当古人在春分播种、霜降储粮时，他们或许未曾想到，自己正无意识地使用着一部精妙的 “气候钟”；现代人需要向中国古人学习，发展“现代气候参考系统”，因为气候是要认识的，极端暴雨、冰雹和异常气候才需要预报。从观星定节气到卫星监测天气，人类对大气异常变化的探索，始终围绕着一个核心问题：如何定义 “正常” 的气候，从而精准识别极端天气和异常气候？
大气，这层包裹地球的无形圈层，时刻处于大的动态平衡与小的扰动之中。它上接太阳辐射，下连陆地、海洋与生物圈，能量与物质的交换从未停歇。这种动态平衡一旦被打破，小则引发暴雨、冰雹、高温等短期极端天气，大则导致冰川融化、季风强弱等长期气候异常。要读懂这些异常，我们首先需要一个 “基准线”—— 就像用时钟判断 “迟到” 与否，我们也需要一部 “气候钟” 来界定天气和气候的 “正常” 与 “异常”。

一、中国古人的智慧：二十四节气里的 “气候钟”
早在文字诞生之前，华夏先民就开始了对气候规律的探索。他们发现，太阳的起落、星辰的移位、草木的枯荣，背后隐藏着一套循环往复的规律。这部由自然现象 “校准” 的原始 “气候钟”，最终凝结为影响中国数千年的二十四节气。

从观象授时到节气定名：一部 “气候钟” 的诞生
中原地区，是这部古老 “气候钟” 的发源地。这里四季分明的气候特征，为观察气候循环提供了天然条件；发达的农耕文明，又迫切需要精准的农时指导。早在远古时期，商族始祖契就以燕子 “春分来、秋分去” 的习性判断节气，帝喾则通过观测北斗星与太阳的位置，划分出四季的界限。这些早期探索，为 “气候钟” 埋下了第一颗 “齿轮”。

秦汉时期，二十四节气正式定名，标志着这部 “气候钟” 的核心框架最终成型。为何是中原？一方面，中原作为政治、经济与文化中心，其制定的历法具有天然的辐射力；另一方面，这里的气候循环稳定清晰 —— 立春时阳气回升，夏至时白昼最长，霜降时气温骤降，这些规律与农业生产高度契合，成为 “气候钟” 的 “刻度”。

此后，这部 “气候钟” 不断被打磨精进。西汉《太初历》首次将24节气纳入历法，明确了其天文位置；唐朝《大衍历》详细记载了日月星辰的运动，让 “钟摆” 的运转更精准；元朝《授时历》以 365.2425 天为一年，精度达到古代历法的巅峰，这部 “气候钟” 也因此成为指导农业生产的 “金科玉律”。

古人 “气候钟” 的两大妙用：务农与观天

对古人而言，24节气这部 “气候钟”，首先是农耕生产的 “导航仪”。“清明前后，种瓜点豆”“白露种高山，秋分种平川”，这些流传千年的农谚，本质上是将 “气候钟” 的 “刻度” 转化为农事动作。农民依据节气安排播种、耕耘与收获，让农业生产顺应自然规律，这也是中国古代农耕文明长盛不衰的重要原因。

其次，这部 “气候钟” 还是观测气候异常的 “警报器”。它描述了太阳周年运动与气候循环的正常关系 —— 若某个节气未出现对应的气候特征，比如 “立春未回暖”“夏至无高温”，古人便知气候发生了异常。《竹书纪年》记载周孝王时 “长江与汉水冰封”，《春秋》提到鲁国 “春正无冰”，这些记录本质上是 “气候钟” 与实际气候的 “偏差报告”，为我们研究古代气候异常留下了珍贵的 “历史档案”。中国古人对气候变化与气候异常早有明确的定义。

二、现代气候钟：给每个地方定制 “气象基准”

古人的24节气虽精妙，却有一个明显的局限：它以中原气候为基准，无法精准适配其他地区。对沈阳而言，立春时可能仍寒风凛冽；对广州来说，霜降时气温或许仍温暖如春。随着气象观测技术的发展，人类需要一部能 “因地制宜” 的现代气候钟 —— 为每个地区、每个时间点，都设定专属的 “正常气候” 基准 [1]。

现代气候钟的核心：找到 “无异常” 的气候循环
现代气候钟的本质，是为大气中的每个空间点（比如一个气象站），建立 “上下界面强迫与大气内部达到平衡时的正常大气状态”。简单来说，就是找到这个地方 “没有极端天气、没有异常波动” 的气候循环模式，以此作为判断异常的基准。

