地球行星/4i. 全球大气环流
乔治·哈德里 在他哥哥约翰的阴影下长大。两人都出生于富裕的英国家庭，并在 1600 年代后期接受了数学和科学教育。乔治的哥哥约翰在很小的时候就发明了一种新的科学工具——反射望远镜。反射望远镜使用镜子来增强恒星的图像，极大地促进了用于研究天文学的天文工具的发展，最终导致了六分仪的发现。约翰因其发明以及天文和数学工作而于 1717 年被选为皇家学会成员，并成为英国最古老的科学学会的早期活跃成员。
乔治·哈德里，这位弟弟则是一名律师，但在业余时间继续研究科学，并且足够富有可以这样做。他对研究用于确定纬度的科学仪器特别感兴趣，但经常被哥哥的科学工作所掩盖。1735 年，他最终被选为皇家学会成员，并获得了来自世界各地科学家和水手进行的气象记录的观测数据。这些气象记录包括地点、日期、温度、气压读数和天气报告。在 1735 年，这是一个巨大的信息量，因为英国正在迅速扩大其国际贸易，在美国殖民地、加拿大、伯利兹和印度拥有殖民地和港口。乔治·哈德里注意到，赤道地区的氣壓读数明显低于赤道以北和以南 30 度纬度地区的氣壓读数，后者表现出更高的气压读数。1735 年，他写了一份简要的解释，说明了这种现象的原因，这是由于现在以他的名字命名的全球大气环流模式。
哈德里环流是地球球形形状造成的温度梯度导致的结果。地球赤道附近的区域接收最多的阳光，导致温度较高。该热带地区导致上升的气团形成地球表面上的低压区。这条赤道带被称为 **赤道辐合带** (ITCZ)。这条带上的气团会上升，其中一些上升是由地球自转的离心力驱动的，导致向上运动，并在赤道周围的大气层中形成隆起。当气团上升时，空气会膨胀并冷却，导致地球上出现强降雨和云层的区域或带。地球的热带雨林位于赤道辐合带内，包括中美洲、南美洲北端、西非和刚果盆地、印度南部、东南亚、印度尼西亚和新几内亚的部分地区。这些地区孕育着茂密的丛林和雨林，并且为几乎全年持续湿润的气候提供集水区。
由于地球相对于其围绕太阳运行的轨道平面倾斜了 23.5 度，因此赤道辐合带的位置从夏至到冬至都会发生变化。赤道辐合带的这种年度变化极大地扩展了地球赤道周围的区域或带，这些区域或带位于低压大气区内。每年北半球夏至前后，赤道辐合带向北移动，将雨带带到这些北部地区，而在北半球冬至期间，赤道辐合带向南移动，将雨带带到南部地区。这些季节性降雨被称为 **季风**。季风来自阿拉伯语单词 mawsim，意思是季节。季风是指任何季节性的降雨量丰富的时期，但与赤道辐合带季节性运动相关的季风可以使地球上各个区域轮流经历主要干旱和湿润天气模式。与赤道辐合带运动相关的最著名的季风发生在印度。
印度位于赤道以北，赤道穿过印度洋，在夏季后期（8 月至 9 月）期间，赤道辐合带向北移动，为印度次大陆带来了大量降雨。在冬季后期（2 月至 3 月）期间，赤道辐合带向南移动，为印度次大陆带来了干燥天气。这些季节性季风降雨影响着东非、马达加斯加北部、巴西和澳大利亚北部，时间是 2 月和 3 月，而在 8 月和 9 月，这些季节性季风降雨影响着墨西哥南部、非洲尼日尔三角洲、印度、孟加拉国和东南亚。
