关于大气环流的入门学习

特殊说明

1、这里描述区域的风带和气压带都是未加说明都是指近地面，高空会特定说明。
2、主要研究北半球，南半球当然同样的方法分析。
3、这里高空和低空的分界在于是否需要讨论与空气的摩擦力。

基于经向环流

气压带与风带的形成

理想分析

如果地球是平整的是地面热力性质相同，只会在极地和赤道间形成非常稳定的一圈热力环流。

极端理想推广有一点现实的极端理想

赤道低气压带

赤道区域受太阳辐射最多，热空气上升形成近地面低压（图中1 11）。

副热带高气压带

赤道高空热气流北上，在北半球高空形成偏西风（图中2 22），因为北半球地转偏向力向右，忽略高空的空气摩擦阻力，最终2 22会变为西风，阻挡从赤道低气压带来的2 22，根据科学家的观测南北纬[ 30 ° , 40 ° ] [30\degree,40\degree][30°,40°]左右，2 22堆积下降（图中3 33），形成副热带高气压带。

信风带

由已经形成的1 11，2 22，3 33和大气环流推导，易知近地面有一支由副热带高气压带吹向赤道低气压带（图中4 44），北半球受地转偏向力作用偏右，即刮偏东风。这个风具古人记载非常稳定，所以可信，所以称之为信风。

低纬环流圈（哈得来环流圈）

由1 11,2 22,3 33,4 44构成。

极地高气压带

极地区域受太阳辐射最少，冷空气下降形成近地面高压。

极地东风带

近地面由极地吹向相对较低纬度的地区，受地转偏向力吹偏东风（图中10 1010）

中纬度西风带

副热带高气压带近地面高压，近地气流继续北上吹偏西风（图中5 55）

副寒带低气压带

冷气流10 1010与 热气流5 55相遇，因其两者密度差异，形成极峰。热气流上升，冷气流10 1010与北上的 热气流5 55相遇无法继续南下，又无法继续北上，在小范围空间尺度下，受地转偏向力作用形成气旋，北半球受地转偏向力作用逆时针旋转，气旋中间处形成高压区被迫上升，最终形成了副寒带低气压带。副寒带高空高压，高空气流分为两支一支北上（图中8 88），一支南下 （图中7 77）。8 88在极地受冷下降（图中9 99）。

中纬环流圈（费雷尔环流圈）

由3 33，5 55，6 66，7 77构成。

极地环流圈

由6 66,8 88,9 99,10 1010构成。

补充说明

近地面的风是会受摩擦力的，所以最终无法成为正西风或正东风

气压带与风带性质

• 信风性质干燥
• 中纬西风带性质湿润
• 极地东风带性质干冷

纬向环流加以补充

现象

中纬度高空实际并非偏东风，主要刮偏西风，与经向环流推导并不相符。这是因为地球纬向环流占比更大，纬向环流我目前认为主要影响经向环流体系中的高空风（因为地转风是定义在高空的）。

地转风

定义及形成

首先明确这个风是定义在高空的。地转风实际上就是高空上气压梯度力和地转偏向力投影到同一高度水平面拉扯出来的结果。地面受热不均就会导致等压面倾斜。

ps: 这张图取得并不好，900hPa并不算是高空，不过只是为了说明等压面倾斜，凑活着看吧。

解释一下这张图，为了方便起见，这里说方向（前后左右）：

• 同一高度下热面气压大于冷面气压
• 生成气压梯度力方向沿着该高度水平面向左
• 风向初始该高度水平面向左
• 由地转偏向力公式F ⃗ = 2 m ( ω ⃗ × v ⃗ ) \vec{F}=2m(\vec{\omega}\times \vec{v})F=2m(ω×v)，可知地转偏向力在该高度水平面投影始终和风向垂直，最终地转风风向会向该高度水平面后方向，地转偏向力在该高度水平面投影向量方向与气压梯度力反向。

