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大氣環(huán)流、主要風(fēng)系統(tǒng)和氣團(tuán)
甲 大氣運(yùn)動(dòng)的特性
(一) 影響空氣流動(dòng)的動(dòng)力
１ 氣壓梯度力 (Pressure Gradient Force)
空氣由高氣壓移動(dòng)至低氣壓地區(qū)。
空氣流動(dòng)的速度受到兩地氣壓差距的影響，這種氣壓差距稱(chēng)為氣壓梯度。
氣壓梯度力愈大，即兩地的氣壓差距愈大，風(fēng)速愈快。
在天氣圖上，等壓線(xiàn)距離愈近，即氣壓梯度力愈大，風(fēng)速愈快。
２ 地轉(zhuǎn)偏向力 (Coriolis Force)
空氣在轉(zhuǎn)動(dòng)上的地球上運(yùn)動(dòng)，由於地球的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生作用於空氣的力稱(chēng)為地轉(zhuǎn)偏向力。
地轉(zhuǎn)偏向力受風(fēng)速、地球旋轉(zhuǎn)速度和緯度影響。
有風(fēng)速才有偏向力。風(fēng)速越大，地轉(zhuǎn)偏向力越大。
地球旋轉(zhuǎn)速度越快，偏向力越小。
緯度越大，地轉(zhuǎn)偏向力越大。所以偏向力兩極最大，低緯度最小，赤道為零。
它影響風(fēng)向而不影響風(fēng)速大小。地轉(zhuǎn)偏向力在北半球令風(fēng)向右偏，在南半球向左偏。
氣壓梯度力令空氣移動(dòng)方向與等壓線(xiàn)垂直，但地轉(zhuǎn)偏向力令風(fēng)向改變至與等壓線(xiàn)平行。
３ 慣性離心力 (Centripetal Force)
空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，多不是直線(xiàn)而是曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)空氣作圓週運(yùn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)受慣性離心力影響。
離心力時(shí)刻與空氣的直線(xiàn)速度垂直。它只能改變空氣的運(yùn)動(dòng)方向，而不能改變它的運(yùn)動(dòng)速度。
在北半球，慣性離心力令氣旋中的空氣運(yùn)動(dòng)作逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，而反氣旋中的空氣則作順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)。在南半球則相反。
４ 摩擦力 (Frictional Force)
大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，由於自身空氣上、下層流速和方向的差異而形成之摩擦力稱(chēng)為內(nèi)摩擦。空氣與地面接觸而產(chǎn)生阻力，這種力量為稱(chēng)為外摩擦。它的方向與空氣運(yùn)動(dòng)相反。
內(nèi)摩擦力和外摩擦力的向量和為總摩擦力。
摩擦力使空氣運(yùn)動(dòng)的速度減少。
通常內(nèi)摩擦力通常較外摩擦力小很多，因此高度越高則摩擦越小。
(二) 大氣環(huán)流
１ 大氣環(huán)流的形成
ａ) 太陽(yáng)輻射的作用
大氣環(huán)流的形成主要由於高低緯度間輻射的不平衡而造成。
太陽(yáng)輻射對(duì)地球及其大氣的不均勻加熱產(chǎn)生了不同的熱能，通過(guò)空氣的上升、下降和移動(dòng)，形成大小尺度的天氣運(yùn)動(dòng)。
地球由北緯三十五度至南緯三十五度為熱量?jī)舻脜^(qū)，其餘地區(qū)為熱量?jī)羰^(qū)。低緯度地區(qū)因凈得熱量而不斷增溫，高緯度地區(qū)因凈失熱量而不斷降溫。此時(shí)熱帶地區(qū)是熱源而高緯地區(qū)是凍源。由於冷熱源分佈不均勻而產(chǎn)生熱力環(huán)流。
在假設(shè)地球表面性質(zhì)均一和沒(méi)有地轉(zhuǎn)偏向力的情況下，赤道地區(qū)的空氣因大氣增溫膨脹而上升，赤道地區(qū)上空由於空氣流出，地面氣壓就會(huì)降低而形成低壓區(qū)，稱(chēng)為赤道低壓。極地上空因有空氣流入，地面氣壓就會(huì)升高而形成高壓區(qū)，稱(chēng)為極地高壓。於是在地表上就產(chǎn)生了自極地流向赤道的氣流，這支氣流并在赤道地區(qū)受熱上升，補(bǔ)償了赤道上空空氣的流出，形成了一個(gè)封閉環(huán)流。
