一、风的形成
空气的流动现象就是风。通俗地说,风是空气受热或受冷而导致的从一个地方向另一个地方的移动。
大气环流是指大气大范围运动的状态。某一大范围的地区(如欧亚地区、半球、全球)、某一大气层(如对流层、平流层、中层、整个大气圈)在一段较长时期(如月、季、年、多年)内的大气运动的平均状态或某一时段(如一周、梅雨期间)内的大气运动的变化过程都可以称为大气环流。
大气环流构成了全球大气运动的基本形势,是全球气候特征和大范围内的天气形势的主导因子,也是各种尺度的天气系统活动的背景。
1.大气环流的形成原因
大气环流的形成原因主要有四种:一是太阳辐射,这是地球上大气运动能量的来源,由于地球的自转和公转,地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的,热带地区多,而极区少,从而形成大气的热力环流;二是地球自转,在地球表面运动的大气都会受地球自转偏向力的作用而发生偏转;三是地球表面海陆分布不均匀;四是大气内部南北之间热量、动量的相互交换。以上四种原因构成了地球大气环流的平均状态和复杂多变的形态。
在终年炎热的赤道地区,大气受热膨胀上升;在终年严寒的两极地区,大气冷却收缩下沉。这样,在高空,赤道形成高气压,气压梯度力的方向指向极地,大气由赤道上空流向两极上空;在近地面,赤道形成低气压,两极形成高气压,气压梯度力的方向指向赤道,大气由两极流回赤道。因此,在同一半球,赤道和极地之间形成了单圈闭合环流,如图2-1所示。
2.三圈环流与四种气压带的关系
三圈环流是指低纬环流、中纬环流、高纬环流,四种气压带是指赤道低气压带、副热带高气压带、极地高气压带、副极地低气压带,如图2-2所示。
由于赤道地区气温高,气流膨胀上升,高空气压较高,受水平气压梯度力的影响,气流向极地方向流动;又由于受地球自转偏向力的影响,气流运动至北纬30°时便堆积下沉,使该地区地表气压较高,又因为该地区位于副热带,故形成副热带高气压带。
赤道地区地表气压较低,于是形成了赤道低气压带。
在地表,气流从高压区流向低压区,形成低纬环流。
在极地地区,由于气温低,气流收缩下沉,故气压高,形成极地高气压带。
来自极地的气流和来自副热带的气流在纬度60°附近相遇,形成了锋面,称作极锋。此地区气流被迫抬升,因此形成副极地低气压带。气流抬升后,在高空分流,向副热带以及极地流动,形成中纬环流和高纬环流。
图2-1 地球表面风的形成和风向
3.三圈环流与风带的关系
地球的自转,假设地表性质均一,太阳直射赤道,则引起大气运动的因素是高低纬之间的受热不均和地球自转偏向力。从北半球来看,赤道地区上升的暖空气在气压梯度力的作用下,由赤道上空向北流向北极上空(南风),受地球自转偏向力的影响,南风逐渐右偏成西南风,到北纬30°附近上空时偏转成西风,来自赤道上空的气流不能再继续北流,而是变成自西向东运动。由于赤道上空的空气源源不断地流过来,在北纬30°附近的上空堆积,产生下沉气流,致使近地面的气压升高,又由于该地区位于副热带,因此形成副热带高气压带。
近地面,在气压梯度力的作用下,大气由副热带高气压带向南北流出。向南的一支气流流向赤道低气压带,在地球自转偏向力的影响下,由北风逐渐右偏成东北风,称为东北信风。东北信风与南半球的东南信风在赤道附近辐合上升,在赤道与副热带地区之间便形成了低纬环流圈。
图2-2 三圈环流与四种气压带
近地面,从副热带高气压带向北流的一支气流,在地球自转偏向力的作用下逐渐右偏成西南风,即盛行西风;从极地高气压带向南流的气流(北风),在地球自转偏向力的影响下逐渐向右偏成东北风,即极地东风。较暖的盛行西风与寒冷的极地东风在北纬60°附近相遇,形成锋面(极锋);暖而轻的气流爬升到冷而重的气流之上,形成副极地上升气流。
上升气流升到高空,又分别流向南北,向南的一支气流在副热带地区下沉,于是在副热带地区与副极地地区之间构成中纬环流圈;向北的一支气流在北极地区下沉,在副极地地区与极地之间构成高纬环流圈。由于副极地上升气流升到高空便向南北流出,使近地面的气压降低,形成副极地低气压带。同理,南半球同样存在低纬环流圈、中纬环流圈、高纬环流圈三个环流圈。因此,在近地面共形成了七个气压带、六个风带,如图2-3所示。
4.季风环流
在一年内随着季节的不同而有规律地转变风向的风,称为季风。亚洲东部的季风环流最为典型。
海陆热力性质的差异,导致冬夏间海陆气压中心季节性变化,这是形成季风环流的主要原因。
太平洋是世界上最大的大洋,亚欧大陆是世界上最大的大陆,东亚居于两者之间,海陆的气温对比和季节变化比其他任何地区都要显著。所以,海陆热力性质的差异引起的季风,在东亚最为典型,范围大致包括我国东部、朝鲜半岛和日本等地区。
冬季,东亚盛行来自蒙古-西伯利亚高压前缘的偏北风,低温干燥,风力强劲,此偏北风强烈时即为寒潮;夏季,东亚盛行来自太平洋副热带高压西北部的偏南风,高温、湿润和多雨。偏南气流和偏北气流相遇,往往会形成大范围的降雨带。
图2-3 三圈环流与风带
海陆热力性质的差异是形成季风的重要原因,但不是唯一的原因。气压带和风带位置的季节性移动等,也是形成季风的原因。例如,我国西南地区及印度一带的西南季风,就是南半球的东南信风夏季北移越过赤道,在地球自转偏向力的影响下向右偏转而成的。