一年里最冷最热的时间分别是哪一天？温度是多少？看完就懂

　　我们都知道，一年有四季，春、夏、秋、冬，寒来暑往，夏天日子长，冬天日子短。夏天有一天叫夏至，那一天在整年中，白天的时间是最长的。同样，冬天有一天叫冬至，那一天在整年中，白天的时间是最短的。夏至一般在每年夏季的6月22日左右，而冬至，则在冬季的12月22日左右，两个日子相距半年。那这左右具体是21、22、还是23号呢？都有可能，这个问题是天文学家的事，每年都会提前算好公布在年历上，不用我们担心。
　　但是跟这夏至冬至这两天相关的却有一件事情和我们的生活息息相关，那就是：既然地球的光和热来源于太阳，那么白天长、黑夜短的时候，地表从太阳接收的能量多，天气就会变热，反之，白天短、黑夜长，地表从太阳接收的能量少，天气就会变冷。可是，白天最长的夏至那天，接收了最多的能量，却不是一年中最热的日子；同样，白天最短的冬至那天，接收了最少的能量，也不是一年中最冷的日子，这是为什么呢？另外，再具体说，我们是否可以知道，具体哪一天会最冷、哪一天会最热，最冷和最热那天的温度可以进行预报吗？
　　我能够提前知道哪天最冷，溜到春城去呆呆吗？
　　回答问题之前，我要说明，这些问题，统统与太阳有关。没有太阳，我们地球人只能生活在黑暗和寒冷中，甚至，如果没有太阳给我们提供光和热量，我们人类根本就不可以存在于这个世界上。太阳对于我们这么重要，我们当然要了解如何更好的适应这大自然的馈赠，把自己活得滋滋润润的。所以问题值得研究解决。
　　解决这个问题，我们先要来讲一个物理学的概念，叫热容。
　　所谓热容，是指物体吸收一定的热量后，温度升高，我们把所吸收的热量和温度升高的度数的比值称为热容。热容越大，说明每使它升高一度的温度，所需要的热量越大，或者反过来说，给予一定的热量，热容小的物体升温越快。举个例子，我们用同样的火给一杯水和一锅水加热，当把一杯水烧开时，一锅水还在温腾腾，这样我们就说，一盆水的热容比一杯水大。从这个例子我们也可以看出，热容和物体的质量有关系，一般来说，质量越大，热容也就越大。
　　对于太阳照射地球这事来说，地球陆地表面和地表附近的水体、空气构成了一个巨大的能量吸收系统，称给地表热容系统，它大量吸收太阳光能量的同时，也在向外散发能量，是一个动态平衡的热量循环系统。我们平常对温度的感觉，主要来自于地表附近的空气，是和组成地表热容系统的水体、陆地表面相互作用的子系统。
　　白天的时候，由于太阳照射，吸收的能量超过散发的热量，气温慢慢升高；日落之后，散发的热量超过吸收的热量（夜晚空气也吸收热量的，这些热量来自于陆地和水体的幅射，只不过较弱），气温就逐步降低。
　　在地球赤道附近，由于常年白天和黑夜的长度相近，在不受大范围的大气环流或海流影响的情况下，白天吸热和夜晚散热几乎可以平衡，形成了日平均气温变化不大的情况。但是其它地方，由于昼夜长短的变化，就会导致每天吸收和散热不均等，日内平均温度出现变化，也就了现了季节变化。
　　空气虽然密度小，但是由于在地表附近大范围的空气系统的总质量非常大，它的总热容也就相当大，而且因为同时还有散热，导致想要让它的日内平均温度升高一度，可能需要在太阳作用下数天才可以办到。
　　在赤道以外的地区，夏至那天，虽然日照时间最长，地表热容系统已经接收了最大的单日太阳辐射能，但是之后的日子，白天依然长过黑夜，地表热容系统白天吸收的太阳能量仍然超过全天散发的能量，所以热量继续积累，导致日平均气温还可以继续升高。那么，这种热量积累、平均气温升高的状态，是否要持续到白天缩短到和黑夜的长度一样长那天才停止呢？简单讲，也不是这样。因为随着气温的升高，大气的流动性增强，会通过大气运动把热量带到更远的地方，另外随着气温和地表平均温度的升高，向外辐射的能量也越来越多，以及雨季的影响，平均气温在夏至之后虽然继续升高，但每天积累的热量越来越少，温度升高的速度也越来越慢，最终有一天，大概在夏至之后一个月左右，平均温度不再升高，气温会达到顶峰。随后的日子，由于白天会越来越短，导致当前的地表系统吸收的热量赶不上散发的热量，温度就慢慢的凉下来，要准备进入秋天了。
