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大气环流过程的演变和厄尔尼诺与拉尼娜的交替

已有 10391 次阅读 2015-8-9 10:48 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 拉尼娜, 地球自转, 厄尔尼诺, 日食, 大气环流

大气环流过程的演变和厄尔尼诺与拉尼娜的交替

杨学祥，杨冬红

一、大气环流知识简介

首先让我们通过网上资料学习大气环流的基本常识。资料主要来源于百度百科。

大气环流，一般是指具有世界规模的、大范围的大气运行现象，既包括平均状态，也包括瞬时现象，其水平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10km以上，时间尺度在数天以上。大气大范围运动的状态。某一大范围的地区（如欧亚地区、半球、全球），某一大气层次（如对流层、平流层、中层、整个大气圈）在一个长时期（如月、季、年、多年）的大气运动的平均状态或某一个时段（如一周、梅雨期间）的大气运动的变化过程都可以称为大气环流。

大气环流是完成地球- 大气系统角动量、热量和水分的输送和平衡，以及各种能量间的相互转换的重要机制，又同时是这些物理量输送、平衡和转换的重要结果。因此，研究大气环流的特征及其形成、维持、变化和作用，掌握其演变规律，不仅是人类认识自然的不可少的重要组成部分，而且还将有利于改进和提高天气预报的准确率，有利于探索全球气候变化，以及更有效地利用气候资源。

大气环流通常包含平均纬向环流、平均水平环流和平均径圈环流3部分。[1]

图1 大气环流图

1. 平均纬向环流

指大气盛行的以极地为中心并绕其旋转的纬向气流，这是大气环流的最基本的状态，就对流层平均纬向环流而言，低纬度地区盛行东风，称为东风带（由于地球的旋转，北半球多为东北信风，南半球多为东南信风，故又称为信风带）；中高纬度地区盛行西风，称为西风带（其强度随高度增大，在对流层顶附近达到极大值，称为西风急流）；极地还有浅薄的弱东风，称为极地东风带。

2. 平均径圈环流

指在南北-垂直方向的剖面上，由大气经向运动和垂直运动所构成的运动状态。通常，对流层的径圈环流存在3 个圈：低纬度是正环流或直接环流（气流在赤道上升，高空向北，中低纬下沉，低空向南），又称为哈得来环流；中纬度是反环流或间接环流（中低纬气流下沉，低空向北，中高纬上升，高空向南），又称为费雷尔环流；极地是弱的正环流（极地下沉，低空向南，高纬上升，高空向北）。

3．表现形式

大气环流主要表现为，全球尺度的东西风带、三圈环流(哈得莱环流、费雷尔环流和极地环流)、定常分布的平均槽脊、高空急流以及西风带中的大型扰动等。大气环流既是地－气系统进行热量、水分、角动量等物理量交换以及能量交换的重要机制，也是这些物理量的输送、平衡和转换的重要结果。太阳辐射在地球表面的非均匀分布是大气环流的原动力。

大气环流构成了全球大气运动的基本形势，是全球气候特征和大范围天气形势的主导因子，也是各种尺度天气系统活动的背景。

4形成原因

一是太阳辐射，这是地球上大气运动能量的来源，由于地球的自转和公转，地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的。热带地区多，而极区少，从而形成大气的热力环流。二是地球自转，在地球表面运动的大气都会受地转偏向力作用而发生偏转。三是地球表面海陆分布不均匀。四是大气内部南北之间热量、动量的相互交换。以上种种因素构成了地球大气环流的平均状态和复杂多变的形态。

5纬度环流

纬度环流亦称行星风系或气压带风带，地球上的风带和喘流由三个对流环流（三圈环流）所推动：哈德里环流（低纬度）、费雷尔环流（中纬度）以及极地环流。有时候同一种环流（譬如低纬度）可以在同一纬度（如赤道）有数个同时存在，随机地随时间移动、互相合并与分裂。为了简单起见，同一种环流通常当作一个环流处理。

低纬度环流

低纬度环流对低纬度环流运作的了解比较清楚。由乔治?哈得莱（GeorgeHadley1685-1768）所记述的大气环流模式，用以解释贸易风（信风）的形成，与观测到的非常符合。这是一个封闭的环流，由温暖潮湿空气从赤道低压地区上升开始，升至对流层顶，向极地方向迈进。直到南北纬30度左右，这些空气在高压地区下沉。部分空气返回地面后于地面向赤道返回，形成信风，完成低纬度环流。

