高中地球科學/空氣運動

瞭解一些基本原理可以讓人們很好地理解空氣如何以及為何運動。暖空氣上升，形成低壓區，冷空氣下降，形成高壓區。從高壓區流向低壓區的空氣會形成風。在赤道南北半球三個主要對流環流的底部運動的空氣會形成全球風帶。

課程目標

列出大氣對流環流的各個部分以及其中氣流的特性。
描述高低氣壓中心是如何形成地方風的，並解釋幾種地方風是如何形成的。
互相詢問全球對流環流是如何導致全球風帶的。

氣壓和風

回顧一下你在上一節課中學習的關於對流環流的內容。暖空氣上升，形成對流環流的上升支流（圖15.19）。上升的空氣降低了該區域的氣壓，形成一個低壓區。上升的空氣從周圍地區吸入空氣，形成風。

在對流層頂，空氣從低壓區水平流動到高壓區。由於它位於對流層頂，因此空氣在移動時會冷卻。這種冷而密的空氣形成了對流環流的下降支流。下降的空氣撞擊地面時，氣壓相對較高。這形成了一個高壓區。下降的空氣相對涼爽，因為它經過了對流層頂。

在高低壓中心之間水平運動的空氣形成了風。如果它們之間的氣壓差很大，風就會從高壓區快速流向低壓區。如果氣壓差較小，風速就會較慢。

大氣中的對流產生了地球上的天氣。重要的是要知道暖空氣比冷空氣能容納更多的水分。當地面附近的暖空氣在低壓區上升時，它會冷卻。如果空氣潮溼，它可能無法容納所有以蒸汽形式存在的水分。一些水蒸氣可能會凝結形成雲甚至降水。在冷空氣在高壓區下降的地方，它會變暖。由於它隨後可以容納更多的水分，下降的空氣會在地面蒸發水分。

在大型高低壓系統之間運動的空氣產生了全球風帶，這些風帶深刻地影響著區域氣候。較小的氣壓系統會產生地方風，這些風會影響當地地區的天氣和氣候。

地方風

地方風是在空氣從小型高壓系統流向小型低壓系統時形成的。高低氣壓中心是由各種條件形成的。其中一些風對某些地區的降水和氣候有著非常重要的影響。

陸地和海風

你已經瞭解到水的比熱容非常高：它能很好地保持自己的溫度。這意味著水的加熱和冷卻速度比陸地慢。有時，海洋（或大湖）表面與旁邊陸地的溫度存在較大差異。這種溫差會導致形成小型高低氣壓區，從而形成地方風。

在夏季，以及在白天程度較小的情況下，暖地上空會形成低壓區，而較冷的海面上空會形成高壓區。在炎熱的夏季下午，被稱為海風的風從較冷的海面吹向較暖的陸地（圖15.20）。海風的風速通常約為每小時10到20公里（6到12英里），可以將近海的空氣溫度降低5到10°C（9到18°F）。陸地和海風的效應僅在內陸約50到100公里（30到60英里）處才能感受到。

相反的情況發生在冬季，由於比熱容較低，陸地比附近的水域更冷。寒冷的陸地會冷卻它上方的空氣。這會導致空氣變得稠密並下沉，從而形成高壓區。同時，溫暖的海洋會加熱它上方的空氣，並形成低壓區。這在夜間會以較小的程度發生，因為陸地的冷卻速度比海洋快。被稱為陸風的風從高壓區吹向低壓區。這些地方風從較冷的陸地吹向較暖的海洋。一些來自海洋的暖空氣上升，然後在陸地上沉降，導致陸地上的溫度變暖。

陸地和海風非常重要，因為它們會調節沿海氣候。在炎熱的夏季，海風會冷卻沿海地區。在寒冷的冬季，陸風會將冷空氣吹向海洋。這些風會調節沿海溫度。陸地和海風創造了南加州聞名的宜人氣候。

季風

季風是陸地和海風的大規模版本；它們在夏季從海面吹向陸地，在冬季從陸地吹向海面。季風非常強，因為它們發生在夏季溫度極高的沿海地區。無論哪裡有非常炎熱的夏季陸地與海洋相鄰，都會出現季風。美國西南部在夏季會有季風降雨，當時來自墨西哥灣和加利福尼亞灣的相對涼爽潮溼的空氣遇到了被灼熱的沙漠溫度加熱的空氣（圖15.21）。

