地球/4i. 全球大气环流
乔治·哈德里在他的哥哥约翰的阴影下长大。两人都出生于富有的英国家庭，并在17世纪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现了一种新的科学工具——反射望远镜。反射望远镜利用镜子增强恒星的图像，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。由于他的发明以及在天文和数学方面的工作，约翰于1717年被选入皇家学会，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，弟弟则从事律师工作，但在业余时间继续涉猎科学，并且有足够的财富这样做。他对研制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，他终于自己被选入皇家学会，并可以接触到来自世界各地科学家和水手的气象日志观测数据。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，在美洲殖民地、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气压读数明显低于赤道以北和以南30度纬度地区的气压读数，这些地区的气压读数要高得多。1735年，他快速地解释了为什么会发生这种情况，原因是现在以他名字命名的全球大气环流模式。
哈德里环流是由于地球球形特性导致的温度梯度而产生的。地球赤道周围的区域接收到的阳光最多，导致气温较高。这个温暖区域导致空气上升，在地球表面形成一个低气压区域。这个赤道带被称为赤道辐合带（ITCZ）。沿着该区域的空气团将上升，其中一些上升是由地球自转的离心力推动的，导致空气向上运动，并在赤道周围的大气层中形成凸起。随着空气团上升，空气将膨胀并冷却，导致地球上出现强降雨和云层覆盖的区域或带。地球的热带雨林位于赤道辐合带内，包括中美洲的部分地区、南美洲的北部尖端、西非和刚果盆地、印度南部、东南亚、印度尼西亚和新几内亚。这些地区拥有茂密的丛林和雨林，以及几乎全年持续潮湿气候的流域。
由于地球相对于其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会发生变化。赤道辐合带的这种年度变化大大扩展了地球赤道周围位于低气压大气区域的区域或带。每年北半球夏至附近，赤道辐合带向北移动，将这个多雨区域带到这些北部地区，而在北半球冬至期间，赤道辐合带向南移动，将这个多雨区域带到南部。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。季风是任何一个季节性降雨丰富的时期，但与赤道辐合带季节性运动相关的季风可以在主要干旱和潮湿天气模式之间交替区域。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，在夏末的8月至9月，赤道辐合带向北移动，给印度次大陆带来大量降雨。在冬末的2月至3月，赤道辐合带大幅向南移动，给印度次大陆带来干燥的天气。这些季节性季风降雨在东非、马达加斯加北部、巴西和澳大利亚北部于2月和3月感受到，而在8月和9月，这些季节性季风降雨在墨西哥南部、非洲尼日尔三角洲、印度、孟加拉国和东南亚感受到。
赤道辐合带在8月和9月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8月和9月大西洋和墨西哥湾出现飓风，在此期间给东南沿海州带来强降雨和风暴。赤道辐合带仅仅是大气中全球环流模式的开始。随着空气上升和水从上升气团中流失，新的空气涌入低气压区域。地球自转的运动和科里奥利效应导致这种进入的气流从东边吹来。这些强劲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吹向赤道附近的低气压赤道辐合带，而在南半球，东南信风从东南吹来。这些信风导致在赤道以北或以南相当连续的风从东向西吹来，这对穿越世界大片海洋的帆船很有用。
赤道辐合带上方上升的暖气团到达对流层顶部，并在高空向北和向南移动。这个高海拔的暖气团现在是干燥的，并且水汽压低，未饱和。这股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，由于绝热递减率，它会压缩并变暖。这导致了一个高气压的副热带区域。这个高气压的副热带区域出现在赤道以北和以南约30度的地方。这个高气压的副热带区域位于北回归线（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，这个高气压的副热带区域也随季节变化，因为地球轨道的倾斜。高气压的副热带区域导致地球上出现巨大的热带沙漠。在北非这个高气压区域内是撒哈拉沙漠，在南非是卡拉哈里沙漠，中东的阿拉伯热沙漠也位于这个高气压的副热带区域，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高气压大气区域内。所有这些沙漠都位于地球大气全球环流模式造成的高气压区域内。
地球低气压赤道雨林和丛林地区以及高气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，以近300年前首次描述它们的乔治·哈德里命名。