ｂ) 地球的自轉(zhuǎn)作用
當(dāng)空氣移動(dòng)時(shí)，地轉(zhuǎn)偏向力發(fā)生作用，影響空氣移動(dòng)途徑有所偏差。當(dāng)緯度越高，地轉(zhuǎn)偏向力越大，空氣移動(dòng)的偏差也越大。這就造成了地球的六個(gè)環(huán)流圈，七個(gè)高低氣壓帶，和七個(gè)行星風(fēng)系。
２ 大氣環(huán)流的結(jié)構(gòu)
ａ) 單一熱力環(huán)流
大氣的熱能分佈決定了氣壓高低，氣壓的高低影響了大氣環(huán)流。
赤道附近的太陽(yáng)輻射很強(qiáng)，終年炎熱，大氣受熱膨脹上升，形成赤道低壓帶。極地地區(qū)太陽(yáng)輻射很弱，終年寒冷，大氣冷卻收縮下沉，形成極地高壓帶。
在氣壓梯度力的影響下，赤道上空的大氣便流向極地上空。極地上空因有空氣流入，地面氣壓升高形成高壓帶。於是在近地面的空氣就由極地高壓帶流向赤道低壓帶，從而形成單一熱力環(huán)流圈。
環(huán)流圈使高低緯度不同溫度的空氣得以交換，維持了緯度間的熱量平衡。
ｂ) 三圈環(huán)流模式
單一熱力環(huán)流圈實(shí)際上是不存在的。大氣運(yùn)動(dòng)受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響，縱然地表性質(zhì)是均勻的，在赤道與極地間也不可能出現(xiàn)單一熱力環(huán)流，而是會(huì)變成三圈環(huán)流模式。
i) 赤道環(huán)流 (信風(fēng)環(huán)流 / 熱力圈環(huán)流 / 哈德萊圈 Hadley ‘s Cell)
赤道地區(qū)溫度高，空氣受熱而上升，成為上升氣流。地面上的氣流從四週流入填補(bǔ)上升的空氣，形成赤道低壓區(qū)。上升氣流堆積，分別向南北兩極流動(dòng)，到了南北緯三十度時(shí)，空氣因冷卻及受到壓迫而令密度上升，在此處堆積下沉，使近地面形成一個(gè)高壓帶，稱(chēng)為副熱帶高壓區(qū)。
副熱帶高壓區(qū)出現(xiàn)以后，下沉地面空氣向赤道和極地流去，形成行星風(fēng)。向赤道流去的氣流，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，在北半球成為東北信風(fēng)，在南半球成為東南信風(fēng)，稱(chēng)為信風(fēng)或貿(mào)易風(fēng)。這兩支信風(fēng)到了赤道會(huì)合，成為熱帶輻合帶 (Inter-tropical Convergence Zone)。這就完成了赤道環(huán)流。
ii) 極地環(huán)流 (高緯度環(huán)流)
由副熱帶流向極地的一支氣流，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，形成中緯度的偏西風(fēng)。在極地，冷卻下沉的空氣在近地面向赤道移動(dòng)，在流動(dòng)中轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，稱(chēng)為極地東風(fēng)。
這支寒冷的偏東風(fēng)與中緯度的偏西風(fēng)在副極地(600)會(huì)合。熱空氣遇到冷空氣后上升，又向南北分流。向北的一支氣流移向極地，變冷下沉，補(bǔ)充了極地地面流出的空氣。這組空氣的移動(dòng)稱(chēng)為極地環(huán)流圈。
iii) 中緯度環(huán)流 (費(fèi)萊爾環(huán)流 Ferrel‘s Cell )
在南北緯三十度左右沉降的空氣向兩極發(fā)散，將赤道地區(qū)的熱量向極地輸送。在北半球向北形成偏西南風(fēng)帶，在南半球則向南形成偏西北風(fēng)帶。這兩股西風(fēng)帶在緯度六十度與極地東風(fēng)相遇，被抬升，形成副極地高壓帶。空氣上升以后，向南北分流。向赤道進(jìn)發(fā)的氣流到了緯度三十度的位置以后，便會(huì)下沉而完成了整個(gè)中緯度環(huán)流。
３ 地球的氣壓系統(tǒng)
由於大氣環(huán)流的結(jié)構(gòu)，令到地球不同的位置形成不同的氣壓狀況。如果地球的表面是均勻和統(tǒng)一的，地球大致可分為七個(gè)氣壓帶。它們是：
