單圈環(huán)流和三圈環(huán)流的異同

1、比較要了解單圈環(huán)流和三圈環(huán)流的異同，首先，我們得了解什么是大氣環(huán)流， 以及兩種大氣環(huán)流模式理論的形成及發(fā)展。大氣環(huán)流(general circulation of atmosphere)是指大范圍的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及 其隨時(shí)空的變化過(guò)程，是大范圍的大氣層內(nèi)具有一定穩(wěn)定性的各種氣流運(yùn)動(dòng)的 綜合現(xiàn)象?，F(xiàn)代氣象科學(xué)的許多領(lǐng)域，如氣候?qū)W、氣候變化學(xué)、天氣學(xué)、天氣預(yù)報(bào) 學(xué)、災(zāi)害氣象等都離不開(kāi)對(duì)大氣環(huán)流的研究。一些重大的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、社會(huì)事 務(wù)，也與大氣環(huán)流的研究有著密切的關(guān)系。19 世紀(jì)以前，系統(tǒng)觀測(cè)風(fēng)的資料，特別是海洋上的資料十分缺乏，而漁 業(yè)、航海貿(mào)易和軍事活動(dòng)又十分需要風(fēng)的系統(tǒng)知識(shí)。因此，人們?cè)噲D利用當(dāng)時(shí)

2、 僅有的風(fēng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，提出一些理論，以解釋低緯度海洋上的東北風(fēng)，從而 推斷出整個(gè)地球上風(fēng)的分布情況。于是，在1735年，英國(guó)人哈得萊(Hadley提出了一個(gè)設(shè)想：赤道兩側(cè)地區(qū)終年受到太陽(yáng)的直射，得到的熱量多，兩極附近，太陽(yáng)終年 斜射，得到的熱量很少。因此，赤道兩側(cè)的空氣受熱而上升，極地的空氣冷卻 而下沉。在北半球，赤道附近的空氣上升到高空后向北運(yùn)動(dòng)，到北極附近下 沉，然后又從地面上向南運(yùn)動(dòng)，再回到赤道附近，于是形成了一個(gè)閉合流動(dòng) 圈。XX則與XX的空氣流動(dòng)方向相反。xx 認(rèn)為：空氣質(zhì)點(diǎn)在南北方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠保持其絕對(duì)速度不變，即赤道附近空氣 質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)速度最大，極地最小。因此，空氣在高層由赤

3、道流向極地時(shí)產(chǎn)生西 風(fēng)；在地面上，空氣由極地流向赤道時(shí)，西風(fēng)則逐漸減小，最后變成東風(fēng)。所 以低緯度地面上盛行東北風(fēng)。哈得萊所說(shuō)的絕對(duì)速度，就是指空氣質(zhì)點(diǎn)隨著地球一起自轉(zhuǎn)從西向東運(yùn)動(dòng) 的速度。赤道處的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑最大，絕對(duì)速度也最大；緯度愈高，則轉(zhuǎn)動(dòng)半徑愈 小，在緯度 60 度處的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑只有赤道處的一半。因而赤道處的空氣向極地移 動(dòng)。相對(duì)于地球表面來(lái)說(shuō)就逐漸產(chǎn)生了西風(fēng)。由此，哈得萊推斷出一個(gè)全球各 處風(fēng)的分布：在北半球地面上，低緯度刮東北風(fēng)，到中緯度刮北風(fēng)，再向北則是西北 風(fēng)；南半球地面上，低緯度是東南風(fēng)，中緯度是南風(fēng)，高緯度是西南風(fēng)。哈得萊提出的這個(gè)環(huán)流圈理論，直到 19 世紀(jì)初人們還是對(duì)哈得萊

4、提出的這 個(gè)環(huán)流圈理論深信不疑的。但是，隨觀測(cè)資料的增多，人們發(fā)現(xiàn)實(shí)際觀測(cè)的結(jié) 果有很多與哈得萊的設(shè)想并不相符。但是在赤道到緯度 30 度之間，確實(shí)存在著 一個(gè)這樣的環(huán)流圈。人們?yōu)榱思o(jì)念他對(duì)大氣環(huán)流研究開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，就把這個(gè) 環(huán)流圈叫做 "哈得萊環(huán)流圈 "(Hadley cell)。1941年，美國(guó)氣象學(xué)家羅斯貝(Rossby根據(jù)大量的觀測(cè)事實(shí)和研究成果，綜 合了多種方案提出了三圈環(huán)流模型(three cell model)。羅斯貝的三圈環(huán)流模型， 如圖所示： 由于氣流受地轉(zhuǎn)偏向力作用，使赤道地區(qū)由地面上升至高空的氣流向北 運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，至20度至30度N時(shí)，氣流變成自西

5、向東的緯向環(huán)流；這樣 就阻礙了低緯高空大氣的繼續(xù)北流，從而使大氣在那里堆積，并因輻射冷卻下 沉，在近地面形成副熱帶高壓 (subtropicalhigh pressure belt)； 地面副熱帶高壓的空氣分南、北兩支流動(dòng)，流向赤道的一支在地轉(zhuǎn)偏向力作用下形成東北信風(fēng)帶 (northeasttrade wind belt) ，它與南半球的東南信風(fēng)帶匯 合形成赤道輻合帶 (intertropical convergence zone, ITCZ ，) 這樣在 30 度 N 與赤道 之間的經(jīng)圈剖面上形成一環(huán)流圈，它很像哈得萊的全球單圈環(huán)流模型，通常稱(chēng) 其為哈得萊環(huán)流或信風(fēng)環(huán)流(Hadley cel

