什么是气候？——天气与气候的区别

第一章：什么是气候？——天气与气候的区别

清晨，你从睡梦中醒来，第一件事可能是拉开窗帘，看看外面是阳光明媚还是细雨绵绵。你可能会想：“今天天气怎么样？要不要带伞？穿什么衣服合适？”这些念头几乎每天都会出现在我们的脑海中。然而，当我们在电视上看到“今年冬季气温比往年偏高”“某地区进入干旱期”等新闻时，你有没有想过，这些说的其实是“气候”，而不是“天气”？

天气和气候，这两个词在日常生活中经常被混用，但它们实际上是两个既相关又不同的概念。理解它们之间的区别，是我们认识地球气候系统的第一步，也是理解整个气候变化议题的基础。

日常生活中的天气与气候

让我们从一个你可能经历过的场景开始。假设现在是七月，你住在长江中下游地区。你每天关注天气预报，期待着能有一个凉爽的晴天。但实际情况是，连续一周都是阴雨绵绵，气温在25到30摄氏度之间波动，时不时还来一阵雷阵雨。你可能会抱怨：“这鬼天气，怎么天天下雨！”这就是在谈论“天气”——一个地区短时间内的大气状况。

然而，如果你的爷爷奶奶告诉你：“今年梅雨季节雨水格外多，看来是厄尔尼诺现象在作怪。”或者说：“这几年夏天是越来越热了，以前这个时候没这么闷。”他们谈论的就不再是某一天的天气，而是“气候”了。气候是一个地区长期（通常以30年或更长时间为标准）的大气平均状况，包括平均温度、降水量的分布、风向的变化规律等等。

用更简单的话来说，天气就是“今天怎么样”，而气候是“这地方一贯怎么样”。想象一下你认识一个新朋友：天气就像是你第一次见面时观察到的他的穿着打扮、精神状态；气候则更像是你经过长期相处后，对这个朋友性格特点的总体印象。前者随时可能变化，后者相对稳定。

从时间尺度看两者的本质差异

为了更清楚地理解天气和气候的区别，让我们引入一个重要的概念——时间尺度。时间尺度是指一个现象或过程发生、发展和变化所涉及的时间范围。天气和气候最根本的区别，就在于它们各自对应的时间尺度不同。

天气现象的时间尺度通常很短，从几分钟到几天不等。清晨的露水、午后的雷阵雨、持续三天的寒潮，这些都是天气现象。它们的共同特点是变化迅速、难以长期准确预测。即使是最先进的气象预报，也很难准确预测一周以后的具体天气状况。这不是因为科学家们不够聪明，而是因为大气系统本身的复杂性，使得它对初始条件极度敏感——这就是著名的“蝴蝶效应”的含义：一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，可能在德克萨斯引发一场龙卷风。

相比之下，气候的时间尺度要长得多。气象学上通常用30年作为一个基本的气候统计周期。世界气象组织规定，如果某地的气候数据不足30年，就不能用来描述该地的气候特征，只能说是“天气异常”。但气候的变化周期远不止30年，从季节性的周期（如季风气候的雨季和旱季交替），到十年、百年、千年的长期变化，都属于气候研究的范畴。冰河时期和间冰期的交替变化，就是以数万甚至数十万年的时间尺度在演变的。

这种时间尺度的差异，对应着完全不同的研究方法和预测能力。对于天气，我们主要关注的是大气运动和能量传输的短期过程，预测模型需要处理的数据是小时级甚至分钟级的。对于气候，我们需要关注的是更慢的过程——海洋的热容量、冰雪盖的反射率变化、植被分布的改变、大气成分的长期趋势等等。气候预测虽然不能告诉你明年五一节会不会下雨，但可以帮助我们了解未来几十年该地区的温度和降水整体趋势。

气候系统的五大支柱

了解了天气和气候的区别之后，我们需要进一步追问：是什么在决定一个地区的气候？这个问题引出了“气候系统”的概念。气候系统是一个极其复杂的整体，它由五个主要部分组成：大气圈、水圈（海洋）、陆地表面（岩石圈的上层）、冰雪圈和生物圈。这五个部分相互作用、相互影响，共同决定着地球的气候特征。

