《大自然寻真》

第七篇  擒拿大气万变的主因

第23章  大气环流原动力-1

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23.1  进一步认清大气环流的根本动力

    至今的教科书都认为太阳热力对地球赤道和两极影响的差异，就是地球大气环流的动力来源。从16.5的分析已经知道了这种观点与客观实际有着很大的偏差。大气中的物质本来就是从地球本体分离出来的，因而离不开地球的万有引力，所以说大气也是地球整体的一部分，而太阳辐射显然来自地球之外。因此，用哲学的观点进行分析，便可知太阳热力只能是地球大气环流的外因，也即次要原因。那么，内因在哪里呢？在16.5中已经对这个问题做过比较详细的分析，并得出过结论认为“地球自转与地下热能相配合在一起是大气运动的原动力”。笔者深有体会地认识到：只有用内外因关系的辩证观点，从大气所在的地球系统之内去寻找，才能找到大气环流的内因，即根本原因；也只有用正确的哲学思维方法，才能进一步真正认清大气环流根本动力的具体本质。对于大气环流根本动力的基本观点及其依据，在此就不再多谈了，要进一步作深入分析的，倒是必须弄清楚我们新提出的这种大气运动的原动力是如何具体发生作用的，也即它产生大气环流的原理和过程具体怎样。

23.2  大气运动原动力的作用原理

    大气运动的原动力是怎样起作用的呢？其实，大气环流的形成原理也与海流相似。简单地说，由于地球自转，两极附近空气会从地面流向赤道附近，结果，两极附近空气的缺损和赤道附近空气的堆积，就会使大气各层等压面形成了两极向内收缩而赤道向外突起的扁圆球形状。又由于大气的连续性质和惯性力的作用，以及大气廻流和科里奥利力的影响，就使全球等压面的扁圆球形状与大气运动之间的相互调整持续不断，结果就形成了复杂而永不休止的大气环流。这也正是16.5中所讲的“地球自转是海流和大气环流的原启动力”的具体作用原理。16.5中还说到“地热在地球自转的紧密配合下对赤道带海水和大气时刻不停地加热，则是海流和大气环流最主要的永恒性动力来源”，其中具体的作用原理在16.5已经讲得很详细。正是由于有了这种永恒性的动力来源，才使得大气有了取之不尽的能量供给，所以，在早期伴随着地球自转而形成起来的大气环流就一直维持到了现在。这就是从简描述的，有关大气环流形成和维持原理的新观点。

23.3  具体的大气环流基本面貌的形成过程

    大气环流基本面貌怎样形成？它具体的眉、目、嘴、鼻，是如何造出来的？这一节要全面而概略地先说一说。在23.2中已经通过对大气环流形成和维持原理的简单分析，进一步强调了地球自转与地下热能相配合才是大气环流根本原因的新观点。但是，更重要的还在于是否能够用这种新观点来解释各种具体的大气环流问题，也即能否合乎逻辑地讲出各种具体大气环流系统的形成经过。在此，我们完全撇开一切热力（包括地热），先看看地球自转是如何具体形成目前大气环流基本面貌的。与20.3中所说的“海水底下已有了硬海底垫着”的道理一样，大气底下也有了地面和水层垫底，所以大气环流的形成过程也与海流的形成相似，再不必好像全液态球体那样由本身的离心力引导着内部体元向赤道截面方向流去，而是两个极圈的大气下垫面会因地气之间的摩擦和碰撞作用而变成两部大离心机，它们直接迫使极地上空的空气下沉到地面，然后将这些空气甩向较低纬度地带。因为 v=ωr（v—表示某地面附近静止空气绕地轴转动的绝对线速度，ω—表示地球自转角速度，r—表示某地面与地轴的距离），所以，凡是被“离心机”甩过而从高纬度跑到较低纬度（r从小变大），并且逐渐与地面保持相对静止的空气，它们绕地轴转动的绝对线速度v都加大了，也即都从地球自转得到了能量。为什么在极圈内的地面层里，一年四季都是偏东风呢？就是因为在极圈内，地球既想将空气往低纬度搬动，又要使它们保持与地面相对静止（即v必须逐渐加大），地面就必须给它们提供能量，所以便将它们拖着走，于是在北极圈内就表现为东北偏东风，在南极圈内就表现为东南偏东风了。具体如图23.3，在北半球，由于地面按着U箭头的方向随着地球自转，如果地面不供给任何能量而将空气从高纬度的B点附近往低纬度搬，则空气到了较低的CD纬度后就只能到达E点位置，成为飞跑在E点上面的正东风；如果要使被搬运的空气到达CD纬度后依然完全是地面上的静止空气，则必须从B点沿着BD方向走（正北风），最后来到D点。要完全按照后者进行，只能将空气装进一个大袋里，然后固定在一列从B点到D点的从北往正南方向开的列车上，让地面通过列车不断传送能量给空气，逐渐加大空气绕地轴转动的线速度，以使空气适应到达新的较低纬度后能与地面保持相对静止状态。在实际中，地面既想让空气一直保持与地面成为静止状态，又无法装进袋子里，就只能在绕着地轴自西向东旋转的同时，凭借着地面与空气之间的摩擦力将空气逐渐往南拖着走。由于被拖着向南走的空气无法像朝着正南方向开的列车那样快速的从地面获取了加大向东速度以保持与地面相对静止状态的能量，所以，从外观看来，空气就走成了G箭头的东北偏东风的方向了。

