地球/4i. 全球大氣環流
喬治·哈德里在他的哥哥約翰的陰影下長大。兩人都出生於富有的英國家庭，並在17世紀後期接受了數學和科學教育。喬治的哥哥約翰在很小的時候就發現了一種新的科學工具——反射望遠鏡。反射望遠鏡利用鏡子增強恆星的影像，極大地促進了用於研究天文學的天文工具的發展，最終導致了六分儀的發現。由於他的發明以及在天文和數學方面的工作，約翰於1717年被選入皇家學會，併成為英國最古老的科學學會的早期活躍成員。
喬治·哈德里，弟弟則從事律師工作，但在業餘時間繼續涉獵科學，並且有足夠的財富這樣做。他對研製確定緯度的科學儀器特別感興趣，但經常被哥哥的科學工作所掩蓋。1735年，他終於自己被選入皇家學會，並可以接觸到來自世界各地科學家和水手的氣象日誌觀測資料。這些氣象記錄包括地點、日期、溫度、氣壓讀數和天氣報告。在1735年，這是一個巨大的資訊量，因為英國正在迅速擴大其國際貿易，在美洲殖民地、加拿大、貝里斯和印度擁有殖民地和港口。喬治·哈德里注意到赤道地區的氣壓讀數明顯低於赤道以北和以南30度緯度地區的氣壓讀數，這些地區的氣壓讀數要高得多。1735年，他快速地解釋了為什麼會發生這種情況，原因是現在以他名字命名的全球大氣環流模式。
哈德里環流是由於地球球形特性導致的溫度梯度而產生的。地球赤道周圍的區域接收到的陽光最多，導致氣溫較高。這個溫暖區域導致空氣上升，在地球表面形成一個低氣壓區域。這個赤道帶被稱為赤道輻合帶（ITCZ）。沿著該區域的空氣團將上升，其中一些上升是由地球自轉的離心力推動的，導致空氣向上運動，並在赤道周圍的大氣層中形成凸起。隨著空氣團上升，空氣將膨脹並冷卻，導致地球上出現強降雨和雲層覆蓋的區域或帶。地球的熱帶雨林位於赤道輻合帶內，包括中美洲的部分地區、南美洲的北部尖端、西非和剛果盆地、印度南部、東南亞、印度尼西亞和新幾內亞。這些地區擁有茂密的叢林和雨林，以及幾乎全年持續潮溼氣候的流域。
由於地球相對於其繞太陽執行的軌道平面傾斜了23.5度，因此赤道輻合帶的位置從夏至到冬至會發生變化。赤道輻合帶的這種年度變化大大擴充套件了地球赤道周圍位於低氣壓大氣區域的區域或帶。每年北半球夏至附近，赤道輻合帶向北移動，將這個多雨區域帶到這些北部地區，而在北半球冬至期間，赤道輻合帶向南移動，將這個多雨區域帶到南部。這些季節性降雨被稱為季風。季風來自阿拉伯語單詞mawsim，意思是季節。季風是任何一個季節性降雨豐富的時期，但與赤道輻合帶季節性運動相關的季風可以在主要乾旱和潮溼天氣模式之間交替區域。與赤道輻合帶運動相關的最著名的季風發生在印度。
印度位於赤道以北，赤道穿過印度洋，在夏末的8月至9月，赤道輻合帶向北移動，給印度次大陸帶來大量降雨。在冬末的2月至3月，赤道輻合帶大幅向南移動，給印度次大陸帶來乾燥的天氣。這些季節性季風降雨在東非、馬達加斯加北部、巴西和澳大利亞北部於2月和3月感受到，而在8月和9月，這些季節性季風降雨在墨西哥南部、非洲尼日三角洲、印度、孟加拉國和東南亞感受到。
