大气环流

　　大气环流指的是地球表面上大规模的空气流动，以及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。

大气环流的发现

　　大气环流的发现历史经历了一个漫长的过程。

　　1686年，英国人哈雷(Halley)在收集了各种航海资料，并亲自进行了远航科考之后，发表了信风理论。哈雷描述了热带信风的基本规律：赤道无风，赤道以北盛行东北信风，以南则为东南信风。同时，哈雷还绘制了南北纬30°间的信风分布图。在著作中，哈雷还对信风的成因作了阐述。他认为，信风的成因是由于热带地方热空气上升。印度洋信风的形成是由于海陆温度变化形成的。

　　哈雷的信风理论对后来的航海起了很大的指导作用。然而，哈雷的信风理论并非尽善尽美。哈雷的理论在不少区域并不适用。1735年，哈德莱提出了他关于信风环流的解释。哈德莱修正了哈雷的理论，他首次考虑了地球自转因素对大气运动的影响。

　　在哈德莱的年代，观测资料十分有限，没有高空观测资料，而且地转偏向力在一百多年之后才被明确阐明并应用于气象学，因此，哈德莱对信风的成因解释得并不是十分清楚。但是，他对风与地球自转关系的说明极富创造性，对气象学理论的发展做了极大贡献，也为日后气象学家研究大气环流奠定了基础。为了纪念他的功绩，人们至今仍把低纬环流称作“哈得莱环流”。

　　地转偏向力由法国物理学家科里奥利在1835年、法国数学家泊松在1839年归纳为数学形式。1843年，特雷西将其应用于气象学解释。

　　1856年，费雷尔第一次将地转偏向力用于大气环流成因的解释上。1859年，费雷尔发表了《地球表面流体和固体的相对运动》，文中指出，由于地转偏向力的影响，北半球低纬度地面的盛行风偏为东北风，南半球偏为东南风。费雷尔还首次提出中纬度地区也存在一个经向环流圈。因此，中纬环流圈也叫作“费雷尔环流”。

　　1888年，德国科学家亥姆霍兹认识到了摩擦力的重要性，进一步解释了大气环流的规律与成因。

　　20世纪20年代，挪威学派的代表人物瑞典科学家伯杰龙在前人研究的基础上，正式提出了三圈环流理论，这是人类第一次从整体上看待全球的大气运动。但是，需要说明的是，三圈环流理论并不是一个完美的理论，大气环流中的一些现象如在高空的风向、风速和范围等仍然没有得到很好的解释。

　　进入20世纪40年代，高空探测资料日益丰富，海洋上的资料空白得到了补充。20世纪60年代以后，在气象卫星的帮助下，科学家们对大气环流的研究日益深入，理论日臻完善。

大气环流形成原因

　　大气环流主要与太阳辐射、地球自传运动、地表性质作用和地面摩擦作用相关。

　　1、太阳辐射作用

　　大气运动需要能量，而能量几乎都来源于太阳辐射的转化。不同纬度得到的太阳辐射能不同，低纬地区因净得热量不断增温并膨胀上升，极地大气因净失热量而不断冷却并收缩下沉。

　　假设地球表面性质均一并没有地转偏向力，则气压梯度力的作用将使赤道和极地之间构成一个大的理想的直接热力环流圈。太阳辐射对大气系统加热不均是大气产生大规模运动的根本原因，而大气在高低纬间的热量收支不平衡是产生和维持大气环流的直接原动力。

　　2、地球自传运动作用

　　大气是在自转的地球上运动着，地球自转产生的偏转力迫使运动空气的方向偏离气压梯度力方向。在北半球，气流向右偏转，结果使直接热力环流圈中自极地低空流向赤道的气流偏转成东风，而不能迳直到达赤道;同样，自赤道高空流向极地的气流，随纬度增高，偏转程度增大，逐渐变成与纬圈相平行的西风。

　　可见，在偏转力的作用下，理想的单一的经圈环流，既不能生成也难以维持，因而形成了几乎遍及全球(赤道地区除外)的纬向环流。因而地球自转是全球大气环流形成和维持的重要因子。

