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《大自然寻真》
第24章 对各种重要气象问题的本质解释-1
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我们在地球自转动力作用的认识基础上，配合了流体软弹力的概念，就可以初步定性的先解释副热带高压、热带气旋、北半球高空急流大波动、寒潮暴发、青藏高原对大气环流的影响、龙卷风、东风带和西风带、南北极差异和臭氧洞、中国大面积暴雨期等这些主要大气环流现象了。23.2简单地描述了大气环流形成和维持原理的新观点；23.3用这种新观点进一步阐述了总的具体大气环流面貌的形成经过；在本章，我们将用新观点更深入地针对各种主要的大气环流系统或天气、气候现象的形成机理和内在本质进行逐个地解释，从流体力学概念定性地去认识大气的三维运动状况。欢迎广大气象专家共同讨论和指正、补充。
24.1 副热带高压
由23.3中所述可知，副热带高压并非带状而是环状的。我们以北半球为例予以描述，在副高环流的东侧吹北风，南侧吹东风。北风将空气南移，与地轴距离加大，软弹力有促使空气下沉趋势。东风则说明空气绕地轴转动的绝对线速度落后于地面绕地轴转动的线速度，唯有下沉降低高度以缩小与地轴的距离，才能减小不适应程度，所以软弹力的作用也是促使空气下沉。因此，副热带高压环流的东、南侧都是下沉气流。依理类推，副高环流的西、北侧是上升气流。所以，从北方流来的地面空气一般并没有直接堆积到副热带高压中心去，而是一到副高环流的北侧边沿便随着东移和上升了。正因为副高西、北两侧都是上升气流（即副高有一半的范围是趋于上升的），所以这里有时候就会下大雨、暴雨。过去的传统看法是认为整个副高环流系统都是下沉气流，所以就必然无法解释其环流内部会下大雨、暴雨的实际例子了。
24.2 热带气旋
大气环流与海流的内因相同。海流中有赤道潜流，相信大气环流有时也有类似现象。尽管大气轻，季节变化又大，赤道西风容易被掩盖掉，但在北半球，夏季海洋副热带高气压进到了较北纬度，赤道附近出现空档，某一高度就可能会出现赤道西风，将这种隐含的赤道西风倾向显示出来。这样，副高南侧的东风与若隐若现的赤道西风之间，就经常会在5ºN以北一带加强相互切变的作用而很容易产生出旋涡（热带气旋）来了。当然，热对流对于热带气旋的形成也功不可没，而16.5中所述的，从大洋海水热对流“烟囱”中带上了海面来的热能，很可能正是空气热对流最重要的能源。北半球的热带气旋是逆时针方向旋转的旋涡，正好与副热带高压的旋转方向相反。所以，配合用软弹力进行解剖可知，北半球热带气旋的西、北侧是下沉气流，东、南侧是上升气流，因此暴雨主要下在热带气旋的东南侧。当然，这里太阳热力很强，热带气旋又高速旋转，范围也比副热带高压小得多，不同方向的气流很快就都被混搅在一起，所以热带气旋的西北侧也是会下很大雨的，但我们应该知道其内部更深层的机理。对比起来，温带气旋的情况就一目了然，它的东南侧是暖区里沿着暖锋的锋面明显徐徐上升的暖湿气流，而西北侧却是主动南下迫使暖空气激烈上升的下沉冷空气。
24.3 北半球高空急流大波动的形成与地形有关系
按照地气之间已经动态平衡的观点，地形除了改变气流方向之外，对大气环流应该没有其它的影响，事实却不然。北半球自西向东的高速气流受陆地和山脉的阻挡之后先是被上抬。被抬升之后的空气绕地轴旋转的绝对线速度与新位置的环境不相适应所产生的软弹力，就会促使其向高纬度方向流去，这就形成了高空的高压脊。从另一角度来理解，如图24.3-1所示，北半球向北的气流由于所到达的新位置与地球自转轴的距离b比原来位置与地球自转轴的距离a小，因而除了产生向东的科里奥利力之外，也会同时部分地释放出向北迁移力和科里奥利力的反作用力──流体软弹力，使气流受到了上升力 的作用。因此，在北半球是向北的气流与上升相联系在一起。相反，高速气流从陆地、山脉下滑流向海洋则向低纬度方向弯曲，这又形成了高空低压槽，也即北半球的向南气流与下沉相联系。这就是说，从低纬指向高纬的自由气流是上升气流，反之，从高纬指向低纬的自由气流是下沉气流。
图24.3-1： 向北气流与上升示意图
北半球的冬天，乌拉尔山高空高压脊和东亚大低压槽就都是这种有名的恒定的高空气压场的大槽、大脊系统，它们的形成都与地形有关。北半球高空高压脊前的向南下沉气流，因下沉堆积会在地面对应形成一个大面积的冷高压，而高空低压槽前的向北上升气流与低压槽后的向南下沉气流相配合，又会在地面形成低气压系统的温带气旋。例如，乌拉尔山高空高压脊对应着乌拉尔地面冷高压环流；高空东亚大槽对应着阿留申地面低气压环流。
上面所说有关北半球的这些高空气压场的大槽、大脊系统和地面的高、低压系统主要是地形影响造成的观点，不仅可以从理论作解释，还有实例作证。对比一下图24.3-2和图24.3-3就清楚了。两张图分别代表南、北半球冬天情况，图24.3-3是南半球冬天的高空环流，因为南半球的地形比北半球平坦得多，就基本上没有图24.3-2所出现的波动情况。
再看一看彩图23.3-1、23.3-2的地面气压形势。南半球冬、夏的情况基本一致，只是澳洲大陆在冬天（7月）是冷高压环流，夏天（1月）是低压环流。在海上不论冬夏都是高压环流，只是环流中心冬天在30ºS附近，夏天在35ºS附近。它们都可称为副热带高压，但随着季节的不同，冷热的性质有所变化而已。北半球由于陆地多，且地形复杂，冬、夏的情况就完全两样，连太平洋北部的冬天（1月）也变成了低压环流(见彩图23.3-1)。南北的这些不同，除了由于陆地表面是太阳热能的敏感反映面之外，更重要的是因为北半球陆地高低不平而南半球则以海洋为主的缘故。由此可见，地形对大气环流影响很大，因为地形是地球自转能量与大气运动能量之间相互传递的主要界面。既然看出了地形扮演了地球自转与大气之间能量传递的中间角色之后，就可知道地球自转对大气环流的影响作用是直接和时刻不停的。
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图24.3-2：2004年1月份北半球100 hpa
月平均位势高度图（10gpm）
（国家气象中心，《月气候监测公报》2004.01）
认识到地形对大气环流影响的重要性，也启示了我们研究气候变化时不能只考虑地面绿化后对太阳热能的影响，切不可忘记地表摩擦系数的变化。例如，原来的裸露地面变成了新增的大片树林，这与空气之间的相互摩擦肯定大不相同。所以，在地球表面大面积出现了建筑物和绿化之后，不仅要考虑它们从热力方面对天气和气候所产生的不同影响效果，还必须同时重视因此造成了摩擦系数变化后，对气流发生影响从而引起了天气和气候随之变化的影响效果。
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图24.3-3： 2004年7月份南半球100 hpa
月平均位势高度图（10gpm）
（国家气象中心，《月气候监测公报》2004.07）
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