如何构建这样的循环？科学上有两种方法：

第一种是 “筛选法”。在过去上万个日子里，筛选出 “无异常” 的日子 —— 没有暴雨、没有寒潮、没有极端高温与低温，将这些日子的 24 小时气温、湿度、风力等数据整合，就能得到 “日循环” 基准；再将一年 365 天的 “日循环” 串联，便形成了完整的 “年循环” 基准。

第二种是 “平均法”。利用气象站数十年的逐小时观测数据（比如过去 30 年），计算每年 1 月 1 日 01 时的平均气温、平均气压，再计算 02 时、03 时…… 直到 24 时的平均值，得到 1 月 1 日的 “日循环”；依此类推，计算出全年 365 天的 “日循环”，最终形成包含 8760 个小时数据的 “年循环” 基准。该法的本质是将正、负扰动平均掉。

无论是哪种方法，最终得到的都是一部 “地方定制版” 气候钟。比如沈阳的气候钟，1 月 1 日 01 时的平均气温可能低至 - 20℃；而广州的气候钟，同一时刻的平均气温或许仍在 10℃以上。这部钟的 “指针”，就是当地最常见、最稳定的气候状态。

现代气候钟的意义：从 “正常描述” 到 “异常预报”
与古人的气候钟相比，现代气候钟的核心价值在于 “区分可预报的异常”。它明确了：气候钟本身的循环是 “气候资源”—— 比如某地夏季常年高温多雨，这是可以利用的规律；而偏离这个循环的部分，才是需要预报的 “极端天气” 或 “异常气候”。

例如，若广州 7 月1日的平均气温是 28℃（气候钟基准），某一年 7 月1日的平均气温达到 35℃，高出的7℃就是 “异常高温”；若沈阳 12 月的平均降雪量是 10 毫米（气候钟基准），某一年 12 月降雪量达到 50 毫米，多出的40毫米就是 “异常降雪”。现代气候钟，让 “异常” 不再是模糊的感受，而是可以定量计算的科学数据。这是预报员工作中需要调整的观念和方法更新：认识气候，预报异常，发布总量。

三、三维气候钟：看透全球大气的 “立体异常”

地面气象站的气候钟，就像给地球表面 “贴” 了一层基准线，但大气是立体的 —— 从地面到对流层和平流层，不同高度的温度、湿度、风力都在变化。要全面理解极端天气，比如台风、寒潮，我们需要一部覆盖全球的 “三维气候钟”，看透大气从下到上的 “立体异常”。

如何构建全球三维气候钟？

三维气候钟的核心，是 “全球参考大气”。科学上要整合三大类数据：

1.地面观测数据：全球数万个气象站数十年的逐小时记录；

2.高空观测数据：探空气球、飞机等探测的不同高度大气数据；

3.卫星观测数据：气象卫星拍摄的全球大气影像，填补海洋、沙漠等无观测区的空白。

这些数据被 “同化” 为 “历史再分析数据”—— 可以理解为给过去几十年的全球大气，做了一份 “高清立体档案”。之后，科学家们对每个空间点（经度、纬度、高度）、每个时刻（一天 24 小时、一年 365 天）的大气变量，计算过去几十年的平均值，最终形成包含 “全球 - 全高度 - 全时刻” 的三维气候钟。

有了这部钟，我们不仅能知道地面的 “正常气候”，还能知道 10 公里高空的 “正常温度”、5 公里高空的 “正常风力”。比如，台风成熟时，其中心上空对流层顶的温度会显著高于三维气候钟的基准值 —— 这种 “立体异常”高温中心，正是台风强度的重要指标。

三维气候钟的应用：绘制 “扰动天气图”

三维气候钟的最大价值，是能生成 “扰动天气图”。所谓 “扰动变量”，就是实际大气变量与三维气候钟基准值的差值 —— 比如实际温度比基准值高 2℃，就是 “正扰动温度”；实际风力比基准值大 3 米 / 秒，就是 “正扰动风力”。

扰动天气图就像大气的 “CT 影像”，能清晰显示极端天气的 “病灶”：

·暴雨来临前，扰动湿度会显著升高，扰动风会形成旋转气流，甚至正交碰撞；

·寒潮爆发时，扰动温度会出现大范围负异常，扰动风会驱动强冷气流；

·台风发展时，扰动气压会出现极低值，扰动风会形成螺旋状强风与多股气流辐合碰撞，形成高质能密度和异常对流加速度。

通过扰动天气图，人们能精准判断极端天气的位置、强度和移动方向。比如 2021 年7月郑州特大暴雨前，扰动湿度图显示那里出现了高湿度扰动中心，扰动风和扰动物理量正持续向该区域汇聚 —— 数值模式产品中的这些信号可提前数天预警暴雨发生[2]。

