《大自然寻真》

第24章  对各种重要气象问题的本质解释-6

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24.9  臭氧洞与极地附近的大气环流有关系

       臭氧洞与极地附近的大气环流有直接关系。近些年南极地区上空出现臭氧洞，这可以说明如下几个问题。

       ⑴ 笔者认为，是由于近些年的科技进步才使人们能观测到了臭氧洞，以前既没人到南极去，也缺少技术，对臭氧洞并不太了解，不能说以前就没有臭氧洞。实际上，大气臭氧洞是与史俱有的，不应该由于自己不了解大自然的实际情况，就胡乱怪罪人类的活动破坏了大气臭氧层。

       ⑵ 正因为南北两极圈地面的极大离心作用不断将空气沿着地面搬到低纬度，才使两极附近的大气层比其它纬度稀薄而容易出现臭氧洞，这反过来也说明自转离心效应的存在毋容置疑。

       ⑶ 南极只在春季出现臭氧洞，说明南极圈的地转离心作用有明显的季节性变化。一年四季的地球自转速度不相同，在3、4月份自转最慢，而8、9月份自转最快[13]。结合16.2实验2的情况，便可知南极从冬季开始，不仅由于气候寒冷使空气下沉，还由于地球自转逐渐加快而使南极附近很多空气被甩向低纬度地带。到了9月份，正是南极进入春季的时候，地球自转速度既达到最快，南极被甩跑的空气累计总量也达到了最大值，所以就出现了臭氧洞。看到了南极冬天有关企鹅的科教电视纪录片，其中的强风带着雪从极地向西北方向源源不断地朝着低纬度吹，为什么南极中心有那么多的强冷空气持续地流不完呢？显然那些冷空气正是由南极的上空从天而降的。

       ⑷ 为什么南极有臭氧洞，北极没有？对此，最主要的是因为南极洲地形高而不平，它明显起到了类似于排气扇叶片的作用，可以更有效地将空气甩向低纬度，才使上层大气更塌陷下来，终于出现了臭氧洞。北极没有陆地，虽然冰面与空气之间也有摩擦作用，但对空气的离心作用无法与南极相比。再者，北极的冬、春天（12～4月）正好是地球自转速度逐渐变慢的时候，离心作用的动力本来就不及南极的冬、春天时候大。

       上列几点已经充分说明了臭氧洞的形成是与极地附近的大气环流密切联系在一起的，这就说明了地形对大气环流的影响非常大，进而也说明了地球自转对大气影响作用的巨大。

24.10  小结一下有关地形对大气环流的影响作用

       综合了24.3～24.9的论述，可以看出地球自转对大气环流影响的主要启动作用点，普遍分布于不同纬度的地面上。地形作用的大小由各点地表面在三度空间中的方向、地面粗糙度、与地轴的距离等因素所共同决定。全球对大气环流起作用最大的地形，南半球是南极洲，北半球是25～70ºN的中纬度上突地形。

       显然，地球自转离心效应的作用效果，造成了空气从高纬度地面流到低纬度地带，又主要再从高空流回高纬度地带。在此种地球自转离心效应的作用过程中，主要由科里奥利力所造成的，中纬度高空大量的流体软弹力势能的储存而表现为强大的高空西风急流，是大气运动最严重的不稳定因素。为了降低这种不稳定程度，将流体软弹力势能逐渐释放掉，大气系统会经常自动对环流进行自我调整（在自然辩证法中称为系统的自组织功能）。在对环流的调整方法上，北半球主要是通过中纬度地形的影响使中纬度上空的急流产生波动，从而先在高空高压脊前将急流中的冷空气迫降到地面堆积成冷高压环流，然后等待时机通过高空低压槽的引导，从地面用寒潮或者各种强弱不等的冷空气南下的形式，将急流中的软弹力能量还原给地球自转。当然，青藏高原也在某些季节经常迫使了急流上的冷空气频繁地下到中国南方地面，并释放了软弹力能量。此外，沙尘暴也是春季急流比较直接和快速释放软弹力能量的方式。龙卷风又是小规模释放流体软弹力势能的特殊的环流调整方式。南半球由于主要是海洋，所以中纬度上空的急流很难产生波动，急流只能不断往南极方向挤靠，从而使整个大南极圈的上空变成了一个大型而激烈旋转的大旋涡（见图24.3-3），然后通过南极洲大陆的旋转离心作用，从地面再将空气送回副热带高压环流中，从而把软弹力能量还原给地球自转。

       上述就是地球南北两个半球，根据不同的地形状况，各自用了不同的方式方法，主要通过地形影响在不断调整着大气的不稳定状态，并进行着地气之间能量的互相传递。北半球的冷空气活动（最典型是寒潮）和南半球的臭氧洞生成，都是大气环流进行自我调整所表现出来的最显著现象。

24.11  中国大面积暴雨期的形成机制

       我们在这里只以中国为例定性地讲一下大面积暴雨期的形成机制，实际上也有全球性的普遍意义。中国的大面积暴雨汛期在5～8月份，正是南半球冬季。此时因南极洲的离心作用，从南极圈的地面流到低纬度的空气最多（可参考24.9）。所以，南半球的副热带高压在当地的冬季里特强，中心北移了，范围也扩展到赤道附近。当南半球印度洋上的那一环地面高压环流扩展到了北缘跨过了赤道时（如彩图23.3-2中红色斜线区就是1012线跨过赤道的区域，若有逐日资料则可出现更明显得多的实例），南半球副热带高压环流内的地面空气，就会从这个跨过了赤道的区域，源源不断流向北半球，气象上通常叫它做“跨赤道气流”。

