单圈环流和三圈环流的异同

比较单圈环流和三圈环流的异同 要了解单圈环流和三圈环流的异同，首先，我们得了解什么是大气环流，以及两种大气环流模式理论的形成及发展。 大气环流（general circulation of atmosphere）是指大范围的大气运动状态及其随时空的变化过程，是大范围的大气层内具有一定稳定性的各种气流运动的综合现象。

现代气象科学的许多领域，如气候学、气候变化学、天气学、天气预报学、灾害气象等都离不开对大气环流的研究。一些重大的经济活动、社会事务，也与大气环流的研究有着密切的关系。

19世纪以前，系统观测风的资料，特别是海洋上的资料十分缺乏，而渔业、航海贸易和军事活动又十分需要风的系统知识。因此，人们试图利用当时仅有的风的知识和经验，提出一些理论，以解释低纬度海洋上的东北风，从而推断出整个地球上风的分布情况。

于是，在1735年，英国人哈得莱(Hadley ) 提出了一个设想：赤道两侧地区终年受到太阳的直射，得到的热量多，两极附近，太阳终年斜射，得到的热量很少。因此，赤道两侧的空气受热而上升，极地的空气冷却而下沉。在北半球，赤道附近的空气上升到高空后向北运动，到北极附近下沉，然后又从地面上向南运动，再回到赤道附近，于是形成了一个闭合流动圈。南半球则与北半球的空气流动方向相反。

哈得莱认为：空气质点在南北方向运动时，能够保持其绝对速度不变，即赤道附近空气质点的绝对速度最大，极地最小。因此，空气在高层由赤道流向极地时产生西风；在地面上，空气由极地流向赤道时，西风则逐渐减小，最后变成东风。所以低纬度地面上盛行东北风。

哈得莱所说的绝对速度，就是指空气质点随着地球一起自转从西向东运动的速度。赤道处的转动半径最大，绝对速度也最大；纬度愈高，则转动半径愈小，在纬度60度处的转动半径只有赤道处的一半。因而赤道处的空气向极地移动。相对于地球表面来说就逐渐产生了西风。由此，哈得莱推断出一个全球各处风的分布：在北半球地面上，低纬度刮东北风，到中纬度刮北风，再向北则是西北风；南半球地面上，低纬度是东南风，中纬度是南风，高纬度是西南风。

哈得莱提出的这个环流圈理论，直到19世纪初人们还是对哈得莱提出的这个环流圈理论深信不疑的。但是，随观测资料的增多，人们发现实际观测的结果有很多与哈得莱的设想并不相符。但是在赤道到纬度30度之间，确实存在着一个这样的环流圈。人们为了纪念他对大气环流研究开创性的贡献，就把这个环流圈叫做“哈得莱环流圈”（Hadley cell）。

1941年，美国气象学家罗斯贝(Rossby ) 根据大量的观测事实和研究成果，综合了多种方案提出了三圈环流模型(

three cell model ) 。罗斯贝的三圈环流模型，如图所示：

①由于气流受地

转偏向力作用，使赤道

地区由地面上升至高

空的气流向北运动时

发生偏转，至20度至

30度N 时，气流变成

自西向东的纬向环流；

这样就阻碍了低纬高

空大气的继续北流，从

而使大气在那里堆积，并因辐射冷却下沉，在近地面形成副热带高压(subtropical high pressure belt) ；

②地面副热带高压的空气分南、北两支流动，流向赤道的一支在地转偏向力作用下形成东北信风带(northeast trade wind belt ) ，它与南半球的东南信风带汇合形成赤道辐合带(intertropical convergence zone, ITCZ ) ，这样在30度N 与赤道之间的经圈剖面上形成一环流圈，它很像哈得莱的全球单圈环流模型，通常称其为哈得莱环流或信风环流（Hadley cell）；

