全球三圈环流

地球不同纬度的年平均辐射收支有明显差异，大气通过运动输送热量。气压梯度使空气加速，地球自转则影响气流方向，两者共同参与形成全球环流格局。

正是在热力环流与地转偏向力共同作用下，地球形成了规模庞大的三圈环流系统。这一系统包括赤道附近的气流上升、中纬度地区的气流下沉与再次上升、以及极地的冷空气下沉。三圈环流不仅主导了全球主要风带和气压带的形成，还直接塑造了世界各地的气候格局。

副热带下沉气流是撒哈拉等沙漠干旱的重要背景，赤道辐合区水汽充足时容易多雨，西风和海洋热量输送共同影响西欧气候。这些联系有助于认识全球气候分布，但需要结合具体区域条件。

三圈环流的形成原理

全球年平均辐射收入通常在低纬较多、高纬较少，这种差异推动大气和海洋输送热量。赤道并非全年每天都被太阳直射，地表最高温也不固定在赤道；太阳直射点随季节移动，云和地形会改变实际受热。

具体来说，赤道近地面的大气强烈受热，气体膨胀变轻，产生大面积强烈的上升气流，造成该区域形成“赤道低气压带”。而在极地，气温低，大气受冷收缩，下沉到地面，形成“极地高气压带”。这就是地球上最原始的冷热对流模型。

假如地球不存在自转，那么形成的大气环流将会非常简单：赤道上升的热空气在高空直接流向极地，到达极地后冷却沉降，然后再沿地面返回赤道，如此在南北半球各自形成一个巨大的热力环流圈，气流南北贯通。

地球自转使水平气流在北半球向右、南半球向左偏转，科里奥利力主要改变方向而不直接供给运动能量。热量、动量交换和自转共同限制低纬环流的范围，空气在副热带逐渐下沉。三圈环流描述的是平均格局，其中费雷尔环流主要由天气尺度涡旋的输送维持，并非三个相同的直接热力环流。

三圈环流自低纬到高纬依次分布，各有其动力特点：

可以说，三圈环流不是孤立的个体，而是相互作用、彼此连接的全球大系统。它不仅决定了世界气压带和风带的分布，也深刻影响着全球各地的气候、水循环与生态环境，为我们理解全球气候变化提供了科学框架。

全球气压带和风带的分布格局

三圈环流是概括经向平均大气运动的简化模型，能帮助理解气压带和风带。下表的纬度是示意位置，现实环流受季节、海陆和地形影响明显，不是连续、固定且严格对称的七条气压带。

下面总结了各主要气压带和风带的纬度范围、气流特点、主导成因以及对当地气候带来的直接影响。通过横向比较，可以更清晰地理解为什么某些地带终年湿润、某些区域却极度干燥，哪些地区气旋频繁，哪些则是寒冷少雨。

气压带与风带影响气候，但不能单独决定某地气候类型。副热带有干旱沙漠，也有湿润季风区；西风影响下的大陆西岸较易获得海洋水汽，内陆则可能干燥。结合海陆位置与地形，才能把平均模型用于具体地区。

气压带和风带的季节移动

理想示意常把太阳直射点放在赤道，实际直射点在南北回归线间季节移动。气压带和风带总体也向夏半球偏移，并有一定滞后；移动幅度随地区和环流系统不同，不能统一规定为5—10个纬度。

这种气压带和风带的季节性移动，对全球各地气候类型的形成具有决定性作用，是塑造地面降水、气温季节变化的关键“大背景”。下面列举几个著名、直接受其影响的气候类型：

因此，气压带和风带的季节性移动，是全球气候带分布和季节更替的核心动力机制。它们的摆动不仅决定了不同地区降水和气温的年际变化格局，还会导致干旱、洪水等极端天气事件的出现，深刻影响着农业生产布局和生态环境演变。

此外，随着气压带和风带在不同季节有规律地南北摆动，全球各地的作物种植、牲畜养殖乃至人类居住方式都必须随之调整，以应对气候资源的变化。这些大气环流的变化，构成了人类社会与自然环境之间密切互动的重要纽带。

西风带与中国气候的关系

中纬西风带（约30°—60°纬度）是地球大气环流中非常重要的一环，盛行偏西风，尤其在北半球表现为西南风至西北风的偏西气流。中国大片领土分布在北纬20°—50°之间，尤其是华北、东北等北方地区正位于西风带的主要影响范围内。西风带不仅影响了我国北方大部分地区的气候类型，还深刻左右着冷暖空气的输送和季节性天气系统的演变。例如，干旱寒冷的西伯利亚冷空气是否能南下，常常取决于西风带的动力特性。

西风带中最为人瞩目的是“西风急流”。其主要特点和气候影响，可以概括为：

• “西风急流”是流经对流层顶部、绵延数千公里的高速气流带，风速可高达每小时200—300公里，被称为气候的“高速公路”。
• 急流极大影响中高纬度地区的天气系统：
  1. 急流位置与强度影响天气系统路径，但不能把它看作阻挡冷空气的实体屏障。
  2. 急流波动、槽脊及阻塞形势可影响冷空气输送，与地面冷高压共同作用。
• 典型案例：
  1. 2020—2021年冬季我国出现多次强冷空气过程，与中高纬槽脊、阻塞形势和冷高压变化有关。
  2. 这是西风带动力学对我国气候产生直接重大影响的典型实例。

