高中地球科学/空气运动

了解一些基本原理可以让人们很好地理解空气如何以及为何运动。暖空气上升，形成低压区，冷空气下降，形成高压区。从高压区流向低压区的空气会形成风。在赤道南北半球三个主要对流环流的底部运动的空气会形成全球风带。

课程目标

列出大气对流环流的各个部分以及其中气流的特性。
描述高低气压中心是如何形成地方风的，并解释几种地方风是如何形成的。
互相询问全球对流环流是如何导致全球风带的。

气压和风

回顾一下你在上一节课中学习的关于对流环流的内容。暖空气上升，形成对流环流的上升支流（图15.19）。上升的空气降低了该区域的气压，形成一个低压区。上升的空气从周围地区吸入空气，形成风。

在对流层顶，空气从低压区水平流动到高压区。由于它位于对流层顶，因此空气在移动时会冷却。这种冷而密的空气形成了对流环流的下降支流。下降的空气撞击地面时，气压相对较高。这形成了一个高压区。下降的空气相对凉爽，因为它经过了对流层顶。

在高低压中心之间水平运动的空气形成了风。如果它们之间的气压差很大，风就会从高压区快速流向低压区。如果气压差较小，风速就会较慢。

大气中的对流产生了地球上的天气。重要的是要知道暖空气比冷空气能容纳更多的水分。当地面附近的暖空气在低压区上升时，它会冷却。如果空气潮湿，它可能无法容纳所有以蒸汽形式存在的水分。一些水蒸气可能会凝结形成云甚至降水。在冷空气在高压区下降的地方，它会变暖。由于它随后可以容纳更多的水分，下降的空气会在地面蒸发水分。

在大型高低压系统之间运动的空气产生了全球风带，这些风带深刻地影响着区域气候。较小的气压系统会产生地方风，这些风会影响当地地区的天气和气候。

地方风

地方风是在空气从小型高压系统流向小型低压系统时形成的。高低气压中心是由各种条件形成的。其中一些风对某些地区的降水和气候有着非常重要的影响。

陆地和海风

你已经了解到水的比热容非常高：它能很好地保持自己的温度。这意味着水的加热和冷却速度比陆地慢。有时，海洋（或大湖）表面与旁边陆地的温度存在较大差异。这种温差会导致形成小型高低气压区，从而形成地方风。

在夏季，以及在白天程度较小的情况下，暖地上空会形成低压区，而较冷的海面上空会形成高压区。在炎热的夏季下午，被称为海风的风从较冷的海面吹向较暖的陆地（图15.20）。海风的风速通常约为每小时10到20公里（6到12英里），可以将近海的空气温度降低5到10°C（9到18°F）。陆地和海风的效应仅在内陆约50到100公里（30到60英里）处才能感受到。

相反的情况发生在冬季，由于比热容较低，陆地比附近的水域更冷。寒冷的陆地会冷却它上方的空气。这会导致空气变得稠密并下沉，从而形成高压区。同时，温暖的海洋会加热它上方的空气，并形成低压区。这在夜间会以较小的程度发生，因为陆地的冷却速度比海洋快。被称为陆风的风从高压区吹向低压区。这些地方风从较冷的陆地吹向较暖的海洋。一些来自海洋的暖空气上升，然后在陆地上沉降，导致陆地上的温度变暖。

陆地和海风非常重要，因为它们会调节沿海气候。在炎热的夏季，海风会冷却沿海地区。在寒冷的冬季，陆风会将冷空气吹向海洋。这些风会调节沿海温度。陆地和海风创造了南加州闻名的宜人气候。

季风

季风是陆地和海风的大规模版本；它们在夏季从海面吹向陆地，在冬季从陆地吹向海面。季风非常强，因为它们发生在夏季温度极高的沿海地区。无论哪里有非常炎热的夏季陆地与海洋相邻，都会出现季风。美国西南部在夏季会有季风降雨，当时来自墨西哥湾和加利福尼亚湾的相对凉爽潮湿的空气遇到了被灼热的沙漠温度加热的空气（图15.21）。

