热力环流的表现类型概述

上海市北郊高级中学（200081） 周义钦

热力环流是由于地面的冷热不均而形成的空气环流。作为一种最简单的大气运动形式，热力环流在大自然中广泛存在。按空间范围的大小，热力环流可有不同空间尺度的表现形式；在同一空间尺度内，由于受下垫面性质及人类活动的影响，其又有不同的表现类型。

一、全球范围的热力环流——三圈环流

在全球范围内，由于太阳辐射的纬度分布不均，造成地表不同地区的气压差异，加上地球自转所产生的偏向效应的影响，形成了全球尺度的有规律的大气平均经圈环流。

1. 低纬环流。由于赤道地区气温高，气流膨胀上升，导致高空气压较高。在北半球，从赤道上空向北分流的气流，在地转偏向效应的影响不断向右偏转，至北纬30度时便堆积下沉，使该地区地表气压较高；下沉的空气在近地面再分别向南北分流，其中向南的气流在地转偏向效应下右偏，风向转变为低纬的东北信风，并补充赤道地区的上升气流，形成低纬环流。

2. 中纬环流和高纬环流。在极地地区，由于气温低，气流收缩下沉，导致气压较高，气流向赤道方向流动。与此同时，从南北纬30°处向较高纬度分流的气流，在地转偏向效应影响下转变为中纬近地面的西风。这样，两股气流在副极地辐合，较暖气流被抬升后在高空分流，向副热带以及极地流动，分别形成了中纬环流和高纬环流。

由于大气的相互补偿，最终在南北半球各形成三个环流圈（如图1所示），并在全球的近地面形成了相对稳定的七个气压带和六个风带，这就是地球上的行星风系，成为全球大气环流的主体。虽然三圈环流的形成过程中有非热力作用因素（如在地转偏向效应和重力影响下的动力作用），但地球表面的冷热不均是其直接成因，仍属于广义的热力环流范畴。三圈环流使高低纬度之间的水汽和热量得到交换，调整了全球的水热分布，对世界气候类型有直接控制作用。当然，由于太阳直射点的季节移动和海陆分布的差异，破坏了上述经圈环流的稳定性和完整性。

图1 北半球三圈环流示意图

二、海陆之间的热力环流——季风、海陆风

地球表面性质并非均一的，既有辽阔的海洋又有大面积的陆地，而海洋和陆地之间存有显著的热力性质差异。由于陆地的热容量比较小，吸热和散热都较海洋快，这样，海陆分布及热力性质的差异破坏了经圈环流中气压带的连续分布，在海陆之间存在一定的气压差异，由此形成了两种不同规模、不同周期的热力环流类型。

1. 季风。季风是海陆之间大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象。由于海陆之间的热力性质差异，导致冬夏间海陆气压中心的季节变化。冬季大陆气温低于海洋，陆地为冷高压，海洋为相对的暖低压，风从陆地吹向海洋；夏季大陆气温高于海洋，陆地为热低压，海洋为相对的冷高压，风从海洋吹向陆地。这样，在冬季和夏季，大洲与大洋之间分别形成了巨大的热力环流，其表现即冬夏的季风环流。以亚洲东部和南部为例，世界最大的亚欧大陆与世界最大的太平洋及印度洋之间的热力性质存在着巨大差异，海陆的气温对比和季节变化比其它任何地区都要显著，由此形成的季风也较为典型（如图2所示）。

图2 亚洲季风示意图

（1）冬季风。冬季，东亚盛行来自蒙古—西伯利亚高压前缘的偏北风，寒冷干燥，风力强劲；南亚盛行从亚欧大陆吹来的东北季风，温和（因纬度低，气流南下过程中温度逐渐升高）少雨。

（2）夏季风。夏季，东亚盛行来自太平洋副热带高压西北部的东南季风，高温多雨；南亚地区在气压带、风带季节移动的共同影响下吹西南季风，炎热多雨。

季风环流是大气环流的重要组成部分，产生了独特的天气气候现象，主导着受影响地区的天气气候变化。季风气候一年之中有明显的旱季和雨季，对亚洲东部和南部的地理环境及人们的生产生活有很大的影响。

