來源丨科學大院（ID：kexuedayuan）
作者丨陳可鑫
12月26日，中央氣象台釋出了今年入冬以來的首個低溫預警。冬至已經過去好幾天了，日照時間也在逐漸加長，為什麼還是這樣冷？
（圖檔來源：中國氣象台）
的确，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，冬至過後氣溫應該有所回升，然而，并不是？
（圖檔來源：veer）
地球的溫度從哪裡來？
在解答上述問題前，我們需要先了解一下地球溫度背後的能量來源。
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
（圖檔來源：NASA Robert Simmon）
根據斯特藩-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），那麼它輻射的能量将增加16倍（2的四次方）。
是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緻地球産生更大的熱量損失，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的能量收支。複雜的地球系統可以簡單地分為三個結構，自上而下分别是：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%的能量被雲、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%），一年中地球系統平均每平方米吸收大約240瓦的太陽能，是以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定。
為了保持地表輻射平衡，地表通過蒸發（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%），是以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态，即地球處于輻射平衡，全球溫度相對穩定。
地球能量收支圖（圖檔來源：NASA）
地球輻射平衡
那為什麼全球不一樣熱？
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，是以太陽對低緯度地區的加熱遠大于高緯度地區。而地球向外放出的長波輻射在各個緯度上都差不多，這就導緻了低緯度地區的能量盈餘、高緯度地區能量虧損。這種出現在地氣系統内部的能量不平衡驅動了全球的大氣和海洋環流，将低緯度盈餘的能量向高緯度地區輸送，以維持全球的能量平衡。
圖檔來源：NASA Robert Simmon
是以，當我們讨論某地的溫度時，除了考慮這段時間内地氣系統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。如果在這段時間内，地氣系統能量盈餘，富餘的能量就可以加熱地表和大氣，使溫度升高；反之，地氣系統能量虧損，溫度自然降低。
是什麼讓冬至後的太陽
成為“冰箱裡的燈泡”？
掌握了以上這些知識，我們就可以來解答“為什麼冬至之後天氣越來越冷”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，但能量的恢複卻是一個緩慢的過程。冬至後的一段時間裡，雖然北半球吸收的太陽能量有所增多，但這些能量隻能使虧損的能量“赤字”減少一些。
太陽直射點位置随時間的變化 （圖檔來源：網絡）
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，是以每天的溫度都要下降一點點，是以我們會覺得越來越冷。而若北方的冷空氣南下，這期間溫度将會進一步降低。
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，在冬至之後的第三個九天才是數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，人們也不覺得特别寒冷，那麼很可能迎來一個暖冬。
（圖檔來源：NASA University of Maryland Steven Fons）
最後，不得不感慨古人對自然變化體察之深，雖觀天象可知冬至後日照增長，但結合溫度持續下降的自然節律，故取名“冬至”有“冬天将至”之意。是以，雖然冬日裡的溫度偶有回升，但朋友們不要輕易換下棉褲，未過“三九四九”仍需防範寒潮降溫。待九九八十一天之後（冬至後的第九個“九天”），方可衣着輕便，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
作者機關：中國科學院大氣實體研究所