世界上最重要的季风每年都会在印度次大陆上空出现。超过20亿印度和东南亚居民依靠季风降雨来获得饮用水和灌溉用水。在夏季，印度次大陆上空的空气变得极其炎热，因此会上升。来自北印度洋的温暖潮湿的空气进入该地区，它也会被加热并上升。随着上升的湿空气冷却，它会降下大量的季风降雨。在冬季，来自陆地上的冷空气会向海洋移动。在帆船时代，季风的季节性变化将货物运送到印度和非洲之间。

山谷风

山谷之间气温差异会导致山风和谷风。在白天，山坡上的空气比邻近山谷相同高度的空气更热。随着白天推移，温暖的空气从山坡上升，将来自山谷的冷空气吸上来。这种向上的气流被称为**谷风**。当太阳落山时，山坡比附近山谷的空气冷却得更快。这种冷空气下沉，导致**山风**向下流动。

下降风

**下降风**也沿着山坡上下移动，但它们比山风和谷风更强。下降风形成于高海拔地区，例如高原。高原通常几乎被山脉包围。冬季，高原变冷，使其上方的空气变得极其寒冷。这种致密的空气从高原上穿过山中的缝隙下沉。风速取决于高原和周围环境之间的气压差。如果高原外形成一个低气压的暴风雨，那么风压就会有很大差异，风就会迅速沿着山坡向下吹。下降风在许多大陆地区形成。极冷的下降风吹过南极洲和格陵兰岛。

焚风（奇努克风）

当空气被强迫上升到山脉之上时，就会形成**焚风**或**奇努克风**。例如，当西风将来自太平洋的空气带到加利福尼亚州的内华达山脉时，就会发生这种情况。当相对温暖潮湿的空气上升到山脉迎风坡时，它会冷却并收缩。如果空气潮湿，它可能会形成云并降雨或降雪。当空气在山脉背风坡下降时，它会形成一个高压区。山脉的迎风坡是接受风的坡；背风坡是空气下降的坡。

下降的空气变暖并产生非常强烈的干风。焚风可以在一小时内将气温提高超过20°C（36°F），并导致湿度下降。如果山脉背风坡上有雪，它可能会在干燥的风中迅速融化和蒸发而消失。如果降水在空气上升到山脉时降落，那么空气在山脉背风坡下降时将非常干燥。这种干燥的下沉空气会导致**雨影效应**（图 15.22）。由于雨影效应，许多沙漠位于山脉的背风坡。

**图 15.22**：空气在上升越过山脉时冷却并失去水分。它在背风坡下降并通过压缩变暖。由此产生的温暖干燥的风是焚风或奇努克风。如果空气在山脉上空失去降水，山脉的背风坡将是干燥的，会出现雨影效应。

这些风的名字有点令人困惑。有些人将所有这些风都称为焚风，有些人称为奇努克风，还有些人称为地貌风。焚风和奇努克风有时用于指代任何一种风，但也用于区域性。焚风存在于欧洲阿尔卑斯山，奇努克风存在于北美洛基山脉。虽然描述很贴切，但奇努克并不意味着“吃雪”。

圣塔安娜风

“致命”一词经常用来形容**圣塔安娜风**，这种风出现在南加州（图 15.23）。这些风是在深秋和冬季，当内华达山脉以东的大盆地冷却时形成的。当大盆地冷却时，形成的高气压迫使风向下和顺时针方向吹。空气迅速下沉，使其气压升高。同时，空气的温度升高，湿度下降。风穿过西南沙漠，然后沿着山坡向下吹向海洋。空气被强迫穿过圣加布里埃尔山和圣贝纳迪诺山的峡谷。风在圣塔安娜峡谷中尤为快速，这也是其名称的由来。

圣塔安娜风通常出现在加州漫长的夏季干旱季节结束时。炎热干燥的风使景观更加干燥。如果发生火灾，它会迅速蔓延，造成大规模破坏。2007 年 10 月下旬，圣塔安娜风助长了许多火灾，这些火灾共计烧毁了 426,000 英亩的荒地和 1500 多所房屋（图 15.24）。2003 年的圣塔安娜风导致 721,791 英亩的荒地被野火吞噬。