2. 海陆风。海陆风是指沿海地区小范围内风向随昼夜而转变的现象，其主要成因同样是海陆之间的热力性质差异。

（1）海风。由于陆地热容量比海洋低得多，白天在太阳照射下，陆地增温快，气温比海洋高，空气膨胀上升，近地面形成低气压；海洋气温相对低，空气冷却收缩下沉，海面形成高气压。这样便在沿海地区形成一个局部的热力环流，其中的下层空气由海洋吹往陆地，成为海风（如图3中的“白天海风”所示）。

图3 海陆风示意图

（2）陆风。夜间，陆地降温比海洋快，气温比海洋低，空气冷却凝结，近地面形成高气压；海洋气温相对高，空气膨胀上升，海面形成低气压。这样便形成了与白天相反的热力环流，其中的下层空气由陆地吹往海洋，成为陆风（如图3中的“夜晚陆风”所示）。

海陆风对滨海地区的气候有一定的影响，其海风可以调节沿海地区的气温，使夏季沿海地区比内陆凉爽，冬季比内陆温和，具有海洋性的特征。但海陆风因仅受一天的海陆热力差异影响，其风力不大，范围也小，只有当大范围的大气环流较弱时才能显现出来。

三、大陆内部的热力环流——山谷风、城市风

同为大陆内部，由于存在地形差异及人类活动对地表地貌的影响，也有两种不同性质的局地热力环流类型。

1. 山谷风。山谷风是指山区的山坡和谷地之间的风向随昼夜而转变的现象，其形成原理跟海陆风类似，是由陆地上的不同地形所导致的山谷与其附近空气之间的热力差异而引起的。

（1）白天谷风。白天，山坡接受太阳光热较多，成为一只“加热炉”，使山坡上的空气增温强烈；而在山谷上空，同等高度上的空气因离地表较远，增温较少。于是山坡上的暖空气不断上升，并从空中流回谷地，谷底的空气则沿山坡向山顶补充。这样便在山坡与山谷之间形成一个局地的热力环流，其中的下层气流由山谷吹向山坡，称为谷风（或上山风，如图4中的“白天谷风”所示）。

图4 山谷风示意图

（2）夜晚山风。到了夜间，山坡上的空气受山坡辐射冷却影响，“加热炉”变成了“冷却器”，空气降温较多；而在山谷上空，同等高度的空气因离地表较远，降温较少。于是山坡上的冷空气因密度大，顺山坡流入山谷，谷底的空气因汇合而上升，并向山顶上空流去，补充山顶的下沉气流。这样形成的热力环流也与白天的相反，其中的下层气流由山坡吹向山谷，称为山风（或下山风，如图4中的“夜晚山风”所示）。

山谷风是山区常有的一种自然现象。在山区只要没有强大天气系统影响，就会出现山谷风，且天气愈晴朗稳定、山谷高差愈大、山谷形状愈完整、山坡愈裸露，山谷风就愈明显。山谷风对山区的气候及农业生产有一定的影响。

2. 城市风。城市风是指在城市的市区和郊区之间多出现由郊区流向市区的特殊风向，也称城乡风，这是由于城市的热岛效应而产生的。

由于城市中的下垫面受到人类大规模的改造，在受到相同太阳辐射下，城市升温比周围郊区快；同时，由于城市中人类活动集中，城市中消耗的能源多，排放的废热也多。因此，在近地面，市区的温度比郊区的高，在市区形成低压，而郊区为相对的高压。这样，在市区与郊区之间形成了一个小型的的局地环流（如图5所示）。在低空，风从郊区吹向市区；在高空，风则由高空吹向郊区。

图5 城市风示意图

当大范围的大气环流微弱时，城市风才表现明显。但城市风的风速一般不大，常会被系统风速所淹没。由于城市风的存在，将市区的大气污染物带到郊区，有利于市区空气的净化。同时，如果在城市热力环流的影响范围之内有严重的大气污染企业，在热力环流的作用下，会使城市的大气污染更加严重。

