大气环流

大气环流 (英语：atmospheric circulation) 是指地球表面上大规模的空气流动，是（与较小规模的海洋环流一起）重新分配热量和水汽的途径。大规模的大气环流即使年年有所不同，其基本结构颇能维持不变。然而，个别天气系统，如中纬度低压区、热带对流环流等，是在“随机”情况下产生的，而且气象通常只能在发生前一段短时间内被预测。这段时间理论上可以长达一个月，而现在实际上只有十天左右（见混沌理论）。不过，这些系统总生成的结果气候较为稳定。热力环流是大气运动最简单的形式，由于地面的冷热不均而形成的空气环流。它是大气运动的一种最简单的形式。太阳辐射能的纬度分布不均，造成高低纬度间的热量差异，引起大气运动。近地面空气的受热不均，引起气流的上升或下沉运动，同一水平面上气压的差异和大气的水平运动都会影响热力环流的变化。其形成过程为：受热地区大气膨胀上升，近地面形成低气压，而高空形成高气压；受冷地区相反，从而在近地面和高空的水平面上形成了气压差，促使大气的水平运动，形成高低空的热力环流。热的地方空气受热膨胀上升，冷处收缩下沉。于是上空相同高度处，热地方单位面积空气柱重量（即气压）大，冷地方高空气压小，高空形成热－冷的气流。热处气流流失后，整个空气柱减轻，地面形成低压，冷处则形成高压，近地面形成冷－热的气流。加上上升、下沉气流，构成了热力环流。热力环流在现实生活中存在较为广泛，例如山谷风、海陆风、城市风等都是热力环流的具体体现。热力环流与城市规划有重要联系。城市内部由于人类活动排放大量余热，与郊区相比呈现“热岛效应”。城市与郊区之间会形成热力环流，为保护城市大气环境，在城市规划时，要研究城市风的下沉距离。一方面将大气污染严重的工业布局在城市风下沉距离之外，以避免工厂排放的污染物流向城区；另一方面，应将工业卫星城建在城市风环流之外，以避免相互污染。赤道低压带信风带副热带高压带西风带副极地低压带极地东风带极地高压带纬度环流亦称行星风系或气压带风带，地球上的风带和湍流由三个对流环流（三圈环流）所推动：哈德里环流（低纬度）、费雷尔环流（中纬度）以及极地环流。有时候同一种环流（譬如低纬度）可以在同一纬度（如赤道）有数个同时存在，随机地随时间移动、互相合并与分裂。为了简单起见，同一种环流通常当作一个环流处理。低纬度环流是人们研究较为深入的环流部分。由乔治‧哈得莱（George Hadley 1685-1768）所记述的大气环流模式，用以解释（信风）的形成，与观测到的非常符合，古代人利用它推动风帆飘洋过海，从事贸易活动，因此又称贸易风。这是一个封闭的环流，由温暖潮湿空气从赤道低压地区上升开始，升至对流层顶，向极地方向迈进。直到南北纬30度左右，这些空气在高压地区下沉。部分空气返回地面后于地面向赤道返回，形成信风，完成低纬度环流。低纬度环流基本活动于热带地区，在太阳直射点引导下，以半年周期往返南北。极地环流也同样是一个简单的系统。虽然相比赤道的空气，这里的空气比较寒冷干燥，但仍然有足够热力和水分进行对流，完成热循环。本环流的活动范围限于对流层内，最高也只到对流层顶（8公里）。往极地的气流主要集中在空中，而赤道方向的气流主要集中在地面。当空气到达极地范围，它的温度已经大大降低，在这高压干燥寒冷的地区下沉，受地转偏向力影响向西偏转，形成极地东风。极地东风与来自低纬的西风相遇后，相对暖而轻的西风气流爬升到高空形成上升气流，又分别流向南北，流向高纬的气流在极地下沉形成极地环流。极地环流的流出，形成呈简谐波形的罗斯贝波。这些超长波在影响于中纬度环流与对流层顶间喘流的流向，扮演重要的角色。极地环流如散热器般，平衡低纬度环流地区的热盈余，使整个地球热量收支平衡。可以说，在中高纬度地区，极地环流是影响这里气象的主要成因。虽然加拿大和欧洲在夏季会间中遇到暴风雨，在冬天从西伯利亚高压区所带来的寒冷才能感受到真正的严寒。实际上，就是因为极地高压区的气流，导致南极东方考察站在1983年录得地球有纪录以来最低气温：摄氏零下89.2度。低纬度环流与极地环流有着同一特点：两者都是由于地表的温度而出现，直接与热能相关。与此同时，其热能特点盖过其所产生的天气现象。低纬度环流大量传送的热能，和极地环流巨形的吸热能力，使除了特殊情况下，短暂气象的效果不能被系统接收，也不能产生。在纬度30度至60度以外地区，根本不能感受到中纬度气压中心无休止地每天由低转高再转低的情况。这两个环流颇为稳定，虽然不时增强减弱，但是并不会完全消失。由威廉‧费雷尔（William Ferrel 1817-1891）所提出的中纬度环流是一个次要的环流，依靠其余两个环流而出现，如一处于两者之间的走珠轴承。因处于中纬度的涡旋（eddy）循环（高压及低压区）而出现，故本区时而又称为“混合区”。在南面处于低纬度环流之上，在北面又漂浮在极地环流上。信风可以在低纬度环流以下找到，相同地西风带也可以在中纬度环流下找到。在近地面，副热带高压下沉至地面的空气中，其中一股流向更高纬度的气流，在地转偏向力作用下形成西风。西风在副极地低压与更高纬的极地东风相遇后上升。其中一部分流回副热带高压的上空，形成中纬环流。与低纬度环流和极地环流不同，中纬度环流并不是真正闭合的循环，而重点却在西风带上。不像信风和极地东风那样，有所属的环流捍卫着它们在该区的主导地位。盛行西风则不然，常常“听命”于经过的气象系统。在上空通常由西风主导，但是在地表风向可以随时突然改变。以北半球的参考系（观点）而言，往北的低气压或是往南的高气压往往维持甚至加速西风的流速；但是经过当地的冷锋可能扭转这种情况。而往北的高气压带来东风主导的气流，常常持续数天。气团移动是中纬度环流底层特色之一。环流吸收由地表低压区上升的空气，它所处的地方是影响气团位置的原因之一（在天气图上可以见到地表低压区是随气流移动的）。地表风整体的流向是从纬线30度至60度的。可是中纬度环流上空的流向尚未能完全界定，一方面因为环流本身处于极地环流与低纬度环流之间，没有一个强烈的热源或冷源推动对流，而另一方面地表涡漩也对上空环境造成不稳定影响。海水的比热容量远比陆地为高，所以陆地在冬季时的地表温度比海洋低，夏季时的地表温度比海洋高，造成大陆与海洋之间随季节更迭的热循环。当空气受热膨胀，密度便会降低，因而向上升；反之亦然。这使得在夏季时陆地的气压会比海洋低，海洋的暖湿空气向陆地移动，冬季时则相反，所以季风区在夏季和冬季的风向会相反，可以按此分为冬季季候风和夏季季候风。世界上季风气候最典型的地区位于亚洲东部，原因是该地有世界上最大的大陆亚欧大陆和最大的海洋太平洋。该地由此形成了独特的热带季风气候、亚热带季风气候和温带季风气候。三种环流在火星上都有。不过，太阳射在火星表面造成的回应与同，火星表面上夏季最热的地方不在赤道，而在夏季半球——即处于夏季的半球的热带和亚热带，因此火星上夏季环流圈不是像在地球上那样分布在赤道两边。3.大自然探索