赤道輻合帶在8月和9月向北移動也影響著美國降雨和其他天氣模式。這些季風天氣模式導致8月和9月大西洋和墨西哥灣出現颶風，在此期間給東南沿海州帶來強降雨和風暴。赤道輻合帶僅僅是大氣中全球環流模式的開始。隨著空氣上升和水從上升氣團中流失，新的空氣湧入低氣壓區域。地球自轉的運動和科里奧利效應導致這種進入的氣流從東邊吹來。這些強勁的盛行風被稱為信風，對穿越海洋的帆船很有用。北半球的東北信風從東北吹向赤道附近的低氣壓赤道輻合帶，而在南半球，東南信風從東南吹來。這些信風導致在赤道以北或以南相當連續的風從東向西吹來，這對穿越世界大片海洋的帆船很有用。
赤道輻合帶上方上升的暖氣團到達對流層頂部，並在高空向北和向南移動。這個高海拔的暖氣團現在是乾燥的，並且水汽壓低，未飽和。這股高空氣流向兩極移動，導致空氣冷卻。隨著氣團冷卻，它會下沉，並且隨著空氣下沉，由於絕熱遞減率，它會壓縮並變暖。這導致了一個高氣壓的副熱帶區域。這個高氣壓的副熱帶區域出現在赤道以北和以南約30度的地方。這個高氣壓的副熱帶區域位於北迴歸線（北緯23.5度）以北和南迴歸線（南緯23.5度）以南。與赤道輻合帶一樣，這個高氣壓的副熱帶區域也隨季節變化，因為地球軌道的傾斜。高氣壓的副熱帶區域導致地球上出現巨大的熱帶沙漠。在北非這個高氣壓區域內是撒哈拉沙漠，在南非是卡拉哈里沙漠，中東的阿拉伯熱沙漠也位於這個高氣壓的副熱帶區域，澳大利亞的大維多利亞沙漠也是如此。在美洲，南美洲的巴塔哥尼亞沙漠，以及墨西哥北部的奇瓦瓦沙漠，亞利桑那州的索諾蘭沙漠和加利福尼亞州的莫哈韋沙漠都位於高氣壓大氣區域內。所有這些沙漠都位於地球大氣全球環流模式造成的高氣壓區域內。
地球低氣壓赤道雨林和叢林地區以及高氣壓副熱帶熱帶沙漠區域的大氣環流模式統稱為哈德里大氣環流或哈德里環流，以近300年前首次描述它們的喬治·哈德里命名。
在加利福尼亞州天堂市上方的山丘上，野火蔓延到曾經田園詩般社群的丘陵林地。一輛消防車帶領著一隊汽車試圖在燃燒的景觀中開闢一條道路。以前從未有過如此嚴重的野火吞噬了加利福尼亞州北部的這麼多房屋和建築物。2018年，加利福尼亞州的野火蔓延超過150萬英畝，使其成為該州有記錄以來最嚴重的火災季節，直到2020年，超過300萬英畝被燒燬。為什麼曾經潮溼的加利福尼亞北部以松樹為主的森林中火災變得如此普遍？2000年至2020年間，加利福尼亞州的野火每年都達到超過100萬英畝的峰值，早在20世紀60年代，該州的野火很少超過40萬英畝。是什麼導致了火災的增加？
.jpg)
加利福尼亞州以及美國西部大部分地區，由於地球哈德里環流模式的近期變化，處於一個不穩定的緯度。大氣中二氧化碳濃度的不斷升高，使得氣團能夠保留更多的太陽熱量，導致哈德里環流向新的地理區域擴張。在二氧化碳濃度增加的大氣中，對流層高處的暖空氣需要更長的時間才能冷卻和下沉，因此可以向北移動更遠。在太平洋上空，高壓副熱帶地區的這種北移將乾燥的風推向北加州。這些來自高壓副熱帶地區的乾燥暖風導致森林和通常降雨較多的地區發生野火。加州和其他西部州野火頻率的增加是哈德里環流熱膨脹的結果。高達北緯40度的緯度現在也更頻繁地落入高壓副熱帶地區。決定地球沙漠分佈的大氣環流模式，現在正對更北的地區產生影響。這導致這些地區在8月和9月出現特別乾燥和溫暖的夏末月份。加州並不是唯一受這些變化影響的地區。在美國東南部，這些變化導致8月和9月變得更溫暖和乾燥，而在歐洲，哈德里環流的北移導致地中海北部夏季氣溫越來越高，法國、西班牙、義大利和希臘每年都會出現熱浪。它還導致南半球澳大利亞的12月至1月氣溫越來越高，導致2018/19年和2019/20年火災季節發生大規模森林火災。
