局地大氣環(huán)流的深入剖析

局地大氣環(huán)流類型 全球性的大氣環(huán)流是在大范圍氣壓場影響下的大氣環(huán)流，與全球性的大氣環(huán)流相比，在小范圍內(nèi)由于地形起伏，地表受熱不均等狀況等引起的氣流，叫局地環(huán)流，它不能改變大范圍的氣候，卻對小范圍的氣候影響很大，往往形成局地小氣候區(qū)。 1、海陸風(fēng) 只局限于沿海，由于海洋和陸地的比熱不同，也可以說海陸熱力性質(zhì)差異造成的，風(fēng)向轉(zhuǎn)換以一天為一周期。如圖1所示：白天，陸地比海洋增溫...更多

大氣環(huán)流指的是地球表面上大規(guī)模的空氣流動，以及與較小規(guī)模的海洋環(huán)流一起重新分配熱量和水汽的途徑。大規(guī)模的大氣環(huán)流即使年年有所不同，其基本結(jié)構(gòu)頗能維持不變。然而，個別天氣系統(tǒng)，如中緯度低壓區(qū)、熱帶對流環(huán)流等，是在“隨機(jī)”情況下產(chǎn)生的，而且氣象通常只能在發(fā)生前一段短時間內(nèi)被預(yù)測。

大氣環(huán)流的發(fā)現(xiàn)歷史經(jīng)歷了一個漫長的過程。

1686年，英國人哈雷(Halley)在收集了各種航海資料，并親自進(jìn)行了遠(yuǎn)航科考之后，發(fā)表了信風(fēng)理論。哈雷描述了熱帶信風(fēng)的基本規(guī)律：赤道無風(fēng)，赤道以北盛行東北信風(fēng)，以南則為東南信風(fēng)。同時，哈雷還繪制了南北緯30°間的信風(fēng)分布圖。在著作中，哈雷還對信風(fēng)的成因作了闡述。他認(rèn)為，信風(fēng)的成因是由于熱帶地方熱空氣上升。印度洋信風(fēng)的形成是由于海陸溫度變化形成的。

哈雷的信風(fēng)理論對后來的航海起了很大的指導(dǎo)作用。然而，哈雷的信風(fēng)理論并非盡善盡美。哈雷的理論在不少區(qū)域并不適用。1735年，哈德萊提出了他關(guān)于信風(fēng)環(huán)流的解釋。哈德萊修正了哈雷的理論，他首次考慮了地球自轉(zhuǎn)因素對大氣運(yùn)動的影響。

在哈德萊的年代，觀測資料十分有限，沒有高空觀測資料，而且地轉(zhuǎn)偏向力在一百多年之后才被明確闡明并應(yīng)用于氣象學(xué)，因此，哈德萊對信風(fēng)的成因解釋得并不是十分清楚。但是，他對風(fēng)與地球自轉(zhuǎn)關(guān)系的說明極富創(chuàng)造性，對氣象學(xué)理論的發(fā)展做了極大貢獻(xiàn)，也為日后氣象學(xué)家研究大氣環(huán)流奠定了基礎(chǔ)。為了紀(jì)念他的功績，人們至今仍把低緯環(huán)流稱作“哈得萊環(huán)流”。

地轉(zhuǎn)偏向力由法國物理學(xué)家科里奧利在1835年、法國數(shù)學(xué)家泊松在1839年歸納為數(shù)學(xué)形式。1843年，特雷西將其應(yīng)用于氣象學(xué)解釋。

1856年，費(fèi)雷爾第一次將地轉(zhuǎn)偏向力用于大氣環(huán)流成因的解釋上。1859年，費(fèi)雷爾發(fā)表了《地球表面流體和固體的相對運(yùn)動》，文中指出，由于地轉(zhuǎn)偏向力的影響，北半球低緯度地面的盛行風(fēng)偏為東北風(fēng)，南半球偏為東南風(fēng)。費(fèi)雷爾還首次提出中緯度地區(qū)也存在一個經(jīng)向環(huán)流圈。因此，中緯環(huán)流圈也叫作“費(fèi)雷爾環(huán)流”。