　　3、地表性质作用

　　地球表面有广阔的海洋、大片的陆地，陆地上又有高山峻岭、低地平原、广大沙漠以及极地冷源，因此是一个性质不均匀的复杂的下垫面。

　　从对大气环流的影响来说，海陆间热力性质的差异所造成的冷热源分布和山脉的机械阻滞作用，都是重要的热力和动力因素。海洋与陆地的热力性质有很大差异。夏季，陆地上形成相对热源，海洋上成为相对冷源;冬季，陆地成为相对冷源，海洋却成为相对热源。

　　这种冷热源分布直接影响到海陆间的气压分布，使完整的纬向气压带分裂成一个个闭合的高压和低压。同时，冬夏海、陆间的热力差异引起的气压梯度驱动着海陆间的大气流动，这种随季节而转换的环流是季风形成的重要因素。

　　海陆和地形的共同作用，不仅使低层大气环流变得复杂化，而且也使中高层大气环流有在特定地区出现平均槽、脊的趋势。

　　4、地面摩擦作用

　　大气在自转地球上运动着，与地球表面产生着相对运动。相对运动产生着摩擦作用，而摩擦作用和山脉作用使空气与转动地球之间产生了转动力矩(即角动量)。角动量在风带中的产生、损耗以及在风带间的输送、平衡，对大气环流的形成和维持具有重要作用。

大气环流的特征

　　大气环流大气环流主要表现为，全球尺度的东西风带、三圈环流(哈得莱环流、费雷尔环流和极地环流)、定常分布的平均槽脊、高空急流以及西风带中的大型扰动等。

　　大气环流既是地-气系统进行热量、水分、角动量等物理量交换以及能量交换的重要机制，也是这些物理量的输送、平衡和转换的重要结果。太阳辐射在地球表面的非均匀分布是大气环流的原动力。大气环流构成了全球大气运动的基本形势，是全球气候特征和大范围天气形势的主导因子，也是各种尺度天气系统活动的背景。

　　大气环流从全球平均的纬向环流看，在对流层里，最基本的特征是：

　　大气大体上沿纬圈方向绕地球运行，在低纬地区常盛行东风，称为东风带，又称为信风带北半球为东北信风，南半球为东南信风。中纬度地区则盛行西风，称为西风带，其所跨的纬度比东风带宽，西风强度随纬度增加，最大风出现在30°-40°上空的200百帕附近，称为行星西风急流。在极地附近，低层存在较浅薄的弱东风，称为极地东风带。

大气环流与气候条件

　　1、平均纬向环流

　　平均纬向环流指大气盛行的以极地为中心并绕其旋转的纬向气流，这是大气环流的最基本的状态，就对流层平均纬向环流而言：

　　低纬度地区盛行东风，称为东风带(由于地球的旋转，北半球多为东北信风，南半球多为东南信风，故又称为信风带);

　　中高纬度地区盛行西风，称为西风带(其强度随高度增大，在对流层顶附近达到极大值，称为西风急流);

　　极地还有浅薄的弱东风，称为极地东风带。

　　2、平均水平环流

　　平均水平环流指在中高纬度的水平面上盛行的叠加在平均纬向环流上的波状气流(又称平均槽脊)，通常北半球冬季为三个波，夏季为四个波，三波与四波之间的转换表征季节变化。

　　3、平均径圈环流

　　平均径圈环流指在南北-垂直方向的剖面上，由大气经向运动和垂直运动所构成的运动状态。通常，对流层的径圈环流存在三个圈：

　　低纬度是正环流或直接环流(气流在赤道上升，高空向北，中低纬下沉，低空向南)，又称为哈得来环流;

　　中纬度是反环流或间接环流(中低纬气流下沉，低空向北，中高纬上升，高空向南)，又称为费雷尔环流;

　　极地是弱的正环流(极地下沉，低空向南，高纬上升，高空向北)。