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(generalcirculationofatmosphere)是指大范圍的大氣運動狀態(tài)及其隨時空的變化過程，是大范圍的大氣層內(nèi)具有一定穩(wěn)定性的各種氣流運動的綜合現(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)報學(xué)、災(zāi)害氣象等都離不開對大氣環(huán)流的研究。一些重大的經(jīng)濟活動、社會事務(wù)，也與大氣環(huán)流的研究有著密切的關(guān)系。19世紀以前，系統(tǒng)觀測風(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)易和軍事活動又十分需要風(fēng)的系統(tǒng)知識。因此，人們試圖利用當(dāng)時僅有的風(fēng)的知識和經(jīng)驗

2、，提出一些理論，以解釋低緯度海洋上的東北風(fēng)，從而推斷出整個地球上風(fēng)的分布情況。于是，在1735年，英國人哈得萊(Hadley提出了一個設(shè)想：赤道兩側(cè)地區(qū)終年受到太陽的直射，得到的熱量多，兩極附近，太陽終年斜射，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動，到北極附近下沉，然后又從地面上向南運動，再回到赤道附近，于是形成了一個閉合流動圈。xx則與xx的空氣流動方向相反。xx認為：空氣質(zhì)點在南北方向運動時，能夠保持其絕對速度不變，即赤道附近空氣質(zhì)點的絕對速度最大，極地最小。因此，空氣在高層由赤道流向極地時產(chǎn)生西風(fēng)；在地面上，空氣

3、由極地流向赤道時，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)。哈得萊所說的絕對速度，就是指空氣質(zhì)點隨著地球一起自轉(zhuǎn)從西向東運動的速度。赤道處的轉(zhuǎn)動半徑最大，絕對速度也最大；緯度愈高，則轉(zhuǎn)動半徑愈小，在緯度60度處的轉(zhuǎn)動半徑只有赤道處的一半。因而赤道處的空氣向極地移動。相對于地球表面來說就逐漸產(chǎn)生了西風(fēng)。由此，哈得萊推斷出一個全球各處風(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)。哈得萊提出的這個環(huán)流圈理論，直到19世紀初人們還是對哈得萊提出的這個環(huán)流圈理論深信不疑的。但是，隨觀測資料的增多，人

4、們發(fā)現(xiàn)實際觀測的結(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，確實存在著一個這樣的環(huán)流圈。人們?yōu)榱思o念他對大氣環(huán)流研究開創(chuàng)性的貢獻，就把這個環(huán)流圈叫做哈得萊環(huán)流圈(Hadleycell)。1941年，美國氣象學(xué)家羅斯貝(Rossby)艮據(jù)大量的觀測事實和研究成果，綜合了多種方案提出了三圈環(huán)流模型(threecellmodel)。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動時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，至20度至30度N時，氣流變成自西向東的緯向環(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

5、帶高壓(subtropicalhighpressurebelt)； 地面副熱帶高壓的空氣分南、北兩支流動，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(northeasttradewindbelt)，它與南半球的東南信風(fēng)帶匯合形成赤道輻合帶(intertropicalconvergencezone,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，通常稱其為哈得萊環(huán)流或信風(fēng)環(huán)流(Hadleycell)；副高和極地高壓之間(60度N附近)相對是一個低壓帶，稱為副極地低壓帶(subpolarlowpressurebelt)。副高低層流向極地的暖空氣在地

6、轉(zhuǎn)偏向力的作用下形成西南風(fēng)(稱為西風(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)(稱極地東風(fēng)帶,polareasterliesbelt)； 兩股冷暖氣流在60度N附近相遇形成極鋒(polarfront)； 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)流上空向北流動的氣流相遇而輻合下降，形成一個逆環(huán)流圈，稱為費雷爾(Ferrelcell環(huán)流。通俗地說，就是地球-大氣系統(tǒng)所接受的太陽輻射在各緯度分布并不均勻，由此產(chǎn)生了由熱帶

7、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，這樣在對流層中、上部就產(chǎn)生了從熱帶指向極地的氣壓梯度，同時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動，由于科氏力作用，空氣運動逐漸偏向東，約在北緯30度附近氣壓梯度力和科氏力達到平衡，高空空氣運動方向自西向東?？諝庠谙虮边\動過程中冷卻下沉。下沉的空氣分別向南和向北輻散。在低層向南運動的空氣在科氏力作用下轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。在赤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

8、。在哈德萊環(huán)流和極地環(huán)流之間存在一個方向相反的閉合環(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)，但強度比較弱。高層的東北風(fēng)與哈德萊環(huán)流中來自赤道的暖濕空氣相遇形成副熱帶鋒區(qū)，在對流層上部特征明顯。在副熱帶鋒區(qū)上空有一個副熱帶西風(fēng)急流中心。對流層的平均水平環(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量的空氣在上升氣流中帶到高空西風(fēng)帶中，同時在副熱帶地區(qū)將小角動量空氣在下沉氣流中帶回到低層?xùn)|風(fēng)帶，這樣就有凈余角動量在高空西風(fēng)帶中，大型渦旋再將其輸送到中高緯度，補償大氣在西風(fēng)帶中失去的西風(fēng)角動量。而費雷爾環(huán)流則使角動量有凈的向下輸送。結(jié)果，在赤道與極地之間形成三圈經(jīng)

9、向環(huán)流，同時在近地面形成三個緯向風(fēng)帶：極地東風(fēng)帶、中緯度西風(fēng)帶和低緯度信風(fēng)帶，以及四個氣壓帶：極地高壓帶(polarhighpressurebelt)、副極地彳氐壓帶(subpolarlowpressurebet)、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)運動產(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，形成閉合流動圈。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)偏向力