8 月和 9 月，赤道辐合带向北移动也影响着美国降雨和其他天气模式。这些季风天气模式导致飓风在 8 月和 9 月出现在大西洋和墨西哥湾，给东南沿海各州带来了强降雨和风暴。赤道辐合带仅仅是地球大气中全球环流模式的开始。当空气上升，上升气团中的水分流失时，新的空气涌入低压区。地球自转的运动和科里奥利效应导致这种流入的空气从东部吹来。这些强烈的盛行风被称为信风，对穿越海洋的帆船很有用。北半球的东北信风从东北方向吹向赤道附近的低压赤道辐合带，而在南半球，东南信风从东南方向吹来。这些信风导致从东向西的相当持续的风，位于赤道以北或以南，对穿越世界大部分海洋的帆船很有用。
赤道辐合带上方上升的暖气团到达对流层顶部，然后向北和向南移动到高空。这种高海拔的暖气团现在很干燥，水汽压很低，处于不饱和状态。这种高空气流向两极移动，导致空气冷却。随着气团冷却，它会下沉，并且随着空气下沉，它会由于绝热递减率而压缩并变暖。这导致了高压副热带地区。这种高压副热带地区出现在赤道以北和以南约 30 度的地方。这种高压副热带地区位于北回归线 (北纬 23.5 度) 以北和南回归线 (南纬 23.5 度) 以南。与赤道辐合带一样，这种高压副热带地区也会随着季节的变化而变化，因为地球轨道存在倾斜。高压副热带地区导致地球上出现巨大的热带沙漠。在北非的这个高压区，有撒哈拉沙漠，在南非有卡拉哈里沙漠，中东炎热的阿拉伯沙漠也位于这个高压副热带区，澳大利亚的大维多利亚沙漠也是如此。在美洲，南美洲的巴塔哥尼亚沙漠，以及墨西哥北部的奇瓦瓦沙漠，亚利桑那州的索诺兰沙漠和加利福尼亚州的莫哈韦沙漠都位于这个高压大气区内。这些沙漠都位于由地球大气环流模式造成的高压区内。
地球的低压赤道雨林和丛林区域以及高压副热带热带沙漠区域的大气环流模式统称为哈德里大气环流或哈德里环流，这是以 300 多年前首次描述它们的乔治·哈德里命名的。
在加利福尼亚州天堂镇上方的山丘上，野火蔓延到曾经田园诗般的社区的丘陵林地。由消防车带领的一支汽车队伍试图在燃烧的景观中开辟一条道路。加利福尼亚州北部从未出现过如此规模的野火吞噬了如此多的房屋和建筑物。2018 年的野火蔓延到加利福尼亚州 150 万英亩以上的土地，成为该州有记录以来最严重的火灾季，直到 2020 年，超过 300 万英亩的土地被烧毁。为什么加利福尼亚州北部曾经湿润的松树为主的森林变得如此容易发生火灾？2000 年至 2020 年间，加利福尼亚州的野火每年都达到 100 万英亩以上，而早在 1960 年代，该州的野火很少超过 40 万英亩。是什么导致了火灾的增加？
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加利福尼亚州和美国西部大部分地区位于一个不稳定的纬度，这是对地球哈德利大气环流模式近期变化的回应。大气中二氧化碳浓度不断上升，导致气团保留更多太阳热量，从而导致哈德利环流向新的地理区域扩展。在二氧化碳浓度增加的大气中，对流层高处的暖空气冷却和下沉需要更长时间，因此可以向北移动更远。在太平洋上空，这种高压副热带区域的向北扩张将干风推向北加州。来自高压副热带区域的这些干燥暖风导致森林和通常降雨量较多的地区发生野火。加州和其他西部各州野火发生的频率增加是哈德利环流热膨胀的结果。现在，高达北纬 40 度的纬度正越来越多地落入高压副热带区域。决定地球沙漠分布的大气环流模式现在正在向北发挥作用。这导致这些地区的 8 月和 9 月的夏季晚期异常干燥和温暖。加州并非唯一受到这些变化影响的地区。在美国东南部，这些变化导致 8 月和 9 月的气温更高、更干燥，而在欧洲，哈德利环流的更北运动导致地中海以北的夏季气温越来越高，法国、西班牙、意大利和希腊出现年度热浪。它还导致南半球澳大利亚 12 月至 1 月的气温越来越高，导致 2018/19 和 2019/20 火灾季节发生大规模森林火灾。
