环绕地球的大气在不停运动着，而且运动的形式和规模多种多样。大气中具有世界性的大规模流场，称为大气环流。共中包括平均情况，也包括瞬间情况。大气环流不仅决定各地的天气类型，同时还决定各地区气候的形式和特点。一、大气环流的形成（一）大气中的能量及转化大气中的能量以各种形式出现。它们之间，通过各种复杂的物理过程互相转化，以维持大气环流的现有状态。大气中的能量主要有以下几种形式：位能 也叫势能。是由地心引力作用于不同高度的空气而产生的。以海平面为准，单位质量空气在海拔高度 h 处的位能为 gh (g 是重力加速度）。把地球上所有空气的位能加在一起，这就是大气的总位能，几乎不变化。对某一局部地区来说，时而大一些，时而小一些。一个地区的空气得到热量，温度就升高了，整个气柱的长也随之增高，位能就增加了。所以热能是可以转化为位能的。动能 动能是空气质点在运动时具有的能量。用单位空气质量乘以速度的平方再除以 2 来表示。大气的总动能，也几乎是不变的。在大气环流的研究中，习惯地把动能分为两部分，一部分叫纬向动能，是用平均西风风速算出的；剩下的部分，叫做扰动动能。内能 内能是表示气体分子热运动状态的一个物理量。用空气的温度乘以定压比热表示。定压比热就是保持压力不变的情况下，使温度升高 1℃所需的热量。大气中的总位能、总动能、总内能三者之和是守恒的。潜热能 水有三态，即固态、液态、气态。液态变成气态时，要吸收蒸发潜热 597 千卡／克。液态变成固态时，则放出凝结热 80 卡/克。它们通称为潜热。大气中的水分在发生三态变化时，要吸收或放出这种潜热能。位能和动能是可以互相转化的。譬如滑雪，人在山顶不动时，位能最大而动能为零；下滑后位能逐渐减小，滑行速度逐渐增大，滑至平地后，速度达到最大。此时，位能最小而动能达到最大，位能变成了动能。大气中的位能是不可能全部转化为动能的，只在特定的情况下，有很小一部分可以转化为动能。大气中可能转化为动能的位能,叫有效位能。一般认为：水平温度梯度大的地带，蕴藏着有效位能，它可以转化为动能，以补充大气运动中能量的消耗。总的来说，太阳的辐射热量有一部分为大气和地表所吸收，在低纬度热量有剩余，这些剩余热量，一部分由气流吹向高纬度；一部分由海水输送给高纬度，第一部分以潜热的形式传给高纬度大气;另一部分加热转化为位能，再由有效位能转化为动能，以维持大气的运动并达到平衡。（二）单圈环流的形成为了说明太阳辐射因子在大气环流形成过程中的作用，首先我们假定地球表面是均匀的，并且地球不自转，则地表温度的分布单纯由太阳辐射决定。赤道附近得到的热量多，则温度高，空气就会膨胀上升，高空则由于空气质量上传的增压作用和暖的空气中气压随高度递减速度慢等原因，形成高气压。相反，极地附近因得到的热量少，则温度低，使高空形成低压。于是在高空产生了由赤道指向极地的水平气压梯度力。在该力的作用下，空气由赤道流向极地。地面上情况相反，赤道附近，由于上空空气质量外流，大气柱质量减少，便形成了低压区；极地，由于空气质量内流，大气柱质量增加，便形成了高压区。于是在地面上便产生了由极地指向赤道的气压梯度力，空气在该力的作用下，便由极地流向赤道，并在赤道受热上升，以补充流走的空气质量，这样在极地与赤道间便形成了一个南北向的闭合环流圈，称为单圈环流。可见单圈环流是单一辐射因子作用时，形成的热力环流。（图 2-17) 图 2-17单圈环流的形成（三）三圈环流的形成单圈环流是没考虑地表的不均一性和地转偏向力的作用而产生的。事实上，在自转的地球上,只要空气产生运动,地转偏向力便随即发生作用，在北半球使运动的空气向右偏转，南半球则相反。如果把地转偏向力的作用考虑进去,单圈环流将被三圈环流所取代。赤道受热而上升的空气，在高空向极地流动过程中，在地转偏向力作用下，北半球气流不断向右偏转（南半球则向左偏转），到 30℃附近就变成了西风，西风阻挡气流继续向高纬流动，便在这里堆识、冷却下沉，地面上由于空气聚集，质量增加便形成高压，称为副热带高压带。在副热带高压和极地高压之间，形成一个相对低压带，称为副极地低压带。于是在南北纬 30°附近的地面上，分别产生向极地和向赤道的水平气压梯度力。