作者：魏文廣（東亞中心2014級博士研究生）
時空尺度，顧名思義，就是指時間持續(xù)長度和空間展布范圍。這一概念非常簡單卻幾乎出現(xiàn)在所有的自然科學(xué)當(dāng)中。比如在生物學(xué)上，當(dāng)研究細(xì)胞時，我們的目光就局限在整個細(xì)胞這個空間尺度內(nèi)和從細(xì)胞被分裂出來到細(xì)胞凋亡這個時間尺度內(nèi)；又比如在化學(xué)中研究一個反應(yīng)，我們關(guān)心的是在試管這個空間范圍內(nèi)和從反應(yīng)開始到反應(yīng)結(jié)束這個時間范圍內(nèi)發(fā)生的事情和結(jié)果。在物理學(xué)上，我們關(guān)注的時空尺度范圍就寬很多了，幾乎包含我們能想到的所有時空范圍，猶記得高中物理課本扉頁上那只咬住了自己尾巴的怪蟒。但具體到物理學(xué)的某一個子學(xué)科時，我們還是很容易辨認(rèn)這些學(xué)科研究對象的時空尺度，如天文學(xué)里有人研究恒星的生成和死亡，量子力學(xué)中有人研究電子的運(yùn)動規(guī)律，一談到這些我們都能大概確定這些研究對象的時空范圍。但當(dāng)人們談?wù)撃骋惶鞖饣驓夂颥F(xiàn)象時，比如熱浪、厄爾尼諾、PDO、全球變暖、冰期和間冰期等，很多人卻并不見得了解其時空尺度。于是有些人會出現(xiàn)這樣那樣的困惑，比如有人問：不是說全球變暖嗎，怎么有些地方好像在變冷？也有人問：全球變暖是說溫度每年都在升高嗎？更有人腦洞大開地想到：要是明年就來一個冰期怎么辦？又或者明年有沒可能突然來個大暖期，平均溫度上升好幾度？諸如此類的很多問題和困惑歸根結(jié)底都在于我們對這些氣候現(xiàn)象的時空尺度、在不同時空尺度上我們可以獲得的信息以及驅(qū)動不同時空尺度上大氣現(xiàn)象的作用不太清楚。
傳統(tǒng)的氣象學(xué)相當(dāng)于物理學(xué)的一個分支（當(dāng)然目前并不是這樣，現(xiàn)代的氣象學(xué)更像是一個綜合性的學(xué)科或者說交叉學(xué)科），屬于經(jīng)典物理學(xué)的范疇，它關(guān)注的時空尺度實(shí)際上就是我們之前說的那條怪蟒去頭去尾之后剩下的中間部分。時間尺度可以從幾分鐘到幾十億年，空間尺度可以從一個點(diǎn)到全球范圍。這樣的時空尺度相比于整個宇宙的時空尺度來說，并不能算長，但中間的每一步變化（以10為量級）對于我們?nèi)祟悂碚f都能感受到其中的大不同。因此氣象學(xué)自然也要關(guān)注其中每一個時空尺度上發(fā)生的事情，從幾分鐘到一小時，到一天，到一星期，到一月，到一季，到一年，到十年，到百年，到千年……從一個站點(diǎn)，到一個城市，到一個地區(qū)，到一個區(qū)域，到一個大陸，最后到全球。這還只是時間和空間的單獨(dú)劃分，再把他們做排列組合的話情況就更多了。由此可見時空尺度在氣象學(xué)里并不像在其他學(xué)科里那樣是一件很簡單、一目了然的事情。它可以非常復(fù)雜。因此也就不能怪很多人搞不清楚一些天氣或氣候現(xiàn)象到底是屬于哪個時空尺度上的事情了。但是，對某些天氣或氣候現(xiàn)象所屬時空尺度的正確認(rèn)識是我們能正確解讀這些現(xiàn)象并理解它們所帶來影響的關(guān)鍵。下面我們就來仔細(xì)看看氣象學(xué)里一些重要的時空尺度和對應(yīng)的天氣或氣候?qū)W現(xiàn)象，并通過溫度的例子闡明時空尺度的變化。
一般來說，氣象學(xué)里關(guān)注的時間尺度可以明顯地分為兩個類型，天氣尺度和氣候尺度。幾周以下的時間尺度都是屬于天氣尺度的范疇，而幾周以上的時間尺度就屬于氣候尺度的范疇了。天氣尺度的明顯特點(diǎn)是我們可以做逐日預(yù)報，就是我們說的天氣預(yù)報，比如每天的平均溫、最高溫、最低溫分別是多少，是否有雨，有雨的話有多大的雨。但逐日預(yù)報不能無限制進(jìn)行下去，它有一個上限，離我們太遠(yuǎn)的日子我們就無法預(yù)報那一天的具體情況了。這個上限大約是2~3周。也即是3周以上的事情，我們再說每一天的天氣情況怎樣就沒有意義了。