③副高和极地高压之间(60度N 附近) 相对是一个低压带，称为副极地低压带(subpolar low pressure belt ) 。副高低层流向极地

的暖空气在地转偏向力的作用下形成西南风(称为西风带, westerlies belt) ；

④从极地低层流向低纬的冷空气在地转偏向力作用下形成东北风(称极地东风带, polar easterlies belt) ；

⑤两股冷暖气流在60度N 附近相遇形成极锋(polar front) ； ⑥从副高北上的暖空气沿极锋向极地滑升，到高空分成南、北两支，北支流向极地，并下降循环形成极地环流圈(polar cell) ；在极锋上空向南流的一支气流在副热带高压带地区与信风环流上空向北流动的气流相遇而辐合下降，形成一个逆环流圈，称为费雷尔(Ferrel cell) 环流。

通俗地说，就是地球-大气系统所接受的太阳辐射在各纬度分布并不均匀，由此产生了由热带指向两极的温度梯度，由于温度高的地方空气密度小，气压随高度的递减率也小，这样在对流层中、上部就产生了从热带指向极地的气压梯度，同时在低层有指向赤道的气压梯度。北半球高空空气从赤道向北运动，由于科氏力作用，空气运动逐渐偏向东，约在北纬30度附近气压梯度力和科氏力达到平衡，高空空气运动方向自西向东。空气在向北运动过程中冷却下沉。下沉的空气分别向南和向北辐散。在低层向南运动的空气在科氏力作用下转为东北风。在赤道辐合带暖空气上升，再向北辐散。由此形成的较低纬度的环流圈称为哈德莱环流。

而低层由极地流向较低纬度的空气在科氏力作用下转为东

北风，高层为西南风。而在极地为下沉气流，较低纬度处上升，形成极地环流圈。在哈德莱环流和极地环流之间存在一个方向相反的闭合环流圈，在较低纬度下沉，较高纬度上升，低层为西南风，高层为东北风，但强度比较弱。高层的东北风与哈德莱环流中来自赤道的暖湿空气相遇形成副热带锋区，在对流层上部特征明显。在副热带锋区上空有一个副热带西风急流中心。对流层的平均水平环流为盛行西风带。

哈德莱环流在较低纬度将具有较大欧美各角动量的空气在上升气流中带到高空西风带中，同时在副热带地区将小角动量空气在下沉气流中带回到低层东风带，这样就有净余角动量在高空西风带中，大型涡旋再将其输送到中高纬度，补偿大气在西风带中失去的西风角动量。而费雷尔环流则使角动量有净的向下输送。

结果，在赤道与极地之间形成三圈经向环流，同时在近地面形成三个纬向风带：极地东风带、中纬度西风带和低纬度信风带，以及四个气压带：极地高压带(polar high pressure belt ) 、副极地低压带(subpolar low pressure belt )、副热带高压带与赤道低压带。

三圈环流模型能很好地解释地球上主要的降水与干旱地带的形成。赤道两侧的气流是上升的，这里是地球上云、雨最多的地带；30度附近的气流是下沉的，这一地带少雨而干旱。 三圈环流模型大体上反映了大气环流的基本情况，即由太阳辐射差异引起的赤道和两极之间的温差是引起和维持大气环流的根本原

因，地球自转运动产生的地转偏向力使赤道和两极间温差所引起的经向环流变为纬向环流；大气环流的基本形式是以纬向气流为主。应该说明罗斯贝模型是考虑了地球自转和假设地表均匀的情况下建立的。

三圈环流理论模型虽与大量观测资料所得的结果基本上是一致的，但由于地球表面并不是均匀的，存在海陆和地形的差异。因此，实际的大气环流与罗斯贝的三圈环流的理论模型有很大的差别。

总之，单圈大气环流的物理本质是太阳辐射能量随着纬度的升高而减小，导致赤道与极地的空气由于温差而产生定向流动，形成闭合流动圈。三圈大气环流模型的物理本质是在单圈大气环流的基础上综合了地转偏向力的作用，认为太阳辐射能量差异是形成环流的根本原因；同时地转偏向力将经向环流变成纬向环流，使大气环流的基本形式以纬向环流为主。

于是，我们归结出了二者的异同：

单圈环流和三圈环流同样都考虑了赤道平面与太阳光的夹角造成的纬度上热量分布不均匀以及地球自转作用。

但是，差异在于：后者多了一重地转偏向力作用的考虑。