6、)；副高和極地高壓之間(60度N附 近)相對(duì)是一個(gè)低壓帶，稱(chēng)為副極地低壓帶(subpolarlow pressure belt)。副高低層 流向極地的暖空氣在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下形成西南風(fēng)(稱(chēng)為西風(fēng)帶 ,westerliesbelt)； 從極地低層流向低緯的冷空氣在地轉(zhuǎn)偏向力作用下形成東北風(fēng)(稱(chēng)極地東風(fēng)帶,polar easterlies belt); 兩股冷暖氣流在60度N附近相遇形成極鋒(polar front); 從副高北上的暖空氣沿極鋒向極地滑升，到高空分成南、北兩支，北支 流向極地，并下降循環(huán)形成極地環(huán)流圈(polarcell);在極鋒上空向南流的一支氣 流在副熱帶高壓帶地區(qū)與信風(fēng)環(huán)流

7、上空向北流動(dòng)的氣流相遇而輻合下降，形成 一個(gè)逆環(huán)流圈，稱(chēng)為費(fèi)雷爾(Ferrel cell環(huán)流。通俗地說(shuō)，就是地球 -大氣系統(tǒng)所接受的太陽(yáng)輻射在各緯度分布并不均勻， 由此產(chǎn)生了由熱帶指向兩極的溫度梯度，由于溫度高的地方空氣密度小，氣壓 隨高度的遞減率也小，這樣在對(duì)流層中、上部就產(chǎn)生了從熱帶指向極地的氣壓 梯度，同時(shí)在低層有指向赤道的氣壓梯度。北半球高空空氣從赤道向北運(yùn)動(dòng)， 由于科氏力作用，空氣運(yùn)動(dòng)逐漸偏向東，約在北緯 30度附近氣壓梯度力和科氏 力達(dá)到平衡，高空空氣運(yùn)動(dòng)方向自西向東。空氣在向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中冷卻下沉。 下沉的空氣分別向南和向北輻散。在低層向南運(yùn)動(dòng)的空氣在科氏力作用下轉(zhuǎn)為 東北風(fēng)。在赤

8、道輻合帶暖空氣上升，再向北輻散。由此形成的較低緯度的環(huán)流 圈稱(chēng)為哈德萊環(huán)流。而低層由極地流向較低緯度的空氣在科氏力作用下轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，高層為西 南風(fēng)。而在極地為下沉氣流，較低緯度處上升，形成極地環(huán)流圈。在哈德萊環(huán) 流和極地環(huán)流之間存在一個(gè)方向相反的閉合環(huán)流圈，在較低緯度下沉，較高緯 度上升，低層為西南風(fēng)，高層為東北風(fēng)，但強(qiáng)度比較弱。高層的東北風(fēng)與哈德 萊環(huán)流中來(lái)自赤道的暖濕空氣相遇形成副熱帶鋒區(qū)，在對(duì)流層上部特征明顯。 在副熱帶鋒區(qū)上空有一個(gè)副熱帶西風(fēng)急流中心。對(duì)流層的平均水平環(huán)流為盛行 西風(fēng)帶。哈德萊環(huán)流在較低緯度將具有較大歐美各角動(dòng)量的空氣在上升氣流中帶到 高空西風(fēng)帶中，同時(shí)在副熱帶地區(qū)將小

9、角動(dòng)量空氣在下沉氣流中帶回到低層?xùn)| 風(fēng)帶，這樣就有凈余角動(dòng)量在高空西風(fēng)帶中，大型渦旋再將其輸送到中高緯 度，補(bǔ)償大氣在西風(fēng)帶中失去的西風(fēng)角動(dòng)量。而費(fèi)雷爾環(huán)流則使角動(dòng)量有凈的 向下輸送。結(jié)果，在赤道與極地之間形成三圈經(jīng)向環(huán)流，同時(shí)在近地面形成三個(gè)緯向 風(fēng)帶：極地東風(fēng)帶、中緯度西風(fēng)帶和低緯度信風(fēng)帶，以及四個(gè)氣壓帶：極地高壓帶(polar high pressure belt)、畐U極地低壓帶(subpolar low pressure belt )、副熱帶高壓帶與赤道低壓帶。三圈環(huán)流模型能很好地解釋地球上主要的降水與干旱地帶的形成。赤道兩 側(cè)的氣流是上升的，這里是地球上云、雨最多的地帶； 30 度

10、附近的氣流是下沉 的，這一地帶少雨而干旱。三圈環(huán)流模型大體上反映了大氣環(huán)流的基本情況，即由太陽(yáng)輻射差異引起 的赤道和兩極之間的溫差是引起和維持大氣環(huán)流的根本原因，地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn) 生的地轉(zhuǎn)偏向力使赤道和兩極間溫差所引起的經(jīng)向環(huán)流變?yōu)榫曄颦h(huán)流；大氣環(huán) 流的基本形式是以緯向氣流為主。應(yīng)該說(shuō)明羅斯貝模型是考慮了地球自轉(zhuǎn)和假 設(shè)地表均勻的情況下建立的。三圈環(huán)流理論模型雖與大量觀測(cè)資料所得的結(jié)果基本上是一致的，但由于 地球表面并不是均勻的，存在海陸和地形的差異。因此，實(shí)際的大氣環(huán)流與羅 斯貝的三圈環(huán)流的理論模型有很大的差別?？傊?，單圈大氣環(huán)流的物理本質(zhì)是太陽(yáng)輻射能量隨著緯度的升高而減小， 導(dǎo)致赤道與極地的空氣由于溫差而產(chǎn)生定向流動(dòng)，形成閉合流動(dòng)圈。三圈大氣 環(huán)流模型的物理本質(zhì)是在單圈大氣環(huán)流的基礎(chǔ)上綜合了地轉(zhuǎn)