大氣環(huán)流（Atmospheric circulation），是指具有世界規(guī)模的、大范圍的大氣運(yùn)行現(xiàn)象。它既包括平均狀態(tài)，也包括瞬時(shí)現(xiàn)象，其水平尺度在數(shù)千公里以上，垂直尺度在10km以上，時(shí)間尺度在數(shù)天以上，也是大氣大范圍運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。主要的環(huán)流模型有單圈環(huán)流、三圈環(huán)流、海陸環(huán)流、季風(fēng)環(huán)流以及沃克環(huán)流等。
大氣環(huán)流是在熱力因子和動(dòng)力因子的共同作用下形成的，其基本原理是熱力環(huán)流。常見的影響因素有太陽(yáng)輻射、地球運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力以及海陸性質(zhì)差異等。大氣環(huán)流反映了大氣運(yùn)動(dòng)的基本狀態(tài)，不僅孕育和制約著較小規(guī)模的氣流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是各種不同尺度的天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和移動(dòng)的背景條件，還在促進(jìn)調(diào)整全球水熱分布等方面有著重大作用。
鑒于大氣環(huán)流對(duì)人類生存環(huán)境的影響，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)大氣環(huán)流都進(jìn)行了研究，并形成了豐碩的成果。諸如蘇聯(lián)學(xué)者帕哥鄉(xiāng)（Ф.П.Погосян）的《大氣環(huán)流》、中國(guó)學(xué)者袁重光的《大氣環(huán)流》等專著及眾多學(xué)術(shù)論文。
定義
大氣環(huán)流并沒有一個(gè)公認(rèn)統(tǒng)一的定義。一種意見是把大氣環(huán)流看作大氣中各種氣流的綜合，另一種意見是把大氣環(huán)流看作是大氣中大規(guī)模氣流的平均情況。一般認(rèn)為：大氣環(huán)流是指大氣中具有全球范圍的大規(guī)模的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)既包括某一時(shí)段的平均運(yùn)動(dòng)狀況，又包括某一時(shí)刻的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀況，它代表了大氣運(yùn)動(dòng)的基本狀態(tài)。
中國(guó)國(guó)家氣象信息科學(xué)中心對(duì)“大氣環(huán)流”的定義——地球表面的大氣，經(jīng)常在廣闊的區(qū)域里做穩(wěn)定的氣流運(yùn)行，有的規(guī)模較大，穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)；有的規(guī)模較小，穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間較短，這種大范圍的大氣運(yùn)行狀態(tài)，稱為大氣環(huán)流。
美國(guó)海洋和大氣管理局對(duì)“大氣環(huán)流”的定義——全球大氣環(huán)流是指地球周圍的空氣運(yùn)動(dòng)，它解釋了熱能和風(fēng)暴系統(tǒng)是如何在地球表面移動(dòng)的。
形成原因
形成原理
大氣環(huán)流是在熱力因子和動(dòng)力因子的共同作用下形成的，其基本原理為下墊面受太陽(yáng)輻射不均而引起大氣運(yùn)動(dòng)。
地球表大氣運(yùn)動(dòng)的主要能源是太陽(yáng)輻射，但由于地球本身的形態(tài)、自身運(yùn)動(dòng)、地表性質(zhì)等因素影響，太陽(yáng)輻射在地表的分布實(shí)際并不均勻，就會(huì)出現(xiàn)地表的溫度差。不同溫度地區(qū)的氣流運(yùn)動(dòng)不同，氣溫高的地區(qū)空氣受熱膨脹上升，氣溫低的地區(qū)空氣冷卻收縮下沉，引起空氣垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)而形成高、低氣壓區(qū)；同一水平面上出現(xiàn)高、低氣壓差在水平氣壓梯度力的作用下空氣會(huì)形成水平運(yùn)動(dòng)，由高氣壓區(qū)流向低氣壓區(qū)。地區(qū)之間的受熱不均會(huì)導(dǎo)致空氣密度和壓力分布發(fā)生變化，使得空氣在垂直和水平運(yùn)動(dòng)共同作用，形成閉合的大氣環(huán)流系統(tǒng)。
影響因素
太陽(yáng)輻射
太陽(yáng)輻射指太陽(yáng)光以電磁波的形式向宇宙傳播的能量，是地表大氣運(yùn)動(dòng)的主要能量來源。大氣運(yùn)動(dòng)所需要的能量幾乎都來源于太陽(yáng)輻射的轉(zhuǎn)化，大氣通過吸收太陽(yáng)輻射改變自身的物理化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)大氣本身也向外釋放輻射能量。由于地球表面不是均勻一致的，這種吸收和放射的差額在大氣中的分布是很不均勻的；不同緯度得到的太陽(yáng)輻射能不同，低緯地區(qū)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。
地球運(yùn)動(dòng)
地球運(yùn)動(dòng)是指地球的自傳和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及地球內(nèi)部、地殼、水圈、大氣圈的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。地球的自傳運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力是影響大氣環(huán)流的主要因素，它迫使空氣運(yùn)動(dòng)的方向偏離氣壓梯度力的方向。在北半球（或南半球），隨著緯度增加，地轉(zhuǎn)偏向力增大，空氣運(yùn)動(dòng)方向逐漸向右（或向左）偏轉(zhuǎn)，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)，而不能直接到達(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，逐漸變成與緯線相平行的西風(fēng)。
海陸性質(zhì)?