沙漠的高温会造成强风，这些风通常与季风风暴有关。**沙尘暴**形成于雷暴前部的下沉气流中（图 15.25）。空气旋转并扬起灰尘和沙子，形成尘土云，其中可能包括尘卷风或龙卷风。沙尘暴会导致许多沙尘暴。

尘卷风，也称为旋风，也可能在炎热晴朗的沙漠日形成。地面变得非常热，以至于其上方的空气被加热并上升。空气流入低压区并开始旋转。尘卷风很小，持续时间很短，但它们可能会造成破坏。

大气环流

你已经了解到，赤道比极地地区接收的太阳能更多。过量的热量在赤道形成低压区。温暖的空气上升到对流层的顶部，其中一半的暖空气向北极移动，一半向南极移动。空气在上升和沿着对流层顶部移动时会冷却。当冷却的空气到达高压区时，它就会下沉。回到地面后，空气然后向赤道的低压区移动。赤道低压区上升的空气和向北极或南极方向的高压区下沉的空气形成了一个对流环流。

如果地球只是一个太空中的球体而不旋转，那么就只有一个低压区，它将位于赤道。每个极地也只有一个高压区。这将在北半球形成一个对流环流，在南半球形成一个对流环流。但由于地球确实在旋转，情况更加复杂。地球的旋转意味着必须考虑科里奥利效应。

**科里奥利效应**导致自由移动的物体在北半球看起来向右移动，在南半球看起来向左移动。物体本身实际上是直线移动的，但地球正在其下方旋转，因此它们看起来弯曲或弯曲。一个例子可能会使科里奥利效应更容易可视化。如果一架飞机向北飞行 500 英里，它将不会到达它开始旅程时正北方的城市。在飞机飞行 500 英里的时间里，那个城市连同它所在的地球一起移动了。因此，飞机将到达原始城市以西的城市（在北半球），除非飞行员已经补偿了这种变化。

关于科里奥利效应的一个常见误解是，水从排水管中流出时，在北半球旋转一个方向，在南半球旋转另一个方向。这不是真的，因为在马桶等小容器中，其他因素更重要。这些因素包括碗的形状以及水首次进入碗时的流动方向。

但在大气和海洋的尺度上，科里奥利效应非常重要。让我们看一下由于科里奥利效应而导致的北半球大气环流（图 15.26）。如上所述，空气在赤道上升。但当空气在对流层顶部向极地移动时，它会向右偏转。（请记住，它看起来只是向右偏转，因为其下方的地面在移动。）在大约北纬 30° 处，来自赤道的空气遇到来自更高纬度，向赤道流动的相对冷的空气。这种空气很冷，因为它来自更高纬度。这两批空气都会下降，形成一个高压区。一旦到达地面，空气就会返回赤道。这个对流环流被称为哈德里环流，位于 0° 到 30°N 之间。

北半球还有两个对流环流。费雷尔环流位于 30°N 到 50° 到 60°N 之间。这个环流的南部下降部分与它南部的哈德里环流共享。它的北部上升部分与位于 50°N 到 60°N 和北极之间的极地环流共享，在北极，冷空气下降。

南半球有三个镜像环流环流。在那个半球，科里奥利效应使物体看起来向左偏转。

全球风带

全球风沿着围绕地球的风带吹。全球风带非常巨大，风相对稳定（图 15.27）。我们将能够使用你刚学到的关于大气环流的信息来找出这些风带中的风是如何吹的。

在每个对流环之间，空气垂直运动的地方，风很小。但在高压区和低压区之间，空气沿着地面水平移动的地方，就会形成稳定的风。每个大型环流单元的空气运动形成了主要的纬度风带。纬度风带是以风吹来的方向命名的。例如，西风就是从西向东吹的风。一些名称仍然来自帆船时代，当时帆船依靠风力航行。

让我们看看地球表面北半球的全球风带。在哈德里环流单元中，空气从北向南移动，但受地转偏向力的影响，向右偏转。因此，这些风从东北吹向西南。它们被称为信风，因为在帆船时代，它们有利于贸易。费雷尔环流单元中的风从西南吹来，被称为西风或西风带。西风带是美国旧金山飞往纽约的航班比反向飞行时间短的原因。在去程航班上，飞机受到西风带的推动，而在返程航班上，飞机则要逆着气流飞行。在极地环流单元中，风从东北吹来，被称为极地东风。这些名称也适用于南半球风带中的风。

