙这样的地区在气候上更不容易受到季节的影响,也是因为她四面环海,而海水在吸收了太阳热能以后的温度变化相对较慢.

图11 北半球冬季的风暴路径(在1979年到1997年之间的12月,1月和2月的平均值).数据图显示了风暴的运动能量.数据来自 ERA15 observational data set(好像是个采集的气候数据模型,我不知道怎么翻译)

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⑦两极地区
两极地区有全球最少的日照热能，在南极圈和北极圈里甚至在一年中有一段时间是完全的黑暗（译者注：就是我们常说的极夜现象，与之相对的是极昼现象，两种现象交替在南北两极出现，在极夜现象期间，整个极地圈里一直是漫长的黑夜，而到了极昼阶段，又全部都是白天，太阳一直不落下地平线）。另外，冰原对极地气候也有很大的影响，因为平滑的冰面有非常高的反射性，来自太阳的辐射热能在被吸收以前就被反射回去了（参见图2）。同时，环绕在冰原周围的正在结冰的海水对全球的温盐循环系统也起着至关重要的作用。
在两极地区几乎没有降雨和降雪，因为这里的气候被下降气流形成的高压所控制（参见图6）。在冬季，这里是无尽的黑暗和寒冷，而在夏季，这里一直都是白天，气候也变得不那么冷。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-3-10 at 19:55 ]

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海洋的流动将热能中的约50%从赤道传送到两极地区。在大气循环中，大气在热带被加热的海面驱动上升，然后在两极被冷却下来。同样，温度较低的海水向赤道方向流动，而温度较高的海水向两极移动。这样一个完整的循环由不同的水温和盐度驱动，所以这一循环过程被称为“温盐循环”（见图12）。当海水蒸发或者冰冻的时候，它会失去盐份，使附近的海水含盐度更高，从而密度更大。例如，北大西洋的深海里的海水就是来自格陵兰海（Greenland Sea），那里的海水又冷又咸，不断的下沉并向赤道方向移动。
    这一切意味着三维结构的海洋有着非常复杂的洋流结构，并且，我们对此还知之甚少。图13显示的是一个简单理想化的世界洋流结构图。一个水分子走完一个完整的循环大概要一千年。
    海洋有着比大气大得多的热容量，这意味着它对热能支出/收入平衡的反映比大气要慢得多。也就是说，无论是在每日、每季或者任何一个气候时段，同样单位的海洋比大气在温度上变化要慢得多。

图13全球洋流循环图（简单理想化），也被称为洋流搬运者，源自：www.CLIVAR.org。红色部分代表距海面一公里左右厚度的暖流，而兰色部分代表在温跃层（译者注：寒流和暖流的交接带，水温发生突变，称为温跃层）以下的寒流。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-3-18 at 11:03 ]

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大气和洋流在很多方面相互影响，并且在两者之间存在着一个交换热能、盐份、水份和动能的网络。
    当风吹过海洋，能量被带到海水表层，其中的一部分能量带动形成海流。在热空气中，海水更容易蒸发，尤其是流动的热风。当海水蒸发的时候，水蒸气从海水中带走热能，然后在高空形成云层水滴，同时向空气中释放出热能。这是热带风暴获得能量的一个主要途径。
    盐份通过大陆上流出的江河水被带到海洋，这些河水里的盐份来自风化、崩落的岩石溶解后的矿物质，并最终在海洋底部形成沉积层。表层海水的蒸发和凝结并不影响海洋的盐含量，但是并不含盐的雨水冲淡了表层海水的盐浓度。而且，当有风吹过的时候，海水中的盐份颗粒被带到空中，这就是形成云层水滴的颗粒基础。
    大气和海洋不停的交换着热量。这是因为海水比空气有更高的热容量，在吸收热能以后海水需要更长的时间来调节温度，因而温度变化得更慢。也就是说，表层海水跟它上面的空气之间在同一时间上存在着一个温差，从而热量就在海洋和大气之间传导。
    海洋和大气之间存在着许多相互反映的机制。比如说，水蒸气在空中凝结成云层。这同时反映为热量的收支（这就是为什么有云的夜晚比没有云的夜晚要暖和的原因）和表层海水的温度变化这两个方面。

[ Last edited by tcogh327 on 2006-3-25 at 11:48 ]