大气圈：气候的舞台

大气圈是气候系统中最活跃、最容易变化的部分。我们每天呼吸的空气、对流层中发生的云雨雷电，都是大气圈的一部分。大气的主要成分是氮气（约78%）和氧气（约21%），还有少量的氩气、二氧化碳、水汽以及各种微量气体。大气层的厚度约为1000公里，但99%的质量集中在距离地表约30公里以内的对流层和平流层中。

大气圈在气候系统中扮演着双重角色。一方面，它像一层透明的玻璃窗，允许太阳短波辐射透过到达地面；另一方面，它又像一床厚厚的大棉被，阻止地球表面的长波辐射散逸到太空去，这就是著名的“温室效应”。没有温室效应，地球的平均温度将低于零下15摄氏度，生命将无法生存。但当大气中的温室气体浓度增加时，温室效应被加强，就会导致全球变暖。这就是为什么二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度变化，对气候有着如此重要的影响。

水圈：气候的调节器

地球表面约71%被海洋覆盖，海洋的平均深度超过3700米。海洋巨大的体积和比热容（每升高1摄氏度所需的热量），使它成为气候系统中最主要的能量储存器和调节器。科学家们形象地称海洋为“气候的记忆”，因为它在调节短期气候变化的同时，储存着长期的气候历史信息。

海洋对气候的影响是多方面的。首先，海洋吸收了大量的太阳辐射，特别是在热带地区，海水储存了大量的热量。其次，海洋中的洋流像一条条巨大的传送带，将热量从热带输送到高纬度地区，从表层输送到深海。如果没有洋流的调节，赤道地区会热得无法居住，而高纬度地区则会冷得像今天的火星。再次，海洋和大气之间不断进行着热量和水分的交换，这种交换对天气的形成和气候的调节都至关重要。

海洋还有一个对气候极其重要的过程——碳循环。海洋吸收了大气中约30%的人类排放二氧化碳，并通过溶解和生物过程将碳储存在海水中。海洋每年从大气中吸收约25亿吨二氧化碳，同时又通过海气交换释放出约22亿吨。这种动态平衡对控制大气中的二氧化碳浓度起着关键作用。但当海洋吸收过多的二氧化碳时，会导致海水酸化，这对海洋生态系统构成了严重威胁。

陆地表面：气候的参与者

陆地表面虽然只占地球表面的29%，但它对气候的影响却不可小觑。不同的地表特征——森林、草原、沙漠、农田、城市——对太阳辐射的吸收和反射、水分的蒸发和下渗、风速的改变等都有着显著不同的影响。

以森林为例，森林通过蒸腾作用每天可以将大量的水汽输送到大气中。一棵成熟的橡树在炎热的夏天，一天可以蒸腾约150升水。整个亚马逊雨林每年向大气输送的水量，相当于一条亚马逊河的流量。森林就像是大自然的“抽水机”和“加湿器”，对调节区域气候有着重要作用。这就不难理解，为什么森林被称为“地球之肺”了——它们不仅产生氧气，还调节水分循环。

相比之下，沙漠的反射率很高，大部分的阳光被反射回太空，很少被吸收用于加热空气和土壤。沙漠白天地表温度可以超过70摄氏度，但夜晚又会降到接近零度，昼夜温差极大。沙漠对气候变化的影响主要体现在两方面：一是减少了大气的水分来源，使周围地区更加干燥；二是沙漠中的沙尘可以随风飘到远方，影响其他地区的天气和气候。

人类活动对陆地表面的改造，也在深刻影响着气候。城市的发展创造了独特的“城市气候”——高楼大厦阻挡了风的流动，混凝土和沥青吸收并储存热量，工厂和汽车排放的废热人为地提高了城市温度。这就是为什么城市往往比周围郊区更热的“城市热岛效应”。在炎热的夏天，大城市的居民更能感受到这种温度差异。

冰雪圈：气候的指示器

冰雪圈包括大陆冰盖、山地冰川、海冰和季节性积雪等。听起来，冰雪只是地球表面的白色装饰品，但它们对气候的影响却极其重大。冰雪圈被形象地称为“地球的空调”，因为它的反射能力——也就是“反照率”——对地球的能量平衡有着举足轻重的作用。

新鲜的雪面可以将高达80%到90%的阳光反射回太空，而深色的海洋只能反射约6%的阳光。想象一下，当冰雪覆盖大地时，地球就像一个穿上了白色外衣的巨人，反射走了大量的太阳能。但如果冰雪融化，露出的深色地表或海洋就会吸收更多的热量，加速融化，形成一个正反馈循环。冰川学家把这种现象称为“冰雪-反照率反馈”，它是气候变化中最敏感、最危险的反馈机制之一。

