大氣環(huán)流是怎么影響氣候的?

【專家解說(shuō)】：大氣環(huán)流形成的主要因素 (一)太陽(yáng)輻射作用 大氣運(yùn)動(dòng)需要能量，而能量幾乎都來(lái)源于太陽(yáng)輻射的轉(zhuǎn)化。大氣不僅吸收太陽(yáng)輻射、地面輻射和地球給予大氣的其它類型能量，同時(shí)大氣本身也向外放射輻射。然而這種吸收和放射的差額在大氣中的分布是很不均勻的，沿緯圈平均在35°S-35°N之間是輻射差額的正值區(qū)，即凈得能量區(qū)。由35°S向南和由35°N向北是輻射差額的負(fù)值區(qū)，即凈失能量區(qū)。這樣自赤道向兩極形成了輻射梯度，并以中緯度地區(qū)凈輻射梯度最大。凈輻射梯度分布引起了地球上高、低緯度間的大氣熱量收支不平衡，使大氣中出現(xiàn)了有效位能，形成了向極的溫度梯度。大氣是低粘性、可壓縮流體，溫度和氣壓的改變可能引起膨脹或收縮。結(jié)果，低緯大氣因凈得熱量不斷增溫并膨脹上升，極地大氣因凈失熱量不斷冷卻并收縮下沉。在這種溫度梯度下，為保持靜力平衡，對(duì)流層高層必然出現(xiàn)向極地的氣壓梯度，低層出現(xiàn)向低緯的氣壓梯度。假設(shè)地球表面性質(zhì)均一和沒(méi)有地轉(zhuǎn)偏向力，則氣壓梯度力的作用將使赤道和極地間構(gòu)成一個(gè)大的理想的直接熱力環(huán)流圈，見(jiàn)圖4·31。環(huán)流使高低緯度間不同溫度的空氣得以交換，并把低緯度的凈收入熱量向高緯度輸送，以補(bǔ)償高緯熱量的凈支出，從而維持了緯度間的熱量平衡。因此，太陽(yáng)輻射對(duì)大氣系統(tǒng)加熱不均是大氣產(chǎn)生大規(guī)模運(yùn)動(dòng)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(dòng)力。 (二)地球自轉(zhuǎn)作用 大氣是在自轉(zhuǎn)的地球上運(yùn)動(dòng)著，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力迫使運(yùn)動(dòng)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)?？梢?jiàn)，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。緯向風(fēng)帶的出現(xiàn)，阻擋著經(jīng)向氣流的逾越，引起某些地區(qū)空氣質(zhì)量的輻合和一些地區(qū)空氣質(zhì)量的輻散，使一些地區(qū)的高壓帶和另一些地區(qū)的低壓帶得以形成和維持。結(jié)果，全球氣壓水平分布在熱力和動(dòng)力因子作用下，呈現(xiàn)出規(guī)則的緯向氣壓帶，而且高低氣壓帶交互排列(圖4.34)。而氣壓帶的生成和維持又是經(jīng)圈環(huán)流形成的必需條件。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。 (三)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(gè)性質(zhì)不均勻的復(fù)雜的下墊面。從對(duì)大氣環(huán)流的影響來(lái)說(shuō)，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(dòng)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(duì)熱源，海洋上成為相對(duì)冷源;冬季，陸地成為相對(duì)冷源，海洋卻成為相對(duì)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(gè)個(gè)閉合的高壓和低壓。同時(shí)，冬夏海、陸間的熱力差異引起的氣壓梯度驅(qū)動(dòng)著海陸間的大氣流動(dòng)，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。北半球陸地遼闊，海陸東西相間分布，在冬季，大陸是冷源，緯向西風(fēng)氣流流經(jīng)大陸時(shí)，氣流溫度逐漸降低，直到大陸東岸降到最低，氣流東流入海后，因海洋是熱源，氣溫不斷升溫，直到海洋東緣溫度升到最高，這樣便形成了圖4·32所示的溫度場(chǎng)。即大陸東岸成為溫度槽，大陸西岸形成溫度脊。夏季時(shí)，溫度場(chǎng)相反，大陸東岸為溫度脊，大陸西岸為溫度槽。根據(jù)熱成風(fēng)原理，與溫度場(chǎng)相適應(yīng)的高空氣壓場(chǎng)則是，冬季大陸東岸出現(xiàn)低壓槽，西岸出現(xiàn)高壓脊，夏季時(shí)相反?？梢?jiàn)，海陸東西相間分布對(duì)高空環(huán)流形勢(shì)的建立和變化有明顯影響。 地形起伏，尤其是大范圍的高原和高大山脈對(duì)大氣環(huán)流的影響非常顯著，其影響包括動(dòng)力作用和熱力作用兩個(gè)方面。當(dāng)大規(guī)模氣流爬越高原和高山時(shí)，常常在高山迎風(fēng)側(cè)受阻，造成空氣質(zhì)量輻合，形成高壓脊，在高山背風(fēng)側(cè)，則利于空氣輻散，形成低壓槽。東亞沿岸和北美東岸，冬半年經(jīng)常存在的高空大槽，雖然其形成同海陸溫差有關(guān)，但同西風(fēng)氣流爬越巨大青藏高壓和落基山的動(dòng)力減壓亦有一定關(guān)系。如果地形過(guò)于高大或氣流比較淺薄，則運(yùn)動(dòng)氣流往往不能爬越高大地形，而在山地迎風(fēng)面發(fā)生繞流或分支現(xiàn)象，在背風(fēng)面發(fā)生氣流匯合現(xiàn)象。地形對(duì)大氣的熱力變化也有影響。