1888年，德國科學(xué)家亥姆霍茲認(rèn)識到了摩擦力的重要性，進(jìn)一步解釋了大氣環(huán)流的規(guī)律與成因。

20世紀(jì)20年代，挪威學(xué)派的代表人物瑞典科學(xué)家伯杰龍在前人研究的基礎(chǔ)上，正式提出了三圈環(huán)流理論，這是人類第一次從整體上看待全球的大氣運(yùn)動。但是，需要說明的是，三圈環(huán)流理論并不是一個完美的理論，大氣環(huán)流中的一些現(xiàn)象如在高空的風(fēng)向、風(fēng)速和范圍等仍然沒有得到很好的解釋。

進(jìn)入20世紀(jì)40年代，高空探測資料日益豐富，海洋上的資料空白得到了補(bǔ)充。20世紀(jì)60年代以后，在氣象衛(wèi)星的幫助下，科學(xué)家們對大氣環(huán)流的研究日益深入，理論日臻完善。

大氣環(huán)流主要與太陽輻射、地球自傳運(yùn)動、地表性質(zhì)作用和地面摩擦作用相關(guān)。

1、太陽輻射作用

大氣運(yùn)動需要能量，而能量幾乎都來源于太陽輻射的轉(zhuǎn)化。不同緯度得到的太陽輻射能不同，低緯地區(qū)因凈得熱量不斷增溫并膨脹上升，極地大氣因凈失熱量而不斷冷卻并收縮下沉。

假設(shè)地球表面性質(zhì)均一并沒有地轉(zhuǎn)偏向力，則氣壓梯度力的作用將使赤道和極地之間構(gòu)成一個大的理想的直接熱力環(huán)流圈。太陽輻射對大氣系統(tǒng)加熱不均是大氣產(chǎn)生大規(guī)模運(yùn)動的根本原因，而大氣在高低緯間的熱量收支不平衡是產(chǎn)生和維持大氣環(huán)流的直接原動力。

2、地球自傳運(yùn)動作用

大氣是在自轉(zhuǎn)的地球上運(yùn)動著，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力迫使運(yùn)動空氣的方向偏離氣壓梯度力方向。在北半球，氣流向右偏轉(zhuǎn)，結(jié)果使直接熱力環(huán)流圈中自極地低空流向赤道的氣流偏轉(zhuǎn)成東風(fēng)，而不能逕直到達(dá)赤道;同樣，自赤道高空流向極地的氣流，隨緯度增高，偏轉(zhuǎn)程度增大，逐漸變成與緯圈相平行的西風(fēng)。

可見，在偏轉(zhuǎn)力的作用下，理想的單一的經(jīng)圈環(huán)流，既不能生成也難以維持，因而形成了幾乎遍及全球(赤道地區(qū)除外)的緯向環(huán)流。因而地球自轉(zhuǎn)是全球大氣環(huán)流形成和維持的重要因子。

3、地表性質(zhì)作用

地球表面有廣闊的海洋、大片的陸地，陸地上又有高山峻嶺、低地平原、廣大沙漠以及極地冷源，因此是一個性質(zhì)不均勻的復(fù)雜的下墊面。

從對大氣環(huán)流的影響來說，海陸間熱力性質(zhì)的差異所造成的冷熱源分布和山脈的機(jī)械阻滯作用，都是重要的熱力和動力因素。海洋與陸地的熱力性質(zhì)有很大差異。夏季，陸地上形成相對熱源，海洋上成為相對冷源;冬季，陸地成為相對冷源，海洋卻成為相對熱源。

這種冷熱源分布直接影響到海陸間的氣壓分布，使完整的緯向氣壓帶分裂成一個個閉合的高壓和低壓。同時，冬夏海、陸間的熱力差異引起的氣壓梯度驅(qū)動著海陸間的大氣流動，這種隨季節(jié)而轉(zhuǎn)換的環(huán)流是季風(fēng)形成的重要因素。