a) 赤道低壓帶 (Equatorial Low Pressure Belt)
位於北緯五度至南緯五度之間。
因?yàn)樘?yáng)輻射的關(guān)係，赤道地區(qū)溫度全年高企。熱空氣膨脹上升，形成低壓區(qū)。所以這地區(qū)的低氣壓是由於熱力因素而造成的。
這地區(qū)又稱(chēng)為熱帶輻合帶 (ITCZ)，因?yàn)閺哪媳本暼却祦?lái)的信風(fēng)在這處相遇，形成輻合現(xiàn)象。
b) 副熱帶高壓帶 (Sub-tropical High Pressure Belt)
位於南緯三十度及北緯三十度。
這高壓區(qū)的形成是由於動(dòng)力因素而造成的。當(dāng)赤道上空的熱空氣分流向南北移動(dòng)時(shí)，空氣越過(guò)較短的緯線(xiàn)而進(jìn)入一個(gè)較小的空間，空氣密度上昇。當(dāng)空氣到達(dá)南緯三十度及北緯三十度時(shí)，空氣便會(huì)下沉，形成副熱帶高壓區(qū)的出現(xiàn)。
c) 副極地低壓帶 (Sub-polar Low Pressure Belt)
位於南緯六十度及北緯六十度。
鋒面地帶。從極地吹來(lái)的冷空氣遇到從三十度吹來(lái)的熱空氣，兩股性質(zhì)不同的氣流相遇，熱空氣被迫上升，形成低壓區(qū)。所以這地區(qū)的氣壓是由動(dòng)力因素而造成的。
d) 極地高壓帶 (Polar High Pressure Belt)
位於南緯九十度及北緯九十度的地區(qū)。
由於兩極地帶太陽(yáng)輻射微弱，造成溫度偏低，寒冷的空氣下沉，造成高氣壓的形成。所以是由熱力因素而引致的。地球的氣壓系統(tǒng)受到兩個(gè)破壞性因素影響，而令到上述的七個(gè)氣壓帶不能完整出現(xiàn)或與正常的位置有所偏差。這兩個(gè)因素是：
i) 太陽(yáng)直射的位置
太陽(yáng)直射的位置隨不同的月份而變更。每年的三月和九月，太陽(yáng)直射赤道附近地區(qū)，南北半球的氣壓分佈比較均勻。全球的氣壓系統(tǒng)會(huì)很接近上文所形容的正常系統(tǒng)。
每年六月，太陽(yáng)直射於北回歸線(xiàn)上。當(dāng)太陽(yáng)向北移動(dòng)時(shí)，所有氣壓系統(tǒng)亦隨之北移。每年十二月，太陽(yáng)直射於南回歸線(xiàn)上。當(dāng)太陽(yáng)向南移動(dòng)時(shí)，所有氣壓系統(tǒng)亦隨之北移。每次氣壓系統(tǒng)移動(dòng)其輻度大約是緯度七度。
ii) 海洋與陸地的分佈
由於地球表面并不一致，地球氣壓系統(tǒng)并不如理論所說(shuō)的整齊，而是受到海洋與陸地的分佈的影響。由於海洋與陸地的受熱能力有異，所以它們的溫度會(huì)有分別。
在夏季，由於陸地吸熱比海洋快，所以陸地的溫度比海洋高，形成氣壓較低。在冬季，海洋的溫度比陸地高，所以海洋的氣壓比陸地低。這個(gè)現(xiàn)象令到地球的連續(xù)的氣壓帶受到陸地與海洋的分割。
乙 主要風(fēng)系統(tǒng)
(一) 行星風(fēng)系統(tǒng) (Planetary Wind System)
i) 赤道無(wú)風(fēng)帶 (Doldrums)
赤道附近地區(qū)是南北信風(fēng)相遇的地方，形成熱帶輻合帶。這個(gè)地區(qū)風(fēng)向多變，風(fēng)速微弱，習(xí)慣上稱(chēng)為無(wú)風(fēng)帶。
ii) 南北半球信風(fēng)帶 (Trade Wind Belts)
由副熱帶高壓區(qū)吹向赤道低壓區(qū)的地面風(fēng)稱(chēng)為信風(fēng)。由於副熱帶高壓區(qū)氣壓強(qiáng)而穩(wěn)定，所以信風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速十分穩(wěn)定。由於地轉(zhuǎn)偏向力的作用，北半球的信風(fēng)為東北風(fēng)，南半球則為東南風(fēng)。信風(fēng)的風(fēng)速平均為每秒鐘四至八米。信風(fēng)通常夏季較弱，冬季較強(qiáng)。(為甚麼？)
iii) 中緯度西風(fēng)帶 (Westerlies Wind Belts)
