气候

天气和气候相关但不同。天气描述某一特定时刻的大气状态,包括在数小时或数天内观测到的温度、湿度、风、云量和降水。相比之下,气候描述特定地点的天气统计模式,通常在约三十年的参考期内平均。世界气象组织使用这种三十年基准线指定标准气候基准值,使科学家能够将天气的正常变化与气候本身的有意义变化区分开来。

地球的气候系统由太阳能量在地球表面的不均匀分布驱动。由于地球大致呈球形并在其轴上倾斜,赤道接收的太阳辐射比两极更直接、更强烈,产生热梯度,为大气环流、洋流和水文循环提供动力。任何特定地方的气候都由几个相互作用的因素塑造,其中主要包括纬度、海拔、靠近大型水体的程度、盛行风向、邻近洋流以及山脉和山谷等局部地形。

描述地球气候最广泛使用的框架是柯本-盖革分类法,最初由德国气候学家弗拉基米尔·柯本于19世纪末开发,随后由鲁道夫·盖革在20世纪加以完善。柯本-盖革分类法根据月平均温度和降水将世界气候划分为五个主要组,通常标记为A到E,有时还添加第六组H表示高原气候。这些组根据季节性温度和降水行为进一步细分,产生了学校教授和科学文献中使用的熟悉的全球气候带地图。

理解气候是理解一个国家的基础。一个国家种植的农作物、建造的城市、人们居住的房屋、面临的疾病、饮用的水和消耗的能源,都以某种方式受到当地气候的影响。

柯本-盖革系统是世界上使用最广泛的经验气候分类法。俄裔德国气候学家弗拉基米尔·柯本于1884年首次发表该方案,随后在1930年代通过一系列论文加以完善。他的合作者鲁道夫·盖革在柯本1940年去世后扩展并修订了该系统。该分类法根据月平均温度和降水为世界每个地区分配一个简短的字母代码。第一个字母表示主要组(A表示热带,B表示干旱,C表示温带,D表示大陆性,E表示极地)。后续字母描述降雨的季节分布和夏季或冬季温度的严酷程度。该系统因其简单性、与自然植被分布的密切对应以及对学生和普通读者的易用性而受到重视。

柯本-盖格并非唯一方案。美国地理学家查尔斯·沃伦·桑斯韦特于1948年开发的桑斯韦特分类法使用潜在蒸散而非原始降水,在农业和水文背景下更受青睐。美国地理学家格伦·特雷瓦萨于1966年开发的特雷瓦萨修正法完善了柯本的温带类别,以更好地匹配东亚和北美部分地区的气候。然而,对于大多数日常和教学目的,柯本-盖格地图仍然是共同的参考。以下各节依次描述其主要组,使用字母A到E,第六节讨论高原气候。

热带气候,柯本-盖革系统中的A组,出现在大致北纬23.5度和南纬23.5度之间的宽阔带,由北回归线和南回归线界定。热带气候中每个月的平均温度至少为18摄氏度,没有明显的寒季。三个主要亚类是热带雨林气候(Af)、热带季风气候(Am)和热带稀树草原气候(Aw或As,取决于旱季是在冬季还是夏季)。每种都由降雨的总量和季节分布定义。

热带雨林气候全年每个月都有充足的降水,支持着地球上生物多样性最丰富的生态系统:南美洲的亚马逊盆地、中非的刚果盆地以及东南亚岛屿的雨林。热带季风气候经历短暂的旱季,随后是由季节性风向逆转驱动的强烈雨季,这种模式在印度次大陆和东南亚大陆尤为明显。热带稀树草原气候具有更明显的旱季,支持着有零星树木的草原生态系统,如东非的塞伦盖蒂、巴西的塞拉多以及委内瑞拉和哥伦比亚的亚诺斯草原。

拥有大片热带气候领土的国家包括巴西、印度尼西亚和肯尼亚,每个国家都代表了热带世界的不同方面。热带环境支撑着地球陆地生物多样性的一半以上,尽管它们仅覆盖约四分之一的陆地表面。

干旱和半干旱气候,柯本-盖革系统中的B组,不是由温度定义的,而是由降水与潜在蒸发之间的关系定义的。当潜在蒸发量大大超过降水量时,气候被归类为干旱,产生持续的水分赤字。柯本-盖革分类法将真正的沙漠气候(BW)与草原或半干旱气候(BS)区分开,并根据年平均温度进一步将热变种(BWh和BSh)与冷变种(BWk和BSk)分开。干旱气候共同覆盖了地球陆地表面的大约三分之一,超过任何其他主要组。

