大气环流

大气运行现象

大气环流（Atmospheric circulation），是指具有世界规模的、大范围的大气运行现象。它既包括平均状态，也包括瞬时现象，其水平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10km以上，时间尺度在数天以上，也是大气大范围运动的状态。

形成原因

大气环流形成原因有四种：一是太阳辐射，这是地球上大气运动能量的来源，由于地球的自转和公转，地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的。热带地区多，而极区少，从而形成大气的热力环流。二是地球自转，在地球表面运动的大气都会受地转偏向力作用而发生偏转。三是地球表面海陆分布不均匀。四是大气内部南北之间热量、动量的相互交换。以上种种因素构成了地球大气环流的平均状态和复杂多变的形态。

地球上各地气候不同的根本原因，是地表接受到的太阳辐射能量的不匀性、因而产生了大气的流动·热量和水分又随着环流·地向另一地输送，使不同地方的热力差异趋于均匀。在对流层中，水平温度梯度是从赤道指向两极，如果地面状态基本上均匀的，空气将从赤道上空向两极上空流动，而在地表则从两极流同赤道，形成径向的大环流。出于地球转动偏向力的作用，在摩擦层以上的气流方向不是径向，而是纬向，使得赤道向两极移动的气流在纬度30°左右的上空发生辐合，引起空气的下沉运动，形成了副热带高压区，高压区中气流在下层发生辐散，使空气沿着地表分别向南北方向流动。

在北半球，向南流动的空气形成东北风，向北流动的形成了西南风。这支西南风在北纬60°左右的地方又与来自极地的冷空气辐合，形成副极地低气压区。在这个低气压区里辐合上升的空气到高空后发生辐散，并分别向南北流动，向极地流动的那一支在极地形成辐合，击此产生空气下流，形成极地高压区。这样，在赤道低气压区、副热带高气压区副极地低气压区和极地高气压区之间形成了三个环流，这三个环流并不是的合的，可以从一个环流流到另一个环流，并改变自身的特性。

特征描述

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。

从全球径向环流看，在南北方向及垂直方向上的平均运动构成三个经圈环流：

1．低纬度的正环流，即哈得来环流。在近赤道地区空气受热上升，在高层向北运行逐渐转为偏西风，在30°N左右有一股气流下沉，在低层又分为两支，一支向南回到近赤道，另一支北移。

2．中纬度形成一个逆环流或称间接环流，费雷尔环流。

3．极区正环流，即极地下沉而在60°N附近为上升，从而形成一个正环流，但较弱，在中纬地区与低纬区之间，则常有极锋活动。大气环流通常包含平均纬向环流、平均水平环流和平均径圈环流3部分。

主要方式

平均纬向环流

平均纬向环流是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。

平均水平环流

平均水平环流是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3个波，夏季为4个波，三波与四波之间的转换表征季节变化。

平均径圈环流

平均径圈环流是指在南北-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3 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）。

表现形式

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。

纬度环流

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。

低纬度环流对低纬度环流运作的了解比较清楚。由乔治?哈得莱（GeorgeHadley1685年-1768年）所记述的大气环流模式，用以解释贸易风（信风）的形成，与观测到的非常符合。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湍流的流向，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。

中纬度环流由威廉·费雷尔（WilliamFerrel1817年-1891年）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。

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。盛行西风没有这样幸运，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。湍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湍流移动的）。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。

研究意义

大气大范围运动的状态。某一大范围的地区（如欧亚地区、半球、全球），某一大气层次（如对流层、平流层、中层、整个大气圈）在一个长时期（如月、季、年、多年）的大气运动的平均状态或某一个时段（如一周、梅雨期间）的大气运动的变化过程都可以称为大气环流。

大气环流是完成地球- 大气系统角动量、热量和水分的输送和平衡，以及各种能量间的相互转换的重要机制，又同时是这些物理量输送、平衡和转换的重要结果。因此，研究大气环流的特征及其形成、维持、变化和作用，掌握其演变规律，不仅是人类认识自然的不可少的重要组成部分，而且还将有利于改进和提高天气预报的准确率，有利于探索全球气候变化，以及更有效地利用气候资源。大气环流通常包含平均纬向环流、平均水平环流和平均径圈环流3部分。

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