方向角和方位角(方向角)

馬克·馬斯林

氣候影響了什么

從今天穿什么衣服到最近染上了什么病，氣候影響著我們生活中的一切，因?yàn)槲覀內(nèi)祟愔挥性谝粋€(gè)非常狹窄的溫濕度范圍內(nèi)才會(huì)感到舒適。這個(gè)舒適區(qū)間的溫度范圍，大約為20 -26℃，相對(duì)濕度在20%-75%之間。

然而，我們幾乎可以在世界的每一個(gè)角落生存，也就是說(shuō)，生存條件往往會(huì)在這個(gè)舒適區(qū)間之外，而我們也學(xué)會(huì)了通過(guò)增減衣物、改造住房來(lái)保持舒適。因此，你也許會(huì)認(rèn)為自己的衣柜里掛著的衣服只是反映了你有沒(méi)有時(shí)尚品味。但實(shí)際上，它們展現(xiàn)了你生活所在地的氣候及其一年四季的變化。所以，你有一件厚厚的加絨大衣以備在加拿大過(guò)冬，也有一件短袖襯衫應(yīng)付里約熱內(nèi)盧的商務(wù)會(huì)議。衣柜也暗示了我們喜歡去哪里度假——嶄露頭角的極地探險(xiǎn)家的衣柜里，會(huì)掛著非常保暖的北極服裝；如果你喜歡在沙灘上曬太陽(yáng)，那么你家衣柜里就會(huì)改掛短褲或比基尼。

房子也是在我們清楚了解本地氣候的情況下建造的。在英格蘭，室外溫度通常低于20℃，所以幾乎所有的房子都有中央供暖，同時(shí)由于溫度很少超過(guò)26℃，因此又鮮有空調(diào)。然而在澳大利亞，大多數(shù)房子都有空調(diào)，卻很少有中央供暖。氣候還會(huì)影響城市的結(jié)構(gòu)，以及世界各地運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)作方式。得克薩斯州休斯頓有長(zhǎng)達(dá)7英里的地下隧道網(wǎng)絡(luò)，連接著市中心所有的主要建筑；這個(gè)全氣候控制的網(wǎng)絡(luò)，把95個(gè)人口密集的城市街區(qū)連在一處。當(dāng)外面下雨或天氣炎熱的時(shí)候，人們都走隧道，因?yàn)樾菟诡D每年至少有5個(gè)月的平均氣溫高于30℃。同樣，加拿大也有地下商場(chǎng)，以此來(lái)避免大雪和極寒的問(wèn)題。

氣候決定了我們?cè)诤螘r(shí)何地獲得食物，因?yàn)檗r(nóng)作物生產(chǎn)既受霜凍雨雪的限制，也被生長(zhǎng)季節(jié)的長(zhǎng)短所左右，其中包括日照量和溫暖季節(jié)的長(zhǎng)度。簡(jiǎn)而言之，水稻生長(zhǎng)在溫暖和非常潮濕的地方，而小麥可以在范圍大得多的溫帶氣候區(qū)生長(zhǎng)。氣候也會(huì)影響食物的質(zhì)量，例如，眾所周知，法國(guó)葡萄酒的最佳釀造年份需要冬季有幾次短暫的嚴(yán)寒，可以讓葡萄藤更加強(qiáng)壯，從而產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的葡萄。農(nóng)民也可以“改善”當(dāng)?shù)氐臍夂颍热缭跍厥依锓N植番茄，或是通過(guò)灌溉土地來(lái)提供更穩(wěn)定的供水。

氣候還會(huì)影響有熱浪、干旱、洪水和風(fēng)暴等極端天氣事件的地方。但在很多情況下，我們對(duì)極端事件的認(rèn)識(shí)取決于當(dāng)?shù)氐臈l件，例如，2003年北歐遭遇了“熱浪”，英格蘭首次出現(xiàn)了100℉（37.8℃）的高溫紀(jì)錄。然而在熱帶國(guó)家，只有當(dāng)氣溫超過(guò)45℃時(shí)才會(huì)作為熱浪記錄下來(lái)。