在该力作用下，下沉空气南北分流，流回赤道的一支，在地转偏向力的作用下，北半球偏成了东北风，南半球偏成了东南风，这就是东北信风和东南信风。两支信风在赤道附近辐合上升，补偿流走的空气质量，于是热带地区便形成了一个环流圈，称为低纬度环流圈。向极地流去的一支，在地转偏向力的作用下，偏成了西南风（北半球）和西北风（南半球），这就是中纬西风带。地面上由极地流向副极地地区的气流，偏成了东北风（北半球）、东南风（南半球），即极地东风带。中纬西风与极地东风在副极地相遇后，低纬来的暖空气沿冷空气上升并从高空流向极地，形成了极地环流圈。由于平流层底部的温度,赤道比极地低，故到平流层某一高度后，气压梯度方向就会由极地指向赤道（与对流层相反），于是空气由极地上空流向赤道，与地面上由副热带高压带流向极地低压的气流间形成了第三个环流圈，称中纬度环流圈。上述三个环流圈，称为三圈环流。若不计经向风速，在近地层存在三个纬向风带（行星风带），即极地东风带、中纬度西风带和低纬度东风带，与此三个风带相应的有四个气压带，即极地高压、副极地低压带、副热带高压带和赤道低压带。这就是与三圈环流相联系的“三风四带”。图 2-18、2-19 所示。 图 2-18近地面的风带与气压带图 2-19北半球经圈环流的三圈模式（四）高空槽脊和地面大气活动中心的形成三圈环流是仅仅考虑了太阳辐射和地球自转两个因子作用于大气时的大气运行状态。实际上，地球表面是不均匀的，如果我们把海陆的影响也考虑进去，则高空气流便会出现波动产生槽脊。地面上把气压带分裂成一个个孤立的高、低压中心，称为大气活动中心。地表面的温度差异，不仅仅表现在高、低纬度之间，也表现在海陆之间。冬季，大陆的温度低于海洋。在高空当西风自西向东流过大陆时，受冷地面影响，温度不断降低，到达大陆东岸时，气温下降到最低值；当西风气流流经海洋时，受暖洋面影响，气温不断升高，到达大陆西岸时，气温升到最高值。这样，在大陆东岸上空便会形成低压槽；在大陆西岸上空便会形成高压脊。夏季的情况与此相反。于是原来平直的西风就会出现波状运动，形成槽脊。我们又知道，暖的地表面利于低气压的形成，冷的地表则利于高气压的形成。夏季，大陆是热源而海洋是冷源，所以陆上多形成低压区，海洋上低压减弱，高压增强；冬季，大陆是冷源而海洋是热源，所以大陆上形成高压区，海洋上低压增强，高压减弱。显然，由于海陆分布的影响，地面上的气压带被分裂成一个个孤立的高、低压中心。副热带地区海洋上的太平洋高压、大西洋高压，副极地地区海洋上的阿留申低压和冰岛低压，中纬度大陆上冬季的蒙古高压和北美高压、夏季的印度低压和北美低压等都是气压带分裂成的气压中心，统称大气活动中心，它们有的常年存在，有的随季节变化。 由于地面气压场呈高、低压相间分布状态，根据地转风原理,地面风已变得相当复杂，不但使平直风带产生波动，而且出现许多不同规模的涡旋。此外，高大的山脉、高原也会影响大气的运行状态。其影响方式，由动力和热力两因子构成。隆起地形的障壁作用，促使气流发生的分支、绕流和越过现象，是动力因素造成的；局部地形与周围的热力差异，可产生相应的热力环流，像山谷风就是这种热力因素而形成的局地环流。可见，影响大气环流的因子是很多的。通过上述分析，我们可以获得大气环流的基本轮廓，无疑，上述大气环流形成理论，在一定程度上反映了大气环流的基本状况。二、大气环流的基本状态上面所讨论的大气环流模型是从几个主要形成因素推论出来的，显然较理想化，而大气环流的实际状态较为复杂。所以需要进一步了解大气环流的基本状态。（一）平均水平环流我们已知，空气运动是受气压梯度力驱动的，气压梯度力可分解为水平方向和垂直方向两个分力。其中，垂直气压梯度力一般被重力抵消，所以大气的运动基本上呈水平状态。地面水平环流近地面附近，受地表影响，大气运动比高空复杂。从一、七月海平面平均气压图看出：空气沿纬圈方向运动不均匀性更加显著，整个地面气压场为闭合高、低压相间分布，冬季北半球的情况是：极地高压仍然维持；中纬度，海上有两个低压，即阿留申低压和冰岛低压，陆上有两个高压，即蒙古高压和北美高压；副热带海洋上有两个强度减弱了的高压，即太平洋高压和大西洋高压；赤道低压仍然维持。