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高中地球科学/气候及其成因

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虽然天气几乎任何事都可能发生,但气候更可预测。圣地亚哥某个冬天的天气可能比太浩湖同一天更冷,但平均而言,太浩湖的冬季气候明显比圣地亚哥更冷。因此,气候是长期平均的天气。良好的气候是我们选择在 2 月去夏威夷度假的理由,即使天气不能保证好!

课程目标

  • 描述纬度对某地接收太阳辐射的影响,以及这种影响如何影响气候。
  • 绘制哈德利环流圈、费雷尔环流圈和极地环流圈图,并展示它们如何影响不同地区的的气候。
  • 讨论其他影响某地气候的重要位置因素:全球风带位置、靠近大型水体、相对于山脉的位置等等。

什么是气候?

天气是指某个地点在某个时刻大气中的状况。气候是指该地点在较长时间内(通常至少 30 年)的天气平均状况。某地的气候可以用其气温、湿度、风速和风向以及降水的类型、数量和频率来描述。某地的气候取决于其相对于许多事物的地理位置。最重要的是纬度,但其他因素包括全球和地方风、靠近海洋或其他大型水体、靠近山脉以及海拔。气候可能会变化,但只会发生在很长一段时间内。

气候一词也指地球的整个气候系统。气候系统受到热量在地球上运动的影响。热量由大气和海洋中的洋流携带。植被类型和数量也影响气候。植物吸收热量并保留水分,这可能会增加或减少降雨量。大气的成分也控制着气候。如果温室气体浓度增加或减少,大气的热量捕获能力就会上升或下降。

纬度

某地接收到的太阳能数量是决定该地气温的最重要因素。照射到地面的阳光量在每个纬度都不一样。纬度越低,区域接收到的阳光就越多。在赤道,一年四季昼夜等长,而且太阳在中午几乎直射地面。而在两极,冬天夜晚很长,太阳从不升到很高的地方。阳光透过厚厚的大气层,使阳光变得不那么强烈。高纬度的冰雪也反射了大量阳光,使这些地区的反照率更高。

此动画展示了地球表面平均温度在一年中发生的变化

月平均温度 (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/MonthlyMeanT.gif)

从所有这些信息中,你可以理解为什么热带比极地更暖和。温带地区介于两者之间,无论是在纬度上还是平均气温上。地球大气中的空气会随着太阳对某些地区的加热程度不同而移动。我们之所以在不同的纬度上拥有不同的气候,主要原因也是由照射到每个地方的阳光量决定的(图 17.1)。

图 17.1:这张年平均气温地图显示了从低纬度到高纬度气温下降的程度。

盛行风

有一些风通常往一个特定方向吹,被称为全球风带。这些风被称为信风、西风和极地东风。这些风吹的方向在不同的纬度上是不同的。在地球大气层章节中,你了解到空气在低气压区上升,低气压区形成于赤道以及赤道以北和以南 50° 到 60° 的地方。空气在高气压区下降,高气压区形成于大约 30°N 和 S 以及两极。这些低气压区和高气压区代表了哈德利环流圈、费雷尔环流圈和极地环流圈的向上和向下流动区域(图 17.2)。低气压区形成于空气向上移动或上升的地方。高气压区形成于较冷、较干燥的空气下降的地方。高气压区的气候往往较冷、较干燥。低气压区的气候往往温暖潮湿。

图 17.2:大气环流圈及其与地面空气运动的关系。

赤道附近的低气压区位于两个哈德利环流圈之间的边界处。在这两个环流圈中,空气在赤道上升,然后远离赤道移动。这片上升气流带被称为赤道辐合带(ITCZ)(图 17.3)。当空气上升时,它会冷却并凝结形成云层和降雨。因此,赤道辐合带沿线的气候温暖潮湿。在空气主要上升的地区,风力不大。早期的水手们称这个区域为“无风带”,因为他们的船只往往无法在没有稳定的风的情况下航行。

图 17.3:赤道辐合带很容易从雷暴排列在赤道以北的地方看出来。

赤道辐合带随着季节略微移动。陆地比海洋升温更快。由于北半球有更多的陆地,赤道辐合带受陆地升温的影响。在北半球夏季,它大约位于赤道以北 5°,而在冬季,它会移回赤道。随着赤道辐合带的移动,主要风带也会在夏季略微向北移动,在冬季略微向南移动,这会导致该地区的旱季和雨季(图 17.4)。