格陵兰岛和南极冰盖是目前地球上最大的两个冰盖。如果它们完全融化，全球海平面将上升约7米和60米，足以淹没世界上大多数沿海城市。当然，这种程度的融化在短期内不会发生，但即使冰盖边缘的局部崩塌，也足以对海平面和周边气候产生显著影响。

海冰是另一类重要的冰雪。海冰主要分布在北极和南极周围的洋面上。与陆地上的冰盖不同，海冰是漂浮在海面上的，因此它的融化不会直接导致海平面上升。但海冰的反射作用和对海洋-大气交换的阻隔作用，对极地气候和全球气候都有重要影响。北极的海冰正在以惊人的速度消退：夏季最小海冰面积已经比40年前减少了约40%。这种变化不仅影响北极熊等极地生物的生存，也在改变北极地区的大气环流，进而影响北半球甚至全球的天气模式。

生物圈：气候的参与者与响应者

生物圈是指地球上所有生命及其生存环境的总和，从微小的浮游植物到巨大的红杉树，从细菌到人类，都是生物圈的一部分。生物圈与气候系统的关系是双向的：一方面，生物活动深刻影响着气候；另一方面，气候变化也在重塑着生物分布和生态系统。

植被通过光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，这是地球碳循环的重要环节。据估计，地球上的森林每年吸收约30亿吨二氧化碳，相当于人类排放的约四分之一。但当森林被砍伐或因火灾而消失时，储存的碳就会以二氧化碳的形式释放到大气中，加剧温室效应。热带雨林的破坏尤其令人担忧，因为这些地区拥有地球上最丰富的生物多样性，同时也在储存着大量的碳。

海洋中的浮游植物是另一个重要的碳汇。这些微小的生物虽然个体难以用肉眼看到，但它们的总量却极其庞大——全世界的浮游植物每年生产的生物量与所有陆地植物相当。更重要的是，浮游植物死后会连同吸收的碳一起沉入海底，将碳长期封存在深海。但当海水温度升高时，浮游植物的生长会受到影响，这种碳泵的效率可能会下降。

人类作为生物圈的一部分，对气候的影响无疑是最大的。自从工业革命以来，人类活动排放的温室气体是过去80万年里从未有过的。这些排放包括燃烧化石燃料（煤炭、石油、天然气）释放的二氧化碳，开采和使用天然气排放的甲烷，农业生产排放的温室气体，以及工业过程中使用的各种化学物质。人类已经成为了改变地球气候的主导力量，以至于有些地质学家提出，我们已经进入了“人类世”——一个新的地质时代。

太阳辐射：气候系统的能量之源

了解了气候系统的组成之后，我们需要追问：是什么在驱动这个庞大的系统运转？答案只有一个——太阳。太阳是地球气候系统的终极能量来源，它提供的辐射能驱动了大气和海洋的流动，塑造了地球上的风、雨、雪、冰川等各种气候现象。没有太阳，地球将是一个温度低于零下200摄氏度的死寂星球。

太阳以电磁波的形式向太空辐射能量，这种辐射被称为“太阳辐射”。地球接收到的太阳辐射总量取决于太阳本身的能量输出、地球到太阳的距离，以及地球的形状和自转倾角。这些因素共同决定了地球接收到的太阳辐射强度约为每平方米1361瓦，这个数字被称为“太阳常数”。

但地球是一个球体，太阳光不是垂直照射到所有地方的。赤道地区太阳高度角大，单位面积接收的阳光多；而高纬度地区太阳高度角小，单位面积接收的阳光少。这就是为什么赤道地区炎热而两极寒冷的主要原因。另外，地球的自转轴倾斜了约23.5度，这使得不同纬度在不同时期接收到的太阳辐射量不同，从而产生了四季的更替。

到达地球大气上界的太阳辐射，并不是全部都能到达地面。其中约30%被大气和地面反射回太空，约20%被大气直接吸收，剩下的约50%才能到达地面，被海洋、陆地、植被等吸收，加热地球表面。这些被吸收的能量，最终又以红外辐射的形式散发到大气和太空，维持着地球的能量平衡。