低纬度环流基本活动于热带地区，在太阳直射点引导下，以半年周期往返南北。

图2 哈得来环流

极地环流

极地环流同样是一个简单的系统。虽然相比赤道的空气，这里的空气比较寒冷干燥，但仍然有足够热力和水分进行对流，完成热循环。本环流的活动范围限于对流层内，最高也只到对流层顶（8公里）。往极地的气流主要集中在空中，而赤道方向的气流主要集中在地面。当空气到达极地范围，它的温度已经大大降低，在这高压干燥寒冷的地区下沉，受地转偏向力影响向西偏转，形成极地东风。极地环流的流出，形成呈简谐波形的罗斯贝波。这些超长波在影响于中纬度环流与对流层顶间喘流的流向，扮演重要的角色。极地环流如散热器般，平衡低纬度环流地区的热盈余，使整个地球热量收支平衡。

可以说，在中高纬度地区，极地环流是影响这里气象的主要成因。虽然加拿大和欧洲在夏季会间中遇到暴风雨，在冬天从西伯利亚高压区所带来的寒冷才能感受到真正的严寒。实际上，就是因为极地高压区的气流，导致南极东方考察站在1983年录得地球有纪录以来最低气温：摄氏零下89.2度。纬度环流与极地环流有着同一特点：两者都是由于地表的温度而出现，直接与热能相关。与此同时，其热能特点盖过其所产生的天气现象。低纬度环流大量传送的热能，和极地环流巨形的吸热能力，使除了特殊情况下，短暂气象的效果不能被系统接收，也不能产生。在纬度30度至60度以外地区，根本不能感受到中纬度气压中心无休止地每天由低转高再转低的情况。

这两个环流颇为稳定，虽然不时增强减弱，但是并不会完全消失。

中纬度环流

由威廉·费雷尔（WilliamFerrel1817-1891）所提出的中纬度环流是一个次要的环流，依靠其余两个环流而出现。如一处于两者之间的走珠轴承，因处于中纬度的涡旋（eddy）循环（高压及低压区）而出现。故本区时而又称为「混合区」。在南面处于低纬度环流之上，在北面又漂浮在极地环流上。信风可以在低纬度环流以下找到，相同地西风带也可以在中纬度环流下找到。与低纬度环流和极地环流不同，中纬度环流并不是真正闭合的循环，而重点却在西风带上。不像信风和极地东风那样，有所属的环流捍卫着它们在该区的主导地位。盛行西风没有这样幸运，常常听命于经过的气象系统。在上空通常由西风主导，但是在地表风向可以随时突然改变。以北半球的参考系（观点）而言，往北的低气压或是往南的高气压往往维持甚至加速西风的流速；但是经过当地的冷锋可能扭转这种情况。而往北的高气压带来东风主导的气流，常常持续数天。

气团移动是中纬度环流底层特色之一。喘流吸收由地表低压区上升的空气，它所处的地方是影响气团位置的原因之一（在天气图上可以见到地表低压区是随喘流移动的）。地表风整体的流向是从纬线30度至60度的。可是中纬度环流上空的流向尚未能完全界定，一方面因为环流本身处于极地环流与低纬度环流之间，没有一个强烈的热源或冷源推动对流，而另一方面地表涡漩也对上空环境造成不稳定影响。

6 沃克环流

沃克环流(Walker Circulation) ，是赤道海洋表面因水温的东西面差异而产生的一种纬圈热力环流。

“沃克环流”由1960年雅各布.皮叶克尼斯(Jacob Bjerknes)发现，是热带太平洋上空大气循环的主要动力之一。它是指在正常情况下较干燥的空气在东太平洋较冷的洋面上下沉，然后沿赤道向西运动，成为赤道信风的一部分，当信风到达西太平洋时，受到较暖洋面的影响而上升再向东运行，如此形成了一个封闭的环流。

赤道太平洋水温分布是西高东低，西边的印尼与澳洲东部沿岸一带，因海温高气压低而有旺盛上升气流，气流升至高空转向东与西方；东太平洋海温低气压高，向东流的气流在中至东太平洋的广大高气压区内向下沉降，到达海面再转向西，成为东南信风，这种在低纬度太平洋上空东西向流动的大气环流，称为「沃克环流」。