海陸性質(zhì)是指海洋和陸地之間的性質(zhì)差異，海陸間熱力性質(zhì)差異所造成的冷熱源分布與山脈的機(jī)械阻隔作用是影響大氣環(huán)流重要的熱力和動(dòng)力因素。夏季，陸地成為相對(duì)熱源，海洋成為相對(duì)冷源，氣流從海洋流向陸地；冬季，陸地成為相對(duì)冷源，海洋成為相對(duì)熱源，氣流從陸地流向海洋。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許多閉合的高壓和低壓。同時(shí)，冬夏海陸間的熱力差異引起的氣壓梯度力驅(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。
動(dòng)力機(jī)制
熱力
大氣環(huán)流的原動(dòng)力來自太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能，太陽(yáng)每時(shí)每刻以電磁波的形式（短波輻射）向地球輸送熱能。因?yàn)榈厍蚴莻€(gè)球體，太陽(yáng)光線照射到地球表面的情況就會(huì)隨緯度而不同，各地所接受的太陽(yáng)輻射能不均勻，于是地面?zhèn)鹘o其上空的大氣的熱量也是不均勻的。地表吸收了太陽(yáng)能以后，又以電磁波的形式（長(zhǎng)波輻射）向外輻射，這種長(zhǎng)波輻射最容易為大氣所吸收，它是大氣增熱的主要方式，所以對(duì)流層中的大氣溫度是隨高度的增高而減小。太陽(yáng)輻射對(duì)地球及其大氣的不均勻加熱產(chǎn)生勢(shì)能，通過暖空氣上升和冷空氣下沉，有些位能被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。
重力
大氣環(huán)流中的重力是指物質(zhì)所具有的一種屬性，它是表征物體慣性和受地球引力大小的量度。重力對(duì)大氣環(huán)流的影響主要體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)空氣的流動(dòng)和塑造地球的氣壓帶。重力使得地球上的空氣向地面沉降，形成高壓帶和低壓帶，從而驅(qū)動(dòng)了空氣的流動(dòng)，這種流動(dòng)形成大氣環(huán)流系統(tǒng)，如三圈環(huán)流。同時(shí)，重力還影響地球的自轉(zhuǎn)，使得空氣流動(dòng)受到科里奧利力的影響，進(jìn)一步形成了復(fù)雜的大氣環(huán)流模式。由于空氣流動(dòng)的改變，地球的重力場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；這種相互作用表明，重力和大氣環(huán)流在塑造地球的氣候和環(huán)境方面是相互依存的。
主要特征
范圍特征
大氣環(huán)流的運(yùn)動(dòng)范圍廣泛，水平尺度可達(dá)數(shù)千米，流動(dòng)范圍能涉及某個(gè)大地區(qū)、半球甚至全球；垂直尺度在10km以上，涉及對(duì)流層、平流層、中間層或整個(gè)大氣圈。時(shí)間尺度差異較大，短的可在1~2天，漸長(zhǎng)便能涉及數(shù)日、數(shù)月，更有甚者能達(dá)一年或多年平均態(tài)。
結(jié)構(gòu)特征
大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)相較穩(wěn)定，主要由平均緯向環(huán)流、平均水平環(huán)流和平均徑圈環(huán)流三部分構(gòu)成。
