高中地球科學/氣候及其成因
雖然天氣幾乎任何事都可能發生，但氣候更可預測。聖地亞哥某個冬天的天氣可能比太浩湖同一天更冷，但平均而言，太浩湖的冬季氣候明顯比聖地亞哥更冷。因此，氣候是長期平均的天氣。良好的氣候是我們選擇在 2 月去夏威夷度假的理由，即使天氣不能保證好！
課程目標
- 描述緯度對某地接收太陽輻射的影響，以及這種影響如何影響氣候。
- 繪製哈德利環流圈、費雷爾環流圈和極地環流圈圖，並展示它們如何影響不同地區的的氣候。
- 討論其他影響某地氣候的重要位置因素：全球風帶位置、靠近大型水體、相對於山脈的位置等等。
什麼是氣候？
天氣是指某個地點在某個時刻大氣中的狀況。氣候是指該地點在較長時間內（通常至少 30 年）的天氣平均狀況。某地的氣候可以用其氣溫、溼度、風速和風向以及降水的型別、數量和頻率來描述。某地的氣候取決於其相對於許多事物的地理位置。最重要的是緯度，但其他因素包括全球和地方風、靠近海洋或其他大型水體、靠近山脈以及海拔。氣候可能會變化，但只會發生在很長一段時間內。
氣候一詞也指地球的整個氣候系統。氣候系統受到熱量在地球上運動的影響。熱量由大氣和海洋中的洋流攜帶。植被型別和數量也影響氣候。植物吸收熱量並保留水分，這可能會增加或減少降雨量。大氣的成分也控制著氣候。如果溫室氣體濃度增加或減少，大氣的熱量捕獲能力就會上升或下降。
緯度
某地接收到的太陽能數量是決定該地氣溫的最重要因素。照射到地面的陽光量在每個緯度都不一樣。緯度越低，區域接收到的陽光就越多。在赤道，一年四季晝夜等長，而且太陽在中午幾乎直射地面。而在兩極，冬天夜晚很長，太陽從不升到很高的地方。陽光透過厚厚的大氣層，使陽光變得不那麼強烈。高緯度的冰雪也反射了大量陽光，使這些地區的反照率更高。
此動畫展示了地球表面平均溫度在一年中發生的變化
從所有這些資訊中，你可以理解為什麼熱帶比極地更暖和。溫帶地區介於兩者之間，無論是在緯度上還是平均氣溫上。地球大氣中的空氣會隨著太陽對某些地區的加熱程度不同而移動。我們之所以在不同的緯度上擁有不同的氣候，主要原因也是由照射到每個地方的陽光量決定的（圖 17.1）。
盛行風
有一些風通常往一個特定方向吹，被稱為全球風帶。這些風被稱為信風、西風和極地東風。這些風吹的方向在不同的緯度上是不同的。在地球大氣層章節中，你瞭解到空氣在低氣壓區上升，低氣壓區形成於赤道以及赤道以北和以南 50° 到 60° 的地方。空氣在高氣壓區下降，高氣壓區形成於大約 30°N 和 S 以及兩極。這些低氣壓區和高氣壓區代表了哈德利環流圈、費雷爾環流圈和極地環流圈的向上和向下流動區域（圖 17.2）。低氣壓區形成於空氣向上移動或上升的地方。高氣壓區形成於較冷、較乾燥的空氣下降的地方。高氣壓區的氣候往往較冷、較乾燥。低氣壓區的氣候往往溫暖潮溼。
赤道附近的低氣壓區位於兩個哈德利環流圈之間的邊界處。在這兩個環流圈中，空氣在赤道上升，然後遠離赤道移動。這片上升氣流帶被稱為赤道輻合帶（ITCZ）（圖 17.3）。當空氣上升時，它會冷卻並凝結形成雲層和降雨。因此，赤道輻合帶沿線的氣候溫暖潮溼。在空氣主要上升的地區，風力不大。早期的水手們稱這個區域為“無風帶”，因為他們的船隻往往無法在沒有穩定的風的情況下航行。
赤道輻合帶隨著季節略微移動。陸地比海洋升溫更快。由於北半球有更多的陸地，赤道輻合帶受陸地升溫的影響。在北半球夏季，它大約位於赤道以北 5°，而在冬季，它會移回赤道。隨著赤道輻合帶的移動，主要風帶也會在夏季略微向北移動，在冬季略微向南移動，這會導致該地區的旱季和雨季（圖 17.4）。