熱帶高壓區(qū)吹向副極地低壓區(qū)的風(fēng)系統(tǒng)稱(chēng)為溫帶西風(fēng)帶。溫帶西風(fēng)與信風(fēng)比較起來(lái)，無(wú)論風(fēng)向和風(fēng)速兩方面都是多變的。在西風(fēng)帶中經(jīng)常有氣旋和反氣旋的地區(qū)性氣壓中心形成，令到西風(fēng)帶的西風(fēng)受到影響。
北半球的西風(fēng)帶受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。但是北半球溫帶的大陸面積比較大，加上海陸冬夏的熱力有異，形成很多地區(qū)性的氣壓中心，這令到北半球的西風(fēng)帶極不穩(wěn)定和不明顯。
南半球西風(fēng)帶的風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。這地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)速比北半球穩(wěn)定，因?yàn)槟习肭蛑芯暥鹊暮Ｑ竺娣e寬廣，對(duì)氣壓系干擾很低，所以南半球的西風(fēng)帶十分穩(wěn)定。
iv) 極地東風(fēng)帶 (Polar Easterlies Wind belts)
此帶是指發(fā)生在極地高壓與副極地低壓之的風(fēng)。在南半球的高緯度，由於南極大陸的存在，令到極地高壓變得穩(wěn)定，東風(fēng)帶亦變得穩(wěn)定。在北半球，東風(fēng)帶相對(duì)地不明顯，這是因?yàn)闅鈮合到y(tǒng)受到海陸分佈的破壞。
(二) 高空風(fēng)系統(tǒng) (Upper Wind System)
空中氣壓的分佈，受地表的影響較小，但受其他個(gè)別因素的影響更大。
i) 上層西風(fēng)及東風(fēng)帶 ( Upper Westerlies and Easterlies Wind )
在溫帶上空的大氣，向西向東流的，叫做西風(fēng)帶；在近熱帶上空的大氣，是自東向西流的，叫做東風(fēng)帶。這兩個(gè)高空風(fēng)帶是相對(duì)穩(wěn)定的高空風(fēng)系。在航空交通中，經(jīng)常記錄到這兩個(gè)風(fēng)系統(tǒng)。
ii) 急流 (Jet Streams )
在中緯度地區(qū)和亞熱帶地區(qū)上空，經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)速極大的強(qiáng)風(fēng)帶，風(fēng)速往往超過(guò)每秒鐘三十米。這些突然出現(xiàn)的強(qiáng)勁氣流，稱(chēng)為急流。
急流通常分為兩大類(lèi)：
a) 極鋒急流 (Polar Front Jets)
在緯度六十度的地區(qū)，由於兩股溫度不同的氣流相遇，空氣急速上升，令高空的氣壓梯度力發(fā)生變化，產(chǎn)生急流。急流常與高空鋒區(qū)緊密聯(lián)繫在一起，所以也可看成鋒區(qū)在高空上的表現(xiàn)形式。在急流下方，常有氣旋及云雨天氣發(fā)生。
b) 副熱帶急流 (Sub-tropical Jets)
在緯度二十至三十度上空，特別是北半球，因?yàn)榈匦魏推渌乇硪蛩赜绊懀嘤屑绷餍纬?。在北半球，因?yàn)橄柴R拉亞山和西藏高原的關(guān)係，空氣到達(dá)這些地區(qū)時(shí)，往往被迫上升，破壞了高空的氣壓梯度平衡，形成急流的出現(xiàn)。
(三) 季風(fēng)–區(qū)域性風(fēng)系統(tǒng) (Monsoons -- Regional Wind System)
大范圍地區(qū)的盛行風(fēng)隨季節(jié)明顯改變，叫做季風(fēng)。大體上季風(fēng)可分為兩類(lèi)：
i) 因海陸差異而形成之季風(fēng)。海洋和陸地的熱力特性有分別，因而令到氣壓分佈不平均。氣壓亦隨季節(jié)而轉(zhuǎn)變，造成季風(fēng)的現(xiàn)象。夏季大陸上的氣壓比海洋低，氣流由海洋流向大陸，形成夏季季候風(fēng)是向岸風(fēng)，帶來(lái)雨水。冬季海洋氣壓比大陸低，所以冬季季候風(fēng)是由陸地吹向海洋，造成寒冷而乾燥的天氣。
ii) 因行星風(fēng)帶季節(jié)性的移動(dòng)而形成。行星風(fēng)帶受太陽(yáng)位置轉(zhuǎn)移的影響，亦隨氣壓帶而作季節(jié)性有規(guī)律的移動(dòng)。在兩個(gè)行星風(fēng)帶連接的地區(qū)，便會(huì)發(fā)生顯著的季節(jié)性風(fēng)向改變現(xiàn)象。例如在北緯二十五至三十度的大陸西岸，夏天受東北信風(fēng)影響，天氣乾燥。冬天則受南移的西南風(fēng)影響，帶來(lái)雨水，形成獨(dú)特的地中海氣候。