平均緯向環(huán)流指大氣盛行的以極地為中心并繞其旋轉(zhuǎn)的緯向氣流，這是大氣環(huán)流的最基本的狀態(tài)，就對(duì)流層平均緯向環(huán)流而言，低緯度地區(qū)盛行東風(fēng)，稱為東風(fēng)帶（由于地球旋轉(zhuǎn)，北半球多為東北信風(fēng)，南半球多為東南信風(fēng)，故又稱為信風(fēng)帶）；中高緯度地區(qū)盛行西風(fēng)，稱為西風(fēng)帶（其強(qiáng)度隨高度增大，在對(duì)流層頂附近達(dá)到極大值，稱為西風(fēng)急流）；極地還有淺薄的弱東風(fēng)，稱為極地東風(fēng)帶。地球上的風(fēng)帶和湍流由上述3個(gè)對(duì)流環(huán)流圈所推動(dòng)，即低緯度哈德萊環(huán)流、中緯度的費(fèi)雷爾環(huán)流以及高緯度的極地環(huán)流。有時(shí)候同一種環(huán)流（譬如低緯度的環(huán)流）可以在同一緯度（如赤道）有數(shù)個(gè)同時(shí)存在，隨機(jī)地隨時(shí)間移動(dòng)、互相合并與分裂。為了簡(jiǎn)單起見，同一種環(huán)流通常當(dāng)作一個(gè)環(huán)流處理。
平均水平環(huán)流指在中高緯度的水平面上盛行的疊加在平均緯向環(huán)流上的波狀氣流（又稱平均槽脊），通常北半球冬季為3個(gè)波，夏季為4個(gè)波，3波與4波之間的轉(zhuǎn)換表征季節(jié)變化。
平均徑向環(huán)流指在南北-垂直方向的剖面上，由大氣經(jīng)向運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通常，對(duì)流層的徑圈環(huán)流存在3個(gè)圈。低緯度是正環(huán)流或直接環(huán)流（氣流在赤道上升，高空向北，中低緯下沉，低空向南），又稱為哈得來環(huán)流；中緯度是反環(huán)流或間接環(huán)流（中低緯氣流下沉，低空向北，中高緯上升，高空向南），又稱為費(fèi)雷爾環(huán)流；極地是弱的正環(huán)流（極地下沉，低空向南，高緯上升，高空向北）。
變化特征
大氣環(huán)流的基本狀態(tài)決定于地表熱力分布的特征，地表熱力狀況在一年中具有明顯的季節(jié)性演變，進(jìn)而引起大氣環(huán)流的季節(jié)交替。大氣環(huán)流的年變化是指以一年為周期的環(huán)流形態(tài)的變化，一般是以西風(fēng)帶上槽脊的數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式和西風(fēng)的強(qiáng)弱表現(xiàn)出來的——以北半球為例，冬夏環(huán)流趨勢(shì)比較穩(wěn)定，成為中高緯度對(duì)流層大氣中高層大氣環(huán)流基本形態(tài)，并在一年中交替出現(xiàn)。
緯向環(huán)流和經(jīng)向環(huán)流的交替變化是指緯向型環(huán)流和經(jīng)向型環(huán)流經(jīng)常交替出現(xiàn)，其交替周期大約為2-6周，這是西風(fēng)帶環(huán)流變化的主要特征。這種交替演變規(guī)律主要受西風(fēng)強(qiáng)弱影響，西風(fēng)指數(shù)的大小和演變特征，基本上能反映出環(huán)流形勢(shì)特征及其轉(zhuǎn)換趨勢(shì)。盛行緯向型環(huán)流時(shí)，副熱帶高壓多穩(wěn)定少變化；盛行經(jīng)向型環(huán)流時(shí)，副熱帶高壓多變化少穩(wěn)定。
常見的環(huán)流模式
單圈環(huán)流
單圈環(huán)流是指在假定地球表面性質(zhì)均一、地球靜止無(wú)公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)地表空氣在對(duì)流層中的運(yùn)動(dòng)模式。在此模型中，地表性質(zhì)均一可以不用考慮海陸性質(zhì)差異、摩擦力等影響因素；地球不自轉(zhuǎn)可以不用考慮地轉(zhuǎn)偏向力等因素；地球不公轉(zhuǎn)則可以不用考慮太陽(yáng)直射點(diǎn)的回歸移動(dòng)等因素。所以，在此模型下，由于水平溫度梯度是從赤道指向兩極，赤道地區(qū)空氣受熱膨脹上升，極地空氣冷卻收縮下沉，赤道上空某一高度的氣壓高于極地上空某一相似高度的氣壓。在水平氣壓梯度力的作用下，赤道高空的空氣極地上空流去，赤道上空氣柱質(zhì)量減小，使赤道地面氣壓降低而形成低氣壓區(qū)，稱為赤道低壓；極地上空有空氣流入，地面氣壓升高而形成高氣壓區(qū)，稱為極地高壓。于是在低層就產(chǎn)生了自極地流向赤道的氣流補(bǔ)充了赤道上空流出的空氣質(zhì)量，這樣就形成了赤道與極地之間一個(gè)閉合的大氣環(huán)流。