《氣候》，馬克·馬斯林著，朱邦芊譯，譯林出版社2022年版。

氣候?qū)ξ覀兊慕】狄灿泻艽蟮挠绊?，因?yàn)楹芏嗉膊《际艿綔貪穸鹊闹萍s，例如流行性感冒（俗稱流感）的發(fā)病率會(huì)在冬季達(dá)到高峰。由于南北半球的冬季時(shí)間不同，全球每年實(shí)際上會(huì)有兩個(gè)不同的流感季。每個(gè)冬季過(guò)后，流感病毒都會(huì)在兩個(gè)半球之間遷徙，讓我們有時(shí)間根據(jù)另一個(gè)半球半年前出現(xiàn)的新型毒株來(lái)生產(chǎn)新的疫苗。

關(guān)于流感為何受氣候控制的說(shuō)法有很多，從理論上講，在寒冷干燥的條件下，病毒在各種物體表面存活的時(shí)間更長(zhǎng)，所以更容易在人與人之間傳播。另一種說(shuō)法是，維生素D可能會(huì)幫助人們對(duì)病毒產(chǎn)生一定的抵抗力或免疫力。 因此，在冬季和熱帶的雨季，當(dāng)人們待在室內(nèi)、遠(yuǎn)離陽(yáng)光時(shí)，他們體內(nèi)的維生素D水平會(huì)下降，流感的發(fā)病率就會(huì)上升。

冷暖地球

地球上氣候的成因，是赤道所接收的太陽(yáng)能量多于兩極。如果把地球想象成一個(gè)巨大的球體，離太陽(yáng)最近的點(diǎn)就是赤道或球體中部。赤道是太陽(yáng)照射最直接的地方，因而這里也是地球接收能量最多之處。離開(kāi)赤道向北或向南，地球表面沿曲線遠(yuǎn)離太陽(yáng)，地表與太陽(yáng)所成夾角增大。這意味著太陽(yáng)的能量被分散在更大的區(qū)域，從而導(dǎo)致溫度降低。

如果我們生活在一個(gè)平坦的圓盤(pán)上，就會(huì)從太陽(yáng)那里得到更多的能量——大約每平方米1370瓦特（1370W/m^{2}），而地表由于其彎曲的性質(zhì)，獲得的能量為平均每平方米343瓦特左右。在太陽(yáng)迸發(fā)出的能量中，地球只接收了非常少的一部分。只需想想太陽(yáng)每釋放20億瓦特的能量，我們只接收到1瓦特，就知道地球與太陽(yáng)相比有多渺小了。這也是為什么在很多科幻小說(shuō)中，作者都會(huì)想象恒星被條帶甚或曲面所環(huán)繞，借此收集直接流失到太空的全部能量。

在我們接收到的太陽(yáng)能中，大約有三分之一都被直接反射回太空了。這是由“反照率”，即表面反射率的大小，所造成的。例如白云和白雪的反照率很高，幾乎可以把照在其上的陽(yáng)光全部反射回去，而海洋、草地和雨林等比較暗的表面則會(huì)吸收更多的能量。兩極接收的能量不僅比赤道少，而且還向太空散失了更多的能量：南北兩極白色冰雪的反照率很高，把大量的太陽(yáng)能反射回了太空。與此相反，顏色暗得多、反射率也更低的低緯度植被，卻吸收了大量的能量。這兩個(gè)過(guò)程齊頭并進(jìn)，意味著熱帶地區(qū)熾熱難當(dāng)，兩極則天寒地凍。大自然痛恨這種能量失衡，所以，能量以熱能的形式由大氣和海洋輸送到兩極，從而影響了氣候。

太空中的地球

氣候由地球與太陽(yáng)之間關(guān)系的兩個(gè)基本事實(shí)所控制。第一個(gè)事實(shí)是地球自轉(zhuǎn)軸的傾斜，這導(dǎo)致了四季的變換。第二個(gè)事實(shí)是地球每日的自轉(zhuǎn)，這給我們帶來(lái)了日與夜，并驅(qū)動(dòng)了大氣和海洋的循環(huán)。

地球自轉(zhuǎn)軸的傾斜角度是23.5°，這導(dǎo)致兩個(gè)半球全年接收的能量存在季節(jié)性差異。目前，季節(jié)性變化對(duì)氣候的影響最大。如果地球不傾斜，而是直直地立在軸線上，那么我們就不會(huì)有春夏秋冬了，想到這些不禁令人驚嘆。如果真是這樣，溫帶地區(qū)的植被不會(huì)存在巨大的變化，也不會(huì)有熱帶地區(qū)的季風(fēng)和颶風(fēng)季節(jié)了。