        图23.3： 北极圈内地面偏东风成因分析示意图

    越靠近赤道，纬度坡度越小，地球自转所形成的离心作用在经向上（即沿地面的正南北方向）的投影就越小。再者，赤道附近空气的不断堆积也抵制着空气继续向赤道附近运动。因此，沿地面从高纬度方向流来的空气，一般在纬度30°附近就停止继续朝赤道方向流去而造成了空气的大量堆积。这与海流的情况很相似，也体现了自转使大气产生环流与自转使液态星球体内产生液体环流在结果上有差异的根本原因。这种根本原因就是海水和大气的底下都有下垫面垫着，而星球体内的液态整体就完全没有。在纬度30°附近由于堆积而过剩的空气被迫上升，但一离开地面就会一边上升而一边向四周扩散。科里奥利力又使得向四周扩散的空气逐渐旋转了起来（北半球顺时针转，南半球逆时针转），这就造成了由空气堆积所形成的副热带高压带并不是真正的带状，而是由几个大范围旋转着的环形高气压场所组成的环流带。由于南半球相对平坦得多，所以这种情况在南半球表现得最为清楚。从彩图23.3-1、23.3-2可以看出南半球不论夏天或冬天，这个副热带高压带的位置和强度都变化不大，北半球就冬夏差异明显。上面所讲的就是比较平坦的地面，尤其海面上空气一般的流动情况。南半球比较有代表性。

    当然，两极附近大气的缺失和低纬度大气的过剩总趋势，必然会由于流体连续性的性质而自动通过廻流进行补偿。所以，这也跟海流的纬度30度环流相类似，在朝向高纬度一侧的副热带高气压环流边缘，会有一些空气自动不断地从高空向两极方向流去。因受到科里奥利力的作用，以北半球为例，这些向北流去的高空空气就变成了向东北方向流去，而且越往北，科里奥利力的作用就越大，到了中纬度附近高空，终于就形成了完全自西向东的，绕着地轴高速旋转的高空西风急流。在北半球，主要因受地形影响又使高空西风急流多发生波动，环流的变化就更加复杂了。

    这就是我们撇开一切热力而由地球自转本身所形成的，与实际相符的地球大气环流的基本面貌。实际上，在地球自转配合下的，地下核热能从低纬度上升所造成的影响（详见16.5），虽然最终都基本上没有改变这种由地球自转所形成的大气环流的基本面貌，但既加强了大气环流的速度，又使地球大气环流长期维持了下来。所以说，地球自转与地下热能相配合在一起，才是大气运动的原动力（根本原因）。

    虽然大气环流和海流的根本原因是一致的，但由于海洋受到陆地的绝对阻隔，大气层却是相对比较自由流动的，所以两者的环流格局也就差异很大了。当然，大气在低层也受一些高山阻挡（与海水受陆地的绝对阻隔本质不同），这也正是造成南、北半球的大气环流外貌有所差异的原因。

23.4  正确认识太阳辐射对大气环流的影响程度

    无疑，太阳热力是大气环流的外因，在形成环流格局方面所起的作用甚微，但也并不是说可以忽视它。太阳热力对大气环流的影响作用，主要是表现为一年四季中太阳对地球的强辐射带在南北不同纬度之间产生来回移动，这就使地球自转已经形成了的全球大气环流格局发生着摇跷跷板的效果，使地球任何固定地点在全年的天气气候上都发生着很大的变化。所以，在天气气候变化效果上也必须重视太阳热力的南北移动，但在寻找大气环流的动力来源上决不可漏掉内因。如果把地球自转和地内热能促成了大气环流的形成和维持的作用，看成是一种从里向外形成出来的稳定的垂直方向作用的话，那么，太阳对地球的强辐射带在南北不同纬度之间不断发生来回移动的作用，正像是一种横向的推拉作用，这就起到了“四两拨千斤”的摇摆效果，从而十分引人注目。大气环流的基本格局就像是已经制作完成的跷跷板一样，引起人们注意的是坐在两头正摇起跷跷板的人，却没有人去想起制作跷跷板的人。由于以往将地内热能的作用也错当成了太阳热能的作用，从而严重地夸大了太阳热能的影响力（见16.5），所以只靠所谓“太阳热力”也能大致解释大气环流的基本面貌，从而才蒙蔽了人们这么多年。反过来，如果没有地球自转而只有太阳辐射，这时当然也包括了没有地热从赤道附近定向传上来，那么试想大气运动将会是什么样子呢？显然，目前的大气环流模式就不复存在了，而只剩下了面向太阳的球面高温和相反方向球面的低温，配合着随之形成的面向太阳的球面的空气上升，以及该球面上层大气的放射型流出和下层大气的聚合型流入的简单环流了。在此摆着两种情况，一种是从无到有使基本环流得以生成和维持，另一种是在已经有的基本环流基础上使其发生摇摆而促成了季节性变化。究竟哪一种才是根本，这应该是显而易见的事情了吧！当然，我们既不要夸大太阳热力的作用，也不可忽视它依然是大气环流发生复杂变化的外因，是春夏秋冬气候变化的主要制作者。至于从能量来源考虑问题，对于整个地球总的热量收支平衡来说，其实是无所谓什么春夏秋冬的。

    尽管过去错把地内热能的作用也当成了太阳热能的作用，从而严重地夸大了太阳热能的影响力，但单凭“热力说”（包括地热），对一些环流的解释也并不妥当，而且对某些环流的活动也无法解释。它把副热带高压环流解释为完全下沉的环流就是不符合实际的。回忆起天气预报员（笔者本人当了几十年的预报员）在只靠天气图并凭借“热力说”的天气学理论做预报的那些年代里，碰到了副热带高压环流范围内下大雨、暴雨的情况之后，就只能自叹不可理解和无法预报。“热力说”对寒潮的暴发、热带气旋的结构、龙卷风的原理、大范围暴雨过程的发生机制等十分重要的大气活动问题，也都无法从物理、力学角度进行解释，或者无法解释得好。