　　冬至的情况和夏至相反，虽然日照时间最短，该天地表热容系统损失的日均能量最多，但之后的时间，因为日照时间仍然短于夜晚时间，热量还会继续损失，只不过，随着日照时间长度的恢复，平均每天损失的能量越来越小，直到大约一个月后的大寒节气附近，也就是我们常说的数九寒冬，在三九、四九天左右，日均能量损失才变为零，日均气温最终探底，最冷的日子到来了。再往后，随着日照时间增加，地表热容系统白天吸收的能量大于全天散发的能量，环境气温开始慢慢升高，春回大地的日子就近了。
　　这个现象是否可以用数学公式和函数图形来表达呢？我们认为是可以的，只不过真正能够解释清楚这个现象的比较精确的公式，涉及到天文学和物理学、数学相结合的复杂计算，下面我们尽量简化来说明大致的原理：
　　1、每个地方日照时间的变化，和它所处的纬度及年月日时间有关，比较精确的计算公式，要考虑到地球绕太阳运动的轨道是椭圆而不是正圆，以及地球本身不是一个正圆球体、山区和平原海拔高度的不同情况等，涉及到近日点、远日点、地球公转轨道平面黄道面、晨昏线、南北回归线、每年的天数等天文、地理概念，以及数学上的圆周率π，三角函数等。在以广阔地域做普遍讨论时，我们忽略地球实际不是一个正圆体，也忽略山区和平原的不同，来探求一个普遍性的可参照公式，这个公式如下(本文不做推导)：
　　日照时长公式
　　图1、日照时长公式的图形演示-纬度与日照时长的关系
　　上述公式，类似于在最长日照时间和最短日照时间的年平均值，也就是12小时基准线上，叠加了正弦变化波形，只不过这个波形的振幅与纬度有关，纬度越低，一年中最长日长和最短日长的差距越小，如果在赤道上纬度为零，就不存在这个波动。
　　2、掌握了一年里，日照时间随纬度和日期的变化规律，下面我们来推导某地一年中最热和最冷的日子。
　　上面讲过，地表热容系统在接受太阳辐射时，并非只接不散，而是一边接收、一边散发。这可以类比于电学上的串联电路：由一个电阻和一个电容串联在一起的电路：
　　如图：
　　图2、RC阻容串联电路
　　当电流通过电阻和电容串联电路时，电阻消耗掉一部分电流的能量；剩下的就给电容充电，导致电容的电压升高。
　　那么对于地表热容系统，在接收太阳发送过来的能量时，吸收后存储起来对应的热容，相当于电路的电容；而接收的同时又耗散掉那部分，相当于电路的电阻，我们暂且称之为热散（为什么不类比电阻叫热阻？因为热阻这个词已经被做为科学名词使用，是表示物质的隔热能力的意思，并不是这里讲的消耗热流能量的意思）。上述系统我们称之为太阳能热流回路系统。
　　参照电阻的定义：电阻等于加在它上面的电压和流经该器件的电流的比值，意即流过单位电流时，需要加在电路中的电压，单位是：V*S/Q即：伏*秒/库仑，简称欧姆。
　　我们进行热散的定义：加在它上面的温度差和流经该器件、被消耗掉的热流量的比值，单位是K*S/J，即：度*秒/焦耳，K是温度，J是焦耳。
　　同样，类比电路中的电容，定义为电压每升高一伏，可以储存的电量，单位是Q/V，即库仑/伏，简称法拉。
　　我们定义热容：物体温度每升高一度，所吸收的热能，单位是J/K，即焦耳/度。
　　当我们把时间周期拓展到以年为单位来观察时，如图1所示，我们就发现，随着斗转星移、季节变换，从日照时间的变化，某地方地表接收到的太阳能能量流，其实也在以年为周期的变化，就类似交流电一样，我们称之为太阳能交变热流。当然，在一天之内，因为存在白天和黑夜的变化，其实流过地表太阳能热流回路系统的能量，也存在以天为单位的高频变化（相对于年度变化而言），只是因为我们现在不是研究天以内的问题，而是把一天天的变化结果做了平均，来观察年度中的变化。