热沙漠出现在以纬度20至30度为中心的广阔亚热带带,那里来自哈德利环流圈的下沉气流抑制云的形成。北非的撒哈拉沙漠、西南亚的阿拉伯沙漠、南部非洲的卡拉哈里沙漠以及北美的索诺兰沙漠都属于这种模式。冷沙漠,如蒙古的戈壁和阿根廷南部的巴塔哥尼亚沙漠,位于大陆内部或主要山脉后面的雨影区,寒冷的冬季温度与全年干旱并存。相比之下,半干旱草原接受足够的季节性降雨来支持广阔的天然草原,如美国和加拿大的大平原、中亚的草原以及撒哈拉南缘的非洲萨赫勒。

水资源短缺一直是塑造干旱地区人类定居的决定性力量之一。古代文明沿着穿越干旱景观的大河兴起——埃及的尼罗河、美索不达米亚的底格里斯河和幼发拉底河、巴基斯坦的印度河。现代国家如沙特阿拉伯和澳大利亚依靠含水层开采、长距离输水和海水淡化来维持仅靠降雨无法支撑的农业和不断增长的城市人口。

温带气候,柯本-盖革系统中的C组,占据中纬度的大部分地区,包括世界上一些人口最稠密和农业最发达的地区。当最冷月平均温度在−3至18摄氏度之间,最暖月平均温度高于10摄氏度时,气候被归类为温带。主要亚类是地中海气候(Cs)、湿润亚热带气候(Cfa)和海洋性西岸气候,也称为海洋性气候(Cfb和Cfc)。每种都有独特的季节特征,由大陆、海洋和盛行西风的相互作用塑造。

地中海气候的特点是夏季炎热干燥,冬季温和湿润。它们出现在大陆西侧约30至45度纬度之间:地中海盆地本身、加利福尼亚中部和沿海地区、智利中部、南非的开普地区以及澳大利亚西南部。湿润亚热带气候,夏季炎热潮湿,冬季凉爽至温和,主导着美国东南部、中国东部、日本南部、南美洲东南部以及印度次大陆的部分地区。海洋性西岸气候,全年温度温和且降水充沛,出现在从爱尔兰经法国北部到西斯堪的纳维亚的西欧、北美的太平洋西北地区、智利南部沿海地区以及新西兰。

温带气候支撑着世界大部分的谷物、水果、葡萄酒和畜牧业生产。意大利北部、法国的巴黎盆地、美国中西部以及中国和日本的东部平原都位于C或相邻气候带,历史上支撑着大量定居人口。温带地区的普遍温和性也使其成为数千年来人类文明的焦点,尽管其看似良好的环境掩盖了真正的变化性,包括严重的风暴、干旱和热浪。

大陆性气候,柯本-盖革系统中的D组,占据北半球大陆的广大内陆地区,其特点是年温差大,夏季温暖或炎热,冬季寒冷,常有降雪。根据柯本的定义,大陆性气候至少有一个月平均温度高于10摄氏度,至少有一个月平均温度低于−3摄氏度(在该方案的某些修正版本中为0摄氏度以下)。主要亚类是夏季炎热的湿润大陆性气候(Dfa)、夏季温暖的湿润大陆性气候(Dfb)以及占据该组较冷北部边缘的亚寒带或寒温带气候(Dfc和Dfd)。

D气候在南半球没有实质性的对应物,因为在大陆性条件本应出现的纬度上,大部分是海洋而不是陆地。然而,在北半球,D气候主导着一片巨大的领土。美国中西部和东北部、加拿大南半部、欧洲俄罗斯和西伯利亚的几乎所有地区、中国东北部、朝鲜半岛以及日本北部都属于这一组。加拿大和俄罗斯合计拥有世界上大部分的D气候陆地面积。

大陆性地带的自然植被从较温和的南部地区的混交落叶林到环绕北半球、位于苔原以南的广阔针叶林带或寒温带森林。寒温带森林是地球上最大的完整生物群落之一,是重要的碳汇和独特野生动物群落的家园。大陆性气候中的人类种群历来通过保温良好的住房、季节性服装、长期食物储存传统以及现代城市的集中供暖基础设施来适应环境。