在加利福尼亚州天堂市上方的山丘上，野火蔓延到曾经田园诗般社区的丘陵林地。一辆消防车带领着一队汽车试图在燃烧的景观中开辟一条道路。以前从未有过如此严重的野火吞噬了加利福尼亚州北部的这么多房屋和建筑物。2018年，加利福尼亚州的野火蔓延超过150万英亩，使其成为该州有记录以来最严重的火灾季节，直到2020年，超过300万英亩被烧毁。为什么曾经潮湿的加利福尼亚北部以松树为主的森林中火灾变得如此普遍？2000年至2020年间，加利福尼亚州的野火每年都达到超过100万英亩的峰值，早在20世纪60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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加利福尼亚州以及美国西部大部分地区，由于地球哈德里环流模式的近期变化，处于一个不稳定的纬度。大气中二氧化碳浓度的不断升高，使得气团能够保留更多的太阳热量，导致哈德里环流向新的地理区域扩张。在二氧化碳浓度增加的大气中，对流层高处的暖空气需要更长的时间才能冷却和下沉，因此可以向北移动更远。在太平洋上空，高压副热带地区的这种北移将干燥的风推向北加州。这些来自高压副热带地区的干燥暖风导致森林和通常降雨较多的地区发生野火。加州和其他西部州野火频率的增加是哈德里环流热膨胀的结果。高达北纬40度的纬度现在也更频繁地落入高压副热带地区。决定地球沙漠分布的大气环流模式，现在正对更北的地区产生影响。这导致这些地区在8月和9月出现特别干燥和温暖的夏末月份。加州并不是唯一受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月变得更温暖和干燥，而在欧洲，哈德里环流的北移导致地中海北部夏季气温越来越高，法国、西班牙、意大利和希腊每年都会出现热浪。它还导致南半球澳大利亚的12月至1月气温越来越高，导致2018/19年和2019/20年火灾季节发生大规模森林火灾。
在乔治·哈德里提出大气运动观点的一个世纪后，一位名叫威廉·费雷尔的年轻美国人在1856年完善了这一观点。特别是，哈德里关于大气运动的观点基于气团保持其线性运动的思想，而费雷尔提出了一个更准确的评估，即气团的运动遵循相对于地球自转轴的角动量。换句话说，它们受到地球自转的影响。这导致高压副热带地区北部的空气从西向东吹（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。哈德里环流将风从东部吹向低压赤道辐合带，以及费雷尔环流将风从西部吹离高压副热带地区的联合运动，产生了螺旋或复杂的圆周运动。这些西风吹入靠近极地的最冷气团。环绕极地地区的空气下沉，导致极地上空对流层顶部较低。这些西风强烈地吹向围绕着极地顶部旋转的冷空气层。这种温度梯度形成了一个强大的风道，称为**急流**。
急流在接近对流层和平流层边界、即对流层顶附近的大气中提供几乎连续的高风。这些高度位于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。
大气中二氧化碳含量的增加也会影响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。通常情况下，急流的强风速来自北极极地冷空气与南面围绕地球约50度纬度的较暖空气之间强烈的温度梯度。极地上空的冷而密集的空气阻止了南方的气团向北移动，然而，随着地球保留了更多的太阳能量，极地空气已经显著变暖。极地上空，特别是北极上空更温暖的大气导致急流变弱。这个较弱的急流允许暖气团向上推入北极，并将冷空气向南驱赶。有时，极地北极空气会向南漂移，导致冷气团漂移到50度的纬度，使北极上空变得更温暖。这些天气事件被称为极地涡旋。
在冬季，极地涡旋会将北极的冷空气向南移动，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。这些寒潮会给美国东北部、加拿大东部和五大湖地区带来寒冷的天气，而阿拉斯加、育空地区和不列颠哥伦比亚省等西海岸则以温暖天气为主。
在费雷尔之后一个世纪，在哈德里之后两个世纪，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相关的复杂性质。罗斯贝在1939年发现了急流中的大气波，并继续解释了其运动的科学原理。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旋转力的守恒，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起伏，波峰指向西南方向，而宽广的极地冷锋则向东移动。地球大气中的罗斯贝波导致地球急流发生4到6次大规模的曲折。当这些偏差变得非常明显时，冷空气团就会分离，形成低强度风暴，并导致中纬度地区（40至50度）许多日常天气模式。罗斯贝波的作用有助于解释为什么北半球东部大陆海岸，如美国东北部和加拿大东部，在相同纬度下比西欧要冷得多。它们也解释了最近北美西北海岸变暖的天气现象，而北美东北海岸则遭受更频繁的冬季寒潮袭击。在南半球，罗斯贝波的作用有助于解释南极洲冰盖最近的天气变化，包括阿蒙森海西部南极冰架的近期变暖和融化，而东部南极冰盖在较冷的天气下保持更加稳定。
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