@ 2018.07.01 , 17:52

逆向自转的地球上的气候

​​# 感谢 宇佐阿木A版 投稿

在今年4月召开的欧洲地球科学联合会(EGU)大会上出现了一篇有趣的论文。科学家通过计算机模拟,向我们展现了一个和我们所处的地球完全不一样的奇异世界。​

早在1923年,气候学家柯本(Köppen)就提出了在一块理想的大陆上的气候分布。一个地方的气候受盛行风向、洋流和地理位置等等因素的影响,其中,盛行风和洋流的形成和地转偏向力关系密切。地转偏向力也叫科氏力,是我们在高中地理课本中接触过的概念,它的产生和地球自转有关。地转偏向力使北半球的风向右偏转,南半球的风会向左偏转。而在一个逆向自转的地球上,地转偏向力的方向正好相反,这就使得逆向自转的地球上的气候分布也和我们的世界截然不同。

我们已经知道,如果不考虑海洋和陆地之间的差异,那么在高低纬度温度差和地转偏向力的共同作用下,地表将形成高低相间的气压带和与之伴随的盛行风。进一步地,在盛行风的吹拂下,海洋表层环流系统就形成了,这也就是我们常说的风海流。在中低纬度地区,副热带高压常年盘踞,于是海水作大规模的反气旋式运动。同样地,中高纬度长期受低气压控制,便形成了气旋式的大洋环流。

洋流对大陆沿岸地区的气候形成有很大影响。地理书上常用不冻港作为例子:暖流流过的地方,温度比同纬度的其它地区高出许多,气候也更加温暖湿润。另一个例子是,在加那利寒流以及从大陆吹来的干燥信风共同铸就了非洲北部广袤的撒哈拉沙漠。​

​如果再加以考虑海陆分布,那么对气候形成有重要影响的还有一点——季风。季风是因为海洋和陆地的热力性质有差异而形成的。亚洲东部位于最大的大洲和大洋之间,自然也就成为了世界上季风气候最典型的地区。每年夏季,季风都为当地带来充沛的降水。

那么,在一个逆向自转的地球上,气候又会是怎么样的呢?为了得到定量的结果,需要借助计算机来模拟。

大气和海洋的运动可以用一组偏微分方程来描述。把方程离散化后输入到计算机中求解就能得到模拟结果。这一次,他们的模型中甚至还加入了动态植被模型和海洋生物地球化学模型(可惜的是,暂时没有考虑大陆冰川、温室气体和地表反照率的动态变化)。他们的模型和气象局里边平常用来做数值天气预报的模型没有本质区别,除了有两点地方需要更改:地转偏向力参数的符号要取反;以及昼半球的移动方向要改为自西向东。

计算机内存里,七千年的岁月呼啸而过,一个迥然相异的世界呼之欲出。

逆向自转的地球上的气候
图1 平均温度与降水量的情况。图表第1行是逆地球,第2行是地球,第3行是它们的差值图1 平均温度与降水量的情况。图表第1行是逆地球,第2行是地球,第3行是它们的差值

差别是明显的,最为明显的是风向的转变——赤道出现了西风带而中纬度出现了东风急流。温度和降水的变化同样显而易见。总的看来,大陆的东侧增暖、降水减少,大陆西侧变冷、降水增多。这与盛行风和洋流的方向的改变不无关系。

在大西洋东侧,原本受北大西洋暖流眷恋的西欧、北欧的温和气候销声匿迹,取而代之的是寒冷而漫长的冬天。海冰的堆积(图2)更是加剧了降温,使之成为了全球变冷最明显的地区。大西洋对岸的加拿大拉布拉多港口却完全是另外一番光景,暖流让这里海冰鲜见。在大洋上,温度的变化同样剧烈。暖水转而在中东太平洋聚集,西太平洋暖池不复存在。

降水的模式也被极大地改变了。潮湿的海洋气流控制下,北非到中东一带表现出湿润的气候。而受从大陆吹来的干燥的信风和寒流的影响,东亚沿岸干旱异常。亚马逊雨林也是类似的情况,森林明显缩水(图3)。值得一提的是,赤道辐合带的位置也向南移动了,这是由南北半球之间温度梯度的改变造成的。

一同被改变的还有季风的模式。现在,亚洲夏季风的重心转移到中东一带。每年夏季,水汽乘着东南季风在印度半岛、阿拉伯半岛上岸,直抵地中海。季风所到之处,植被欣欣向荣,沙漠成为绿洲。​