极地气候,柯本-盖革系统中的E组,出现在最暖月平均温度低于10摄氏度的地方。两个主要亚类是苔原气候(ET),其中最暖月在0至10摄氏度之间,以及冰盖气候(EF),其中每个月平均温度都在冰点以下。极地气候占据北冰洋的高纬度边缘、格陵兰岛的大部分地区、南极大陆以及许多山脉的最高峰。它们不仅以严寒为特征,而且以极端的季节性为特征:夏季漫长的极昼,太阳不落山,冬季的极夜,太阳不升起。

苔原环境延伸到西伯利亚、阿拉斯加、加拿大北部、格陵兰沿海地区、斯瓦尔巴群岛以及南极洲半岛边缘的北部边缘。苔原大部分位于永久冻土之上,永久冻土是全年保持冻结状态的地面,锁定了大量的有机碳。植被仅限于地衣、苔藓、草、莎草和低矮灌木。相比之下,冰盖气候几乎只存在于格陵兰岛和南极洲的内陆地区,那里的大陆冰盖拥有地球约三分之二的淡水,控制着全球海平面。

人类在极地气候中的存在虽然稀少但历史悠久。包括因纽特人、萨米人、尤皮克人、涅涅茨人和楚科奇人在内的土著民族在北极地区居住了数千年,通过狩猎、放牧以及对冰和天气的密切了解来适应极端的季节性。拥有极地领土的现代国家包括冰岛及其冰川覆盖的内陆,以及格陵兰,丹麦王国的一个自治领地,其冰盖覆盖约170万平方公里。这些地区的生活围绕极昼和极夜的极端节律、海冰的限制以及夏季融化的短暂窗口而组织。

高原气候,在修正的柯本-盖革地图中有时被指定为H,出现在山区,那里的温度和降水随海拔急剧变化而不是随纬度变化。热带地区的单个山坡可以在几公里的垂直起伏范围内经历从赤道到两极的气候等效变化。温度通常每升高1,000米下降约6.5摄氏度,这个梯度被称为环境递减率,尽管局部条件和湿度会引入相当大的变化。降水通常在山脉迎风面随海拔增加,在背风面减少。

主要的高原地区包括南美洲西部的安第斯山脉、南亚和中亚的喜马拉雅山脉和青藏高原、北美的落基山脉、欧洲的阿尔卑斯山、非洲东北部的埃塞俄比亚高原以及东非裂谷的山脉。在每个地区,特征性的海拔生命带从山脚到山顶依次出现:山脉底部的热带或暖温带森林、较凉爽的山地森林带、矮树和灌木的亚高山带、高山草原或高山草甸,以及山顶附近的冰雪带,那里是裸露的岩石、雪和冰。像尼泊尔、秘鲁和埃塞俄比亚这样的国家在其国家领土内包含这些带的特别明显的堆叠,高原农业、畜牧业和定居模式已经演化以适应。

没有对海洋和在其上移动的风的参考,就无法充分理解任何气候带。主要的表层洋流在地球周围输送大量热量,温暖一些海岸并冷却另一些海岸。墨西哥湾流沿北美东海岸向北流动,并作为北大西洋漂流继续穿越北大西洋,将热带温暖带向西欧,调节从爱尔兰到挪威的冬季。黑潮对日本和西太平洋发挥类似作用。相比之下,南美洲太平洋沿岸的秘鲁寒流冷却了邻近的陆地,并促成了阿塔卡马沙漠的极度干旱。本格拉洋流在非洲西南沿岸产生类似的影响。

在海洋上方,地球的盛行风被组织成每个半球的三个大环流圈。赤道附近上升的暖空气向两极高空流动,在亚热带带下沉,并作为信风返回赤道——哈德利环流圈的引擎和热带天气的关键驱动力。在中纬度,费雷尔环流圈驱动席卷欧洲、北美和南大洋的盛行西风。在两极,极地环流圈在地表产生东风。这些行星模式与海洋温度相互作用,产生诸如厄尔尼诺-南方涛动等现象,以三到七年的节律重塑热带地区的降雨。

