大气环流

大气环流（Atmospheric circulation^[2]），一种复杂的大气运动形式，指大范围内具有一定稳定性的各种气流运动的综合现象。^[1]主要的环流模型有单圈环流^[3]、三圈环流^[3]、海陆环流^[4]、季风环流^[4]以及沃克环流^[5]等。

大气环流是在热力因子和动力因子的共同作用下形成的，其基本原理是热力环流。^[6]常见的影响因素有太阳辐射、地球运动所产生的地转偏向力以及海陆性质差异等。^[1]大气环流反映了大气运动的基本状态，不仅孕育和制约着较小规模的气流运动，同时也是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件，还在促进调整全球水热分布等方面有着重大作用。^[7][8]

鉴于大气环流对人类生存环境的影响，国内外众多学者对大气环流都进行了研究，并形成了丰硕的成果。诸如苏联学者帕哥乡（Ф.П.Погосян）的《大气环流》、中国学者袁重光的《大气环流》等专著及众多学术论文。^[9][10]

大气环流并没有一个公认统一的定义。一种意见是把大气环流看作大气中各种气流的综合，另一种意见是把大气环流看作是大气中大规模气流的平均情况。一般认为：大气环流是指大气中具有全球范围的大规模的运动，这种运动既包括某一时段的平均运动状况，又包括某一时刻的瞬时运动状况，它代表了大气运动的基本状态。^[1][11]

中国国家气象信息科学中心对“大气环流”的定义——地球表面的大气，经常在广阔的区域里做稳定的气流运行，有的规模较大，稳定运行的时间较长；有的规模较小，稳定运行的时间较短，这种大范围的大气运行状态，称为大气环流。^[12]

美国海洋和大气管理局对“大气环流”的定义——全球大气环流是指地球周围的空气运动，它解释了热能和风暴系统是如何在地球表面移动的。^[13]

大气环流是在热力因子和动力因子的共同作用下形成的，其基本原理为下垫面受太阳辐射不均而引起大气运动。^[6]

地球表大气运动的主要能源是太阳辐射，但由于地球本身的形态、自身运动、地表性质等因素影响，太阳辐射在地表的分布实际并不均匀，就会出现地表的温度差。不同温度地区的气流运动不同，气温高的地区空气受热膨胀上升，气温低的地区空气冷却收缩下沉，引起空气垂直运动进而形成高、低气压区；同一水平面上出现高、低气压差在水平气压梯度力^[注1]的作用下空气会形成水平运动，由高气压区流向低气压区。^[6]地区之间的受热不均会导致空气密度和压力分布发生变化，使得空气在垂直和水平运动共同作用，形成闭合的大气环流系统。^[15]

太阳辐射指太阳光以电磁波的形式向宇宙传播的能量^[16]，是地表大气运动的主要能量来源^[17]。大气运动所需要的能量几乎都来源于太阳辐射的转化，大气通过吸收太阳辐射改变自身的理化性质，同时大气本身也向外释放辐射能量。由于地球表面不是均匀一致的，这种吸收和放射的差额在大气中的分布是很不均匀的；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不断冷却并收缩下沉。在这种温度梯度下，为保持静力平衡，对流层高层必然出现向极地的气压梯度，低层出现向低纬的气压梯度。^[1]

地球运动是指地球的自传和公转运动，以及地球内部、地壳、水圈、大气圈的物质运动^[18]。地球的自传运动产生的地转偏向力是影响大气环流的主要因素，它迫使空气运动的方向偏离气压梯度力的方向。在北半球（或南半球），随着纬度增加，地转偏向力增大，空气运动方向逐渐向右（或向左）偏转，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，而不能直接到达赤道；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，逐渐变成与纬线相平行的西风。^[1]

海陆性质是指海洋和陆地之间的性质差异，海陆间热力性质差异所造成的冷热源分布与山脉的机械阻隔作用是影响大气环流重要的热力和动力因素。夏季，陆地成为相对热源，海洋成为相对冷源，气流从海洋流向陆地；冬季，陆地成为相对冷源，海洋成为相对热源，气流从陆地流向海洋。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许多闭合的高压和低压。同时，冬夏海陆间的热力差异引起的气压梯度力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。^[1]

大气环流的原动力来自太阳辐射产生的热能^[19]，太阳每时每刻以电磁波的形式（短波辐射）向地球输送热能。因为地球是个球体，太阳光线照射到地球表面的情况就会随纬度而不同，各地所接受的太阳辐射能不均匀，于是地面传给其上空的大气的热量也是不均匀的。地表吸收了太阳能以后，又以电磁波的形式（长波辐射）向外辐射，这种长波辐射最容易为大气所吸收，它是大气增热的主要方式，所以对流层中的大气温度是随高度的增高而减小。^[20]太阳辐射对地球及其大气的不均匀加热产生位能^[注2]，通过暖空气上升和冷空气下沉，有些位能被转化为动能。^[22]