计算

这是deepseek总结出来的计算，目前看来过于深奥。显而易见地，在假设等压面非常整齐均匀下，根据公式很显然高空上，海拔越高，ρ \rhoρ越小，V g V_gVg​越大。

热成风

定义可以简单理解为地转风随高度的变化。

纬向环流

纬向环流其实本质就是热成风主要作用的（目前是这么认为的）。
将刚才分析的冷热区域换成北半球上的南北即可分析出中纬度纬向环流为偏西风。

急流

基于之前经向环流地分析，中纬度纬向环流为偏西风，地球大气环流以纬向环流为主，北上的5 55和南下的10 1010随着高度的上升收到纬向环流的作用，最终呈现高空中纬西风。因为其风速> 30 m / s >30m/s>30m/s形成了两支西风急流：

• 南支西风急流（副热带急流）
• 北支西风急流（极锋急流）

极涡

定义

高空西风环绕着极地低气压中心构成极涡

借助大气环流分析南北极极涡稳定性差异

明确极涡由高空西风带构成，而高空西风带由因为热成风形成。现在讨论南北半球中纬高空西风带稳定性：

• 南半球比北半球温差更大，热成风更大，故西风带风速更大。
• 南半球陆地面积少于北半球，受海陆热力性差异导致等压线、等温线波动相对更小。
  综上分析南半球中纬高空西风带构成的极涡更稳定。

罗斯贝波

西风带波动

正因为北半球受海陆热力性差异导致等压线、等温线较大，所以西风带会波动形成低压槽和高压脊。

低压槽和高压脊性质

高空西风带本质是由热成风导致形成的，热成风本质又是由地转风随高度变化形成的，地转风又是由地面热力性质差异形成的。因此高空西风带可以视为N NN条高空的等温线。

因为低压槽在“等温线”北侧所以高空冷低压，高压脊在“等温线”南侧所以高空热高压。

涡度

知识点

行星涡度：f = 2 ω sin ⁡ ϕ f=2\omega \sin\phif=2ωsinϕ，其中ϕ \phiϕ表示纬度。
相对涡度：ζ \zetaζ
绝对涡度：f + ζ f+\zetaf+ζ
相对涡度（北半球情况）：ζ ↑ \zeta \uparrowζ↑，倾向逆时针旋转；反之ζ ↓ \zeta \downarrowζ↓，倾向顺时针旋转。
绝对涡度守恒：d ( f + ζ ) d t = 0 \frac{d(f+\zeta)}{dt}=0dtd(f+ζ)​=0，即在满足正压、水平无辐散和无摩擦的条件下，
绝对涡度（地转涡度与相对涡度之和）在垂直方向上不随时间变化。

低压槽和高压脊存在性

• 若走向低压槽，ϕ ↓ \phi\downarrowϕ↓，则f ↓ f\downarrowf↓，则ζ ↑ \zeta \uparrowζ↑，则倾向逆时针旋转，逐渐向北
• 若走向高压脊，ϕ ↑ \phi\uparrowϕ↑，则f ↑ f\uparrowf↑，则ζ ↓ \zeta \downarrowζ↓，则倾向顺时针旋转，逐渐向南

小节

这样的环流存在[ 3 , 7 ] [3,7][3,7]个波，波长在[ 3000 , 10000 ] k m [3000,10000]km[3000,10000]km，这种行星尺度下的长波被称为“行星波”，也被成为“罗斯贝波”。

全球变暖却寒潮越发频繁现象解释

全球变暖导致极地温度升高，南北温差减小，地转风风速降低，热成风风速降低，高空西风带波动，来自北方的冷空气沿着通往低压槽的方向南下。同时若波动程度过于大，在罗斯贝波波谷附近出现高空西风带断裂形成小型高空低压中心——“冷涡”。

关于一些额外需要思考的东西

1. 对于2 22的堆积，貌似也有角动量守恒的说法，但不太会角动量守恒，等待学习思考（
2. 对于地转风和热成风认识非常的基础，空间向量叉积一概不通（
3. 关于涡度目前只知道有这么个东西，并不会推导。