6.2 气候形成的环流因子(2)

二、环流与热量输送

大气环流和洋流对气候系统中热量的重新分配起着重要作用。它一方面将低纬度的热量传输到高纬度，调节了赤道与两极间的温度差异，另一方面又因大气环流的方向有由海向陆与由陆向海的差异和洋流冷暖的不同，使同一纬度带上大陆东西岸气温产生明显的差别，破坏了天文气候的地带性分布。 

（一）赤道与极地间的热量输送

由前所述地球约在南北纬35°间，地-气系统的辐射热量有盈余，在高纬则相反。但根据多年观测的温度记录，却未见热带逐年增热，也未见极地逐年变冷，这必然存在着热量由低纬度向高纬度的传输，这种传输是由大气环流和洋流来进行的。根据南北方向上的风速矢量V，当时的气温T，空气的比湿q，可以按下式计算显热（Qp）和潜热（LE）在南北方向上的水平输送。

取与V垂直的一小块面积ABCD（图6·13），高为δz，底边长为δx，设空气在单位时间内由ABCD流到A'B'C'D'。以ρ示空气的密度，Cp示其定压比热。则单位时间通过ABCD截面积的空气质量为：ρVδxδz，通过的显热为：ρVδxδzCpT。

根据静力学方程

若计算从地面（气压为P0）到大气上界（P=0）的铅直剖面，在南北方向单位时间的显热输送量（Qp），则应对上式积分，即

在实际计算时，常把大气分成n层，（6·11）式可近似地改写成

其中Ti（℃）和Vi（m/s）为从地面到第i层的平均温度和平均风速，△Pi，为其间平均气压差值（hPa），Qp的单位为（J/ms）。

类似推导，从地面到大气上界潜热（LE）在南北方向上的水平输送公式可写成

上式中L为蒸发潜热，qi是从地面到第i层的平均比湿，其单位与显热相同。

图6·14是用上述公式计算所得的全球由低纬到高纬通过大气环流输送的显热、潜热及洋流输热的年平均值。

由赤道到极地的热量传输随纬度和季节而异。就年平均而论，热赤道约在5°N左右，其中显热的传输即从此热赤道分别向北、南输送。从图6·14中的曲线看，其输送在纬度分布上有两个高点，一在20°附近，一在50°—60°间；在高度分布上亦有两个高点，一在近地面层，一在200hPa等压面上。潜热的输送几乎全在近地面2—3km的大气底层，约在回归线附近潜热分别向高、低纬度输送。向高纬度输送的潜热通量以40°附近为最高峰，向低纬度输送的潜热通量以10°附近为另一高峰。由南半球回归线向北输送的潜热可跨越赤道直至5°N附近。洋流热通量约自2°N左右的洋面分别向南北输送，在20°附近达最高峰。据气象卫星探测的资料计算，图6·14中所表示的数量均太低，最新卫星资料表明在此高峰处，洋流由低纬向高纬传输的热量约占地-气系统总热量传输的74％，在30°—35°N间洋流传输的热量占传输量的47％。综合以上各种热通量的输送，从年平均来讲，以纬度40°附近为最大。从季节来讲，冬季高低纬度间温度差异最大，环流亦最强，由低纬向高纬输送的热量亦最大。夏季南北温差小，热量的传送强度也较小。

从大气环流输送形式来讲，有平均经圈环流输送和大型涡旋输送两种。在显热输送上，两者具同一量级。潜热的经向输送在30°—70°N地带，则以大型涡旋输送为主，平均经圈环流次之，但在低纬度则基本上由信风与反信风的常定输送来完成。

大型涡旋指的是移动性气旋、反气旋、槽和脊等。气旋移动的方向一般具有向北的分速，且在气旋的前部（反气旋的后部）常有暖平流，槽前（脊后）亦常有暖平流，所以能把热量由低纬度输送到高纬度。反气旋的移动方向一般具有向南的分速，且在反气旋的前部（气旋的后部）常有冷平流，脊前（槽后）亦常有冷平流，它们能把冷空气从高纬度输送到低纬度，这是调节高低纬度间热量的一个重要途径。

实线表示海-气系统中每年经向的平均净能量通量，其它曲线分别表示大气湿热能量通量、大气潜热通量和海洋流热通量（根据Sellers，1965）

据最新估计在环流的经向热量输送中，洋流的作用占33％，大气环流的作用占67％。在赤道至纬度30°（低纬度地带）洋流的输送超过大气环流的输送。在30°N以北，大气环流的输送超过了洋流的输送。这样海洋-大气“接力式”的经向热量输送是维持高低纬度能量平衡的主要机制。由于环流的作用调节了高低纬度间的温度，表6·3列出了各纬圈上辐射差额温度与实际温度的比较。

由上表可见，由于环流经向输送热量的结果，低纬度降低了2—13℃，中高纬度却升高了6—23℃。据最新资料，赤道实测温度比辐射差额温度降低了14℃，而极地则提高了25℃，因此大气环流和洋流在缓和赤道与极地间南北温差上，确实起了巨大的作用。这种作用在海洋表面上比大陆上更为显著（见表6·4），尤其是冬季在北大西洋（经度0°线）上因暖洋流强度大，赤道至北极圈的气温差别只有22℃，比欧亚大陆（经度130°E线）上要小得多。

（二）海陆间的热量传输

大气环流和洋流对海陆间的热量传输有明显作用。冬季海洋是热源，大陆是冷源，在中高纬度盛行西风，大陆西岸是迎风海岸，又有暖洋流经过，故环流由海洋向大陆输送的热量甚多，提高了大陆西岸的气温。从图6·12可见，北大西洋和北太平洋东岸（大陆西岸）暖洋流水温正距平均在5℃以上，特别是北大西洋暖流势力最强，又由于北大西洋洋盆的有利形状，使得这支暖洋流流经冰岛、挪威的北角，一部分能远达巴伦支海，在盛行西到西南风的作用下，使西北欧的气温特别暖和。从1月海平面等温线图上可以明显地看出，这里的等温线向极地凸出，并几乎与海岸线平行，愈靠近大西洋海岸气温愈暖，愈向内陆，气温乃逐渐变低，到了东西伯利亚维尔霍扬斯克附近，1月平均气温降到-50℃，成为世界“寒极”，在鄂霍次克海海面因位于亚欧大陆东侧，受西来大陆冷空气的影响，温度甚低，成为世界“冰窖”，北美大陆也有类似的西岸暖、东岸冷的现象，但海陆温差不像亚欧大陆那样突出。

在夏季，大陆是热源，海洋是冷源，这时大陆上热气团在大陆气流作用下向海洋输送热量。从7月海平面等温线图上可见，在热带、副热带大陆上气温最高，在大陆热风影响下，使红海海面气温显得特别高（大于32℃）。这时大陆通过大气环流向海洋输送热量，但输送值远比冬季海洋向大陆的输送量小。夏季在迎风海岸气温比较凉，在冷洋流海岸因系离岸风，仅贴近海边处，受海洋上翻水温的影响，气温比大陆内部要低得多。

这种海陆间的热量交换是造成同一纬度带上，大陆东西两岸和大陆内部气温有显著差异的重要原因。

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