夏季，极地高压仍维持，中纬度海上的阿留申低压、冰岛低压仍然存在，但势力减弱；中纬度大陆上的蒙古高压和北美高压减弱消失，被印度低压和北美低压所代替；副热带海洋上的太平洋高压和大西洋高压强大起来，赤道低压维持，但势力减弱。500 百帕高空平均水平环流 500 百帕等压面平均高度为 5.5km，可以代表对流层中层情况。由于高空高度场与气压场是互相适应的，气压场又与流场相适应，所以可用平均气压场来分析环流状况。冬季，500 百帕高空，北半球最主要的特征是中高纬盛行绕极地旋转的西风，即西风带。西风带上有三个明显的大槽：一个在亚洲东岸，称东亚大槽；一个在北美东岸，称北美大槽：另一个在欧洲东岸，势力较弱，称欧洲浅槽。与三个槽相对应有三个脊，不过脊的强度比槽弱得多。副热带地区被减弱了的副高控制。低纬地区为低纬东风，环流比较平直，只在北美的加利福尼亚和地中海各有一个浅槽。夏季，500 百帕高空，中高纬的西风带仍维持，只是范围明显向北收缩，且等高线变得稀疏，西风势力明显减弱。西风带中出现了四个弱的平均槽，其中东亚大槽移到堪察加半岛以东，贝加尔湖有一个浅槽，北美槽维持但势力减弱，欧洲西岸形成一个浅槽。副热带地区的太平洋、大西洋高压明显强大起来，副高南侧为低纬东风所控制，势力增强（图 2-20）。（二）平均纬圈环流大气环流呈水平运动是一个基本特征。同时，大气环流又是盛行着以极地为中心的纬圈方向的气流，即大气环流呈纬向性，也是一个基本特征。下面将用南北方向的垂直剖面图来讨论纬向环流的基本特征。  图 2-20北半球 1 月（a）和 7 月（b） 500 百帕等压面图图 2-21北半球冬季与夏季平均纬向环流图 2-21 是冬季和夏季沿整个北半球各经度上平均的南北向垂直剖面图。由此图可以看出北半球风带的明显分布，其基本特征如下：北极附近的近地面冬夏都是浅薄东风，其厚度冬季大于夏季，东风风速冬季约 2m／s，夏季减弱为 1m／s 左右。 中纬度从地面到高空均为西风，它在纬距上的宽度随高度增高而增加，西风强度随着高度增加而增强，对流层顶附近风速最大，形成西风急流，它与中纬度最大水平温度梯度是互相配合的，急流中心位置，冬季平均在北纬 27 度的 200 百帕高空附近，中心最大风速 40m/s 以上；夏季，北移下降至 42°N 的 200～300百帕附近，中心风速为 1.5m／s 以上。赤道地区有深厚的东风层，从冬到夏东风带向北移，范围稍扩展，强度增强，东西风分界线自下而上向南倾斜，使深厚的东风带北部像楔子一样伸入西风带的下方，出现了下层薄东风、上层厚西风的特点。此外，夏季平均在 50 百帕以上从南到北整个半球都为东风控制。（三）平均经圈环流大气环流基本上是水平的纬向运动。因此从整体而言，风向的东西方向分量最大，南北方向分量较小，垂直方向分量最小。所谓经圈环流是在南北向的垂直剖面上，由风向的南北分量和垂直分量组成的环流圈。经圈环流、纬向环流和水平环流相配合可知大气环流的全貌。垂直方向的风速分量虽然比较小，但还是可以看出平均经圈环流是存在的。图 2-22、2-23 分别是1950 年冬、夏平均经圈环流图。由图可知，无论冬夏都有三个环流圈。低纬和高纬为正环流圈，中纬度为反环流圈。冬季环流圈势力较强，范围扩大。夏季则萎缩，整个环流向北移动。最大下沉区冬季位于 20～30°N 之间，夏季北移至 30°～40°N 之间，即平均副热带高压位置上；最大上升区，自冬至夏也北移了 10 个纬度，平均位置在平均极锋纬度上。 图 2-221950 年北半球冬季平均经圈环流图 图 2-231950 年北半球夏季平均经圈环流（及断线为平均锋区位置） 〔说明同（a）〕然而，平均经圈环流，在不同地区的位置、强度及方向也不相同，其变化情况，有待于做进一步的研究。上面我们从三个不同的角度，介绍了大气环流的基本特征。平均水平环流，是在水平方向上，看高、低空气流的运行情况；平均纬向环流，是从经向剖面上，看东、西风的运行规律；平均经圈环流，是从南北向的垂直剖面上，看南、北风和垂直气流的运动情况。从中揭示了整个地球周围大气三度空间运行的基本规律。