大气环流 general circulation of atmosphere

将臣

大范围的大气运动状态。就水平尺度而言，有某大地区（例如欧亚地区）、某半球或全球范围的大气环流；就铅直尺度而言，有对流层、平流层、中层或整个大气圈的大气环流;就时间尺度而言，有一至几天、一月、一季、半年、一年的直至多年平均的大气环流。它既是地－气系统进行热量、水分、角动量等的交换和能量转换的重要机制，又是这些物理量的输送、平衡和转换的重要结果（见大气角动量平衡、大气环流的能量平衡和转换。研究大气环流的特征及其形成、维持、变化和作用，掌握其规律，对于改进和提高天气预报的准确率、研究气候形成的理论，以及为更有效地利用气候资源提供可靠的物理依据，都具有重要的意义。

　　平均环流 　大气运动的根本能源是太阳辐射能。由于地球的自转和公转，且因其赤道面和黄道面有23°27′的交角，所以低纬度地区比高纬度地区受热多，因而低纬度大气较高纬度大气暖。高低纬度之间的温度差异，是造成大气运行的基本因素。这种温度差异有着明显的季节性变化，大气环流的特征也随季节而变。

　　纬向环流 　就平均情况说，无论南半球或北半球，大气环流的最基本性状，是大气大体上沿纬圈方向绕地极的运行（图1）。这在南半球更为显著。由全球沿纬圈平均的东西向风速分布图（图2），可更清楚地看出平均纬向环流的特点。

　　在对流层，低纬度地区常盛行东风，称为东风带，又称信风带(在北半球为东北信风，在南半球为东南信风)，其范围随高度减小；中高纬度地区则盛行西风，称为西风带，其所跨的纬度，除低层外均远较东风带为宽。中纬度地区，西风的强度随高度迅速增大，最大风速出现在纬度30°～45°上空的200百帕附近，称为行星西风急流；极地附近，低层存在较浅薄的弱东风，称极地东风带。平均说来，在低层，极地东风有偏向中纬度吹的分量，中高纬度地区的西风有向高纬度和极地吹的分量，低纬度地区的东风有向赤道吹的分量。这些平均风带总称为行星风系，其范围和强度有明显的季节性变化。

　　在平流层，冬半球为西风环流，夏半球为东风环流，在春秋过渡季节里，高纬度地区为西风，低纬度地区为东风。无论西风或东风，都随高度增强，强度都较对流层里的大。另外，在赤道附近的上空，东西风的交替，还存在准两年的周期性变化（见平流层和中层大气环流）。

　　经圈环流 　由大气在南北方向和铅直方向的平均运动所构成的平均环流（图3）示出，每个半球都存在三个经圈环流：①低纬度的正环流(或称直接环流)，是G.哈得来在1735年最先提出的，故称为哈得来环流；②中纬度的逆环流（或称间接环流），是W.费雷尔在1856年最先提出的，故称为费雷尔环流；③极区的正环流，它比较弱，称为极地环流。哈得来环流和费雷尔环流的下沉气流区和副热带高压带的平均纬度相吻合，而费雷尔环流和极地环流的上升气流区和极锋(见锋)的平均纬度一致。此外，经圈环流的强度和位置，也都表现出明显的季节性变化。

　　非轴对称环流 　大气环流不是轴对称的。在不同的经圈剖面上，纬向环流和经圈环流都可能有很大的不同。在等压面或等高面平均图上，高空存在西风带槽、脊和副热带高压、热带扰动；低空则存在一些半永久性的低压和高压系统，称为大气活动中心（图4）。这种特征，主要是由于地球表面海陆分布所引起的辐射、感热和水汽潜热等热力差异，以及地面摩擦和大地形的作用所造成的（见青藏高原气象学）。正因为大气环流具有非轴对称性，使各地区的天气变化和气候特征更加复杂：有些地区出现显著的季风环流，低纬度地区出现沃克环流。由于地表的不均匀性，科里奥利参数随纬度的变化，以及大气本身的可压缩性和斜压性（见斜压大气），加上大气中的水汽相变和风速的水平切变、铅直切变等因子，使大气总呈现出各种波动或涡旋型运行的状态。有时波或涡的南北幅度很大，大气主要作南北向运行，称为经向环流型；有时南北幅度很小，大气主要沿纬圈运行，称为纬向环流型。不管哪种环流型，大气环流状态都是由很多不同尺度和不同频率的大气波动叠加而成的。沿纬圈绕地球一周的波数为1～3个的波称为超长波，波数为4～7个的波称为行星波或长波。波数为8个或以上的波称为短波。行星波和短波都是移动性的波，超长波主要是摆动性的。在对流层内，短波主要出现在其中部和下部，长波主要出现在其中部和上部，超长波则存在于整个对流层。但在逐日天气图上，超长波为行星波和短波所掩盖而难以辨识；在旬或月平均图上，特别在多年的平均图上，因平滑而消去了较短的波，超长波就可清楚地显现出来了。例如图1所示的波动，基本上就是因海陆和大地形所激发的超长波。一般的海平面天气图所显示的低层大气运动更复杂，可出现更多的旋涡，包括气旋（或称低压系统）和反气旋（或称高压系统）。在中纬度，气旋多同冷暖空气的界面──锋面相结合，气旋内部和邻近地区有上升运动；反气旋内部有下沉运动。高空和低空的大气环流系统是相互联系的，低空环流系统与经圈环流也是相互联系的（图5）。


　　大气环流的逐日变化，是由那些不同尺度的高空波动和旋涡，以及低空的锋系、气旋和反气旋的发生、发展和消亡的过程所引起的，并表现为纬向环流型和经向环流型的循环转变过程。大气环流平均状态中的三个经圈环流、东风带、西风带和急流，是由于太阳辐射的加热不均匀、地球自转、大型扰动和摩擦等因子共同作用所造成和维持的。

　　研究动向 　大气环流是一个复杂的问题，环流性状在不断地变化着，有的年份还有明显异常。从长期来看，即使是一些最基本的状态，也经历着缓慢的变异，表现为气候变化。这是太阳－天气气候关系、地-气关系（见辐射差额、热量平衡、反射率）、海-气关系，甚至还有生物和人类活动的影响长期综合作用的结果。随着大气探测技术的发展，为获取更多的气象要素资料、不断揭示大气环流各种事实提供了条件。

　　在研究方法上，除了动力学理论分析和模型实验外，已更广泛地利用大型电子计算机，对物理因子进行数值模拟试验。

　　参考书目
　叶笃正、朱抱真著:《大气环流的若干基本问题》，科学出版社，北京，1958。
　E.N.洛伦茨著，北京大学地球物理系气象专业译:《大气环流的性质和理论》，科学出版社，北京，1976。(E.N.Lorenz，The Nature andTheory of the GeneralCirculation of the Atmosphere，WMO，Gerneva，1967.)
　R.E.Newell，et al.，The GeneralCirculation of the TropicalAtmosphere and Interactions with ExtratropicalLatitudes，Vol.I，Vol.Ⅱ，MIT Press，Cambridge，1972，1974.
黄士松

长春工程学院