大气环流

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  大气环流的唯一驱动力是太阳辐射。在重力、阿基米德浮力和因地球自转的科里奥利力的作用下，赤道和两极之间的温差使大气环绕地球流动。这种由热带地区信风驱动的全球尺度的环流在南北半球都有明确的结构：三个经向环流与五个纬向风带相联系，包括赤道附近的低空弱东风带，在每个半球的两个西风带：南北纬60°附近的极地高空急流和南北纬30°附近的副热带高空急流（其速度慢于极地急流）。在大气运动过程中，这些气流输送并重新分配来自陆地的热量和来自海洋蒸发的水汽。

1. 哈德莱环流

  赤道地区，在太阳直射的加热作用下，较轻的空气如同烟囱里的烟一样从对流层上升（见地球的大气层和气体层），周围的空气辐合，形成向赤道汇聚的风。受科里奥利力的影响，来自北方的空气转向右侧，来自南方的空气转向左侧。这些近地表的信风汇聚产生稳定缓慢的赤道东风气流，其速度虽然仅为20 km/h，但足以将哥伦布的帆船从西班牙推向西印度群岛和委内瑞拉。有关这一热带辐合带的更多详情，请参阅《信风的关键作用》一文。

  信风的上升气流在经过海洋时混入水汽。当它穿过对流层时，在高空冷却凝结变干，在重力作用下上升减缓，最终难以逾越像盖子一样稳定的对流层顶。当它上升支到达一定高度时，就分别转向南北（取决于在哪个半球）变成水平流动，以维持15km高空的气团通量守恒，从而形成哈德莱环流。乔治·哈德莱（George Hadley）[1]（1685-1768）是17世纪30年代的一位英国律师和业余气象学家，他早在古斯塔夫·加斯帕德·科里奥利（Gustave Gaspard Coriolis）的著作[2]（1792-1843）之前，就认为高空气流沿着子午线流向极地，在那里，气流冷却下沉。然而，事实并非如此，因为在气流远未到达极地之前，在科里奥利力的作用下，南北半球的气流都偏转向东，所以该虚拟力使哈德莱环流中增添了一段螺线状轨道的大气环流（见图2）。因此，由于地球自转，哈德莱环流的范围限于南北纬30°。

2. 极地环流与费雷尔环流

  在极地地区，与哈德莱环流相类似的经向环流是由来自对流层顶的冷干重空气的下沉造成的，这个纬度的对流层顶（约7到8公里）比热带对流层顶（约15公里）更低。然而，由于地球自转轴在极点附近是垂向的，在赤道附近几乎是水平向的，因此科里奥利力在极点附近最强，它施加到极地环流的影响比对哈德莱环流的影响大得多。这使得该对流环流的范围维持在南北纬60°。因此，在哈德莱环流（南北纬30°）和极地环流（南北纬60°）之间，出现了由美国气象学家威廉·费雷尔[3]（1817-1891）发现并以他的名字命名的环流（图2）。

  在南北半球，都可以注意到一个区域，在那里空气在高空冷却和干燥后下沉至地面。在两极附近，这种干燥的空气供应导致了北极和南极干燥气候的形成。在哈德莱环流和费雷尔环流之间，它形成了热带和温带之间的沙漠，如美国南部的沙漠，北半球的撒哈拉和戈壁沙漠，南半球的澳大利亚沙漠，以及安第斯高山。相反，在赤道附近、极地环流和费雷尔环流之间为上升气流形成的雨带。事实上，在海洋上空，随着海拔升高，温度和气压急剧下降，空气中的水汽冷却凝结形成降雨。这些丰沛的降水为赤道周围茂盛植被和温带地区肥沃土壤提供了条件。

3. 急流

  在南北半球，对流层顶以下约8~10公里的高度、费雷尔环流两侧的高海拔处，存在绕地球中纬度循环并振荡的西风环流。作为大气环流的主要分支，它们是日本气象学家大石和三郎（Wasaburo Oishi）在1920年发现[4]的 ，通常被称为急流（图4）。

  这些自西向东的风是由科里奥利力在狭窄区域产生的，这些狭窄区域的特征是南方的暖空气和北方的冷空气之间有很大的温差和气压差。它们的形成机制详见急流。与相对缓慢的赤道气流不同，极地急流非常快(速度在100到300公里/小时之间)，扰动很强，相较之下，副热带急流仍然很慢(50到100公里/小时)，并且更为稳定。

  它们之间的速度差异以及与赤道缓慢的东风有关的速度差异来自一种微妙的机制，这种机制与科里奥利力有关，直到19世纪末威廉·费雷尔（William Ferrel）才理解了这种机制。极地急流的高速和副热带急流的中速是由于旋转介质特有的力学量的守恒，即角动量（动力学定律）守恒。该角动量是地球自转速度和相对地球自转的风速的矢量和，即风的绝对速度与地轴距离的函数。简言之，在这个高度，地面摩擦可以忽略不计，在最高纬度需要高风速来补偿到地球自转轴的最短距离。

  本文只介绍了大气环流的平均状态，旨在强调其一般规律。由于天顶角的季节性变化，海陆的干湿差异，以及大气环流自身的不稳定性，它会发生强烈波动，参见信风的关键作用和急流。

4. 要点

• 热带地区的空气受到太阳辐射的加热而变轻，上升到对流层的顶部，南北方向的空气向赤道补充，形成了信风，从而形成哈德莱环流。
• 由科里奥利力表征的地球自转影响将哈德莱环流的范围限制在南北纬30°左右。在对流层顶，空气转向东，在南北半球产生相对缓慢的副热带急流（小于100 km/h）。
• 在极点和南北纬60°之间，温差产生了与哈德莱环流方向类似的极地环流，在这种环流中，靠近地面的风从两极吹向温带地区。
• 在同一半球的哈德莱环流和极地环流之间，由费雷尔环流填充，为维持三圈环流的连续性，这一地区近地面盛行向极风。
• 在对流层顶部，科里奥利力对费雷尔环流和极地环流之间转换的影响远大于对哈德莱环流和费雷尔环流之间转换的影响。这就产生了同样向东的极地急流。这些急流速度很快（100至300 km/h），并且其轨道相当不稳定。

 

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参考资料及说明

[1] George Hadley, Concerning the cause of the general trade winds, Philosophical Transactions of the Royal Society, 1735, vol.39, p. 58-62

[2] Gaspard Gustave Coriolis, Mathematical Theory of the Effects of Billiards, Carilian-Goeury, 1835

[3] William Ferrel, An essay on the winds and the currents of the oceans, Nashville Journal of Medicine and Surgery, No. 4, 1856

[4] Oishi Wasaburo, Raporto de la Aerologia Observatorio de Tateno, Aerological Observatory Report 1, Central Meteorological Observatory, Japan, 1926 (in Esperanto)