逆向自轉的地球上的氣候

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在今年4月召開的歐洲地球科學聯合會(EGU)大會上出現了一篇有趣的論文。科學家通過計算機模擬，向我們展現了一個和我們所處的地球完全不一樣的奇異世界。?

早在1923年，氣候學家柯本(K?ppen)就提出了在一塊理想的大陸上的氣候分布。一個地方的氣候受盛行風向、洋流和地理位置等等因素的影響，其中，盛行風和洋流的形成和地轉偏向力關係密切。地轉偏向力也叫科氏力，是我們在高中地理課本中接觸過的概念，它的產生和地球自轉有關。地轉偏向力使北半球的風向右偏轉，南半球的風會向左偏轉。而在一個逆向自轉的地球上，地轉偏向力的方向正好相反，這就使得逆向自轉的地球上的氣候分布也和我們的世界截然不同。

我們已經知道，如果不考慮海洋和陸地之間的差異，那麼在高低緯度溫度差和地轉偏向力的共同作用下，地表將形成高低相間的氣壓帶和與之伴隨的盛行風。進一步地，在盛行風的吹拂下，海洋表層環流系統就形成了，這也就是我們常說的風海流。在中低緯度地區，副熱帶高壓常年盤踞，於是海水作大規模的反氣旋式運動。同樣地，中高緯度長期受低氣壓控制，便形成了氣旋式的大洋環流。

洋流對大陸沿岸地區的氣候形成有很大影響。地理書上常用不凍港作為例子：暖流流過的地方，溫度比同緯度的其它地區高出許多，氣候也更加溫暖濕潤。另一個例子是，在加那利寒流以及從大陸吹來的乾燥信風共同鑄就了非洲北部廣袤的撒哈拉沙漠。?

?如果再加以考慮海陸分布，那麼對氣候形成有重要影響的還有一點——季風。季風是因為海洋和陸地的熱力性質有差異而形成的。亞洲東部位於最大的大洲和大洋之間，自然也就成為了世界上季風氣候最典型的地區。每年夏季，季風都為當地帶來充沛的降水。

那麼，在一個逆向自轉的地球上，氣候又會是怎麼樣的呢？為了得到定量的結果，需要藉助計算機來模擬。

大氣和海洋的運動可以用一組偏微分方程來描述。把方程離散化後輸入到計算機中求解就能得到模擬結果。這一次，他們的模型中甚至還加入了動態植被模型和海洋生物地球化學模型(可惜的是，暫時沒有考慮大陸冰川、溫室氣體和地表反照率的動態變化)。他們的模型和氣象局裡邊平常用來做數值天氣預報的模型沒有本質區別，除了有兩點地方需要更改：地轉偏向力參數的符號要取反；以及晝半球的移動方向要改為自西向東。

計算機內存里，七千年的歲月呼嘯而過，一個迥然相異的世界呼之欲出。

圖1 平均溫度與降水量的情況。圖表第1行是逆地球，第2行是地球，第3行是它們的差值圖1 平均溫度與降水量的情況。圖表第1行是逆地球，第2行是地球，第3行是它們的差值

差別是明顯的，最為明顯的是風向的轉變——赤道出現了西風帶而中緯度出現了東風急流。溫度和降水的變化同樣顯而易見。總的看來，大陸的東側增暖、降水減少，大陸西側變冷、降水增多。這與盛行風和洋流的方向的改變不無關係。

在大西洋東側，原本受北大西洋暖流眷戀的西歐、北歐的溫和氣候銷聲匿跡，取而代之的是寒冷而漫長的冬天。海冰的堆積(圖2)更是加劇了降溫，使之成為了全球變冷最明顯的地區。大西洋對岸的加拿大拉布拉多港口卻完全是另外一番光景，暖流讓這裡海冰鮮見。在大洋上，溫度的變化同樣劇烈。暖水轉而在中東太平洋聚集，西太平洋暖池不復存在。

降水的模式也被極大地改變了。潮濕的海洋氣流控制下，北非到中東一帶表現出濕潤的氣候。而受從大陸吹來的乾燥的信風和寒流的影響，東亞沿岸乾旱異常。亞馬遜雨林也是類似的情況，森林明顯縮水(圖3)。值得一提的是，赤道輻合帶的位置也向南移動了，這是由南北半球之間溫度梯度的改變造成的。

一同被改變的還有季風的模式。現在，亞洲夏季風的重心轉移到中東一帶。每年夏季，水汽乘著東南季風在印度半島、阿拉伯半島上岸，直抵地中海。季風所到之處，植被欣欣向榮，沙漠成為綠洲。?

