從仰望星空到春風又綠丨大氣悟理_風聞

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裏發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

在我們日常印象中，地球自轉一圈就是一天，公轉一圈就是一年，但我們在中學時候就學過，“年“的算法有兩種，而且不同的算法會得到不同的結果，你還記得嗎？

歲差：你的一年我的一年好像不一樣

歲差是中西天文學史上非常重要的一個概念：歲，年也，歲差即年差，是指迴歸年與恆星年的時間差。迴歸年是指太陽連續兩次照射春分點的時間間隔，一迴歸年為365天5小時48分46秒。恆星年是指地球繞太陽一週的時間間隔，一恆星年為365日6小時9分10秒。如下圖所示，迴歸年是太陽兩次直射紅星的時間間隔，恆星年是地球兩次經過A點的時間間隔。

（圖片來自網絡）

看到這裏你也許會奇怪，似乎恆星年和迴歸年都是地球繞太陽一圈並沒有什麼區別呀，為什麼迴歸年的時間短於恆星年呢？

這是因為我們的地球自轉軸在空間上會不斷髮生變化，而非一直保持固定的方向（也叫地軸進動，其運動與陀螺旋轉軸類似）。於是地球上二分二至點（春分秋分，冬至夏至）不是一個固定點，而是在公轉軌道上不斷西移，這就導致了地球公轉一圈不等於太陽直射點緯圈變化一週。舉個例子，我們從操場上一點出發想要回到原點需要繞操場一圈，但是現在原點也朝着我們的方向移動，於是我們再次回到起點時並沒有跑完原來的一整圈操場，所用的時間隨之縮短。

（圖片來自網絡）

歲差是天文研究領域中一個重要的課題，公元前二世紀，古希臘天文學家喜帕恰斯在編制恆星星表時，發現他測出的星位與150多年前人測出的位置有變化，他認為是春分點沿黃道後退所造成的，被認為是歲差現象的最早發現。東漢末年賈逵已察覺到天周與歲終的微小差異，晉成帝時（公元330年），虞喜發現“則知每歲漸差之所至“，他推算出冬至 日50 年西移一度, 這就是歲差一詞在我國的創立。

在地球上標記一個刻度，從太陽直射這個刻度到轉一圈後再直射這個刻度的時間間隔為一迴歸年。由於地軸進動，這個刻度在一個迴歸年內順時針轉了一個小角度b，所以太陽只需要轉360-b的時間就是一個迴歸年，這個差值就是歲差。（圖片來自網絡）

歲差：請大家跟我一起搖擺

雖然發現歲差代表着人類對自然規律認識進一步加深，但如果不是從事天文學研究的話，這20分鐘左右的誤差似乎和我們的日常生活沒有什麼關係呢。如果你也這麼認為，那就錯了。按照米蘭科維奇的天文氣候學理論, 地球軌道參數 (偏心率、地軸傾角及歲差) 改變引起的太陽輻射隨緯度和季節的週期性變化是千年至萬年尺度氣候變化和冰期旋迴的根本驅動力。

（圖片來自網絡）

我們目前最為關注的氣候變化問題是大氣層頂部接收到的太陽輻射與地球大氣圈、水圈、生物圈及冰雪圈共同作用的結果,其中，地球接受到的太陽輻射是全球氣候變化的主要外強迫因子。歲差的存在顯著影響了地球接受太陽輻射的季節差異，並且對南北半球的影響是相反的。前人研究了過去30萬年以來軌道參數引起的太陽輻射量變化時間序列，發現當歲差參數處於最小值時, 北半球夏季日射極大而冬季日射極小，南半球夏季日射極小但冬季日射極大;歲差參數最大時則剛好相反。

過去300 ka以來軌道參數引起的日射量變化序列

隨着太陽輻射量的變化，南北半球之間的温度梯度以及海陸間的温度梯度都會產生季節反向，全球大尺度大氣環流隨之發生變化，這也會引起降水的季節性循環。比如我們很熟悉的季風系統，就是由於大氣環流季節變化出現的一年又一年持續性循環翻轉。

大氣物理研究所黃剛研究員與博士生丁兆敏用氣候模型模擬了地球軌道參數對熱帶降水季節循環的影響，他們發現歲差減小會使得熱帶降水的季節循環提前，北半球季風期縮短，南半球季風期延長。他們從能量角度分析，認為4-6月（10-12月）有向南（北）的跨赤道能量輸送，對應熱帶降水向北（南）移動，從而導致熱帶降水的季節循環提前，同時影響了南北半球季風的起始時間。

PHTH試驗（高歲差高傾角）中 (a) 降水和 (b) 海表面温度年循環的EOF1空間模態，和對應的(c) 降水和(d) 海表面温度標準化PC1 (黑線)以及PLTH（低歲差高傾角）與PHTH的差

歲差作為一種天文現象是客觀存在，在發現歲差現象以後的2000多年時間裏，人們一直關心的是它在曆法方面的意義。因為歲差雖然每年僅差20分鐘，但這種變化是持續性的，如果依然沿用2000多年前的歷法那麼和實際的春分點已經相差30天左右，這將對人們日常生活產生大的影響。所以《黃帝歷》、《顓頊歷》、《夏曆》、《殷歷》、《周曆》、《魯歷》等所用上元和歲首就各不相同,《尚書•堯典》、《淮南子•天文訓》記載的分至點也都不同。

春分點星座變化（圖片來源網絡）

“有兩種東西,我對它們的思考越是深沉和持久,它們在我心靈中喚起的讚歎和敬畏就會越來越歷久彌新,其一是我們頭頂浩瀚燦爛的星空。”隨着人們對自然界的探索不斷加深，對歲差的研究擴展到曆法和天文以外的領域。最近20多年來人們對歲差驅動的熱帶季風變化已經取得了越來越深入的認識和理解,但是歲差引起的太陽輻射強迫具體通過怎樣的物理過程和機制來影響地球氣候還需要更多的研究。浩渺星空與我們之間的距離和聯繫，也許並沒有想象的那麼遠。

（圖片來自網絡）

參考文獻：

1. Ding, Z., Huang, G., Liu, F. et al. Responses of global monsoon and seasonal cycle of precipitation to precession and obliquity forcing. Clim Dyn (2021). https://doi.org/10.1007/s00382-021-05663-6

2. 羅樹元，論“歲差“，1987

3. 劉曉東 石正國，歲差對亞洲夏季風氣候變化影響研究進展，2009

來源：中國科學院大氣物理研究所