海陸和地形的共同作用，不僅使低層大氣環(huán)流變得復(fù)雜化，而且也使中高層大氣環(huán)流有在特定地區(qū)出現(xiàn)平均槽、脊的趨勢。

4、地面摩擦作用

大氣在自轉(zhuǎn)地球上運(yùn)動著，與地球表面產(chǎn)生著相對運(yùn)動。相對運(yùn)動產(chǎn)生著摩擦作用，而摩擦作用和山脈作用使空氣與轉(zhuǎn)動地球之間產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動力矩(即角動量)。角動量在風(fēng)帶中的產(chǎn)生、損耗以及在風(fēng)帶間的輸送、平衡，對大氣環(huán)流的形成和維持具有重要作用。

大氣環(huán)流大氣環(huán)流主要表現(xiàn)為，全球尺度的東西風(fēng)帶、三圈環(huán)流(哈得萊環(huán)流、費(fèi)雷爾環(huán)流和極地環(huán)流)、定常分布的平均槽脊、高空急流以及西風(fēng)帶中的大型擾動等。

大氣環(huán)流既是地-氣系統(tǒng)進(jìn)行熱量、水分、角動量等物理量交換以及能量交換的重要機(jī)制，也是這些物理量的輸送、平衡和轉(zhuǎn)換的重要結(jié)果。太陽輻射在地球表面的非均勻分布是大氣環(huán)流的原動力。大氣環(huán)流構(gòu)成了全球大氣運(yùn)動的基本形勢，是全球氣候特征和大范圍天氣形勢的主導(dǎo)因子，也是各種尺度天氣系統(tǒng)活動的背景。

大氣環(huán)流從全球平均的緯向環(huán)流看，在對流層里，最基本的特征是：

大氣大體上沿緯圈方向繞地球運(yùn)行，在低緯地區(qū)常盛行東風(fēng)，稱為東風(fēng)帶，又稱為信風(fēng)帶北半球為東北信風(fēng)，南半球為東南信風(fēng)。中緯度地區(qū)則盛行西風(fēng)，稱為西風(fēng)帶，其所跨的緯度比東風(fēng)帶寬，西風(fēng)強(qiáng)度隨緯度增加，最大風(fēng)出現(xiàn)在30°-40°上空的200百帕附近，稱為行星西風(fēng)急流。在極地附近，低層存在較淺薄的弱東風(fēng)，稱為極地東風(fēng)帶。

1、平均緯向環(huán)流

平均緯向環(huán)流指大氣盛行的以極地為中心并繞其旋轉(zhuǎn)的緯向氣流，這是大氣環(huán)流的最基本的狀態(tài)，就對流層平均緯向環(huán)流而言：

低緯度地區(qū)盛行東風(fēng)，稱為東風(fēng)帶(由于地球的旋轉(zhuǎn)，北半球多為東北信風(fēng)，南半球多為東南信風(fēng)，故又稱為信風(fēng)帶);

中高緯度地區(qū)盛行西風(fēng)，稱為西風(fēng)帶(其強(qiáng)度隨高度增大，在對流層頂附近達(dá)到極大值，稱為西風(fēng)急流);

極地還有淺薄的弱東風(fēng)，稱為極地東風(fēng)帶。

2、平均水平環(huán)流

平均水平環(huán)流指在中高緯度的水平面上盛行的疊加在平均緯向環(huán)流上的波狀氣流(又稱平均槽脊)，通常北半球冬季為三個波，夏季為四個波，三波與四波之間的轉(zhuǎn)換表征季節(jié)變化。

3、平均徑圈環(huán)流

平均徑圈環(huán)流指在南北-垂直方向的剖面上，由大氣經(jīng)向運(yùn)動和垂直運(yùn)動所構(gòu)成的運(yùn)動狀態(tài)。通常，對流層的徑圈環(huán)流存在三個圈：

低緯度是正環(huán)流或直接環(huán)流(氣流在赤道上升，高空向北，中低緯下沉，低空向南)，又稱為哈得來環(huán)流;

中緯度是反環(huán)流或間接環(huán)流(中低緯氣流下沉，低空向北，中高緯上升，高空向南)，又稱為費(fèi)雷爾環(huán)流;

極地是弱的正環(huán)流(極地下沉，低空向南，高緯上升，高空向北)。