逆向自转的地球上的气候
图2 海冰的分布情况。第1列是逆地球,第2列是地球图2 海冰的分布情况。第1列是逆地球,第2列是地球

逆向自转的地球上的气候
图3 叶面积指数的变化情况图3 叶面积指数的变化情况

根据主气候带、降水、气温和植被的不同,气候可以被分成不同类型。这就是柯本气候分类法,注意它和中学地理课本上介绍的气候分类略有不同。

图4所展示的是各个气候类型在逆地球(上)和地球(下)上的分布情况。其中,第一个字母表示主气候带:A:赤道带,B:干旱带,C:温暖带,D:降雪带,E:极地带。第二个字母表示降水和气温的情况:W:沙漠型, S:草原型, f:湿地型, s:夏天旱季型, w:冬天旱季型, T:极地苔原, F:极地冰帽。

地图上,南美洲、北美洲和东亚的沙漠十分引人注目。令人欣慰的是,尽管许多地方都成了沙漠,但放眼全世界,沙漠覆盖率反倒下降了11%,而植被覆盖率提高了5%。这主要是因为原本荒芜的北非到中东一带现在已经被植物占领了。此外,论文中还提到如果考虑下垫面的变化,撒哈拉地区实际上会比模拟出来的结果更为湿润。

逆向自转的地球上的气候
图4 柯本气候分类法中11个主气候型的分布情况图4 柯本气候分类法中11个主气候型的分布情况

在模拟的地球上,也会有厄尔尼诺或是拉尼娜这样的气候事件吗?答案是肯定的,虽然发生的地点不一样了。在我们的地球上,信风吹过赤道东太平洋,海洋深处的冷水随之上涌。当信风过于弱的时候,冷水也跟着减弱,于是厄尔尼诺就发生了。与厄尔尼诺相反,拉尼娜出现在信风加强的时候。在逆向自转的地球上,类似的事情发生在印度洋东部。

利用经验正交函数(EOF)分析,我们可以把气候事件发生时海温的异常分布清楚地显示出来。先用我们的熟悉的地球来作说明:图5的第2列显示的就是地球上的情况。可以看到,通过EOF分析之后,两种海温距平的模态出现了。在第一模态中,东太平洋大幅偏冷而西太平洋偏暖,大致对应气候学家所说的拉尼娜现象;而第二模态恰恰相反,东太平洋暖而西太平洋冷,这可以看作是厄尔尼诺。

回到逆向自转的地球上来。在这里,西印度洋取代了我们地球上东太平洋的角色。当“厄尔尼诺”发生时,赤道西印度洋大大偏暖而西太平洋偏冷不明显;“拉尼娜”发生时,西印度洋偏暖不明显而西太平洋大大偏冷。

至此,逆行自转的地球上的气候情况已经大致介绍完毕了。有人会问了,研究了这么多,有什么用呢?还别说,人家做的研究还真的有用。这就要从温盐环流说起。

逆向自转的地球上的气候
图5 使用正交经验函数分析得到的主分量。第1列是逆地球,第2列是地球图5 使用正交经验函数分析得到的主分量。第1列是逆地球,第2列是地球

和表层洋流不一样,温盐环流(THC)的成因是海水的温度和盐度差异。温盐环流是一个连接全球的洋流循环系统,​多年以来,科学家们围绕它的一些问题而争论不休。

在大西洋的表层,暖水向北流动到极地,因盐度升高、温度降低而下沉。下沉的海水也被叫做北大西洋深层水,它在大西洋深海转而向南推进,流往全球各个大洋。这种表层和深层洋流方向相反的现象被称为大西洋经向反转环流(MOC)。令人疑惑的是,经向反转环流在大平洋上却不甚明显。

人们对此做了种种解释:有人说是地形的缘故,也有人从大洋之间盐度的差异的方面来做解释,莫衷一是。这次的计算机模拟结果显示,大西洋的经向反转环流竟然趋于消失,反而在太平洋上建立起了经向反转环流。虽然模拟结果并不能完全说明就是地球自转方向导致了大西洋MOC的形成,但也至少说显示了它在其中扮演重要的角色,为我们解决问题提供了好的思路。

虚构与幻想不仅仅是小说家的权利。在一个个虚构的世界上,科学在真实地前进着。

参考资料:Mikolajewicz, U., Ziemen, F., Cioni, G., Claussen, M., Fraedrich, K., Heidkamp, M., Hohenegger, C., Jimenez de la Cuesta, D., Kapsch, M.-L., Lemburg, A., Mauritsen, T., Meraner, K., Röber, N., Schmidt, H., Six, K. D., Stemmler, I., Tamarin-Brodsky, T., Winkler, A., Zhu, X., and Stevens, B.: The climate of a retrograde rotating earth, Earth Syst. Dynam. Discuss., in review, 2018.​


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