乔治·哈德利提出大气运动的想法一个世纪后，一位名叫威廉·费雷尔的年轻美国人在 1856 年完善了这一想法。特别是，哈德利关于大气运动的想法是基于气团保持其线性运动的想法，而费雷尔则提出了一个更准确的评估，即气团的运动遵循相对于地球轴的角动量。换句话说，它们受到地球自转运动的影响。这导致高压副热带区域以北的气团从西向东吹出（西风）。这些较高纬度的气流模式统称为费雷尔环流，以威廉·费雷尔的名字命名。哈德利环流的联合运动（将风从东部吹入低压赤道辐合带）和费雷尔环流的运动（将风从西部吹离高压副热带区域）产生了螺旋或复杂的圆周运动。这些西风吹入极地附近最冷的气团。环绕极地区域的气团下沉，导致对流层顶部在极地上方较低。这些西风强烈地吹向围绕极地顶部旋转的冷空气帽。这种热梯度导致形成一条强大的风道，称为急流。
急流在对流层顶附近，即对流层和平流层之间的边界附近，提供近乎连续的高风。这些高度在大多数商用飞机的巡航高度内，因此被称为急流。这些西风会影响飞机，显著加快顺风向东飞行的飞机速度，并减慢逆风向西飞行的飞机速度。
大气中二氧化碳的增加也影响了地球极地附近的费雷尔大气环流模式，并导致急流强度发生变化。通常，急流的强风速来自北极极地冷空气与南边围绕地球的温暖空气（约 50 度纬度）之间的强热梯度。极地上的冷空气阻止了来自南部的空气团向北移动，然而，随着地球保留了更多太阳能，极地空气显着变暖。极地上空，特别是北极上空的更温暖的大气导致急流变弱。这种较弱的急流使暖气团能够向上推入北极，将冷空气向南推移。有时，北极极地空气会向南漂移，导致冷气团漂移到 50 度纬度，使北极上空的气温升高。这些天气事件被称为极地涡旋。
在冬季，极地涡旋会导致北极冷空气向南移动，特别是在北美东部和亚洲北部，因为它与西风急流相互作用。这些寒流给美国东北部、加拿大东部和大湖区带来寒冷天气，而阿拉斯加州、育空地区和不列颠哥伦比亚省等西海岸地区则以温暖天气为主。
在费雷尔之后一个世纪，在哈德利之后两个世纪，一位名叫卡尔-古斯塔夫·罗斯贝的瑞典科学家描述了急流运动与西风运动的复杂关系。罗斯贝在 1939 年识别出急流中的大气波，并继续解释其运动的科学原理。如今，这些波被称为罗斯贝波。大气罗斯贝波源于地球运动产生的潜在自旋力的守恒，即科里奥利力和由纬度温度差异产生的压力梯度。这些波导致极地冷空气像波浪一样形成波峰，波峰指向西南方向，而冷空气的广阔极地锋面向东移动。地球大气中的罗斯贝波会导致地球急流出现 4 到 6 个大型蜿蜒。当这些偏差变得非常明显时，冷空气团会分离，形成低强度风暴，并导致许多中纬度（40 到 50 度）的日常天气模式。罗斯贝波的作用有助于解释为什么北半球大陆东海岸，如美国东北部和加拿大东部，与西欧处于相同纬度但气温要低得多。它们还解释了北美西北海岸变暖的近期天气现象，而北美东北海岸则遭遇更多冬季寒潮风暴。在南半球，罗斯贝波的作用有助于解释南极冰盖的近期天气变化，最近，阿蒙森海的西南极冰架变暖和融化，而东部南极冰盖保持稳定，天气更凉爽。
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