　　那么，对于绝大部分地区，一年中的平均气温都不是零度，相当于电路中的平均电压不为零，我们就可以类比为电路中有一偏置的直流电源，再叠加上正负交替的交流电的情况，把这个太阳能热流回路抽象化为：
　　图3、地表热流传播及吸收回路的等效系统
　　热流能量传播吸收系统的变量定义
　　有了这个回路系统，我们下面就可以来推导，作为地表热容系统作用的结果，什么时候能够达到最高温度和最低温度了。
　　根据电路的知识，如果提供给系统的是周期性变化的电流，那么系统就能够得到一个稳态输出，输出也是周期性的。当输入电流是单一频率的纯交流电，那么电路两端的电压也会是一个单一频率的纯交变电压，只不过相位和输入电流不一样，会滞后一个角度。我们研究的地表热容系统接收太阳能现象，在以连续多年为单位进行考察时，是近似符合这个规律的（当然，要精确研究的话，涉及的问题和变量比较多，这里是要揭示这一过程中占主导作用和效果的规律和现象，可以忽略那些属于次级影响、在数年内对观测结果影响不大的规律）。
　　具体来说，在RC串联交流电路中，令ω表示电路的圆频率，交流电流为：
　　引入复平面上的虚函数来表征电容上电压变化和流过它的电流存在相位差这一事实，RC总阻抗为：
　　相位角ψ为负值表明电路两端电压的波形落后于电流的波形一个时间差。
　　那么，因为我们上面已经做过类比，其实这RC电路系统和我们目前研究的地表太阳能热流回路系统完全是一种模式类型，不同的只是换算的单位和具体的数字不同，所以我们可以直接引用上面的结果，也就是：
　　对于我们这个地表太阳能热流回路系统，它的温度变化规律是：
　　好了，现在结果公式出来了，那我们来看一下，是否可以算出一年中的最高温度、最低温度，以及最冷和最热的日期了：
　　热散值大，表示能量流通过时，会截获较高的温度，这是为了研究方便，抽象出来的一个系统热力学特性，我理解它是系统通过幅射及传导传播、耗散能量的能力，举个例子，太阳照在真空管集热器上，然后通过这个集热器加热了水，在这个过程中，如果集热器内外侧温差比较大，就说明它自身的热散比较大，这时传到水那里的能量就低一些，水温就不会很高，但总体来讲，水温加集热器两端的温度就会比较高。
　　热容在分母上，在公式中表示：如果热容越大，那么这个温度的振幅就会越小，年度最高温度和最低温度的差别就会越小，也就是说，冬天不会太冷、夏天不会太热，我们人就会感觉比较舒服一些。一般来说，地表如果裸露，没有森林和水体的覆盖，热容就会小一些；反之，热容就会大一些。从这个公式我们可以看出，为了避免受到极端高低温危害，我们应当保护环境，多种树、兴修水利。
　　那么从公式，是否可以推算出什么时间，会迎来年度中最高的日均气温和最低的日均气温呢？
　　实际上，从公式来看，各地的环境不同，热散及热容不同，在没有做进一步的研究和测量分析的情况下，自然我们也没有办法用这个公式直接算出当地的年度日均最高温和日均最低温，以及夏至及冬至后经过多长时间迎来日均最高温和日均最低温。
　　但是，根据推导的公式和曲线图像，我们知道了，在地表热容系统接收的太阳能量（以日照时间长短为参照）以年为周期的日子间是一个准正弦波的情况下，我们也能够明确知道，对应的地表附近环境的日平均气温，在不考虑其它变化因素如下雨、刮风等的情况下，其变化规律也是一个准正弦波，而且这个波形滞后于日照时间的变化，相当于对它做了一个右移。
　　那么，我们根据生活经验中＂冬练三九、夏练三伏＂的描述，以及年历中关于＂大暑＂、＂大寒＂节气的安排，平均来讲，一年中最高日均气温出现在大暑节气左右，在夏至之后约30天，一年中最低日均气温出现在大寒节气左右，在冬至之后30天，对日照时间曲线做一个平移，就可以推演出，在北半球的中国，大部分的地区，平均气温升高的趋势，大体上如下图所示：
　　图4、地表环境气温与白天时长的关系推演