在哈德利環流圈和費雷爾環流圈交匯處，大約在 30°N 和 30°S，高氣壓區，空氣相當溫暖，因為大部分空氣來自赤道。它也很乾燥，原因有兩個：（1）空氣在赤道輻合帶損失了大量水分，（2）下沉的空氣更容易引起蒸發而不是降水。水手們給這個區域起了個不吉利的綽號“馬緯度”，原因非常可悲。通常，缺乏風會導致他們的船隻延誤很長時間，以至於他們的牲畜會因為缺水缺糧而死亡。水手們會在牲畜死後將馬和其他動物扔到船邊。水手們有時也無法倖免。在陸地上，這些高氣壓區標誌著世界上許多大沙漠的位置，包括非洲的撒哈拉沙漠和北美的索諾蘭沙漠。
另一個低氣壓區位於費雷爾環流圈和極地環流圈之間，大約在 50-60°。這是極地急流通常所在的位置，來自極地的冷空氣與來自熱帶的暖空氣相遇，風暴很常見。當地球繞太陽執行時，太陽的角度在 23.5°N 和 23.5°S 之間發生變化；這種變化反過來導致極地急流移動。與赤道輻合帶一樣，極地急流的位置也會隨著季節移動，造成中緯度地區的季節性天氣變化。
盛行風的方向極大地影響著該地區的氣候。這些風構成了哈德利環流圈、費雷爾環流圈和極地環流圈的基礎。風通常會帶來來自它們源頭地方的天氣。例如，在加利福尼亞州，主要的盛行風是西風。這些風從太平洋吹來。海洋溫度的穩定性調節了加利福尼亞州的溫度，因此夏季較涼爽，冬季較溫暖。在大陸中部，風帶來更多多變的條件。地方風也會影響地方氣候。例如，陸風和海風會調節沿海地區的溫度。
大陸位置
當某個地方靠近海洋或大型湖泊時，水體在影響該地區氣候方面發揮著極其重要的作用。當某個地方具有海洋性氣候時，其氣候受到附近海洋的強烈影響：夏季不太熱，冬季不太冷。白天和黑夜之間的氣溫變化也不大。對於一個地方要擁有真正的海洋性氣候，風必須最常來自海洋。大陸性氣候更加極端，白天和黑夜以及夏季和冬季之間存在更大的氣溫差異。
海洋在調節氣候方面的影響可以在以下溫度比較中看到。這些城市都位於北緯 37°，位於西風帶內。舊金山位於太平洋海岸；堪薩斯州的威奇托位於北美大陸中部；弗吉尼亞州的弗吉尼亞海灘位於大西洋海岸。舊金山的 7 月份比其他兩個城市都涼爽，1 月份也比其他兩個城市都溫暖。這是海洋性氣候的典型特徵：不太熱，不太冷。威奇托的溫差最大；7 月份最熱，1 月份最冷，這是大陸性氣候的典型特徵。雖然弗吉尼亞海灘位於大西洋沿岸，但它主要擁有大陸性氣候，因為西風來自大陸（表 17.1）。
| 位置 | 城市 | 7 月：最高（°C/°F） | 1 月：最低（°C/°F） |
|---|---|---|---|
| 西海岸 | 加利福尼亞州舊金山 | 19/66 | 8/46 |
| 美國中部 | 堪薩斯州威奇托 | 33/92 | -7/20 |
| 東海岸 | 弗吉尼亞州弗吉尼亞海灘 | 32/89 | 1/31 |
洋流
近海海水的溫度會影響沿海地區的氣溫，尤其是在風從海上吹來的時候。加利福尼亞洋流從北向南流經北美西海岸。加利福尼亞洋流的冷水給加州沿海地區帶來了較低的氣溫。沿海的**上升流**也把冷的深層海水帶到加州近海的海面，這也促成了沿海地區涼爽的氣溫。再往北，在阿拉斯加南部，上升流實際上提高了周圍陸地的溫度，因為海水比陸地要溫暖得多。
加利福尼亞洋流是全球表面洋流系統的一部分，該系統將太陽熱量傳播到世界各地。這些洋流將冷水從高緯度地區帶到低緯度地區，將暖水從低緯度地區帶到高緯度地區。正如加利福尼亞洋流將較低的氣溫帶到溫帶地區一樣，墨西哥灣暖流在將赤道暖水向北帶到西大西洋時，也提高了美國東南部的空氣溫度（圖 17.5）。
墨西哥灣暖流甚至對北歐的氣候有很大影響。在經過加拿大後，洋流向東橫跨大西洋，然後分裂。一部分向北流經英國和北歐之間，另一部分向南流經歐洲和北非。這些暖流提高了北海的溫度，從而使英國和北歐之間陸地上的氣溫提高了 3 到 6°C（5 到 11°F）。例如，英國倫敦與加拿大魁北克位於同一緯度。然而，倫敦 1 月份的平均氣溫為 3.8°C（38°F），而魁北克只有 -12°C（10°F）。由於經過墨西哥灣暖流上的暖水的空氣吸收了大量水分，倫敦降雨量很大。相比之下，魁北克要乾燥得多，降水以雪的形式出現。
海拔和山脈