大气环流单元和全球风带的正常模式决定了正常的全球气候，但许多其他因素在局部地区起作用。六个大气环流单元形成的高压区和低压区通常决定着一个地区降水的多少。在低压区，空气上升，通常会下雨。在高压区，下沉的空气会导致蒸发，该地区通常干燥。更具体的气候影响将在关于气候的章节中描述。

费雷尔环流单元和极地环流单元的交汇处是一个低压区。在这个地方，从赤道循环过来的相对温暖、潮湿的空气，遇到了从极地过来的相对寒冷、干燥的空气。结果形成了一个天气变化无常的地方，被称为极锋。这种天气是北美和欧洲大部分地区的典型天气。

极地急流位于大气层的高处，两个环流单元在此交汇。急流是平流层和对流层边界之间快速流动的空气河流。急流的流速可以超过每小时 185 公里（每小时 115 英里），长度可达数千公里，宽度可达数百公里，但厚度只有几公里。急流形成于两个气团之间存在较大温差的地方。这解释了为什么极地急流是世界上最强大的急流。

急流会随着太阳在天空中的角度在南北方向移动而季节性移动。极地急流在冬季向南移动，在夏季向北移动，大约在北纬 30° 到 50° 到 75° 之间移动。急流的位置决定了地面上一个地点将经历的天气。位于极地急流南部的城市将比位于其北部的城市温度更高，湿度更大。在急流的正下方，天气通常多风暴，可能会有雷暴和龙卷风。

课程总结

风从高压区吹向低压区。当地面附近的空气变得比附近空气更热或更冷时，就会形成压力区。
地方风可能出现在山谷或海岸附近。
全球风模式是长期、稳定的风，在星球的大部分地区盛行。
全球风带的位置对一个地区的天气和气候有很大的影响。

复习问题

画一个大气对流环的图。标出低压区和高压区，以及风的方向。
在什么情况下风会非常强？
根据你对全球对流环的了解，如果你想体验温暖、丰富的降雨，你会去哪里旅行？
描述两个可能出现沙漠的地区的大气环流，并解释为什么这些地区相对温暖干燥。
如何减小印度和东南亚季风的强度？这些重要季风的减弱会对世界的那一部分造成什么影响？
为什么“吃雪者”这个名字是对奇努克风的恰当描述？
为什么地转偏向力会导致空气（或水）在北半球看起来是顺时针移动的？地转偏向力在什么情况下会导致空气看起来逆时针移动？
水手们曾经将海洋的一部分称为“无风带”。这是一个经常没有风的区域，因此船只会在那里滞留数天甚至数周。根据你对大气环流的了解，你认为无风带在纬度上位于哪里？
想象一下，急流的位置比夏季通常的位置更靠南。与正常的夏季相比，急流正北方的地区的天气将是什么样的？
总体描述一下风是如何形成的。

词汇

地转偏向力: 自由运动的物体在北半球向右偏转，在南半球向左偏转的趋势。
焚风（奇努克风）: 当低压将空气拉过山脉时形成的风。
沙暴: 沙漠中由雷雨下沉气流形成的沙尘暴。
高压区: 一个相对较冷、密集的空气下沉的区域。
急流: 大气层高处快速流动的空气河流，两个具有截然不同的温度和湿度特征的气团彼此交汇。
下降风: 沿着斜坡向下移动的风。
陆风: 冬季从陆地吹向海洋的风，此时海洋比陆地温度更高。
低压区: 一个相对较暖、密度较小的空气上升的区域。
山风: 下午晚些时候或晚上从山顶吹向山谷的风，此时山区空气比山谷空气更冷。
极锋: 大约在北纬 50° 和南纬 50° 处，寒冷的大陆性空气与温暖的亚热带空气相遇的区域。
圣塔安娜风: 秋季和冬季从东向西吹入南加州的热风。
海风: 夏季从海洋吹向陆地的风，此时陆地比海洋温度更高。
谷风: 向上流动的空气。

思考问题

地方风如何影响一个地区的天气？
全球风带如何影响一个地区的气候？
控制大气环流的主要原理是什么？

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