三圈環(huán)流
三圈環(huán)流是指假定地表性質(zhì)均一，太陽(yáng)直射赤道，只受太陽(yáng)輻射和地球自轉(zhuǎn)影響所形成的運(yùn)動(dòng)模式，是一種理想化的大氣運(yùn)動(dòng)模式，包括第一環(huán)流圈（哈德萊環(huán)流，又稱信風(fēng)環(huán)流圈或熱帶環(huán)流圈）、第二環(huán)流圈（費(fèi)雷爾環(huán)流，又稱中緯度環(huán)流圈）和第三環(huán)流圈（極地環(huán)流圈）。在此模型中，地表性質(zhì)均一可以不用考慮海陸性質(zhì)差異、摩擦力等影響因素。所以，在此模型下，氣流從高壓流向低壓，形成低緯環(huán)流；氣流抬升后，在高空分流，一部分向亞熱帶流動(dòng)，另一部分向極地流動(dòng)，形成中緯環(huán)流和高緯環(huán)流。
海陸環(huán)流
海陸環(huán)流是指因海洋和陸地受熱不均勻而在海岸附近形成的一種有日變化的環(huán)流。在基本氣流微弱時(shí)，白天風(fēng)從海上吹向陸地，夜晚風(fēng)從陸地吹向海洋。前者稱為“海風(fēng)”，后者稱為“陸風(fēng)”，合稱為“海陸風(fēng)”。海陸風(fēng)的水平范圍可達(dá)幾十千米，垂直高度達(dá)1~2km，周期為一晝夜。白天，地表受太陽(yáng)輻射而增溫，由于陸地土壤熱容量比海水熱容量小得多，陸地升溫比海洋快得多，因此陸地上的氣溫顯著地比附近海洋上的氣溫高。陸地上空氣柱因受熱膨脹，在水平氣壓梯度力的作用下，上空的空氣從陸地流向海洋，然后下沉至低空，又由海面流向陸地，再度上升，遂形成低層海風(fēng)和鉛直剖面上的海風(fēng)環(huán)流。
季風(fēng)環(huán)流
季風(fēng)是大范圍盛行的、風(fēng)向隨季節(jié)變化顯著的風(fēng)系，它是由冬夏季海洋和陸地溫度差異所致。在夏季由海洋吹向大陸，在冬季由大陸吹向海洋，它是大氣環(huán)流的一個(gè)組成部分。世界上季風(fēng)明顯的地區(qū)主要有南亞、東亞、非洲中部、北美東南部、南美巴西東部以及澳大利亞北部，其中以印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)最著名。有季風(fēng)的地區(qū)都可出現(xiàn)雨季和旱季等季風(fēng)氣候。夏季時(shí)，吹向大陸的風(fēng)將濕潤(rùn)的海洋空氣輸進(jìn)內(nèi)陸，往往在那里被迫上升成云致雨，形成雨季；冬季時(shí)，風(fēng)自大陸吹向海洋，空氣干燥，伴以下沉，天氣晴好，形成旱季。
中國(guó)主要受東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)的影響。冬季風(fēng)要來自亞歐大陸北方嚴(yán)寒的西伯利亞地區(qū)和蒙古一帶，冬季風(fēng)風(fēng)力較強(qiáng)，氣流寒冷干燥，影響我國(guó)北方大部分地區(qū)，是我國(guó)冬季南北溫差大的主要原因之一。風(fēng)向在華北為西北風(fēng)，在黃河以南為東北風(fēng)。強(qiáng)烈發(fā)展時(shí)，帶來寒潮天氣，氣溫急劇下降。當(dāng)冬季風(fēng)到達(dá)流經(jīng)海上時(shí)，氣團(tuán)產(chǎn)生變性，會(huì)造成雨雪天氣。
沃克環(huán)流
沃克環(huán)流是指赤道地區(qū)的東西方向上存在幾個(gè)緯向熱力直接環(huán)流圈，主要是由于赤道地區(qū)存在著大尺度的東西向熱力差異引起的。一般認(rèn)為“沃克環(huán)流”現(xiàn)象最早是由英國(guó)氣象學(xué)家吉爾伯特·沃克（Sir Gilbert Thomas Walker）爵士于20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)的。由于沃克環(huán)流把南方濤動(dòng)和赤道太平洋的海表溫度聯(lián)系在一起，因此為了紀(jì)念沃克的開創(chuàng)性工作，挪威氣象學(xué)家雅各布·皮葉克尼斯（Jacob Bjerknes）于1969年將這一現(xiàn)象命名為沃克環(huán)流。這些環(huán)流的強(qiáng)度都是很弱的，而且經(jīng)常變化。當(dāng)出現(xiàn)大的變化時(shí)，其不僅對(duì)赤道地區(qū)環(huán)流有影響，而且與中緯度環(huán)流，甚至高緯度環(huán)流遙相關(guān)，引起天氣、氣候的異常。