但太阳并不是一个稳定的能量源。它的输出功率会有周期性的波动，其中最著名的是大约11年的太阳黑子周期。黑子是太阳表面的暗斑，它们的数量周期性变化，与太阳的磁场活动和能量输出密切相关。虽然太阳常数的变化幅度只有约0.1%，但这种微小的变化在长时间尺度上累积，也会对气候产生可测量的影响。有研究表明，小冰期（公元1300年至1850年间的相对寒冷时期）与太阳活动的低谷期存在关联。

大气环流：气候的调配师

太阳辐射是气候系统的能量来源，但要真正理解为什么不同地区有不同的气候，还需要了解这些能量是如何在全球范围内重新分配的。这个任务主要是由大气环流和海洋环流来完成的。大气环流是指大气在全球范围内的大规模流动，它的主要功能是将热量从赤道输送到两极，将水汽从海洋输送到陆地，维持着地球的能量平衡和水循环。

三圈环流模型

为了解释大气环流的原理，科学家们构建了一个简化的“三圈环流”模型。这个模型假设地球表面是均匀的（没有海洋和陆地的差异），并且地球不自转。在这种理想情况下，赤道地区的空气因为接收更多太阳辐射而升温，体积膨胀、密度降低，于是上升；在极地，空气因为失去热量而降温，体积收缩、密度增加，于是下沉。这样就形成了赤道和极地之间的直接热力环流圈——赤道空气上升后流向极地，极地空气下沉后流回赤道。

但我们生活在真实的地球上，地球的自转使得大气运动变得复杂。根据科里奥利力（地转偏向力）的原理，北半球运动的物体会向右偏转，南半球向左偏转。这个力的大小与纬度成正比，在赤道为零，在两极最大。科里奥利力的存在，使得直接的热力环流圈被分割成了三个环流圈。

第一个环流圈叫做哈德莱环流（Hadley Cell），位于赤道到纬度约30度之间。在这个环流圈中，赤道地区的暖空气上升，到达对流层顶后向两极方向流动。由于科里奥利力的作用，向北流动的空气（北半球）逐渐向右偏转，在纬度约30度附近变成接近东西向的流动。这些空气在这里因为已经远离热源而冷却下沉，形成高压带。下沉的空气一部分流向赤道，形成低空的东北（北半球）或东南（南半球）信风，完成环流。信风带是热带地区最重要的风向，对早期航海和贸易产生了深远影响，郑和下西洋和哥伦布发现新大陆都借助了信风的力量。

第二个环流圈叫做费雷尔环流（Ferrel Cell），位于纬度30度到60度之间。在这个环流圈中，西风带占据主导地位。中纬度地区因为温度梯度大，大气运动剧烈，天气变化频繁。在北半球，西风带的风从太平洋吹向北美大陆和欧洲；在南半球，西风带的风从印度洋和太平洋吹向南美洲和澳大利亚南部。南半球的西风带因为没有大陆阻挡而更加连续和强劲，南纬45度到65度之间甚至被称为“咆哮西风带”。

第三个环流圈叫做极地环流圈，位于纬度60度到90度之间。在这个环流圈中，极地的高层空气冷却下沉，形成极地高压。这些下沉的空气向外流动，在科里奥利力的作用下偏转为极地东风，然后与来自低纬度的暖空气在极锋（冷暖气团交汇的地带）相遇，形成极地涡旋。冬季，极地涡旋会被寒冷的极地气团困住，形成盘旋在极地上空的低压系统；当极地涡旋强盛时，它会将冷空气锁在极地，使中纬度地区相对温暖；当极地涡旋减弱时，冷空气就会南下入侵，造成寒潮天气。

季风：大型海陆循环

三圈环流模型解释了全球大气环流的基本模式，但实际的大气环流还要复杂得多。其中最重要的一种偏差就是季风。季风是指大范围地区冬夏季节风向相反或接近相反的循环系统。季风这个词来源于阿拉伯语"mawsim"，意思是季节，正是因为它的季节性特征而得名。

季风的形成与海陆热力性质差异有密切关系。我们知道，陆地和海洋的升温速度是不同的。陆地比热容小，升温快、降温也快；海洋比热容大，升温慢、降温也慢。这种差异导致了海陆之间的温度梯度和气压梯度在冬夏季节发生逆转，从而引起风向的季节性改变。