四季的由來(lái)，源于一年中陽(yáng)光照射地球的角度發(fā)生了變化。以12月21日為例，由于地球的自轉(zhuǎn)軸偏離太陽(yáng)，所以照射到北半球的陽(yáng)光角度更大，能量擴(kuò)散的范圍也更廣。此外，這種傾斜實(shí)在是太大了，以至于在北極地區(qū)，陽(yáng)光甚至無(wú)法到達(dá)地表，因而產(chǎn)生了24小時(shí)的黑暗和北半球的冬天。然而，在南半球一切都恰恰相反，因?yàn)槟习肭虍?dāng)時(shí)是向著太陽(yáng)傾斜的，因此烈日炎炎。這意味著南極洲24小時(shí)都沐浴在陽(yáng)光下，澳大利亞人則在海灘上享受圣誕晚餐，同時(shí)還能把皮膚曬得更黑。

地球繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈大約需要365.25天（因此每四年便有一個(gè)閏年），軸線的角度保持不變。到了6月，地球的自轉(zhuǎn)軸就會(huì)向太陽(yáng)傾斜，北半球于是有大量的陽(yáng)光直射，如此便進(jìn)入夏季，而南半球因遠(yuǎn)離陽(yáng)光而墜入冬季。

如果全年追蹤太陽(yáng)，就可以看到這種傾斜是如何通過(guò)四季輪回影響地球的。我們從6月21日開(kāi)始，此時(shí)的太陽(yáng)在正午時(shí)分位于北回歸線（北緯23.4°）的正上方，即北半球的夏至。此后太陽(yáng)的角度向南移動(dòng)，直到9月21日正午時(shí)分位于赤道上空，也就是二分點(diǎn)或北半球的秋分。太陽(yáng)繼續(xù)南移，12月21日的正午出現(xiàn)在南回歸線（南緯23.4°）的正上方，此時(shí)是南半球的夏至。然后，太陽(yáng)看來(lái)像是北移了，在3月21日二分點(diǎn)或北半球春分時(shí)的正午到了赤道正上方，如此循環(huán)下去。

換季標(biāo)志著氣候中最明顯的變化；以紐約為例，冬季的氣溫可低至-20℃，而夏季的氣溫可以超過(guò)35℃——溫差達(dá)55℃。此外我們還將發(fā)現(xiàn)，季節(jié)更替是風(fēng)暴的主要成因之一。

熱量在地球上的移動(dòng)

影響地球氣候的第二個(gè)事實(shí)，是地球日復(fù)一日的自轉(zhuǎn)。首先，這使得地球墜入和沖出黑暗，造成晝夜溫度的巨大變化。例如，撒哈拉沙漠夏季白天的溫度可以超過(guò)38℃（100℉），夜間的最低溫度為5℃（40℉）；而中國(guó)香港的晝夜溫差只有4℃（7℉）多一點(diǎn)。根據(jù)季節(jié)的不同，不同地區(qū)的日照時(shí)間也不同。具體的日照時(shí)間可能是兩極的24小時(shí)白晝或24小時(shí)黑暗，也可能是赤道每天12小時(shí)左右的日照。日照的變化加劇了季節(jié)性反差，因?yàn)樵谙募?，我們不僅能獲得更多“烈日當(dāng)頭”的陽(yáng)光，照射的時(shí)間也更長(zhǎng)了。

但地球的自轉(zhuǎn)也使從赤道向外輸送熱量變得更加復(fù)雜。這是因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)讓包括大氣層和海洋在內(nèi)的其他一切都在轉(zhuǎn)動(dòng)之中。簡(jiǎn)單的規(guī)律是，地球的自轉(zhuǎn)會(huì)使北半球的空氣和洋流被推到其行進(jìn)方向的右邊，而在南半球則被推到行進(jìn)方向的左邊。這種偏轉(zhuǎn)名為科里奧利效應(yīng)，越靠近兩極，其作用越明顯。

日常生活中經(jīng)常被人引用的一個(gè)例子，就是水從排水孔或馬桶流下去的方向。在北半球，據(jù)說(shuō)水是按順時(shí)針流下排水孔的，而在南半球則是逆時(shí)針。但我不得不告訴諸位，水從浴缸或馬桶里排出的方向與科里奧利效應(yīng)或地球的自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，而且目前也沒(méi)有觀察到南北半球的馬桶在水流方向上有持續(xù)存在的差異。這是因?yàn)榕c水的殘留移動(dòng)和容器形狀的影響相比，科里奧利效應(yīng)的影響小到可以忽略不計(jì)。