在其他條件相同的情況下，氣溫會隨著海拔的升高而下降。平均而言，位於山區 3000 米的城鎮比位於同一山脈山腳下的城鎮要涼爽得多。重力將空氣分子拉得更靠近海平面，而不是在更高海拔地區。分子越靠近在一起，它們發生碰撞的可能性就越大。分子之間的碰撞釋放熱量，從而使空氣變暖。在較高海拔地區，空氣密度較低，空氣分子分佈更分散，碰撞的可能性更小。
山脈對周圍地區的的氣候有兩個影響。一個是雨影效應。當潮溼的空氣上升到山頂時，它會冷卻並降下降水。然後空氣下降到山脈的背風坡。這個過程在山脈背面的區域形成了一個高壓區，在那裡蒸發量超過降水量。結果是，山脈的迎風坡溼潤，而背風坡乾燥。另一種影響發生在山脈將沿海地區與大陸其他地區隔開的情況下。在這種情況下，海洋只能影響山脈之前的沿海地區。靠近海洋的沿海地區將具有海洋性氣候，但就在山脈上，內陸地區將具有大陸性氣候。
加州有兩個山脈，它們對氣候都表現出兩種影響：沿著海岸的海岸山脈和更東部的內華達山脈。這裡的主要風是西風，從西面吹過海洋，吹向大陸。這兩個山脈都阻擋了來自太平洋的冷空氣，使其難以向東移動。當潮溼的海洋空氣上升到海岸山脈時，它會在迎風坡降下大量降雨。當空氣下降到中央谷地時，會形成雨影，中央谷地中的一些地區降雨量很少，被歸類為沙漠。當空氣繼續向東移動時，它會上升到內華達山脈，並在這些山脈的西側降下更多雨雪。在背風坡，空氣然後下降到內華達州。內華達山脈的雨影創造了大盆地沙漠，覆蓋了內華達州、猶他州西部和俄勒岡州東南部的很小一部分（圖 17.6）。
課程總結
- 許多因素影響著某一地區的 氣候，所有因素都與該地區的地理位置有關。
- 緯度決定了某地一天或一年中接收到的太陽能數量。
- 緯度與全球風帶中的位置直接相關，因此緯度決定了一個位置是位於高壓區還是低壓區，風速的大小。
- 如果一個地區靠近一個大型水體，它的氣候會受到該水體的影響。
- 山脈可以將陸地地區與海洋隔開，並能創造雨影效應，這也影響氣候。
複習問題
- 描述一下你目前所在地的天氣。今天的天氣與你通常的氣候有什麼相似或不同的地方？
- 在北緯 30°，沙漠可能以哪兩種方式形成？
- 沙漠能在北緯 45°形成嗎？
- 為什麼大氣環流圈交匯的地方風速很低？
- 如果在通常風速很低的北緯 30° 有風，這是否意味著大氣環流圈模型是錯誤的？
- 什麼是赤道輻合帶（ITCZ）？你期望在這裡發現什麼風？
- 極地急流從夏季到冬季如何移動？這將如何影響其移動位置的氣候？
- 靠近太平洋的北緯 45° 的城市的 氣候與同一緯度但靠近大西洋海岸的城市的 氣候有何不同？
- 為什麼加州近海的海水會使該州的西部地區變冷，而美國東南部近海的海水會使該地區變暖？
- 想想你對錶面洋流的瞭解。你預計太平洋將如何影響南美洲西部的 氣候？北半球會發生同樣的情況嗎？
- 安第斯山脈沿南美洲西部延伸。你認為它們如何影響該地區以及它們東側陸地的 氣候？
詞彙
- 氣候
- 長時間（通常約 30 年）的天氣平均狀況。
- 大陸性氣候
- 一個地區的氣候受廣闊的陸地支配。大陸性氣候變化更大。
- 赤道輻合帶（ITCZ）
- 北半球和南半球的哈得來環流圈交匯的低壓區。信風在赤道輻合帶相遇。
- 海洋性氣候
- 一個地區的氣候受附近海洋支配。海洋性氣候比大陸性氣候變化更小。
- 雨影
- 山脈背風坡形成的乾燥條件。
- 上升流
- 深層海水向上流動到表面的過程，因為深層海水密度小於表層海水。
需要考慮的要點
- 描述一下位於同一緯度的兩個城市如何擁有截然不同的 氣候。例如，亞利桑那州的圖森氣候炎熱乾燥，是沙漠氣候，而路易斯安那州的新奧爾良氣候溫暖潮溼，儘管這兩個城市位於大致相同的緯度。
- 氣候如何影響特定地區生活的動植物？
- 你認為赤道兩側相同緯度的 氣候會相同還是不同？例如，北緯 45° 的城市的 氣候與南緯 45° 的城市的 氣候有什麼相似或不同之處？