冬至之后白昼变长，为什么反而越来越冷了？

以下文章来源于科学大院 ，作者陈可鑫

本文来自科普博览大家族科学大院（ID:kexuedayuan）刚过去的周末，大家有没有被冻哭呢？（反正小编的手已经冻裂开了
近日又一波寒潮一路向南，不少省份已经被冻得发紫↓↓↓

不少小伙伴发出疑问：不是说冬至之后日照时间会加长，为什么还是这样冷？
的确，冬至是一年中太阳直射点到达地球最南位置、北半球日照时长最短的一天。过了冬至，太阳直射点逐渐从南回归线北移，北半球的白昼时长逐渐增加，大部分地区的太阳高度角（即太阳光的入射方向和地平面之间的夹角）也渐渐升高，北半球逐渐回归太阳温暖的“怀抱”。这样看来，冬至过后气温应该有所回升，然而，并不是？
（图片来源：veer）
Part.1

地球的温度从哪里来？
在解答上述问题前，我们需要先了解一下地球温度背后的能量来源。
太阳是地球的能量源泉，它以短波辐射的方式不断地向地球输送能量，是驱动地球天气气候形成及其变化的根本动力。但地球的温度并不会因为吸收了太阳能而无限上升。因为地球在吸收太阳能量的同时，也以长波辐射的方式向宇宙空间放出能量。
地球吸收能量的同时，也在释放能量（图片来源：NASA Robert Simmon）

根据斯特藩-玻尔兹曼定律，一个物体表面辐射的热量与其温度的四次方成正比，即一个物体的温度如果上升一倍（开尔文温度），那么它辐射的能量将增加16倍（2的四次方）。
所以如果地球温度升高，地球就会迅速向宇宙空间辐射更多的热量。也就是说，吸收太阳能量而升高的温度会导致地球产生更大的热量损失，这种辐射冷却方式是地球防止升温失控的主要机制。
通过计算能量的输入与输出，我们可以计算出地球系统的能量收支。复杂的地球系统可以简单地分为三个结构，自上而下分别是：大气层顶、大气和地球表面。
当太阳到达大气层顶时，大约有29%的能量被云、大气颗粒以及明亮的地面（如海冰和积雪）反射回太空。大气和地球表面吸收了总入射太阳能的约71％（其中大气吸收了23%，地表吸收了48%），一年中地球系统平均每平方米吸收大约240瓦的太阳能，因此必须向太空辐射同样多的能量，才能保持地球平均温度的稳定。
（图片来源：NASA Robert Simmon）
为了保持地表辐射平衡，地表通过蒸发（25%），对流（5%）以及热量辐射（17%）向外辐射能量。而大气除了直接吸收的23%的太阳能外，还有由地面向其输送的能量（25%+5%+17%），因此在大气层顶要向外辐射累计约71%的能量。从长期平均来看，地球吸收的太阳能量与向太空输出的能量处于平衡状态，即地球处于辐射平衡，全球温度相对稳定。
地球能量收支图（图片来源：NASA）

Part.2

地球辐射平衡那为什么全球不一样热？
由于地球是球体，太阳并不能均匀地加热地球上的每个地方。日照长短、太阳高度角的大小都会影响地球上某个地方获得太阳能量的多少，因此太阳对低纬度地区的加热远大于高纬度地区。而地球向外放出的长波辐射在各个纬度上都差不多，这就导致了低纬度地区的能量盈余、高纬度地区能量亏损。这种出现在地气系统内部的能量不平衡驱动了全球的大气和海洋环流，将低纬度盈余的能量向高纬度地区输送，以维持全球的能量平衡。
图片来源：NASA Robert Simmon
所以，当我们讨论某地的温度时，除了考虑这段时间内地气系统吸收的太阳能和向外辐射的能量外，还需要考虑能量的全球输送。如果在这段时间内，地气系统能量盈余，富余的能量就可以加热地表和大气，使温度升高；反之，地气系统能量亏损，温度自然降低。

Part.3

是什么让冬至后的太阳成为“冰箱里的灯泡”？

掌握了以上这些知识，我们就可以来解答“为什么冬至之后天气越来越冷”这个问题啦。
从冬至到第二年的夏至，虽然太阳直射点逐渐向北半球移动，但能量的恢复却是一个缓慢的过程。冬至后的一段时间里，虽然北半球吸收的太阳能量有所增多，但这些能量只能使亏损的能量“赤字”减少一些。
太阳直射点位置随时间的变化 （图片来源：网络）
总体来看，在这个期间北半球每一天的能量都处于“入不敷出”的状况，因此每天的温度都要下降一点点，所以我们会觉得越来越冷。而若北方的冷空气南下，这期间温度将会进一步降低。
正所谓“热在三伏，冷在三九”，夏至和冬至之时并不是一年中最热或最冷的时候。由于热量的缓慢亏损，在冬至之后的第三个九天才是数九隆冬中最冷的一段时间，即长辈口中念叨的“三九四九冰上走”。如果在“三九”中没有下雪结冰，人们也不觉得特别寒冷，那么很可能迎来一个暖冬。
（图片来源：NASA University of Maryland Steven Fons）
最后，不得不感慨古人对自然变化体察之深，虽观天象可知冬至后日照增长，但结合温度持续下降的自然节律，故取名“冬至”有“冬天将至”之意。所以，虽然冬日里的温度偶有回升，但朋友们不要轻易换下棉裤，未过“三九四九”仍需防范寒潮降温。待九九八十一天之后（冬至后的第九个“九天”），方可衣着轻便，拥抱春意。
参考文献:

[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

作者单位：中国科学院大气物理研究所本文已获转载授权，如需转载请联系原作者文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场

来源：中国科普博览