雖然說3周以上的事情不能做天氣預(yù)報，但我們可以做氣候預(yù)報。我們知道氣候就是氣象要素的時間平均，比如溫度、氣壓、降水、風(fēng)場等的平均。因此根據(jù)不同的平均時間長度，我們有一個月平均的預(yù)測、一個季度平均的預(yù)測、一年平均的預(yù)測、十年平均的預(yù)測、百年平均的預(yù)測等等。在氣候?qū)W上，我們把對月平均和季節(jié)平均的預(yù)測稱為短期氣候預(yù)測，把年平均的預(yù)測稱為年際氣候預(yù)測，把十年平均的預(yù)測稱為年代際氣候預(yù)測，把幾十年的平均稱為多年代際氣候預(yù)測等等。這是從預(yù)報的角度來看時間尺度，我們當(dāng)然也可以把已經(jīng)發(fā)生的歷史序列做以上不同時間尺度的平均以研究不同時間尺度上大氣狀態(tài)的變化。比如說歷史上每一天，每一周、每一月、每一年的平均溫度如何變化。如果平均的時間長度到了氣候尺度，我們又會涉及到兩個概念：氣候變率和氣候變化。這個我們下次再講。
另一方面，氣象學(xué)里關(guān)注的空間尺度分級也是相當(dāng)細(xì)的。有1km范圍內(nèi)的邊界層渦動；10km左右的對流單體、積雨云；100km的鋒面和颮線；1000km的氣旋和反氣旋以及更大空間尺度的行星波等。結(jié)合時間尺度來看的話，以上這些大氣現(xiàn)象幾乎都是在天氣尺度上的事情，也就是我們做逐日天氣預(yù)報必須要關(guān)心的東西。我們當(dāng)然也有其他時間和空間尺度上的大氣和海洋現(xiàn)象，比如ENSO就是年際尺度赤道太平洋上的海氣耦合現(xiàn)象，PDO就是太平洋上海溫的年代際振蕩現(xiàn)象，AMO是大西洋上海溫的多年代際振蕩。值得注意的是，像ENSO、PDO和AMO這類現(xiàn)象它們是一直都在的，但卻分別把它們歸到年際尺度、年代際尺度和多年代際尺度，這是什么緣故呢？實(shí)際上，有一些大氣或海洋現(xiàn)象在一定的時間尺度上平均之后會呈現(xiàn)出一種周期性的變化，也就是每間隔這樣一個時間尺度它們就會完成一次循環(huán)，于是我們就把這一現(xiàn)象歸到這個時間尺度上了。
正如前面所述，在不同的時空尺度上我們可以獲得的信息是不一樣的。如在日時間尺度上，我們可以關(guān)心一天24小時每半個小時或一個小時的溫度、氣壓、濕度如何，這個時候我們會看見溫度的日內(nèi)循環(huán)，也就是溫度在一天之內(nèi)由低到高再變低（圖1）。但如果我們僅僅關(guān)心日際變化，那一般我們會用一整天的平均溫度作為那天溫度的代表，這個時候溫度的日內(nèi)循環(huán)就看不見了或者說我們就不能獲得關(guān)于溫度如何在日內(nèi)變化的信息了，我們這個時候可以看見溫度一天一天是怎么變化的，當(dāng)然也能看見溫度一周一周怎么變化，一旬一旬怎么變化，一月一月怎么變化等等（圖2）。如果我們把溫度在一個月之內(nèi)平均，那日際的變化也看不見了，只能看見月際的變化、季節(jié)之間的變化、年際之間的變化等（圖3）。以此類推，所以時間尺度告訴我們的信息就是我們可以看見什么時間以上的變化，超過這個時間長度以上的事情，ok，可以討論，但在這個時間尺度以下的信息，不好意思，被平均掉了，當(dāng)然也就沒有討論的基礎(chǔ)。空間尺度上也是一樣的，如果只給了更大空間尺度上的平均，那我們就沒有討論更小空間尺度上大氣狀態(tài)如何變化的基礎(chǔ)。
圖1 北京首都機(jī)場2014年12月20-31日逐半小時地面氣溫，每一天的標(biāo)度處為零點(diǎn)?？梢钥匆姎鉁卦谝惶熘畠?nèi)由低到高再變低的過程，也即氣溫的日循環(huán)
圖2 北京首都機(jī)場2014年12月逐日地面平均氣溫，已經(jīng)沒有了日內(nèi)循環(huán)，但氣溫的日際變化可以看得更清楚
圖3 北京首都機(jī)場2014年逐月地面平均氣溫，沒有了月時間尺度以下的信息，但氣溫在年內(nèi)的變化看得很清楚，有明顯的季節(jié)變化
不同時空尺度上的天氣或氣候現(xiàn)象是存在相互作用的。這種相互作用總的原則是：大時空尺度的現(xiàn)象是小時空尺度現(xiàn)象變化的背景，而小時空尺度上的現(xiàn)象可以影響大時空尺度現(xiàn)象的變化。這話讀起來非常別扭，但我們只要看幾個例子就好理解了。比如說北京夏季的平均溫度大約在25~26℃，這是整個季節(jié)的平均溫度。但具體到某一天的平均溫度，比如7月25號的平均溫度，即便我們不知道具體是多少度，我們也大概知道離25~26℃不遠(yuǎn)，幾乎不可能出現(xiàn)0℃以下。這就是大時空尺度是小時空尺度變化的背景的含義。也即是大尺度現(xiàn)象把小尺度現(xiàn)象束縛在了某個變化的范圍之內(nèi)，小尺度的變化很難逃出這個范圍。但是如果某些天雖然沒降到0℃以下，但一個夏季內(nèi)出現(xiàn)了多次冷天，比如多次出現(xiàn)18℃以下的日平均溫度，那么整個夏季的日平均溫度平均下來就很可能比25~26℃低很多。這就是小尺度現(xiàn)象對大尺度現(xiàn)象的影響。