以亚洲季风为例。夏季，欧亚大陆升温快，形成低压中心；印度洋和太平洋相对凉爽，形成高压中心。风从高压吹向低压，同时在科里奥利力的作用下偏转，形成西南季风。这股来自印度洋的暖湿气流携带着大量的水汽，遇到喜马拉雅山脉等地形抬升后，形成丰沛的降水。这就是南亚和东南亚地区雨季的成因。印度、孟加拉国、缅甸等地区一年的降水量中，有70%到90%都集中在夏季季风雨季。

冬季则相反。欧亚大陆降温快，形成高压中心；海洋相对温暖，形成低压中心。风从高压吹向低压，形成干燥寒冷的东北季风。东北季风从陆地吹向海洋，因此冬季是亚洲的旱季。中国的东南沿海地区，在冬季风的影响下，天气晴朗干燥，虽然不会像北方那样寒冷，但也会感受到明显的凉意。

季风不仅影响亚洲，还影响着非洲、澳大利亚、美洲等地区。澳大利亚北部的季风带来了夏季的暴雨；西非的季风决定了萨赫勒地区的降雨分布；美洲的季风系统虽然不如亚洲季风那么显著，但也会对夏季降水产生重要影响。季风系统的变化对农业生产、水资源管理乃至整个社会经济都有深远影响，是气候研究的重要课题。

海洋环流：地球的传送带

如果说大气环流是气候系统的“风”，那么海洋环流就是气候系统的“水”——它们共同完成热量和水分在全球范围内的输送和再分配。海洋环流是指海水在大西洋、太平洋、印度洋和北冰洋中大规模流动的系统，分为表层环流和深层环流两部分。

表层环流：温暖的海流

表层环流主要由风力驱动，形成了我们常说的洋流。在北半球，洋流大致呈顺时针方向流动；在南半球，呈逆时针方向流动。这些巨大的环形洋流系统被称为“环流”，它们将热量从热带输送到高纬度地区，对沿途地区的气候产生重要调节作用。

北大西洋的墨西哥湾流（简称“湾流”）是最著名的暖流之一。湾流从墨西哥湾出发，沿着美国东海岸向东北方向流动，最后进入欧洲沿海。虽然它被称为湾流，但严格来说，“湾流”应该包括从加勒比海到纽芬兰的一段，而从纽芬兰到欧洲沿海的部分被称为“北大西洋暖流”。湾流每秒输送的水量约为3000万立方米，相当于所有陆地河流总流量的60倍。它输送的热量相当于每秒钟燃烧数百万吨煤炭释放的热量。正是因为湾流的温暖，欧洲西北部的英国、爱尔兰、挪威等地区，虽然纬度与加拿大北部相当，但气候却温和得多。如果没有湾流，伦敦冬天的温度可能会和莫斯科差不多。

在太平洋，黑潮是一股类似湾流的强暖流，从菲律宾东部海域出发，沿着日本海岸向东北方向流去。黑潮的流速和流量都很大，对日本、朝鲜半岛乃至中国东部的气候都有重要影响。夏季，黑潮带来的暖湿气流遇到日本列岛的地形抬升，会形成丰沛的降水；冬季，黑潮的增温作用使日本南部相对温暖。

与暖流相对应的是寒流。在太平洋东部，从阿拉斯加向南流动的加利福尼亚寒流和从南美西海岸向北流动的秘鲁寒流，都是著名的寒流。寒流的特点是温度低、盐度低、营养盐丰富。它们流经的地区，气候通常干燥少雨，因为寒流上方的空气稳定，难以形成对流降水。秘鲁寒流是南美西海岸干旱气候的重要成因——这里分布着世界著名的阿塔卡马沙漠，有些地区已经几百年没有下过雨。

深层环流：隐匿的传送带

表层环流是海洋环流中肉眼可见的部分，但还有一条更加隐蔽、更加缓慢、但对气候影响同样深远的传送带——温盐环流（Thermohaline Circulation）。温盐环流是由海水的温度（thermo）和盐度（haline）差异驱动的深层环流系统，因为它像一个巨大的“传送带”一样在全球海洋中循环流动，所以又被称为“大洋传送带”。

温盐环流的驱动机制可以这样理解：在北大西洋北部，北欧海区的表层海水冷却后密度增加，下沉到深海，形成北大西洋深层水。这些深层水沿着大西洋海底向南流动，一部分进入印度洋，一部分继续向南绕过非洲南端进入太平洋。这个过程非常缓慢，从北大西洋下沉到