沃克环流的上升支和热带太平洋西部暴雨频繁、台风活跃和云层厚密有关；至于东边远处的沉降支则为该区带来干燥晴朗的天气。

图3 沃克环流和拉尼娜

“沃克环流”对太平洋东西两岸的气候调节有重要作用。如果东太平洋的洋面温度升高，就会产生较暖而且湿润的上升气流，削弱“沃克环流”，同时美洲中部一带会气温上升、暴雨成灾，这就是著名的“厄尔尼诺”现象。

在西太平洋，海洋母亲赋予了大气巨大的热量，使这里的空气温暖而潮湿，盛行上升气流，成为对流沃克环流圈沃克环流圈活动极为旺盛的地区，也是太平洋降水最为丰富的地区，而热带东太平洋为冷水域，冷水使其上方的空气变冷、密度增大，难以把水汽抬升到能够成云致雨的高度。因此，这一带洋面上盛行下沉气流，多晴朗少云天气。在正常年份，太平洋大气低层东部气压高，西部气压低，空气从高压区流向低压区，从东边来的空气流到西太平洋正好补偿了因上升而流失的空气。而高空的情况常常与低层相反，在太平洋上空常以偏西气流为主。这样就在赤道地区形成了一个闭合的环流圈，即西太平洋为气流上升区，到高空以后向东运行，行至东太平洋下沉到海面，然后向西太平洋流动。发现这一大气环流形式的雅各布·皮叶克尼斯为了纪念沃克的开创性工作，将此环流命名为沃克环流。沃克环流把南方涛动和赤道太平洋的海表温度联系在一起。

当厄尔尼诺发生时，由于海洋温度分布发生巨大变化，大气也会进行相应的调整。中、东太平洋气压随着海温的上升而下降（高压减弱、气压降低），西太平洋气压随着海温的下降而上升（低压减弱、气压升高），热带太平洋两侧气压差值变小，导致赤道东风减弱和向东撤退，沃克环流也会被削弱。同时，随着西太平洋暖水区向东移动，沃克环流的上升支和下沉支的位置也发生偏移，对流活动的中心移至中太平洋上空，中、东太平洋上升气流大大加强，降水显著增加；而西太平洋上升气流明显减弱，变成少雨区，形成大范围干旱。当拉尼娜发生时，东太平洋还会变得更冷，赤道西太平洋海温可能会进一步升高，东西太平洋气压差也进一步增大，沃克环流会比正常情况更强，西太平洋也会更多雨，而东太平洋则更加少雨。

7. 总体特征

从全球平均的纬向环流看，在对流层里，最基本的特征是：大气大体上沿纬圈方向绕地球运行，在低纬地区常盛行东风，称为东风带，又称为信风带北半球为东北信风，南半球为东南信风。中纬度地区则盛行西风，称为西风带。其所跨的纬度比东风带宽。西风强度随纬度增加。最大风出现在30°—40°上空的200百帕附近，称为行星西风急流。在极地附近，低层存在较浅薄的弱东风，称为极地东风带。

从全球径向环流看，在南北方向及垂直方向上的平均运动构成三个经圈环流：1．低纬度的正环流，即哈得来环流。在近赤道地区空气受热上升，在高层向北运行逐渐转为偏西风，在30°N左右有一股气流下沉，在低层又分为两支，一支向南回到近赤道，另一支北移。2．中纬度形成一个逆环流或称间接环流，费雷尔环流．。3．极区正环流，即极地下沉而在60°N附近为上升，从而形成一个正环流，但较弱，在中纬地区与低纬区之间，则常有极锋活动。大气环流通常包含平均纬向环流、平均水平环流和平均径圈环流3部分。

二、大气环流过程演变与拉尼娜的关系

大气环流过程不是静止的，而是不断演变，发生、发展和衰亡且周而复始的。基本依据上述的各种环流过程的相互作用。厄尔尼诺和拉尼娜的交替发生不过是大气环流发展过程的产物。

大气发展过程的初始阶段来自赤道和两极的温差以及地球自转。哈得来环流的产生的主要动力是温差，形成赤道太平洋地区的上升气流和南北纬30度地区的下沉气流。形成这两个地区的热能交换，其作用是降低两地温差。伴随温差的降低，哈得来环流的强度也将减弱。

由于地球自转，科里奥利力使流向赤道的气流向西偏转，形成赤道东风带，将赤道东太平洋表面温暖的海水推向赤道西太平洋，而赤道东太平洋海底冷水上涌，形成赤道西太平洋暖池和赤道东太平洋的冷水区域，巨大的温差是沃克环流形成的主要原因（见图3）。这一趋势的极端情况是，在日食、南极海冰、地球自转速度变化等其他因素叠加条件下，赤道东太平洋海水异常变冷，形成拉尼娜事件。

