4.4 垂直環流
4.4.1 單胞垂直環流
大氣環流形成的主要因素之一是加熱的空間分布不均勻。由於地球的球面幾何形狀，低緯度地區每單位面積接收到的太陽輻射比高緯度地區多(因為斜射的關係，等量輻射照射在高緯度地區的面積較大，單位面積的輻射量因此較小)。即使扣掉地球向外散逸的長波輻射，低緯度地區仍是不斷地輻射加熱，而高緯度地區則是輻射冷卻(
圖4-2)。除了輻射，其他形式的能量(如，潛熱)也使得熱帶地區的非絕熱量比高緯度地區來得大(
圖4-4)。而且，由圖4-1我們知道，因為地表往上傳送可感熱及潛熱，大氣底層不斷的被加熱，大氣本身則因輻射冷卻不斷的冷卻。如
圖4-5a所示，整體效應為低緯度及地表附近大氣不斷被加熱，高緯度及高層大氣則不斷冷卻。在不考慮地球自轉效應的情形下，熱空氣將在赤道地區上布，冷空氣在高緯度地區下降。在低層，空氣由極區往赤道流動; 在高層，空氣由赤道往極區流動( 圖4-5b )。英國氣象學家George Hadley (1685-1768；曾任律師) 於1735年提出類似的概念，此一單胞環流因此被稱為哈德里胞( Hadley cell )。
如果大氣被均勻加熱，上述的環流就不存在。假設地球的幾何形狀為方形，不是球形，而且大氣厚度甚小於方形的寬度。這個方形「地球」（地"板"）繞著太陽公轉，吸收到的太陽輻射與地球等量，唯一與真正地球不同的是由球形變方形。由於沒有球面的曲率，方形「地球」的每一緯度的大氣層頂接收到太陽輻射都一樣大，因此不會產生大範圍的南北溫度梯度。假設它的大氣成份與真正地球一樣，仍有約50%的太陽輻射為地表吸收，再以潛熱或可感熱的形式釋放至大氣中，因此地表附近仍是加熱，大氣層頂則不斷冷卻。這樣的熱源及匯的配置，無法產生行星尺度的哈德里胞，倒像是鍋子裏的水，爐火不斷在鍋底加熱，產生許多小尺度的熱對流，因為它的大氣只需在垂直方向上傳送熱量，設法消弭上下溫差。
4.4.2 三胞垂直環流
單胞環流是一理想狀態下的產物，並不存在於實際大氣中。實際大氣環流結構比較接近三胞結構(
圖4-6)，分別為哈德里胞(0℃-30℃)，佛雷爾胞( Ferrel cell，30℃-60℃)，及極胞( polar cell，60℃-90℃)。哈德里胞及極胞均為暖空氣上布，冷空氣下降; 佛雷爾胞則為冷空氣上布，暖空氣下降。前二者的運作方式宛如熱機，可以靠本身所釋放出的能量（如，潛熱）維持運作，稱為熱力直接環流( thermally direct circulation ); 後者的運作方式宛如冰箱，必須靠其他部份大氣提供能量（宛如冰箱的電源）才能維持，稱為熱力間接環流( thermally indirect circulation )。
地面氣壓分布也與上述三胞環流相互呼應。地表空氣輻合地區(亦是空氣上布地區)為低壓帶，如赤道及中緯度低壓帶。中緯度低壓帶天氣系統十分活躍，也就是所謂的極鋒( polar front )出現的地區。30度附近，空氣輻散的地區則為高壓區，一般而言，較少劇烈的天氣現象發生，經常風平浪靜，亦被稱為馬緯無風帶(horse latitude)。
上述的三胞結構以及伴隨的地面氣壓分布，可視為年平均的狀況。實際的大氣環流大致具有三胞結構，但是因為受季節變化影響，三胞結構並不如圖4-6所示，永遠南北對稱。譬如，北半球冬季時( 12月-2月)，太陽輻射直照南半球，全球最強的上布氣流也因此位於南緯10度附近(圖4-7a) 。氣流在高層往北移動，跨越赤道進入北半球，然後在北緯30度附近下降。低層氣流則往南移動，跨越赤道進入南半球的低層輻合帶。此時，北半球的哈德里胞明顯地比南半球的哈德里胞強。
6-8月時(圖4-7c)，情況相反，上布氣流在北緯20度附近，下降氣流在南緯30度左右。此時，哈德里胞比12-2月時的哈德里胞強而且影響範圍較大。北緯20度到40度之間，另存在一個哈德里胞，唯其強度小於南側之橫跨赤道的哈德里胞(圖4-7c)。圖4-7a、c中，上布氣流最強的緯度也是非絕熱熱量最大的地區(圖4-4)。蓋因，上布氣流最強的地區，水汽凝結的速率最快，釋放出的潛熱也最多。
相對而言， 3-5月及9-11月的三胞環流結構相當明顯，而且南北半球的對稱性較佳。12-2月及6-8月的環流則以橫跨赤道的哈德里胞最明顯。仔細觀察圖4-7，我們不難發現上布氣流最強的位置大約隨著太 陽直射的位置移動。亦即，太陽輻射為驅動上述環流的主要能量來源。
大氣的東西方向環流也有明顯的季節變化。圖4-8是東西向風速的垂直分布圖。平均而言，西風風速在30-60度之間及高對流層附近最大，亦即所謂的噴流(jet stream); 熱帶地區則大多受微弱的東風帶影響。以季節而言，冬半球的西風噴流最強，夏半球則最弱; 風速的垂直及南北向的變化也是冬半球較強。 從以上的討論，我們發現由於直接日照，大部份能量的提供發生於夏半球，但是最強的環流卻都發生於冬半球。摩擦效應會逐漸耗散大氣環流的強度，為了維持大氣環流繼續運轉，夏半球大氣必須不斷對冬半球大氣提供能量，將太陽輻射以及其他非絕熱能量不斷的傳送至冬半球。如果沒有太陽輻射所提供的能量，大氣環流在一週左右就會因為能量耗盡而停止運轉。
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