图 17.4:这张地图展示了赤道辐合带位置的季节性差异。

在哈德利环流圈和费雷尔环流圈交汇处,大约在 30°N 和 30°S,高气压区,空气相当温暖,因为大部分空气来自赤道。它也很干燥,原因有两个:(1)空气在赤道辐合带损失了大量水分,(2)下沉的空气更容易引起蒸发而不是降水。水手们给这个区域起了个不吉利的绰号“马纬度”,原因非常可悲。通常,缺乏风会导致他们的船只延误很长时间,以至于他们的牲畜会因为缺水缺粮而死亡。水手们会在牲畜死后将马和其他动物扔到船边。水手们有时也无法幸免。在陆地上,这些高气压区标志着世界上许多大沙漠的位置,包括非洲的撒哈拉沙漠和北美的索诺兰沙漠。

另一个低气压区位于费雷尔环流圈和极地环流圈之间,大约在 50-60°。这是极地急流通常所在的位置,来自极地的冷空气与来自热带的暖空气相遇,风暴很常见。当地球绕太阳运行时,太阳的角度在 23.5°N 和 23.5°S 之间发生变化;这种变化反过来导致极地急流移动。与赤道辐合带一样,极地急流的位置也会随着季节移动,造成中纬度地区的季节性天气变化。

盛行风的方向极大地影响着该地区的气候。这些风构成了哈德利环流圈、费雷尔环流圈和极地环流圈的基础。风通常会带来来自它们源头地方的天气。例如,在加利福尼亚州,主要的盛行风是西风。这些风从太平洋吹来。海洋温度的稳定性调节了加利福尼亚州的温度,因此夏季较凉爽,冬季较温暖。在大陆中部,风带来更多多变的条件。地方风也会影响地方气候。例如,陆风和海风会调节沿海地区的温度。

大陆位置

当某个地方靠近海洋或大型湖泊时,水体在影响该地区气候方面发挥着极其重要的作用。当某个地方具有海洋性气候时,其气候受到附近海洋的强烈影响:夏季不太热,冬季不太冷。白天和黑夜之间的气温变化也不大。对于一个地方要拥有真正的海洋性气候,风必须最常来自海洋。大陆性气候更加极端,白天和黑夜以及夏季和冬季之间存在更大的气温差异。

海洋在调节气候方面的影响可以在以下温度比较中看到。这些城市都位于北纬 37°,位于西风带内。旧金山位于太平洋海岸;堪萨斯州的威奇托位于北美大陆中部;弗吉尼亚州的弗吉尼亚海滩位于大西洋海岸。旧金山的 7 月份比其他两个城市都凉爽,1 月份也比其他两个城市都温暖。这是海洋性气候的典型特征:不太热,不太冷。威奇托的温差最大;7 月份最热,1 月份最冷,这是大陆性气候的典型特征。虽然弗吉尼亚海滩位于大西洋沿岸,但它主要拥有大陆性气候,因为西风来自大陆(表 17.1)。

表 17.1:平均气温
位置 城市 7 月:最高(°C/°F) 1 月:最低(°C/°F)
西海岸 加利福尼亚州旧金山 19/66 8/46
美国中部 堪萨斯州威奇托 33/92 -7/20
东海岸 弗吉尼亚州弗吉尼亚海滩 32/89 1/31

洋流

近海海水的温度会影响沿海地区的气温,尤其是在风从海上吹来的时候。加利福尼亚洋流从北向南流经北美西海岸。加利福尼亚洋流的冷水给加州沿海地区带来了较低的气温。沿海的**上升流**也把冷的深层海水带到加州近海的海面,这也促成了沿海地区凉爽的气温。再往北,在阿拉斯加南部,上升流实际上提高了周围陆地的温度,因为海水比陆地要温暖得多。

加利福尼亚洋流是全球表面洋流系统的一部分,该系统将太阳热量传播到世界各地。这些洋流将冷水从高纬度地区带到低纬度地区,将暖水从低纬度地区带到高纬度地区。正如加利福尼亚洋流将较低的气温带到温带地区一样,墨西哥湾暖流在将赤道暖水向北带到西大西洋时,也提高了美国东南部的空气温度(图 17.5)。

图 17.5:这张美国东部和加拿大附近大西洋的图像中可以识别出墨西哥湾暖流。暖流以橙色和黄色显示。

墨西哥湾暖流甚至对北欧的气候有很大影响。在经过加拿大后,洋流向东横跨大西洋,然后分裂。一部分向北流经英国和北欧之间,另一部分向南流经欧洲和北非。这些暖流提高了北海的温度,从而使英国和北欧之间陆地上的气温提高了 3 到 6°C(5 到 11°F)。例如,英国伦敦与加拿大魁北克位于同一纬度。然而,伦敦 1 月份的平均气温为 3.8°C(38°F),而魁北克只有 -12°C(10°F)。由于经过墨西哥湾暖流上的暖水的空气吸收了大量水分,伦敦降雨量很大。相比之下,魁北克要干燥得多,降水以雪的形式出现。