比如青藏高原相對(duì)于四周自由大氣來(lái)說(shuō)，夏季時(shí)高原面是熱源，冬季時(shí)是冷源，這種熱力效應(yīng)對(duì)南亞和東亞季風(fēng)環(huán)流的形成、發(fā)展和維持有重要影響。 夏季極冰的冷源作用改變了太陽(yáng)總輻射所形成的夏季經(jīng)向輻射梯度，使對(duì)流層大氣的夏季熱源仍維持在低緯，冷源維持在高緯極區(qū)，這種夏季極冰冷源作用是影響大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)的又一重要因素。 由上可見(jiàn)，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(shì)。 (四)地面摩擦作用 大氣在自轉(zhuǎn)地球上運(yùn)動(dòng)著，與地球表面產(chǎn)生著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)地球之間產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩(即角動(dòng)量)。角動(dòng)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(duì)大氣環(huán)流的形成和維持具有重要作用。 角動(dòng)量為空氣質(zhì)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)速度與它到旋轉(zhuǎn)軸距離的乘積。單位質(zhì)量空氣相對(duì)于地軸運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量公式為 ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，R為地球半徑，u為大氣緯向風(fēng)速，為緯度。 式中第一項(xiàng)表示當(dāng)空氣和地球一起以ω角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)所具有的角動(dòng)量，又稱ω角動(dòng)量。第二項(xiàng)為大氣相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量，又稱u角動(dòng)量。 地球上的氣流基本上呈緯向流動(dòng)著，在中高緯度主要是西風(fēng)帶，低緯度是廣闊東風(fēng)帶。在西風(fēng)帶地球通過(guò)摩擦作用給大氣一個(gè)自東向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，所以西風(fēng)帶中大氣將損耗西風(fēng)角動(dòng)量而地球?qū)@得西風(fēng)角動(dòng)量。在東風(fēng)帶地球通過(guò)摩擦作用給大氣一個(gè)自西向東的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，所以在東風(fēng)帶中大氣獲得地球給予的西風(fēng)角動(dòng)量，而地球?qū)⒅С鑫黠L(fēng)角動(dòng)量。照此下去，西風(fēng)帶因不斷損耗西風(fēng)角動(dòng)量，近地層西風(fēng)要減弱;東風(fēng)帶因不斷獲得西風(fēng)角動(dòng)量，近地層?xùn)|風(fēng)也要減弱。然而長(zhǎng)期觀測(cè)事實(shí)證明，東、西風(fēng)帶的平均風(fēng)速?zèng)]有發(fā)生明顯變化，地球自轉(zhuǎn)速度也沒(méi)有發(fā)生變化。這表明大氣中的角動(dòng)量是守恒的，東、西風(fēng)帶由地球獲得或損耗的西風(fēng)角動(dòng)量是相等的。同時(shí)也表明大氣中必有一種從東風(fēng)帶向西風(fēng)帶輸送西風(fēng)角動(dòng)量的過(guò)程存在。 角動(dòng)量的輸送包括水平和垂直輸送。水平輸送主要通過(guò)平均緯向環(huán)流上疊加的大型渦旋(槽線呈東北-西南向)和平均經(jīng)向風(fēng)速來(lái)完成u角動(dòng)量的輸送。垂直輸送主要靠平均經(jīng)圈環(huán)流來(lái)實(shí)現(xiàn)。ω角動(dòng)量隨緯度有變化，緯度愈低，ω角動(dòng)量愈大。在低緯經(jīng)向環(huán)流圈中，赤道上升氣流向上攜帶的ω角動(dòng)量大于緯度30°附近下沉氣流向下攜帶的ω角動(dòng)量，因而有凈余的ω角動(dòng)量向上輸送。赤道上空獲得的ω角動(dòng)量向北運(yùn)行時(shí)，在絕對(duì)角動(dòng)量守恒定律支配下，轉(zhuǎn)化為u角動(dòng)量以補(bǔ)充大型渦旋向北輸送u角動(dòng)量的需要。同理，中緯逆環(huán)流圈中靠極一側(cè)上升氣流向上攜帶較小ω角動(dòng)量，而靠低緯一側(cè)下沉氣流向下攜帶較大ω角動(dòng)量，結(jié)果有凈余ω角動(dòng)量向下輸送，然后在低空于向北運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)化為u角動(dòng)量，補(bǔ)充地面西風(fēng)帶的損耗。通過(guò)角動(dòng)量輸送過(guò)程保持了東、西風(fēng)中角動(dòng)量平衡，使東、西風(fēng)帶能夠長(zhǎng)期維持穩(wěn)定狀態(tài)。由上可見(jiàn)，地面摩擦作用是大氣環(huán)流中緯向環(huán)流與經(jīng)圈環(huán)流形成和維持的重要因素。 大氣環(huán)流的形成和維持，除以上因子外，還同大氣本身的特殊性質(zhì)有聯(lián)系。