圖2 海冰的分布情況。第1列是逆地球，第2列是地球圖2 海冰的分布情況。第1列是逆地球，第2列是地球

圖3 葉面積指數的變化情況圖3 葉面積指數的變化情況

根據主氣候帶、降水、氣溫和植被的不同，氣候可以被分成不同類型。這就是柯本氣候分類法，注意它和中學地理課本上介紹的氣候分類略有不同。

圖4所展示的是各個氣候類型在逆地球(上)和地球(下)上的分布情況。其中，第一個字母表示主氣候帶：A：赤道帶，B：乾旱帶，C：溫暖帶，D：降雪帶，E：極地帶。第二個字母表示降水和氣溫的情況：W：沙漠型， S：草原型， f：濕地型， s：夏天旱季型， w：冬天旱季型， T：極地苔原， F：極地冰帽。

地圖上，南美洲、北美洲和東亞的沙漠十分引人注目。令人欣慰的是，儘管許多地方都成了沙漠，但放眼全世界，沙漠覆蓋率反倒下降了11%，而植被覆蓋率提高了5%。這主要是因為原本荒蕪的北非到中東一帶現在已經被植物佔領了。此外，論文中還提到如果考慮下墊面的變化，撒哈拉地區實際上會比模擬出來的結果更為濕潤。

圖4 柯本氣候分類法中11個主氣候型的分布情況圖4 柯本氣候分類法中11個主氣候型的分布情況

在模擬的地球上，也會有厄爾尼諾或是拉尼娜這樣的氣候事件嗎？答案是肯定的，雖然發生的地點不一樣了。在我們的地球上，信風吹過赤道東太平洋，海洋深處的冷水隨之上涌。當信風過於弱的時候，冷水也跟著減弱，於是厄爾尼諾就發生了。與厄爾尼諾相反，拉尼娜出現在信風加強的時候。在逆向自轉的地球上，類似的事情發生在印度洋東部。

利用經驗正交函數(EOF)分析，我們可以把氣候事件發生時海溫的異常分布清楚地顯示出來。先用我們的熟悉的地球來作說明：圖5的第2列顯示的就是地球上的情況。可以看到，通過EOF分析之後，兩種海溫距平的模態出現了。在第一模態中，東太平洋大幅偏冷而西太平洋偏暖，大致對應氣候學家所說的拉尼娜現象；而第二模態恰恰相反，東太平洋暖而西太平洋冷，這可以看作是厄爾尼諾。

回到逆向自轉的地球上來。在這裡，西印度洋取代了我們地球上東太平洋的角色。當「厄爾尼諾」發生時，赤道西印度洋大大偏暖而西太平洋偏冷不明顯；「拉尼娜」發生時，西印度洋偏暖不明顯而西太平洋大大偏冷。

至此，逆行自轉的地球上的氣候情況已經大致介紹完畢了。有人會問了，研究了這麼多，有什麼用呢？還別說，人家做的研究還真的有用。這就要從溫鹽環流說起。

圖5 使用正交經驗函數分析得到的主分量。第1列是逆地球，第2列是地球圖5 使用正交經驗函數分析得到的主分量。第1列是逆地球，第2列是地球

和表層洋流不一樣，溫鹽環流(THC)的成因是海水的溫度和鹽度差異。溫鹽環流是一個連接全球的洋流循環系統，?多年以來，科學家們圍繞它的一些問題而爭論不休。

在大西洋的表層，暖水向北流動到極地，因鹽度升高、溫度降低而下沉。下沉的海水也被叫做北大西洋深層水，它在大西洋深海轉而向南推進，流往全球各個大洋。這種表層和深層洋流方向相反的現象被稱為大西洋經向反轉環流(MOC)。令人疑惑的是，經向反轉環流在大平洋上卻不甚明顯。

人們對此做了種種解釋：有人說是地形的緣故，也有人從大洋之間鹽度的差異的方面來做解釋，莫衷一是。這次的計算機模擬結果顯示，大西洋的經向反轉環流竟然趨於消失，反而在太平洋上建立起了經向反轉環流。雖然模擬結果並不能完全說明就是地球自轉方嚮導致了大西洋MOC的形成，但也至少說顯示了它在其中扮演重要的角色，為我們解決問題提供了好的思路。

虛構與幻想不僅僅是小說家的權利。在一個個虛構的世界上，科學在真實地前進著。

參考資料：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., R?ber, 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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