北极增暖与中纬度急流、极端天气之间的关系仍在研究。不同高度和季节的温度梯度变化并不相同，不能直接推断全球变暖必然使急流更曲折，并让所有地区寒潮、暴雪和热浪同步增加。

三圈环流与世界大沙漠分布的关系

许多热带沙漠位于南北纬20°—35°附近，下沉气流是其干旱的重要背景，海陆位置、地形和寒流也有作用。撒哈拉是世界最大的热沙漠，若把极地荒漠计入，则不是世界最大沙漠。澳大利亚和非洲南部的干旱区也体现多种因素共同作用。

副热带高气压带的气流为什么会持续下沉？这与三圈环流模式密不可分，其形成过程可分为以下几个环节：

1. 赤道附近：

• 空气受热膨胀并上升
• 上升的气流到达高空以后，分别向南北两侧分流

2. 约30°纬度附近：

• 低纬上层气流在向极运动中发生辐射冷却，并受自转和动量交换影响
• 环流在副热带形成平均下沉支，近地面形成高气压带；并非气流在30°突然停止

3. 下沉气流的性质与影响：

• 下沉过程中发生“绝热增温”，即气流下沉时温度升高
• 饱和水汽含量增加、相对湿度明显下降
• 水汽难以凝结成云或降水，使这些地区异常干旱

这样的环流机制，最终导致副热带高气压带长期受到干燥下沉气流控制，是全球大沙漠广泛分布于此的重要原因之一。

纳米布与阿塔卡马等大陆西岸沙漠，分别受到本格拉、秘鲁沿岸冷水的影响。低海温增强低层大气稳定性，可抑制对流降雨，同时沿岸也可能多雾；具体干旱范围还与副高、地形和水汽输送共同有关。

因此，三圈环流结构尤其是副热带高气压带，构成了全球干旱区分布的主导动力背景，而寒流的配合作用，则让个别地区的极端干旱更加突出。沙漠分布的地理格局，不仅反映了全球大气环流的规律，也直观展现了气候系统不同要素的协同效应。

这些沙漠的地理位置与三圈环流中副热带高气压带的控制范围高度一致，是大气环流—气候—地貌关系的经典体现。关于洋流如何进一步加强干旱的机制，将在第十一章对洋流与气候的章节详细分析。

练习题

第1题副热带高气压带（约30°纬度）的形成原因是什么？

A. 热力成因——该纬度地区太阳辐射强，地面受热强，气流上升形成高压

B. 动力成因——赤道上升的高空气流在此处积聚堆积并下沉，形成高压

C. 该纬度洋流携带暖流，海面温度高，水汽蒸发强，气流聚集形成高压

D. 地球自转使赤道气流在此停止，静止气流堆积形成高压

第2题以北半球地中海地区为例，“夏干冬雨”主要与什么有关？

A. 夏季赤道低气压带控制，带来大量对流雨；冬季副热带高气压带控制，天气干燥

B. 夏季副热带高气压带北移控制，天气晴热干燥；冬季西风带南移控制，带来温和降水

C. 夏季东北信风从陆地吹来，带来干燥天气；冬季西风从海洋吹来，带来降水

D. 夏季地中海海面水温高，蒸发强，降水多；冬季海温低，降水少

第3题以下关于东北信风的说法，哪一项正确？

A. 东北信风在北半球从赤道吹向30°，由热力环流驱动

B. 东北信风是哈德来环流近地面气流（从30°流向赤道）在科里奥利力作用下向右偏转的结果

C. 东北信风只在夏季出现，冬季被西风取代

D. 东北信风风速强，是大西洋飓风的主要动力来源

第4题为什么热带沙漠大多分布在南北纬20°—35°之间，而不是在赤道附近？

A. 赤道地区虽然太阳辐射强，但被厚厚的云层遮蔽，导致地面不太热，不能形成沙漠

B. 赤道附近受赤道低气压带控制，气流上升、降水丰富，不易形成沙漠；20°—35°受副热带高气压带控制，气流下沉，降水极少，干旱形成沙漠

C. 赤道地区植被茂密，水分蒸发量大，土壤湿润，不会沙漠化

D. 热带沙漠的位置由洋流控制，与气压带无关

第5题全球气压带和风带随季节移动，北半球夏季时移动方向是什么？对中国气候有何影响？

A. 夏季整体向南移，赤道低气压带扩展到中国大部，带来全国性降水

B. 夏季整体向北移，副热带高气压带（西太平洋副热带高压）北移，推动夏季风北进，影响中国雨带北移

C. 夏季气压带不移动，中国夏季降水由台风决定

D. 夏季西风带南移，冷空气频繁南下影响中国