大气环流中的重力是指物质所具有的一种属性，它是表征物体惯性和受地球引力大小的量度^[23]。重力对大气环流的影响主要体现在驱动空气的流动和塑造地球的气压带。重力使得地球上的空气向地面沉降，形成高压带和低压带，从而驱动了空气的流动，这种流动形成大气环流系统，如三圈环流。同时，重力还影响地球的自转，使得空气流动受到科里奥利力^[注3]的影响，进一步形成了复杂的大气环流模式。由于空气流动的改变，地球的重力场也会发生相应的变化；这种相互作用表明，重力和大气环流在塑造地球的气候和环境方面是相互依存的。^[25]

大气环流的运动范围广泛，水平尺度可达数千米，流动范围能涉及某个大地区、半球甚至全球；垂直尺度在10km以上，涉及对流层、平流层、中间层或整个大气圈。时间尺度差异较大，短的可在1~2天，渐长便能涉及数日、数月，更有甚者能达一年或多年平均态。^[26][11]

大气环流结构相较稳定，主要由平均纬向环流、平均水平环流和平均径向环流三部分构成。^[27]

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）；极地还有微薄的弱东风，称为极地东风带。地球上的风带和湍流由上述3个对流环流圈所推动，即低纬度哈德莱环流、中纬度的费雷尔环流以及高纬度的极地环流。有时候同一种环流（譬如低纬度的环流）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。^[20][28]

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3个波，夏季为4个波，3波与4波之间的转换表征季节变化。^[20][28]

平均径向环流

平均径向环流指在南北-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）。^[20][28]

年变化

大气环流的基本状态决定于地表热力分布的特征，地表热力状况在一年中具有明显的季节性演变，进而引起大气环流的季节交替。大气环流的年变化是指以一年为周期的环流形态的变化，一般是以西风带上槽脊的数量、结构形式和西风的强弱表现出来的——以北半球为例，冬夏环流趋势比较稳定，成为中高纬度对流层大气中高层大气环流基本形态，并在一年中交替出现。^[29]

纬向环流和经向环流的交替变化

纬向环流和经向环流的交替变化是指纬向型环流^[注4]和经向型环流^[注5]经常交替出现，其交替周期大约为2-6周，这是西风带环流变化的主要特征^[29]。这种交替演变规律主要受西风强弱影响，西风指数的大小和演变特征，基本上能反映出环流形势特征及其转换趋势^[30]。盛行纬向型环流时，副热带高压多稳定少变化；盛行经向型环流时，副热带高压多变化少稳定^[31]。

单圈环流是指在假定地球表面性质均一、地球静止无公转、自转状态时地表空气的运动模式。^[32]在此模型中，地表性质均一可以不用考虑海陆性质差异、摩擦力等影响因素；地球不自转可以不用考虑地转偏向力等因素；地球不公转则可以不用考虑太阳直射点的回归移动等因素。所以，在此模型下，赤道地区空气受热膨胀上升，极地空气冷却收缩下沉，赤道上空某一高度的气压高于极地上空某一相似高度的气压。在水平气压梯度力的作用下，赤道高空的空气极地上空流去，赤道上空气柱质量减小，使赤道地面气压降低而形成低气压区，称为赤道低压；极地上空有空气流入，地面气压升高而形成高气压区，称为极地高压。于是在低层就产生了自极地流向赤道的气流补充了赤道上空流出的空气质量，这样就形成了赤道与极地之间一个闭合的大气环流。^[3]

三圈环流是指假定地表性质均一，太阳直射赤道，只受太阳辐射和地球自转影响所形成的运动模式，是一种理想化的大气运动模式，包括第一环流圈（哈德莱环流，又称信风环流圈或热带环流圈）、第二环流圈（费雷尔环流，又称中纬度环流圈）和第三环流圈（极地环流圈）。^[4][33]在此模型中，地表性质均一可以不用考虑海陆性质差异、摩擦力等影响因素。所以，在此模型下，气流从高压流向低压，形成低纬环流；气流抬升后，在高空分流，一部分向副热带流动，另一部分向极地流动，形成中纬环流和高纬环流。^[3][34]

海陆环流是指因海洋和陆地受热不均匀而在海岸附近形成的一种有日变化的环流。在基本气流微弱时，白天风从海上吹向陆地，夜晚风从陆地吹向海洋。前者称为“海风”，后者称为“陆风”，合称为“海陆风”。海陆风的水平范围可达几十千米，垂直高度达1~2km，周期为一昼夜。白天，地表受太阳辐射而增温，由于陆地土壤热容量比海水热容量小得多，陆地升温比海洋快得多，因此陆地上的气温显著地比附近海洋上的气温高。陆地上空气柱因受热膨胀，在水平气压梯度力的作用下，上空的空气从陆地流向海洋，然后下沉至低空，又由海面流向陆地，再度上升，遂形成低层海风和铅直剖面上的海风环流。^[35][4]