海拔和山脉

在其他条件相同的情况下,气温会随着海拔的升高而下降。平均而言,位于山区 3000 米的城镇比位于同一山脉山脚下的城镇要凉爽得多。重力将空气分子拉得更靠近海平面,而不是在更高海拔地区。分子越靠近在一起,它们发生碰撞的可能性就越大。分子之间的碰撞释放热量,从而使空气变暖。在较高海拔地区,空气密度较低,空气分子分布更分散,碰撞的可能性更小。

山脉对周围地区的的气候有两个影响。一个是雨影效应。当潮湿的空气上升到山顶时,它会冷却并降下降水。然后空气下降到山脉的背风坡。这个过程在山脉背面的区域形成了一个高压区,在那里蒸发量超过降水量。结果是,山脉的迎风坡湿润,而背风坡干燥。另一种影响发生在山脉将沿海地区与大陆其他地区隔开的情况下。在这种情况下,海洋只能影响山脉之前的沿海地区。靠近海洋的沿海地区将具有海洋性气候,但就在山脉上,内陆地区将具有大陆性气候。

加州有两个山脉,它们对气候都表现出两种影响:沿着海岸的海岸山脉和更东部的内华达山脉。这里的主要风是西风,从西面吹过海洋,吹向大陆。这两个山脉都阻挡了来自太平洋的冷空气,使其难以向东移动。当潮湿的海洋空气上升到海岸山脉时,它会在迎风坡降下大量降雨。当空气下降到中央谷地时,会形成雨影,中央谷地中的一些地区降雨量很少,被归类为沙漠。当空气继续向东移动时,它会上升到内华达山脉,并在这些山脉的西侧降下更多雨雪。在背风坡,空气然后下降到内华达州。内华达山脉的雨影创造了大盆地沙漠,覆盖了内华达州、犹他州西部和俄勒冈州东南部的很小一部分(图 17.6)。

图 17.6:邦纳维尔盐碱地是大盆地的一部分,非常干燥。由于它们位于内华达山脉的背风坡,也就是它的雨影部分,因此降雨量很少。

课程总结

  • 许多因素影响着某一地区的 气候,所有因素都与该地区的地理位置有关。
  • 纬度决定了某地一天或一年中接收到的太阳能数量。
  • 纬度与全球风带中的位置直接相关,因此纬度决定了一个位置是位于高压区还是低压区,风速的大小。
  • 如果一个地区靠近一个大型水体,它的气候会受到该水体的影响。
  • 山脉可以将陆地地区与海洋隔开,并能创造雨影效应,这也影响气候。

复习问题

  1. 描述一下你目前所在地的天气。今天的天气与你通常的气候有什么相似或不同的地方?
  2. 在北纬 30°,沙漠可能以哪两种方式形成?
  3. 沙漠能在北纬 45°形成吗?
  4. 为什么大气环流圈交汇的地方风速很低?
  5. 如果在通常风速很低的北纬 30° 有风,这是否意味着大气环流圈模型是错误的?
  6. 什么是赤道辐合带(ITCZ)?你期望在这里发现什么风?
  7. 极地急流从夏季到冬季如何移动?这将如何影响其移动位置的气候?
  8. 靠近太平洋的北纬 45° 的城市的 气候与同一纬度但靠近大西洋海岸的城市的 气候有何不同?
  9. 为什么加州近海的海水会使该州的西部地区变冷,而美国东南部近海的海水会使该地区变暖?
  10. 想想你对表面洋流的了解。你预计太平洋将如何影响南美洲西部的 气候?北半球会发生同样的情况吗?
  11. 安第斯山脉沿南美洲西部延伸。你认为它们如何影响该地区以及它们东侧陆地的 气候?

词汇

气候
长时间(通常约 30 年)的天气平均状况。
大陆性气候
一个地区的气候受广阔的陆地支配。大陆性气候变化更大。
赤道辐合带(ITCZ)
北半球和南半球的哈得来环流圈交汇的低压区。信风在赤道辐合带相遇。
海洋性气候
一个地区的气候受附近海洋支配。海洋性气候比大陆性气候变化更小。
雨影
山脉背风坡形成的干燥条件。
上升流
深层海水向上流动到表面的过程,因为深层海水密度小于表层海水。

需要考虑的要点

  • 描述一下位于同一纬度的两个城市如何拥有截然不同的 气候。例如,亚利桑那州的图森气候炎热干燥,是沙漠气候,而路易斯安那州的新奥尔良气候温暖潮湿,尽管这两个城市位于大致相同的纬度。
  • 气候如何影响特定地区生活的动植物?
  • 你认为赤道两侧相同纬度的 气候会相同还是不同?例如,北纬 45° 的城市的 气候与南纬 45° 的城市的 气候有什么相似或不同之处?


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