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圖4-4)。而且,由圖4-1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4-5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,倒像是鍋子堛漱禲A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4-7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。

圖4-8

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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