值得一提的是，东太平洋南部的秘鲁寒流在哈得来环流中的作用不仅仅是向北流动，由于科里奥利力的作用，其流向是东北，即存在离在岸运动，是导致东太平洋海水变冷的重要原因。因此，拉尼娜事件形成不缺少动力机制。从强哈得来环流到强沃克环流，拉尼娜事件自然产生。

图4 科里奥利力导致的秘鲁寒流离岸作用加剧东太平洋海水变冷

三、大气环流过程演变与厄尔尼诺的关系

沃克环流作用改变东西太平洋赤道地区的温度分布，对哈得来环流产生巨大影响。在赤道东太平洋，由于海温变冷。与南北纬30度地区的温差减少，哈得来环流强度减弱甚至消失。相反，在赤道西太平洋，由于海水异常变暖，与南北纬30度地区的温差增大，哈得来环流强度得到加强。

在赤道东太平洋，哈得来环流强度减弱甚至消失，减弱了秘鲁寒流北上的动力。与此同时，在赤道西太平洋，哈得来环流强度得到加强，减弱了东澳大利亚暖流（在大洋洲东部）。秘鲁寒流和东澳大利亚暖流的减弱阻碍了赤道与南极的热输送，使热能堆积在赤道西太平洋，这是厄尔尼诺事件形成的热能基础。这样的热能积累需要时间，沃克环流只受热力驱动，与暖池的位置无关，也就是说，赤道西太平洋暖池的位置是可以改变的。

现在是万事俱备，只欠西风。

在某些年份，由于日食、地球自转和南极半岛海冰等因素的叠加，导致赤道西太平洋暖池东移、秘鲁寒流减弱、赤道西风增强，有利于赤道东太平洋海水变暖，最终导致厄尔尼诺事件的发生。

四、其它因素对大气环流过程的影响

根据林振山等人的日食-厄尔尼诺系数理论，多次日食发生在两极可激发两极下沉气流的发生，有利于厄尔尼诺的形成；多次日食发生在赤道，有利于拉尼娜的发生。

当日月在赤道，日月大潮在赤道处形成最大潮汐高潮区，地球的大气圈、水圈和岩石圈的扁率变大，自转变慢，由于速度增量比不同，大气圈最慢，水圈其次，固体地球第三，形成赤道大气和海水相对固体地球向西的差异旋转运动。所以，大气和海洋相对固体地球向西运动，使赤道太平洋暖水由东向西运动，赤道信风加强，有利于拉尼娜事件形成；反之，月亮在南北纬28.6度和太阳在南北回归线时情况正好相反，形成赤道大气和海水相对固体地球向东的差异旋转运动，有利于厄尔尼诺的形成。

我们的计算表明，多次日食发生在两极，导致地球扁率变小，地球自转加快，有利于厄尔尼诺的形成；多次日食发生在赤道，导致地球扁率变大，地球自转变慢，有利于拉尼娜的发生。

每年发生的季节性厄尔尼诺现象在12月25日圣诞节前后，与12月22日冬至以及1月3日或4日地球轨道近日点对应，与11月18日-1月23日（66天）的地球自转加速阶段对应，验证了潮汐形变导致的地球自转加速有利于季节性厄尔尼诺现象形成的结论，是季节性西太平洋暖水东移和赤道东风减弱西风加强的原因。

从图4 中可以看到，如果海冰封闭了南极半岛的德雷克海峡，海洋寒流——西风漂流将沿南美西岸北上，增强秘鲁寒流，导致拉尼娜事件发生；如果南极半岛的德雷克海峡还并减少或消失，海洋寒流——西风漂流将通过海峡六日大西洋，减弱秘鲁寒流，导致厄尔尼诺事件发生。

以上3条件是赤道西太平洋暖池东移，增强赤道西风，减弱赤道东风，形成厄尔尼诺事件的关键。一旦赤道西风增强，赤道东风消失，沃克环流自然东移，暖池暖水东流，赤道东太平洋海温上升，形成厄尔尼诺事件。

图5 圈层差异旋转增强西方风导致西太平洋暖池的东移和厄尔尼诺发生

五、结论

厄尔尼诺和拉尼娜的交替，是大气环流过程演变的结果，是大气环流、海洋环流、地球自转、日食、南极海冰等多种因素的同向叠加结果。运用这一结果，我们对2006年、2009年、2015年的厄尔尼诺和2007年、2010年的拉尼娜做了事前预测，取得了较好的效果。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-893555.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-895432.html