太平洋赤道地區(qū)的厄爾尼諾暖流與沃克環(huán)流是相互聯(lián)系，相互影響，互為因果的。由于信風(fēng)的強(qiáng)度減弱，赤道附近海水流動(dòng)變?nèi)酰ň唧w原因未知），涌上海面的冷水減少，秘魯沿岸海水的溫度升高，降水增加，這稱為“厄爾尼諾現(xiàn)象”。由于信風(fēng)的強(qiáng)度增強(qiáng)，赤道附近海域海水流動(dòng)變強(qiáng)，導(dǎo)致秘魯沿岸海水的溫度降低，這稱為“拉尼娜現(xiàn)象”。
影響與意義
調(diào)節(jié)全球水熱分布
水熱分布是指地球上水熱資源的分布情況。大氣環(huán)流對(duì)全球的水熱分布具有調(diào)節(jié)作用。大氣環(huán)流包括氣壓帶、風(fēng)帶、季風(fēng)等，這些因素共同作用，將熱量和水汽從一個(gè)地區(qū)輸送到另一個(gè)地區(qū)，使得高緯度和低緯度之間、海陸之間的熱量和水汽得到交換，從而使高低緯度之間、海陸之間的熱量和水汽得到交換促進(jìn)了地球上的熱量平衡和水平衡，這種調(diào)節(jié)對(duì)于維持地球表面環(huán)境的穩(wěn)定和適宜生物生存具有重要意義。
天氣變化的基礎(chǔ)
天氣是指以氣候要素值和天氣現(xiàn)象表示的瞬時(shí)或一較短時(shí)間內(nèi)的大氣狀況，如陰、冷、晴等。大氣環(huán)流不斷地把低緯度地區(qū)盈余的熱量輸送到高緯度地區(qū)，使高、低緯度之間的熱量得到交換，含有水汽的大氣在上升運(yùn)動(dòng)中容易凝云致雨，導(dǎo)致天氣的變化。當(dāng)大氣環(huán)流趨勢(shì)在個(gè)別年份或季節(jié)里出現(xiàn)異常時(shí)，就會(huì)影響該時(shí)期的天氣和氣候，使之出現(xiàn)異常。
氣候形成的主要原因
氣候是指一個(gè)特定地區(qū)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)觀察到的平均天氣條件（溫度、降雨、日照、空氣濕度、風(fēng)速等），它主要取決于這個(gè)地區(qū)的緯度、經(jīng)度和海拔。大氣環(huán)流引導(dǎo)不同性質(zhì)的氣團(tuán)活動(dòng)，鋒、氣旋和反氣旋的產(chǎn)生和移動(dòng)，對(duì)氣候的形成起著直接的控制作用，是形成復(fù)雜多變氣候的主要原因。大氣環(huán)流一般通過環(huán)流的緯向分布影響氣候的緯度地帶性，并通過水分與熱量的輸送，擴(kuò)大海陸和地形等因素的影響范圍，破壞氣候的緯度地帶性。當(dāng)環(huán)流趨勢(shì)趨于長(zhǎng)期的平均狀況時(shí)，氣候是正常的；當(dāng)環(huán)流趨勢(shì)在個(gè)別年份或季節(jié)里出現(xiàn)異常時(shí)，就會(huì)影響該時(shí)期的天氣和氣候，使之出現(xiàn)異常。
因此，研究大氣環(huán)流的特征及其形成、維持、變化和作用，掌握其演變規(guī)律，不僅是人類認(rèn)識(shí)自然的不可少的重要組成部分，而且還將有利于改進(jìn)和提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，有利于探索全球氣候變化，以及更有效地利用氣候資源。
相關(guān)研究
研究專著
研究論文
參考資料 >
氣象科普|全球大氣環(huán)流 .國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心.2024-04-14
Global Atmospheric Circulat.美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局.2024-04-17