四、解码极端天气：从千年趋势到小时级风暴

有了三维气候钟，研究者就能对大气变量进行 “物理分解”—— 像剥洋葱一样，把不同时间尺度的异常层层分开，找到极端天气和异常气候的 “源头”。这种分解，让我们明白：从千年尺度的气候冷暖，到几十分钟的冰雹、龙卷风，不同异常背后，有着不同的 “推手”，而不是指向一个“上帝”。

大气异常的 “时间尺度金字塔”

物理分解后，大气异常就像一座 “时间尺度金字塔”，从下到上，时间尺度越来越短，异常强度越来越大：

1.千年尺度：单位时间长度上的异常值最小，主要由地球轨道变化、太阳辐射长期趋势等 “慢变量” 驱动。比如过去千年的全球气温缓慢变化，就与这些因素密切相关；

2.百年 / 年代 / 年际尺度：异常值逐渐增大，由太阳黑子周期（11 年）、海气耦合（如厄尔尼诺现象，2-7 年周期）等驱动。比如厄尔尼诺会导致全球不同地区的气候异常；

3.季节 / 季节内尺度：异常值较大，主要由区域尺度的大气 - 海洋 - 陆地耦合驱动。比如中国夏季的丰梅雨，就是季节尺度的异常降水；

4.几天 / 几小时尺度：异常值最大，是局地大气内部的 “热生风、风生雨” 过程。比如龙卷风、冰雹、雷暴，都是几小时或几十分钟内爆发的中小尺度极端天气，能量密度极高。

这座 “金字塔” 有一个重要规律：时间尺度越长，空间尺度越大；时间尺度越短，空间尺度越小。比如千年气候变暖是全球尺度的，而龙卷风只影响几公里范围。但正是这些小尺度、短时间的异常，往往能量最集中，对人类的威胁也最大，应该集中更多的资源研究和预报。不同时空尺度的极端天气和异常气候形成的归因不同，不能混淆。

极端天气和异常气候的 “归因密码”

物理分解不仅能区分异常的时间尺度，还能找到它们的 “归因密码”—— 即是什么因素导致了异常：

·千年尺度冷暖：主要归因于地球轨道参数变化（如地轴倾斜角度的长期变化）和太阳辐射的长期趋势；

·百年尺度异常：与太阳黑子的 60 年周期、人类活动（如土地利用和工业革命后的温室气体排放）有关；

·年际尺度异常：厄尔尼诺 - 南方涛动（ENSO）是最主要的驱动因素，它会改变全球大气环流；

·分钟和小时尺度极端天气：如冰雹、龙卷风，主要归因于局地热力扰动形成扰动气流的正交碰撞，那里激发出高质能密度和强烈的对流运动，最终上升运动加速度超过重力加速度。

值得注意的是，小尺度极端天气（如雷暴、冰雹）具有 “偶然性”—— 即使在全球变暖或变冷的大背景下，它们也都能够发生。明确了因果关系，气象研究才不会去赶时髦。

结语：气候钟的进化，是人类对自然的敬畏与探索
从古人观星定节气，到现代人绘制全球三维扰动图，气候钟的每一次进化，都标志着人类对大气规律的认知又深入了一步。这部钟的本质，不仅是一套科学工具，更是人类对自然的敬畏 —— 它让我们明白，极端天气和异常气候不是 “无妄之灾”，而是大气偏离 “正常循环” 的信号；而读懂这些信号的过程，正是人类不断学习与自然和谐共处的过程。

未来，随着人工智能、量子计算等技术的发展，气候钟还将更加精准 —— 或许我们能提前几天预测龙卷风的路径，提前几个月预测汛期中的暴雨频率和强度。但无论技术如何进步，气候钟的核心不会改变：以 “正常” 为基准，识别和预报“异常”，最终守护人类赖以生存的地球家园。当前的气象AI大模型，其前期的机器学习就已经学习到了全球大气变量变化中的参考大气——气候钟规律。

参考文献

[1] Qian WH (2017) Temporal Climatology and Anomalous Weather Analysis. Springer Atmospheric Sciences, 687 pp.

[2] 钱维宏，孔海江，赵培娟等（2022）河南“21•7”特大暴雨常规与扰动天气形势分析. 地球物理学报, 65(11): 4208-4224.

来源: 钱维宏