参考文献

杨冬红，杨学祥。流感世界大流行的气候特征。沙漠与绿洲气象。2007，1（3）：1-8。2007年8月22日发表。

杨冬红，杨学祥。澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关。地球物理学进展。2007，22（5）：1680-1685。

杨冬红，杨学祥. 厄尔尼诺事件和拉尼娜事件的成因与预测. 沙漠与绿洲气象. 2008,2(5): 1-10

杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008 Vol. 23 (6): 1813～1818

杨冬红。潮汐周期性及其在灾害预测中应用。博士论文，吉林大学，2009.

杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.

杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934.

杨冬红, 杨学祥.北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2): 610-615.

附件：

[转载自杨学祥] 厄尔尼诺和地球自转

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地球自转减慢使厄尔尼诺逐渐减弱

杨学祥，杨冬红

由于潮汐形变，地球各圈层的转动惯量是不断变化的，由此引起各圈层的差异旋转。地球各圈层潮汐形变的规模不相同，大气圈的起伏约为80m，海洋圈的起伏大约为1500px，固体地球的起伏约为500px，比例为400：3：1。由三轴椭球体和三轴椭球体壳自转周期T及其增量dT与极半径c及其增量dc的关系式，有

dT/T = -dc/c

据此计算，速度增量比也为400：3：1。当日月在赤道，日月大潮在赤道处形成最大潮汐高潮区，地球的大气圈、水圈和岩石圈的扁率变大，自转变慢，由于速度增量比不同，大气圈最慢，水圈其次，固体地球第三，形成赤道大气和海水相对固体地球向西的差异旋转运动。所以，大气和海洋相对固体地球向西运动，使赤道太平洋暖水由东向西运动，赤道信风加强，有利于拉尼娜事件形成；反之，月亮在南北纬28.6度和太阳在南北回归线时情况正好相反，形成赤道大气和海水相对固体地球向东的差异旋转运动，有利于厄尔尼诺的形成。

计算表明，当太阳的位置由南北回归线移向赤道，此时db = 0,da = 50px,带入公式得日长增量dT =0.00027s,相当于1/3704s,它是春分和秋分时的地球自转速度小于夏至和冬至时的自转速度的原因。当地球由远日点运动到近日点时，太阳引潮力增加10%，da = 12.5px，带入公式，得日长增量dT= 0.00007s，相当于1/14286s。这使远日点的地球自转速度大于近日点的自转速度。

实际上，春分（3月20-22日）和秋分（9月22-24日）时，太阳在赤道，太阳潮使地球各圈层扁率变大，每年1月25日-4月7日（72天）及7月30日-11月6日（109天）为地球自转减速阶段；夏至（6月21日或22日）和冬至（12月21-23日）时，太阳在南北回归线，太阳潮使地球各圈层扁率变小，每年4月9日-7月28日（110天）及11月18日-1月23日（66天）为地球自转加速阶段。快慢时段的昼夜时间（日长）长短的差别不超过几千分之一秒，但是这种变化可以影响到气象事件，与计算值量级完全相符。

每年发生的季节性厄尔尼诺现象在12月25日圣诞节前后，与12月22日冬至以及1月3日或4日地球轨道近日点对应，与11月18日-1月23日（66天）的地球自转加速阶段对应，验证了潮汐形变导致的地球自转加速有利于季节性厄尔尼诺现象形成的结论，是季节性西太平洋暖水东移和赤道东风减弱西风加强的原因。

当月亮在南（北）纬28.6度（月亮赤纬角最大值）时，高潮区在12小时后从南（北）纬28.6度向北（南）纬28.6度震荡一次，大气和海洋的快速南北运动将产生巨大的能量交换并搅动深海冷水上翻到海洋表面降低气温。这是以18.6年为周期的潮汐南北震荡作用比其他周期的潮汐东西震荡作用更显著的原因。太阳在南北回归线时也会产生潮汐南北震荡运动[1]。

春分（3月20-22日）和秋分（9月22-24日）时，太阳在赤道，太阳潮使地球各圈层扁率变大，每年1月25日-4月7日（72天）及7月30日-11月6日（109天）为地球自转减速阶段，不利于厄尔尼诺的发展，有利于拉尼娜的形成。地球自转减慢使厄尔尼诺逐渐减弱，这在图1中表现得很明显。