也就是說(shuō)，赤道地區(qū)的奇妙手工作坊向游客展示的科里奧利效應(yīng)只是一個(gè)小把戲而已。例如在肯尼亞穿越赤道時(shí)，你會(huì)看到豎立的大牌子上寫(xiě)著這一點(diǎn)；如果游客愿意在路邊停下來(lái)，當(dāng)?shù)厝藭?huì)興高采烈地把水從桶里倒進(jìn)一個(gè)大漏斗，似乎能清楚地證明，站在牌子的兩側(cè)所看到的水流方向并不相同。不過(guò)，這種變化完全取決于演示者的手腕，水怎么倒進(jìn)去，會(huì)影響到它往哪邊轉(zhuǎn)。盡管這完全是假的，但我還是喜歡這些演示，因?yàn)檫@意味著許多當(dāng)?shù)厝撕陀慰涂梢缘弥嘘P(guān)科里奧利效應(yīng)的知識(shí)！

說(shuō)回氣候，洋流和氣流為什么會(huì)有這種偏轉(zhuǎn)？試想一下從赤道直接向北發(fā)射一枚導(dǎo)彈。因?yàn)閷?dǎo)彈是從向東自轉(zhuǎn)的地球上發(fā)射的，所以導(dǎo)彈也在向東移動(dòng)。地球自轉(zhuǎn)時(shí)，赤道必須在太空中快速移動(dòng)以跟上其他的地方，因?yàn)樗堑厍蜃顚挼牟糠?。地表向北或南遠(yuǎn)離赤道時(shí)會(huì)向內(nèi)彎曲，所以它不必移動(dòng)得那么快來(lái)跟上赤道。因此在一天之內(nèi)，赤道必須以每小時(shí)1670千米的速度移動(dòng)40074千米（地球的直徑），而北回歸線（北緯23.4°）必須移動(dòng)36750千米，速度為每小時(shí)1530千米，北極圈（北緯66.6°）必須移動(dòng)17662千米，所以速度為每小時(shí)736千米。北極點(diǎn)根本沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以那里的速度是每小時(shí)0千米。

一個(gè)直觀的證明是，如果你和朋友手拉手站在一處同時(shí)甩手，手的速度會(huì)比你們快很多。因此，從赤道發(fā)射的導(dǎo)彈，其東進(jìn)的速度較快，等同于赤道的東進(jìn)速度；當(dāng)它向北移動(dòng)到北回歸線時(shí)，地表東進(jìn)的速度不如導(dǎo)彈快。因?yàn)閷?dǎo)彈的東進(jìn)速度快于它所進(jìn)入的區(qū)域，這就給人一種導(dǎo)彈向東北方向移動(dòng)的感覺(jué)。當(dāng)然越接近兩極，這種速度的差異就越大，所以向東的偏轉(zhuǎn)就越大。

總結(jié)

氣候系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，它由赤道和兩極接收到的不同量的太陽(yáng)能所控制，氣候只是要消除這種不平衡的能量再分配。進(jìn)行這種重新分配的，正是大氣和海洋。由于地球的自轉(zhuǎn)軸與太陽(yáng)成一定的角度，導(dǎo)致了明顯的季節(jié)周期，使得情況變得更加復(fù)雜。除此之外，地球每24小時(shí)就會(huì)自轉(zhuǎn)一圈，讓地球墜入和脫離黑暗，這也意味著遠(yuǎn)離赤道的能量的重新分布發(fā)生在一個(gè)自轉(zhuǎn)的球體上?？评飱W利效應(yīng)由此產(chǎn)生，并有助于解釋為什么幾乎所有的天氣系統(tǒng)似乎都在旋轉(zhuǎn)。

（作者馬克·馬斯林，畢業(yè)于劍橋大學(xué)達(dá)爾文學(xué)院，現(xiàn)任倫敦大學(xué)學(xué)院的地球系統(tǒng)科學(xué)教授，研究方向包括氣候變化的原因及影響、利用遙感和生態(tài)模型監(jiān)測(cè)陸地碳匯，本文摘自《氣候》一書(shū)，澎湃新聞獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。）

責(zé)任編輯：吳躍偉 圖片編輯：施佳慧

校對(duì)：劉威