亞洲的季風(fēng)系統(tǒng)
世界上的季候風(fēng)系統(tǒng)以亞洲地區(qū)最為完整，因?yàn)閬喼薮箨懨娣e廣闊，太平洋亦是世界最大的海洋，兩者之間溫度梯度和氣壓梯度的季節(jié)性變化比任何地區(qū)都大，造成明顯的季風(fēng)現(xiàn)象。
冬季季風(fēng)
冬季時(shí)亞洲大陸中部地區(qū)氣溫低，形成高壓區(qū)。太平洋地區(qū)溫度較高，氣壓較低。寒冷的空氣由大陸中心地吹向太平洋，在亞洲北方地區(qū)形成西北季候風(fēng)。但對(duì)中國(guó)及亞洲的地區(qū)來(lái)說(shuō)，西北季候風(fēng)受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響，會(huì)轉(zhuǎn)為東北季候風(fēng)。受影響的地區(qū)包括中國(guó)南方、香港及東南亞地區(qū)。在南亞地區(qū)，特別是喜馬拉亞山以南地區(qū)，氣壓系統(tǒng)受到地形分割的影響，形成一個(gè)微弱的高壓中心，產(chǎn)生另一個(gè)季風(fēng)系統(tǒng)。在印度等地區(qū)，空氣由印度中部向外吹，形成西北季候風(fēng)。這風(fēng)橫過(guò)赤道進(jìn)入南半球時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)為東北季風(fēng)影響到澳洲北部地區(qū)。
夏季季風(fēng)
夏季時(shí)，海洋的氣壓比大陸高，空氣由太平洋向亞洲大陸中心移動(dòng)，亞洲沿海地區(qū)都受到東南季候風(fēng)的影響。南亞地區(qū)如印度半島等地則受到由南半球吹來(lái)的信風(fēng)影響。南半球的東南信風(fēng)在橫過(guò)赤道后轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，影響到印度半島西岸及東南亞西部地區(qū)，為這些地區(qū)帶來(lái)雨水。
(四) 本地風(fēng)–局部環(huán)流 (Local Winds -- Local Circulation)
i) 海、陸風(fēng) (Land and Sea Breeze)
海風(fēng)、陸風(fēng)是沿海地區(qū)日夜交替的風(fēng)系。它的原理和季風(fēng)相同，只是空間、時(shí)間規(guī)模縮小很多。白天時(shí)，陸地受熱較快，溫度相對(duì)較海洋為高，氣壓較低。風(fēng)於是由海上吹向內(nèi)陸，稱(chēng)為海風(fēng)。晚上時(shí)，陸地散熱較快，造成低溫高壓現(xiàn)象，空氣由陸地吹向海洋，形成陸風(fēng)。這種小型環(huán)流的范圍只在沿海兩邊二十公里之內(nèi)，環(huán)流圈的厚度通常只有數(shù)公里。
ii) 山風(fēng)、谷風(fēng) (Mountain and Valley Wind , Katabatic and Anabatic Wind)
山坡和山谷之間也有晝夜交替性的局部環(huán)流。白天時(shí)，山坡上受熱較快，氣壓較低，風(fēng)從谷底沿山坡吹上山頂，稱(chēng)為谷風(fēng)。午夜后，山坡上散熱迅速，溫度下降較快，形成氣壓較高?？諝庥缮缴洗迪蛏焦龋Q(chēng)為山風(fēng)。山風(fēng)形成后很容易造成逆溫現(xiàn)象。
iii) 焚風(fēng) (Fohn Wind, Chinook Wind)
沿山坡向下吹的乾熱風(fēng)叫焚風(fēng)。焚風(fēng)的形成和地形雨有密切的關(guān)係。在沿岸地區(qū)的山脈，向風(fēng)坡地區(qū)受到潮濕上升氣流的影響，形成地形雨。當(dāng)空氣越過(guò)山頂后，空氣沿背風(fēng)坡下降，并按照乾絕熱直減率增溫，乾燥而溫暖的空氣沿山坡向下吹，造成焚風(fēng)。受到焚風(fēng)影響的地區(qū)，氣候狀況與沙漠相似。焚風(fēng)是歐洲亞爾卑斯山脈所用的名稱(chēng)，在北美洲所形成同類(lèi)的風(fēng)稱(chēng)為欽諾克風(fēng)(Chinook Wind)。
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