在喬治·哈德里提出大氣運動觀點的一個世紀後，一位名叫威廉·費雷爾的年輕美國人在1856年完善了這一觀點。特別是，哈德里關於大氣運動的觀點基於氣團保持其線性運動的思想，而費雷爾提出了一個更準確的評估，即氣團的運動遵循相對於地球自轉軸的角動量。換句話說，它們受到地球自轉的影響。這導致高壓副熱帶地區北部的空氣從西向東吹（西風）。這些較高緯度的氣流模式統稱為費雷爾環流，以威廉·費雷爾的名字命名。哈德里環流將風從東部吹向低壓赤道輻合帶，以及費雷爾環流將風從西部吹離高壓副熱帶地區的聯合運動，產生了螺旋或複雜的圓周運動。這些西風吹入靠近極地的最冷氣團。環繞極地地區的空氣下沉，導致極地上空對流層頂部較低。這些西風強烈地吹向圍繞著極地頂部旋轉的冷空氣層。這種溫度梯度形成了一個強大的風道，稱為**急流**。
急流在接近對流層和平流層邊界、即對流層頂附近的大氣中提供幾乎連續的高風。這些高度位於大多數商用飛機的巡航高度內，因此被稱為急流。這些西風會影響飛機，顯著加快順風向東飛行的飛機速度，並減慢逆風向西飛行的飛機速度。
大氣中二氧化碳含量的增加也會影響地球極地附近的費雷爾大氣環流模式，並導致急流強度發生變化。通常情況下，急流的強風速來自北極極地冷空氣與南面圍繞地球約50度緯度的較暖空氣之間強烈的溫度梯度。極地上空的冷而密集的空氣阻止了南方的氣團向北移動，然而，隨著地球保留了更多的太陽能量，極地空氣已經顯著變暖。極地上空，特別是北極上空更溫暖的大氣導致急流變弱。這個較弱的急流允許暖氣團向上推入北極，並將冷空氣向南驅趕。有時，極地北極空氣會向南漂移，導致冷氣團漂移到50度的緯度，使北極上空變得更溫暖。這些天氣事件被稱為極地渦旋。
在冬季，極地渦旋會將北極的冷空氣向南移動，特別是在北美東部和亞洲北部，因為它與西風急流相互作用。這些寒潮會給美國東北部、加拿大東部和五大湖地區帶來寒冷的天氣，而阿拉斯加、育空地區和不列顛哥倫比亞省等西海岸則以溫暖天氣為主。
在費雷爾之後一個世紀，在哈德里之後兩個世紀，一位名叫卡爾-古斯塔夫·羅斯貝的瑞典科學家描述了急流運動與西風相關的複雜性質。羅斯貝在1939年發現了急流中的大氣波，並繼續解釋了其運動的科學原理。如今，這些波被稱為羅斯貝波。大氣羅斯貝波源於地球運動產生的潛在旋轉力的守恆，即科里奧利力和由緯度溫度差異產生的壓力梯度。這些波導致極地冷空氣像波浪一樣起伏，波峰指向西南方向，而寬廣的極地冷鋒則向東移動。地球大氣中的羅斯貝波導致地球急流發生4到6次大規模的曲折。當這些偏差變得非常明顯時，冷空氣團就會分離，形成低強度風暴，並導致中緯度地區（40至50度）許多日常天氣模式。羅斯貝波的作用有助於解釋為什麼北半球東部大陸海岸，如美國東北部和加拿大東部，在相同緯度下比西歐要冷得多。它們也解釋了最近北美西北海岸變暖的天氣現象，而北美東北海岸則遭受更頻繁的冬季寒潮襲擊。在南半球，羅斯貝波的作用有助於解釋南極洲冰蓋最近的天氣變化，包括阿蒙森海西部南極冰架的近期變暖和融化，而東部南極冰蓋在較冷的天氣下保持更加穩定。
| 上一頁 | 當前頁 | 下一頁 |
|---|---|---|