世界上最重要的季風每年都會在印度次大陸上空出現。超過20億印度和東南亞居民依靠季風降雨來獲得飲用水和灌溉用水。在夏季，印度次大陸上空的空氣變得極其炎熱，因此會上升。來自北印度洋的溫暖潮溼的空氣進入該地區，它也會被加熱並上升。隨著上升的溼空氣冷卻，它會降下大量的季風降雨。在冬季，來自陸地上的冷空氣會向海洋移動。在帆船時代，季風的季節性變化將貨物運送到印度和非洲之間。

山谷風

山谷之間氣溫差異會導致山風和穀風。在白天，山坡上的空氣比鄰近山谷相同高度的空氣更熱。隨著白天推移，溫暖的空氣從山坡上升，將來自山谷的冷空氣吸上來。這種向上的氣流被稱為**穀風**。當太陽落山時，山坡比附近山谷的空氣冷卻得更快。這種冷空氣下沉，導致**山風**向下流動。

下降風

**下降風**也沿著山坡上下移動，但它們比山風和穀風更強。下降風形成於高海拔地區，例如高原。高原通常幾乎被山脈包圍。冬季，高原變冷，使其上方的空氣變得極其寒冷。這種緻密的空氣從高原上穿過山中的縫隙下沉。風速取決於高原和周圍環境之間的氣壓差。如果高原外形成一個低氣壓的暴風雨，那麼風壓就會有很大差異，風就會迅速沿著山坡向下吹。下降風在許多大陸地區形成。極冷的下降風吹過南極洲和格陵蘭島。

焚風（奇努克風）

當空氣被強迫上升到山脈之上時，就會形成**焚風**或**奇努克風**。例如，當西風將來自太平洋的空氣帶到加利福尼亞州的內華達山脈時，就會發生這種情況。當相對溫暖潮溼的空氣上升到山脈迎風坡時，它會冷卻並收縮。如果空氣潮溼，它可能會形成雲並降雨或降雪。當空氣在山脈背風坡下降時，它會形成一個高壓區。山脈的迎風坡是接受風的坡；背風坡是空氣下降的坡。

下降的空氣變暖併產生非常強烈的幹風。焚風可以在一小時內將氣溫提高超過20°C（36°F），並導致溼度下降。如果山脈背風坡上有雪，它可能會在乾燥的風中迅速融化和蒸發而消失。如果降水在空氣上升到山脈時降落，那麼空氣在山脈背風坡下降時將非常乾燥。這種乾燥的下沉空氣會導致**雨影效應**（圖 15.22）。由於雨影效應，許多沙漠位於山脈的背風坡。

**圖 15.22**：空氣在上升越過山脈時冷卻並失去水分。它在背風坡下降並透過壓縮變暖。由此產生的溫暖乾燥的風是焚風或奇努克風。如果空氣在山脈上空失去降水，山脈的背風坡將是乾燥的，會出現雨影效應。

這些風的名字有點令人困惑。有些人將所有這些風都稱為焚風，有些人稱為奇努克風，還有些人稱為地貌風。焚風和奇努克風有時用於指代任何一種風，但也用於區域性。焚風存在於歐洲阿爾卑斯山，奇努克風存在於北美洛基山脈。雖然描述很貼切，但奇努克並不意味著“吃雪”。

聖塔安娜風

“致命”一詞經常用來形容**聖塔安娜風**，這種風出現在南加州（圖 15.23）。這些風是在深秋和冬季，當內華達山脈以東的大盆地冷卻時形成的。當大盆地冷卻時，形成的高氣壓迫使風向下和順時針方向吹。空氣迅速下沉，使其氣壓升高。同時，空氣的溫度升高，溼度下降。風穿過西南沙漠，然後沿著山坡向下吹向海洋。空氣被強迫穿過聖加布裡埃爾山和聖貝納迪諾山的峽谷。風在聖塔安娜峽谷中尤為快速，這也是其名稱的由來。

聖塔安娜風通常出現在加州漫長的夏季乾旱季節結束時。炎熱乾燥的風使景觀更加乾燥。如果發生火災，它會迅速蔓延，造成大規模破壞。2007 年 10 月下旬，聖塔安娜風助長了許多火災，這些火災共計燒燬了 426,000 英畝的荒地和 1500 多所房屋（圖 15.24）。2003 年的聖塔安娜風導致 721,791 英畝的荒地被野火吞噬。