       2009年4月，年近古稀的笔者在马来西亚探亲期间，有幸初次见识到跨赤道气流的惊人气派，甚为振奋。4月19日上午10:30，一艘大型的海上汽车渡轮从马来西亚的北海向西开往槟榔屿，笔者当时正好在渡轮上，发现南风之大是中国大陆任何地方一般都不可能见到的（除了在台风环流之内）。在停放着大小几十辆汽车的甲板上，人无法站稳或走动，只能牢固地抓住铁栏杆，风力显然在7、8级以上。为什么有如此大的正南风呢？这正是因为气流跨过了赤道，就有如河水漫过了大坝一样，像瀑布般往北倾泻。渡轮的位置约北纬5.4°，海平面基本上还与地轴相平行，所以科里奥利力很小，气流方向仍基本正南向北，气流的主流高度也还在海面附近尚未明显上抬。彩图24.11-1是在渡轮甲板上的向北照片，从照片显见远处已经乌云压顶，海面上却平放着高度一致的一片清空。

       可能有人会问，照片上的海面那么平静，何来那么大风呀？解释起来，这正是“在北半球是向北的气流与上升相联系在一起”（见24.3）这一道理的具体表现。尽管只有北纬5.4°，气流的主流高度也已经向上浮离了海面，如果不是站在好几米高的渡轮甲板上（笔者在国内未见过有更高的汽车渡轮），而是在海面上，也相信体验不到7、8级风。而且，气流如果不是逐渐浮离了海面，彩图24.11-1中也不可能出现那一片平放着的清空（图中左侧约五分之一没有出现清空，大概是因槟榔屿山的阻挡所致）。

       当然，上述的跨赤道气流也是我们见证到的“从低纬指向高纬的自由气流是上升气流”（见24.3）的生动实例，这既是流体软弹力促使空气上浮的实证，也说明了空气从空中搬运时并非把软弹力势能（由迁移力和科里奥利力的反作用力所形成）都全部储存起来，而是随时都视情况尽量释放掉一部分。这是实际大气的情况，空气的上浮正是释放了流体软弹力的结果，因为从低纬度移向高纬度的空气只有上浮才能减小其不稳定程度的加大速率。

       跨过了赤道而继续向北的气流，因受科里奥利力的作用，就会逐渐地拐弯而流向了东北方向（见彩图24.11-2，浅红色箭头线表示边移动边上升的跨赤道气流）。所以，从印度洋朝东北方向流过来的原海面层的强大气流，就不仅是一边前进又一边自动上升，而且方向直指向了中国内陆。这些空气原来长久停留在南印度洋，水汽充足，它们跨过了赤道拐向东北方向之后，既川流不息，又不断上升。于是，由中国的西南入口到东北出口的整个过程中，这股强大的气流继续从850hpa到700hpa、500hpa……，一边自动爬升一边下雨。再看一看彩图24.11-3就可更具体了解上述那种从西南到东北的降水区带分布情况。彩图24.11-3中的小图5虽然在湛江、海南因受台风影响而有了狂风暴雨，也干扰不了西面那个西南─东北向的稳定降水区带；小图6是2012年7月份累计的“全国降水量距平百分率分布图”，同样是西南─东北向的降水分布格局。笔者5、6月份在广州注意目测了这种降水系统的天空状况，发现是1千米高度附近的乌云从南向北飞得最快，相信这些飞得最快的云越过了南岭就会上升到了两千米，再到长江、黄河一带又会上升到3～4千米……。速度几乎可与飞机相比的这些云的飞行动力正是来源于跨赤道气流的推力，并非当地的热力或其它。

       当然，由于流体的连续性，就使整个地球的大气成了不可分割的整体，所以，有了暖空气从上层向北伸展，就必然牵动了冷空气从低层南侵；暖空气的不断上升，也必然激发了冷空气的不断下沉和翻动。因此，这种牵一发而动全身的，不断向着东北方向自动爬升的大规模暖湿气流，最终便形成了中国上空大范围的冷暖空气搅混局面，使降水天气并非和风细雨的形式，而是配合着各种强对流天气，将大雨、暴雨撒遍中国大片土地。这种天气过程撒播给中国几天的雨，就足够几条大江河奔流几十天。大家不妨都自由想象一下，究竟天上应该有多少条隐形“大河”从印度洋平行直通到中国境内来，才能如此神速地搬运了那么多水过来撒播呢？至少是几十条吧！由此可想而知，这肯定是用现代计算技术的所谓“空气水汽含量计算”所绝对无法简单计算得出来的。日常中经常听到的天气预报是“由于受冷空气影响……有较大降水过程”，这种将降水的发生原因都归于“冷空气活动”的思路是欠妥的。降水的真正内因存在于较难观测到的高空暖空气之中，冷空气活动仅是外因，不应该本末倒置。如果不用动的观点，不看到内因而只将外因当内因，或者说不看到地球自转的内在强大动力作用而只看到外来的太阳热力因素，是完全不可能对中国如此强烈的天气过程有正确、本质认识的。

       另有一点要顺便提供给有关部门进行考虑的是，从本节前后所谈联系起来可明显知道，中国大面积暴雨期的形成与跨赤道气流关系密切，跨赤道气流的强弱又直接与南印度洋副热带高压的强弱相联系，而南印度洋副高强弱则直接受南半球冬天冷空气强弱影响，也即与被南极洲甩动而抛向低纬度的空气数量有关，这又直接体现为南极臭氧洞的严重程度和相对于南极点的偏心情况，以及不同时间段的表现情况。因此，如何更加有针对性地对于南极臭氧洞的情况进行观测和研究，也许对我国的暴雨汛期情况或者旱情的提前预报，都有重要的作用。