四、海洋内部的热力环流——沃克环流

浩瀚的海洋虽然物理性质相对较均一，但由于受地理位置、大洋形状以及大洋环流的配置等因素的综合影响，也存在大洋表层水温的差异，特别在赤道地区尤为明显。沃克环流就是一种赤道地区海洋表面的纬向热力环流，是由海洋水温的东西差异而产生的。

1. 正常年份的沃克环流。

在正常年份，太平洋赤道地区的水温分布是西高东低的。在东南信风的作用下，南赤道暖流从东太平洋流到西太平洋，使温度较高的海水不断在热带西太平洋堆积，导致西部海区的水温升高；于是，在西太平洋因海温高气压低盛行上升气流，气流升至高空转为向东，形成高空气流。相反，在南美洲西海岸，在干燥离岸风的作用下，形成强大的涌升流，以补偿表面的信风漂流，造成东太平洋水温较低；于是，在东太平洋由于海温低气压高，盛行下沉气流，气流到达海面再转为向西，形成地表气流。这样在赤道的高低空之间就形成一个闭合的呈顺时针方向的纬向热力环流圈（如图6所示）。

图6 正常年份沃克环流示意图

2. 不正常年份的沃克环流。

当东南信风减弱或增强时，都会造成沃克环流的异常。沃克环流的强弱变化是判断厄尔尼诺和拉尼娜现象的重要依据。

（1）沃克环流较弱。当东南信风减弱时，南赤道暖流也相应减弱，赤道逆流则相应加强，使太平洋中、东部向西流动的暖性海水明显减少，出现西太平洋暖性海水向东蔓延的趋势；同时，南美太平洋沿岸涌升补偿的海水也相应减少，导致热带太平洋东部表层海水温度高于正常年份，西部则低于正常年份，太平洋赤道地区的水温分布总体呈现东高西低的格局。由此形成的沃克环流较弱，甚至表现为逆时针方向的与正常年份相反的纬向热力环流圈（如图7所示），使太平洋东西岸的气候发生异常，从而出现厄尔尼诺现象。

图7 不正常年份的反向沃克环流示意图

（2）沃克环流较强。在某些年份，当东南信风增强，南赤道暖流强度变大，南美太平洋沿岸的涌升补偿流增加，使得表层海水水温持续下降，比正常年份还要低，由此造成太平洋赤道地区西高东低的水温分布格局更加突出，形成的沃克环流也较强。在此影响下，热带太平洋东部比常年更为干旱，而热带太平洋西部的降水比常年更多，台风次数增加，这便是拉尼娜现象。

由此可见，赤道地区太平洋东西两侧海水温度的差别导致了沃克环流的出现，海水温度的变异导致沃克环流的异常。所以，沃克环流是赤道地区太平洋海气相互作用的产物，控制着太平洋东西部的水热平衡和交换，对两岸的气候调节有重要作用，并通过大气的相关作用影响到世界其它地区。一旦这种平衡被打乱，即发生沃克环流的强弱变化，就会造成大尺度的环流异常与全球气候异常。目前科学家们正在对引起沃克环流异常的成因机制进行深入研究，并积极探索预报厄尔尼诺和拉尼娜现象的途径。

热力环流对影响地区的天气与气候有重要意义。大规模的热力环流把热量和水分从一个地区输送到另一个地区，从而使高低纬度之间、海陆之间及海洋内部不同地区之间的水汽和热量得到交换，调整了全球的水热分布，对全球的热量和水量平衡有重要作用。小规模的热力环流往往是促成局地小气候的主要因素。热力环流原理在现实生活中也普遍存在并得到广泛应用，如锅（水壶）里烧开的热水的运动、空调房中冷暖空气的流动，孔明灯、热气球等也是利用了热力环流原理加热上升的，暖气片、电热油灯（又叫充油电暖器）同样是利用了热力环流原理来升高房间温度的。掌握热力环流的内在原理及表现类型，不仅有利于我们了解其对天气气候的影响，还能使之更好地服务于我们的生产和生活。