山脉在区域尺度上重塑所有这些模式。当潮湿的空气被迫上升越过山脉时,它冷却、凝结并在迎风坡释放水分。当空气下降背风面时,它变暖变干,产生雨影。雨影造成了阿塔卡马(安第斯山脉背风面)、死亡谷(内华达山脉背风面)和大盆地(多个山脉背风面)的极度干旱。地形抬升,迎风面的对应物,是地球上一些最潮湿的地方的原因,包括印度东北部毛辛拉姆的迎风坡和夏威夷考艾岛。

气候编织在人类社会的每一层。农业依赖于作物需求与当地生长季节、降雨总量和温度范围之间的匹配;地中海的橄榄园、季风亚洲的水稻田、大平原的小麦田和亚北极斯堪的纳维亚的短季大麦都反映了特定气候的农业适应。传统建筑也是气候的指标:炎热沙漠中厚实的土坯墙、湿润热带地区的陡峭茅草屋顶、易发洪水河流沿岸的高架木屋、俄罗斯和加拿大寒温带的紧密隔热木屋,以及因纽特人雪块建造的冰屋,都代表了对盛行天气的当地工程响应。

气候还塑造了定居模式、公共卫生和经济发展。人口聚集在温带和亚热带带,那里生长季节长,冬季可以生存,而更恶劣的气候支撑着更稀疏、更专业化的人口。热暴露是热气候国家与天气相关的主要死亡原因,疟疾、登革热和莱姆病等媒介传播疾病的地理范围与温度和湿度密切相关。当地气候还决定了特定产业的可行性,从地中海气候的葡萄栽培到亚北极的驯鹿放牧,它还影响一个国家消耗的能源类型——炎热地区的制冷、寒冷地区的供暖以及干旱地区的水密集型基础设施。

现代气候和天气科学依赖于密集的全球观测网络。数以万计的地面气象站定期报告温度、气压、湿度、风和降水。无线电探空仪每天两次从全球数百个站点释放,剖析从地表到平流层的大气。飞机在飞行中贡献观测数据,系泊和漂流浮标从海洋收集数据,以及一系列极地轨道和地球静止卫星——包括美国的GOES和JPSS系列、欧洲航天局的MetOp和哨兵任务,以及由日本、中国、印度和俄罗斯运营的同类产品——从太空提供持续的全球覆盖。公民科学网络如社区协作雨雹雪网络(CoCoRaHS)通过数千名志愿观测者补充专业站点。

这些观测数据输入到在世界上一些最大的超级计算机上运行的数值天气预报和气候模型中。主要的业务中心包括欧洲中期天气预报中心、美国国家海洋和大气管理局国家环境预测中心、英国气象局哈德利中心、法国气象局、日本气象厅和中国气象局。短期模型预测未来一到两周的天气;季节到年代际模型预测未来几个月到几年的条件;而长期气候模型,通过耦合模式比较计划等国际协调项目,模拟数十年到数个世纪的气候系统。这些工具共同支撑着当今使用的每一个恶劣天气预警、农业预报、航空路线规划和长期气候预测。

所有CountryReports内容的详细引用、数据参考和机构来源列在来源页面。以下政府机构、政府间机构和学术研究中心是我们用于世界气候内容的主要权威机构。每个链接指向该机构的主页。

政府和政府间机构

• NOAA Climate.gov——美国国家海洋和大气管理局的气候数据、解释和传播产品。
• NASA地球观测站——关于天气、气候、陆地、海洋和大气的卫星图像、专题文章和数据产品。
• 世界气象组织(WMO)——联合国负责天气、气候和水的专门机构;官方全球气候基准值和全球气候状况报告的发布者。
• 美国地质调查局(USGS)——陆基气候和水循环监测、冰川记录和永久冻土研究。
• 英国气象局哈德利中心——气候研究、HadCRUT全球温度记录和业务气候服务。
• 欧洲中期天气预报中心(ECMWF)——全球数值天气预报和气候研究中使用的ERA再分析系列。

学术和研究机构

• 国家大气研究中心(NCAR)——联邦资助的大气及相关地球系统科学研发中心。
• 大学大气研究联盟(UCAR)——由一百多所大学组成的联盟,推进大气及相关科学的研究和教育。
• 伍德韦尔气候研究中心——专注于气候科学的独立科学研究所,包括北极碳和永久冻土研究(前伍兹霍尔研究中心)。
• 麻省理工学院全球变化科学中心——麻省理工学院的大气、海洋和气候科学研究项目。

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