沙漠的高溫會造成強風，這些風通常與季風風暴有關。**沙塵暴**形成於雷暴前部的下沉氣流中（圖 15.25）。空氣旋轉並揚起灰塵和沙子，形成塵土雲，其中可能包括塵捲風或龍捲風。沙塵暴會導致許多沙塵暴。

塵捲風，也稱為旋風，也可能在炎熱晴朗的沙漠日形成。地面變得非常熱，以至於其上方的空氣被加熱並上升。空氣流入低壓區並開始旋轉。塵捲風很小，持續時間很短，但它們可能會造成破壞。

大氣環流

你已經瞭解到，赤道比極地地區接收的太陽能更多。過量的熱量在赤道形成低壓區。溫暖的空氣上升到對流層的頂部，其中一半的暖空氣向北極移動，一半向南極移動。空氣在上升和沿著對流層頂部移動時會冷卻。當冷卻的空氣到達高壓區時，它就會下沉。回到地面後，空氣然後向赤道的低壓區移動。赤道低壓區上升的空氣和向北極或南極方向的高壓區下沉的空氣形成了一個對流環流。

如果地球只是一個太空中的球體而不旋轉，那麼就只有一個低壓區，它將位於赤道。每個極地也只有一個高壓區。這將在北半球形成一個對流環流，在南半球形成一個對流環流。但由於地球確實在旋轉，情況更加複雜。地球的旋轉意味著必須考慮科里奧利效應。

**科里奧利效應**導致自由移動的物體在北半球看起來向右移動，在南半球看起來向左移動。物體本身實際上是直線移動的，但地球正在其下方旋轉，因此它們看起來彎曲或彎曲。一個例子可能會使科里奧利效應更容易視覺化。如果一架飛機向北飛行 500 英里，它將不會到達它開始旅程時正北方的城市。在飛機飛行 500 英里的時間裡，那個城市連同它所在的地球一起移動了。因此，飛機將到達原始城市以西的城市（在北半球），除非飛行員已經補償了這種變化。

關於科里奧利效應的一個常見誤解是，水從排水管中流出時，在北半球旋轉一個方向，在南半球旋轉另一個方向。這不是真的，因為在馬桶等小容器中，其他因素更重要。這些因素包括碗的形狀以及水首次進入碗時的流動方向。

但在大氣和海洋的尺度上，科里奧利效應非常重要。讓我們看一下由於科里奧利效應而導致的北半球大氣環流（圖 15.26）。如上所述，空氣在赤道上升。但當空氣在對流層頂部向極地移動時，它會向右偏轉。（請記住，它看起來只是向右偏轉，因為其下方的地面在移動。）在大約北緯 30° 處，來自赤道的空氣遇到來自更高緯度，向赤道流動的相對冷的空氣。這種空氣很冷，因為它來自更高緯度。這兩批空氣都會下降，形成一個高壓區。一旦到達地面，空氣就會返回赤道。這個對流環流被稱為哈德里環流，位於 0° 到 30°N 之間。

北半球還有兩個對流環流。費雷爾環流位於 30°N 到 50° 到 60°N 之間。這個環流的南部下降部分與它南部的哈德里環流共享。它的北部上升部分與位於 50°N 到 60°N 和北極之間的極地環流共享，在北極，冷空氣下降。

南半球有三個映象環流環流。在那個半球，科里奧利效應使物體看起來向左偏轉。

全球風帶

全球風沿著圍繞地球的風帶吹。全球風帶非常巨大，風相對穩定（圖 15.27）。我們將能夠使用你剛學到的關於大氣環流的資訊來找出這些風帶中的風是如何吹的。

在每個對流環之間，空氣垂直運動的地方，風很小。但在高壓區和低壓區之間，空氣沿著地面水平移動的地方，就會形成穩定的風。每個大型環流單元的空氣運動形成了主要的緯度風帶。緯度風帶是以風吹來的方向命名的。例如，西風就是從西向東吹的風。一些名稱仍然來自帆船時代，當時帆船依靠風力航行。

讓我們看看地球表面北半球的全球風帶。在哈德里環流單元中，空氣從北向南移動，但受地轉偏向力的影響，向右偏轉。因此，這些風從東北吹向西南。它們被稱為信風，因為在帆船時代，它們有利於貿易。費雷爾環流單元中的風從西南吹來，被稱為西風或西風帶。西風帶是美國舊金山飛往紐約的航班比反向飛行時間短的原因。在去程航班上，飛機受到西風帶的推動，而在返程航班上，飛機則要逆著氣流飛行。在極地環流單元中，風從東北吹來，被稱為極地東風。這些名稱也適用於南半球風帶中的風。