此外，驅(qū)動不同時空尺度現(xiàn)象發(fā)生的作用是不一樣的。同樣以溫度為例，隨便找個點(diǎn)，你問下一個小時的溫度會是多少？這個實(shí)際上是不可預(yù)報的，原因就是時空范圍太小，隨機(jī)因素太多了，因此它的變化可以認(rèn)為就是隨機(jī)因素驅(qū)動的。但你要問整個北京市一天、幾天或一個星期的平均氣溫和平均降雨量會是多少，這些又稍微好預(yù)報一點(diǎn)，因?yàn)檫@些時空尺度下的大氣平均狀態(tài)主要受到天氣系統(tǒng)的影響，對天氣系統(tǒng)有比較好的把握就能比較好的預(yù)報這些要素。當(dāng)然舉這兩個例子并不是說時空尺度越大越好預(yù)報，這里只是為了說明不同時空尺度上發(fā)生的現(xiàn)象，驅(qū)動它們的作用是不一樣的。能不能更好地預(yù)報取決于我們對產(chǎn)生這個時空尺度上現(xiàn)象的作用有沒有更好的了解和對其未來變化的預(yù)估。扯遠(yuǎn)了，暫且打住。我們只需要知道不同時空尺度上發(fā)生的現(xiàn)象是受到不同的作用控制的就夠了。比如第四紀(jì)（2.4MaBP）以來冰期與間冰期的旋回可能就是地球軌道參數(shù)周期性變化驅(qū)動的（米蘭科維奇理論）。通俗點(diǎn)說就是，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，有時候轉(zhuǎn)得比較接近太陽，有時候轉(zhuǎn)得有點(diǎn)遠(yuǎn)離太陽，造成第四紀(jì)以來地球上出現(xiàn)冰期和間冰期的交替。又比如，上世紀(jì)五十年代以來發(fā)生的全球變暖事件，很可能是人類活動的影響。
明白了以上幾點(diǎn)，我們就很好回答文章一開始提出的幾個問題。
首先是為什么全球變暖而有些地方卻在變冷？全球變暖是說溫度每年都在升高嗎？
回答是：這里說的全球變暖，是說全球的平均溫度在上世紀(jì)50年代以來在不斷升高（圖4）?？梢娙蜃兣臅r空尺度是近五六十年和全球。我們當(dāng)然不能排除某些局部區(qū)域在變冷。全球變暖也不意味著全球的年平均溫度每年都在攀升，而是整個五六十年總體呈現(xiàn)出上升的趨勢，專業(yè)點(diǎn)說就是年平均溫度的線性趨勢為正。中間出現(xiàn)幾年平均溫度連續(xù)下降當(dāng)然也有可能。
其次明年或后年或兩三年之后會不會突然來個冰期和大暖期？
回答是：都不會。要知道冰期和間冰期旋回的周期可是10萬年！并且間冰期向冰期過度的過程（也即變冷的過程）非常緩慢，平均需要7~9萬年，而冰期向間冰期轉(zhuǎn)換（也即融冰的過程）雖然快得多，但平均也需要8k年。最后一次冰期結(jié)束于1.1萬年前左右，然后就到了現(xiàn)代溫暖的間冰期。也就是我們現(xiàn)在是處于溫暖的間冰期的，而且這個間冰期也才持續(xù)了1萬多年。我們前面說了從第四紀(jì)以來間冰期向冰期的轉(zhuǎn)變需要7~9萬年的時間，只有經(jīng)歷這么長的時間，溫度才能慢慢轉(zhuǎn)變成冰期時候的溫度（冰期時的全球平均溫度能比現(xiàn)在低10℃以上）。如果這個規(guī)律正確的話，我們離下個冰期的到來還遠(yuǎn)著呢。因此在間冰期這個大背景下，全球平均溫度的變化只會被牢牢地鎖在當(dāng)前的全球平均溫度下，變化的幅度非常小、非常有限，幾乎不可能一兩年內(nèi)變化十幾度。要知道近幾十年來的全球變暖幅度也還沒有超過1℃。因此幻想著幾年時間內(nèi)有冰期出現(xiàn)或突然有大幅度增暖的發(fā)生是沒有什么道理的。
圖4 全球陸地表面年平均氣溫距平序列（相對于1951年-1980年的平均值），可以明顯看出上世紀(jì)五六十年代以來的全球變暖趨勢
用例數(shù)據(jù)來源：NOAA Climate.gov和Berkeley Earth
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