冬至之后白晝變長，為什么反而越來越冷了？

以下文章來源于科學大院 ，作者陳可鑫

本文來自科普博覽大家族科學大院（ID:kexuedayuan）剛過去的周末，大家有沒有被凍哭呢？（反正小編的手已經(jīng)凍裂開了
近日又一波寒潮一路向南，不少省份已經(jīng)被凍得發(fā)紫↓↓↓

不少小伙伴發(fā)出疑問：不是說冬至之后日照時間會加長，為什么還是這樣冷？
的確，冬至是一年中太陽直射點到達地球最南位置、北半球日照時長最短的一天。過了冬至，太陽直射點逐漸從南回歸線北移，北半球的白晝時長逐漸增加，大部分地區(qū)的太陽高度角（即太陽光的入射方向和地平面之間的夾角）也漸漸升高，北半球逐漸回歸太陽溫暖的“懷抱”。這樣看來，冬至過后氣溫應該有所回升，然而，并不是？
（圖片來源：veer）
Part.1

地球的溫度從哪里來？
在解答上述問題前，我們需要先了解一下地球溫度背后的能量來源。
太陽是地球的能量源泉，它以短波輻射的方式不斷地向地球輸送能量，是驅動地球天氣氣候形成及其變化的根本動力。但地球的溫度并不會因為吸收了太陽能而無限上升。因為地球在吸收太陽能量的同時，也以長波輻射的方式向宇宙空間放出能量。
地球吸收能量的同時，也在釋放能量（圖片來源：NASA Robert Simmon）

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，一個物體表面輻射的熱量與其溫度的四次方成正比，即一個物體的溫度如果上升一倍（開爾文溫度），那么它輻射的能量將增加16倍（2的四次方）。
所以如果地球溫度升高，地球就會迅速向宇宙空間輻射更多的熱量。也就是說，吸收太陽能量而升高的溫度會導致地球產(chǎn)生更大的熱量損失，這種輻射冷卻方式是地球防止升溫失控的主要機制。
通過計算能量的輸入與輸出，我們可以計算出地球系統(tǒng)的能量收支。復雜的地球系統(tǒng)可以簡單地分為三個結構，自上而下分別是：大氣層頂、大氣和地球表面。
當太陽到達大氣層頂時，大約有29%的能量被云、大氣顆粒以及明亮的地面（如海冰和積雪）反射回太空。大氣和地球表面吸收了總入射太陽能的約71％（其中大氣吸收了23%，地表吸收了48%），一年中地球系統(tǒng)平均每平方米吸收大約240瓦的太陽能，因此必須向太空輻射同樣多的能量，才能保持地球平均溫度的穩(wěn)定。
（圖片來源：NASA Robert Simmon）
為了保持地表輻射平衡，地表通過蒸發(fā)（25%），對流（5%）以及熱量輻射（17%）向外輻射能量。而大氣除了直接吸收的23%的太陽能外，還有由地面向其輸送的能量（25%+5%+17%），因此在大氣層頂要向外輻射累計約71%的能量。從長期平均來看，地球吸收的太陽能量與向太空輸出的能量處于平衡狀態(tài)，即地球處于輻射平衡，全球溫度相對穩(wěn)定。
地球能量收支圖（圖片來源：NASA）

Part.2

地球輻射平衡那為什么全球不一樣熱？
由于地球是球體，太陽并不能均勻地加熱地球上的每個地方。日照長短、太陽高度角的大小都會影響地球上某個地方獲得太陽能量的多少，因此太陽對低緯度地區(qū)的加熱遠大于高緯度地區(qū)。而地球向外放出的長波輻射在各個緯度上都差不多，這就導致了低緯度地區(qū)的能量盈余、高緯度地區(qū)能量虧損。這種出現(xiàn)在地氣系統(tǒng)內(nèi)部的能量不平衡驅動了全球的大氣和海洋環(huán)流，將低緯度盈余的能量向高緯度地區(qū)輸送，以維持全球的能量平衡。
圖片來源：NASA Robert Simmon
所以，當我們討論某地的溫度時，除了考慮這段時間內(nèi)地氣系統(tǒng)吸收的太陽能和向外輻射的能量外，還需要考慮能量的全球輸送。如果在這段時間內(nèi)，地氣系統(tǒng)能量盈余，富余的能量就可以加熱地表和大氣，使溫度升高；反之，地氣系統(tǒng)能量虧損，溫度自然降低。

Part.3

是什么讓冬至后的太陽成為“冰箱里的燈泡”？

掌握了以上這些知識，我們就可以來解答“為什么冬至之后天氣越來越冷”這個問題啦。
從冬至到第二年的夏至，雖然太陽直射點逐漸向北半球移動，但能量的恢復卻是一個緩慢的過程。冬至后的一段時間里，雖然北半球吸收的太陽能量有所增多，但這些能量只能使虧損的能量“赤字”減少一些。
太陽直射點位置隨時間的變化 （圖片來源：網(wǎng)絡）
總體來看，在這個期間北半球每一天的能量都處于“入不敷出”的狀況，因此每天的溫度都要下降一點點，所以我們會覺得越來越冷。而若北方的冷空氣南下，這期間溫度將會進一步降低。
正所謂“熱在三伏，冷在三九”，夏至和冬至之時并不是一年中最熱或最冷的時候。由于熱量的緩慢虧損，在冬至之后的第三個九天才是數(shù)九隆冬中最冷的一段時間，即長輩口中念叨的“三九四九冰上走”。如果在“三九”中沒有下雪結冰，人們也不覺得特別寒冷，那么很可能迎來一個暖冬。
（圖片來源：NASA University of Maryland Steven Fons）
最后，不得不感慨古人對自然變化體察之深，雖觀天象可知冬至后日照增長，但結合溫度持續(xù)下降的自然節(jié)律，故取名“冬至”有“冬天將至”之意。所以，雖然冬日里的溫度偶有回升，但朋友們不要輕易換下棉褲，未過“三九四九”仍需防范寒潮降溫。待九九八十一天之后（冬至后的第九個“九天”），方可衣著輕便，擁抱春意。
參考文獻:

[1]Stephens,G.,Li,J.,Wild,M. etal. AnupdateonEarth'senergybalanceinlightofthelatestglobalobservations.NatureGeosci 5, 691696(2012)https://doi.org/10.1038/ngeo1580

[2] https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance

[3] https://baike.baidu.com/item/%E5%86%AC%E8%87%B3/9381?fr=aladdin

[4] https://zh.wikipedia.org/wiki/地球能量收支

作者單位：中國科學院大氣物理研究所本文已獲轉載授權，如需轉載請聯(lián)系原作者文章僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

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