　　在不同的地区，由于地理环境的变化，当地热容和热散不同，气温曲线的变化趋势也就是在当前的普遍平均趋势图形的基础上，向左或向右平移一点，同时峰值升高或降低一点而已。
　　这种变化的趋势的全貌图形，对我们理解季节变化，适应环境以及改变环境、让生活更好实在是有很大的帮助的。
　　此外，即便我们测量出了当地的热散值和热容值，我们也还是无法精确推算出该地哪一天的平均气温最高，因为实际上影响各地日平均气温的不仅是纬度、太阳日照时长，还受大气环流（风）、云雨天气、人类大规模活动如大面积种植、城市汽车与交通、大型建筑工程项目如人工湖等因素的影响， 只不过后面这些其它的因素会叠加在由上述公式确定的本征周期性变化中，同时，由于地球地质环境在历史长河中的改变、太阳辐射能量随太阳生命周期的演化也在不断的变化中，我们上述的公式，只能在相对不太长的时间周期中窥见一般性变化规律。
　　而各地真实的平均日温曲线，类似于在上面基本规律趋势线的基础上，叠加了一些随机变化，结果就成下图这样了：
　　图五、地表环境气温与白天时长的关系推演与示意
　　也就是说，各地真实的日均气温，每天不一样，每年不一样，只是在它的变化背景中，潜藏着我们今天推导的那些规律性趋势。
　　根据这个图形，我们就可以来做总结，并给出本文所提问题的答案了：
　　1、一年里什么日子会最冷或最热？
　　首先，我们看上图中地表环境气温（日均气温）趋势推演图（虚线），一年中日均气温最低的日子，一般会出现在冬至之后的30天左右，具体来讲，如果当地植被等情况好、有湖泊等，地表附近热容大，那么曲线可能会偏左一些，最冷的日子离冬至那天更近，反之，最冷的日子可能离冬至更远。然后在这个可进行事先判断的因素之外，还有一些随机性因素，会导致我们无法事先知道在预计的时间点附近，具体哪天会最冷；最热的情况以此类推，也是可以根据影响当地地表系统热容的因素进行评估后初步预判，大致在夏至后的30天左右，但具体是哪一天，只有发生了才知道。
　　2、天气最冷或最热时候的温度是多少度？
　　回答之前，我们需要首先对这个问题做一个限定，即在本文中，＂最冷＂是指某一天，该天的日平均气温在全年最低，我们感受到这一天最冷，而不是说，这一天中的某个时刻，气温达到了全年最低。因为我们这篇文章研究的只是日内平均温度。虽然某时刻气温达到全年最低的那一天，也可能就是我们讲的日平均气温最低的那天，但不是我们要说明的问题。以下＂最热＂也以此类推。
　　解答这个问题要结合图1、纬度和白天时长的关系，以及图五、地表环境气温与白天时长的关系推演与示意来看，答案是：
　　1）高低温的范围判断：与当地的纬度密切相关，高纬度地区，受日照时间长度在一年中大幅波动的影响，冬季日照时间很短，太阳高度角很低，接受太阳辐射能就小，最低日内平均气温会很低；夏季虽然日照时间较长，但因为高纬度导致太阳高度角的倾斜，实际接收到的太阳辐射能也不会比低纬度地区高，所以最高气温比起低纬度地区，也不一定高。总之，纬度越高，平均气温越低，气候也就越寒冷。
　　2）回顾某天的日均温度特征规律：
　　根据特征规律公式，气温是以年为周期性的三角函数，我们可以知道去年和今年的情况基本相同，所以日均最高气温和日均最低气温可以参照往年数据，大致在往年的值附近，跑不了太远。但是具体来说，因为事实上的温度受各种因素影响，是叠加在特征规律上的变数，又不可能事先准确预知。
　　最后归纳两个问题，其实，答案中蕴藏的哲理是这样的：在总体可把控的年度可重复性趋势中，不具备对问题所要求解决的具体发生时间和具体最高最低温度数值的可精确计算性，或者叫宏观可观测和预判，而微观测不准原理。
　　这应了一句话：万事万物都在生生灰灰的变化中。设想一下，假若所有事情都可以用公式来精确表示，那么也就意味着我们的生活都被规定好了，没有什么新意可言，那我们活着也就了无趣味了。生活的真谛就是能够勇于去面对那些不确定性的挑战，去发现那些未知的世界，去创造以前没有的体验，人生就是一场经历。