大氣環流單元和全球風帶的正常模式決定了正常的全球氣候，但許多其他因素在區域性地區起作用。六個大氣環流單元形成的高壓區和低壓區通常決定著一個地區降水的多少。在低壓區，空氣上升，通常會下雨。在高壓區，下沉的空氣會導致蒸發，該地區通常乾燥。更具體的氣候影響將在關於氣候的章節中描述。

費雷爾環流單元和極地環流單元的交匯處是一個低壓區。在這個地方，從赤道迴圈過來的相對溫暖、潮溼的空氣，遇到了從極地過來的相對寒冷、乾燥的空氣。結果形成了一個天氣變化無常的地方，被稱為極鋒。這種天氣是北美和歐洲大部分地區的典型天氣。

極地急流位於大氣層的高處，兩個環流單元在此交匯。急流是平流層和對流層邊界之間快速流動的空氣河流。急流的流速可以超過每小時 185 公里（每小時 115 英里），長度可達數千公里，寬度可達數百公里，但厚度只有幾公里。急流形成於兩個氣團之間存在較大溫差的地方。這解釋了為什麼極地急流是世界上最強大的急流。

急流會隨著太陽在天空中的角度在南北方向移動而季節性移動。極地急流在冬季向南移動，在夏季向北移動，大約在北緯 30° 到 50° 到 75° 之間移動。急流的位置決定了地面上一個地點將經歷的天氣。位於極地急流南部的城市將比位於其北部的城市溫度更高，溼度更大。在急流的正下方，天氣通常多風暴，可能會有雷暴和龍捲風。

課程總結

風從高壓區吹向低壓區。當地面附近的空氣變得比附近空氣更熱或更冷時，就會形成壓力區。
地方風可能出現在山谷或海岸附近。
全球風模式是長期、穩定的風，在星球的大部分地區盛行。
全球風帶的位置對一個地區的天氣和氣候有很大的影響。

複習問題

畫一個大氣對流環的圖。標出低壓區和高壓區，以及風的方向。
在什麼情況下風會非常強？
根據你對全球對流環的瞭解，如果你想體驗溫暖、豐富的降雨，你會去哪裡旅行？
描述兩個可能出現沙漠的地區的大氣環流，並解釋為什麼這些地區相對溫暖乾燥。
如何減小印度和東南亞季風的強度？這些重要季風的減弱會對世界的那一部分造成什麼影響？
為什麼“吃雪者”這個名字是對奇努克風的恰當描述？
為什麼地轉偏向力會導致空氣（或水）在北半球看起來是順時針移動的？地轉偏向力在什麼情況下會導致空氣看起來逆時針移動？
水手們曾經將海洋的一部分稱為“無風帶”。這是一個經常沒有風的區域，因此船隻會在那裡滯留數天甚至數週。根據你對大氣環流的瞭解，你認為無風帶在緯度上位於哪裡？
想象一下，急流的位置比夏季通常的位置更靠南。與正常的夏季相比，急流正北方的地區的天氣將是什麼樣的？
總體描述一下風是如何形成的。

詞彙

地轉偏向力: 自由運動的物體在北半球向右偏轉，在南半球向左偏轉的趨勢。
焚風（奇努克風）: 當低壓將空氣拉過山脈時形成的風。
沙暴: 沙漠中由雷雨下沉氣流形成的沙塵暴。
高壓區: 一個相對較冷、密集的空氣下沉的區域。
急流: 大氣層高處快速流動的空氣河流，兩個具有截然不同的溫度和溼度特徵的氣團彼此交匯。
下降風: 沿著斜坡向下移動的風。
陸風: 冬季從陸地吹向海洋的風，此時海洋比陸地溫度更高。
低壓區: 一個相對較暖、密度較小的空氣上升的區域。
山風: 下午晚些時候或晚上從山頂吹向山谷的風，此時山區空氣比山谷空氣更冷。
極鋒: 大約在北緯 50° 和南緯 50° 處，寒冷的大陸性空氣與溫暖的亞熱帶空氣相遇的區域。
聖塔安娜風: 秋季和冬季從東向西吹入南加州的熱風。
海風: 夏季從海洋吹向陸地的風，此時陸地比海洋溫度更高。
穀風: 向上流動的空氣。

思考問題

地方風如何影響一個地區的天氣？
全球風帶如何影響一個地區的氣候？
控制大氣環流的主要原理是什麼？

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