季风是大范围盛行的、风向随季节变化显著的风系，它是由冬夏季海洋和陆地温度差异所致。在夏季由海洋吹向大陆，在冬季由大陆吹向海洋，它是大气环流的一个组成部分。世界上季风明显的地区主要有南亚、东亚、非洲中部、北美东南部、南美巴西东部以及澳大利亚北部，其中以印度季风和东亚季风最著名。有季风的地区都可出现雨季和旱季等季风气候。夏季时，吹向大陆的风将湿润的海洋空气输进内陆，往往在那里被迫上升成云致雨，形成雨季；冬季时，风自大陆吹向海洋，空气干燥，伴以下沉，天气晴好，形成旱季。^[4]

中国主要受东亚季风和南亚季风的影响。冬季风要来自亚欧大陆北方严寒的西伯利亚和蒙古一带，冬季风风力较强，气流寒冷干燥，影响我国北方大部分地区，是我国冬季南北温差大的主要原因之一。风向在华北为西北风，在黄河以南为东北风。强烈发展时，带来寒潮天气，气温急剧下降。当冬季风到达流经海上时，气团产生变性，会造成雨雪天气。^[4]

沃克环流是指赤道地区的东西方向上存在几个纬向热力直接环流圈，主要是由于赤道地区存在着大尺度的东西向热力差异引起的。一般认为“沃克环流”现象最早是由英国气象学家吉尔伯特·沃克（Sir Gilbert Thomas Walker）爵士于20世纪20年代发现的。由于沃克环流把南方涛动和赤道太平洋的海表温度联系在一起，因此为了纪念沃克的开创性工作，挪威气象学家雅各布·皮叶克尼斯（Jacob Bjerknes）于1969年将这一现象命名为沃克环流。这些环流的强度都是很弱的，而且经常变化。当出现大的变化时，其不仅对赤道地区环流有影响，而且与中纬度环流，甚至高纬度环流遥相关，引起天气、气候的异常。^[5]

太平洋赤道地区的厄尔尼诺与沃克环流是相互联系，相互影响，互为因果的。^[36]由于信风的强度减弱，赤道附近海水流动变弱（具体原因未知），涌上海面的冷水减少，秘鲁沿岸海水的温度升高，降水增加，这称为“厄尔尼诺现象”。由于信风的强度增强，赤道附近海域海水流动变强，导致秘鲁沿岸海水的温度降低，这称为“拉尼娜现象”。^[37]

水热分布是指地球上水热资源的分布情况。大气环流对全球的水热分布具有调节作用。大气环流包括气压带、风带、季风等，这些因素共同作用，将热量和水汽从一个地区输送到另一个地区，使得高纬度和低纬度之间、海陆之间的热量和水汽得到交换，从而使高低纬度之间、海陆之间的热量和水汽得到交换促进了地球上的热量平衡和水平衡，这种调节对于维持地球表面环境的稳定和适宜生物生存具有重要意义。^[7][38]

天气是指以气候要素值和天气现象表示的瞬时或一较短时间内的大气状况，如阴、冷、晴等。^[39]大气环流不断地把低纬度地区盈余的热量输送到高纬度地区，使高、低纬度之间的热量得到交换，含有水汽的大气在上升运动中容易凝云致雨，导致天气的变化。^[38]当大气环流趋势在个别年份或季节里出现异常时，就会影响该时期的天气和气候，使之出现异常。^[40]

气候是指一个特定地区在一个较长时期内观察到的平均天气条件（温度、降雨、日照、空气湿度、风速等），它主要取决于这个地区的纬度、经度和海拔。^[41]大气环流引导不同性质的气团活动，锋、气旋和反气旋的产生和移动，对气候的形成起着直接的控制作用，是形成复杂多变气候的主要原因。^[8]大气环流一般通过环流的纬向分布影响气候的纬度地带性，并通过水分与热量的输送，扩大海陆和地形等因素的影响范围，破坏气候的纬度地带性。当环流趋势趋于长期的平均状况时，气候是正常的；当环流趋势在个别年份或季节里出现异常时，就会影响该时期的天气和气候，使之出现异常。^[40]

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。^[7]

研究专著作者出版年月出版社《大气环流》^[9]（苏）帕哥乡（Ф.П.Погосян）1955-07北京财政经济出版社《大气环流系统》^[42]（芬）帕尔门（E.Palmen），（美）牛顿（C.W.Newton）1978-08北京科学出版社《大气环流》^[10]袁重光1983-12北京气象出版社《大气环流基础》^[43]谢安，江剑民1994-08北京气象出版社《大气环流基础》^[44]卜玉康1994-11北京气象出版社