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在19世纪，许多科学家（比如Joseph Fourier，约瑟夫·傅立叶）认为大气象普通的温室一样吸收和保存来自外面的辐射热能。这种认为大气类似温室的解释并不非常准确，但是这名称却保留了下来。
在19实际60年代，John Tyndall（约翰·廷德尔） 认为大气中包括水蒸气和二氧化碳（CO2）在内的某些气体，对可见光没有什么影响，却吸收长波辐射（比如红外线等热辐射波）。他推测，正是这些气体使地球与外太空隔绝开来。
实际的过程是这样的（参见图2）：太阳的可见光辐射部分被反射（如云层，或者飞机），部分透过大气，射到地球表面，并被吸收，地球表面因而变热。接着地面把热能反射回大气，部分反射热能释放到了太空，而部分热能又再次被反射回地球表面。这是由于热辐射在地面被反射以后它的波长增加了，这种长波辐射热能被大气中的水蒸气、二氧化碳、甲烷以及其他温室气体所吸收。当水蒸气、甲烷、二氧化碳分子吸收了长波热辐射以后，自身温度升高，也开始向各个方向释放长波辐射。这些长波辐射一部分释放到了太空，而另外一部分则向地球表面释放，从而再次将地球表面加热。
这一自然过程帮助保存了地球上的液态水。如果没有温室气体，地球表面的温度只有17摄氏度，比现在实际的温度低了大约33度。
如果这种使地球表面与外太空绝缘的气体的浓度增加，会发生什么呢？我们也许会推测上述自然过程会被加强。事实上，这就是曾获得诺贝尔奖的瑞典化学家Svante Arrhenius（阿列纽斯）在1896年所做的工作。他通过研究二氧化碳如何吸收来自地球表面的热辐射，来计算当大气中的二氧化碳的浓度加倍时将会有何结果发生。最终，他认为当大气中的二氧化碳浓度加倍时，地球表面的气温会上升2度。这和现代的研究结果是相符的。
这种研究方式，仍然采取简单理想化的方式，假设了大气系统不存在反馈机制。所谓反馈机制，是指在同一个过程中，输出的效果反作用于输入的信息。有时候，反馈机制会抵消或者抑制变化的发生（负反馈），而有时候，反馈机制会放大某种变化（正反馈）。例如，保持你的体温的机制就是一种负反馈：当你太热的时候，就会触发你的某些身体反应（例如排汗）来使身体降温。而常见的正反馈的例子就是音乐或者演讲，当麦克风离喇叭太近的时候，歌声或者演讲声进入麦克风，被放大加强以后再从喇叭出来。如果这种被放大以后的声音又进入麦克风，将会再次被加强，如此循环……最后的结果就是刺耳的嗡鸣声。
在大气系统中存在着大量的反馈机制。比如当大气升温的时候，冰雪就开始融化，而冰雪能够反射大量的太阳辐射热，所以，随着冰雪的融化，被反射回去的太阳辐射热就越来越少，而被地球的吸收的太阳辐射热就越来越多，这又进一步使得气温升高。这就是一个正反馈。另一方面，当大气中的二氧化碳越来越多的时候，植物会生长得更快，从而吸收更多的二氧化碳，使得二氧化碳在大气中的含量下降。这就是一个负反馈。
由于存在着大量的反馈机制，大气系统是如此的复杂，因此，我们需要尽可能详尽的描绘整个大气系统以模仿那些可能发生的气候变化。我们需要有能力去研究反馈机制如何发生，在哪里发生，作用又有多大。

下面，你将了解到更多有关于二氧化碳浓度上升所可能引起的反馈机制的信息：

“二氧化碳与气候变化”

[ Last edited by tcogh327 on 2006-4-8 at 09:16 ]

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地球的气候之所以在不停的变化，主要是因为所吸收的太阳热能的变化、大陆的轮廓、大气中灰尘的数量、大气中的化合物，以及其他的因素。
大气中二氧化碳的浓度被认为是影响地球表面气温的因素之一。二氧化碳是一种“温室气体”，即，它对吸收来自太阳的辐射热没有什么作用，但是却能大量的吸收来自地球表面的长波热反射，并把它再次反射回地球表面，使大气升温。
大气中二氧化碳的浓度在过去200年以来，也就是从工业革命开始，一直在上升。这主要是因为在运输业、制造业、电子业和供热方面燃烧了化石燃料（煤炭、石油和天然气）。同时还因为陆地上的一些变化，例如森林被砍伐。图13显示的是过去1000年间大气中二氧化碳的浓度（数据来自近几年对冰芯的研究，如果你有兴趣，可以阅读Richard B. Alley写的《The two-mile time machine》），以及对未来100年间二氧化碳浓度变化的各种预测。到底哪一种预测会成为现实，就要看我们的立法是如何约束二氧化碳的排放了。图中分别标明了在二氧化碳标准浓度下的情况和在CPDN实验中二氧化碳两倍浓度时情况。

图13.地球大气中二氧化碳的含量（每百万，ppm），过去1000年的情况见左图，对未来100年的预测情况见右图。数据来源：IPCC的第三次评估报告。在CPDN实验中二氧化碳的浓度：已经标出282ppm和564ppm。

科学家们至今仍不十分清楚地球上的大气系统是如何应对二氧化碳和其他化合物的浓度变化的。

（全文完）

[ Last edited by tcogh327 on 2006-4-8 at 09:56 ]