为什么要站在全球视角围观大气运动？
气候动力学基础理论的欠缺制约着气候预测准确率的提高。
“全球大气环流三型分解”可弥补传统研究需要进行中高纬度大气环流和低纬度大气环流划分的不足。
从全球的视角更加准确地描述实际大气环流的运行情况，有助于气候动力学基础理论的发展。
地球大气处于科氏力场和重力场中，中高纬度地区的罗斯贝波、低纬度的哈德利环流和沃克环流是全球最重要的大尺度大气环流，它们的异常演变对全球天气、气候的异常变化产生重要影响。如何定量化描述这三大环流？科学家将流体力学中二维运动的涡旋环流与辐散环流分解方法应用其中。然而，这样的描述方法导致了中高纬度大气动力学和低纬度大气动力学划分的不足，从而制约着以全球大气环流为研究对象的气候动力学理论的发展。为了解决气候动力学基础理论的欠缺制约气候预测准确率提高的问题，中国科学院院士丑纪范在上世纪90年代提出开展全球大气环流统一描述的动力学理论研究，认为需要从全球的视角出发，去解决中高纬度大气环流和低纬度大气环流以及垂直环流和水平环流共同作用的问题，去发展针对全球大气环流的气候动力学理论。近年来，兰州大学大气科学学院教授胡淑娟继承和发扬全球大气环流统一描述的学术思想，带领团队致力于从全球视角“解读”实际大气环流。从气候动力学理论溯源开始，在描述中高纬度大气环流过程中引入低纬度地区垂直环流的定量化表示形式；同样的，在描述低纬度大气环流过程中引入中高纬度地区水平运动的定量化表示形式；将中高纬度地区的罗斯贝波及低纬度地区的哈德利环流和沃克环流的概念推广至全球大气环流，定量化地提出了全球三维水平型环流、经圈型环流及纬圈型环流的新定义，将全球大气环流表示成水平型、经圈型以及纬圈型环流之和的形式，发展了“全球大气环流三型分解”模型，解决了全球大气环流的统一描述问题。胡淑娟说，气候预测领域缺乏针对全球大气环流的气候动力学理论，这是开展此项研究要解决的问题。三型环流分解理论强调从全球的视角去看待实际大气运动问题，不仅要看到不同纬度地区主导的、典型的大尺度环流运动，还应当考虑各纬度地区其他环流的重要作用，就像观察一条流动的河，不仅关注表面水平方向的流动，而且看到其内部垂直方向的暗流运动一样。由于“全球大气环流三型分解”模型采用实际大气的三维流函数去等价表示大尺度环流的流场特征，因此，新定义的流函数不仅能从形态上直观地刻画大尺度环流系统的三维空间结构特征，还能将所研究环流系统的动力特征与热力特征分离，较好地克服了变暖气候背景下高度场表示环流系统的缺陷。“这一点在我们近期开展的西太平洋副高的研究中得到了证实，接下来将更深入地开展相关的实际应用工作。”胡淑娟说。“建立直接预报全球大尺度环流的动力学方程组理论是我们开展该项工作的最主要目标。”胡淑娟说，但如何将新建立的环流分解模型与形式复杂的原始方程组相结合，进而得到科学合理的动力学方程组是一个更加困难的过程。然而，国内外并没有类似的研究和理论思路可以借鉴。在这项研究中，胡淑娟和团队得到了丑纪范院士的耐心指导。“丑先生建议我们参考他早年建立的原始方程组的算子方程理论，在宏观保持大气系统强迫耗散特征不变的前提下，开展动力学方程组的构建。这番话让我茅塞顿开。”胡淑娟说。最终，沿着“算子方程”的道路，胡淑娟团队实现了“全球大气环流三型分解”模型与行星尺度原始方程组的结合，将原始方程组中关于小尺度速度场的预报问题转化为直接预报大尺度环流流函数的问题，构建了大尺度环流动力学方程组理论。新的方程组揭示了全球大尺度环流系统的非线性作用机理，弥补了传统研究中人为划分中高纬度大气动力学和低纬度大气动力学的不足，为建立针对全球大气环流的气候动力学新理论奠定基础。丑纪范认为，“全球大气环流三型分解”理论是一项非常重要且有意义的创新性工作，强调理论研究不要被国外牵着鼻子走，要做自己的、有中国特色的理论研究。“全球大气环流三型分解”理论虽尚未直接服务于气候预测，但胡淑娟团队对将来的研究方向已形成清晰规划：“接下来，除了要深入地将理论与实际应用相结合外，还要开展一些大尺度环流长时间行为的动力学性质研究，进一步完善新方程组的动力学理论。希望通过发展定量化的气候动力学基础理论，为改进和提升我国月-季节时间尺度的气候预测提供理论支撑。”为什么中纬度地区地面和高空都是西风控制？为什么气象卫星云图的云系都是向东移动？三圈环流——主要指极弱的经圈环流，除了低纬度的哈得莱环流圈，其他两个弱到几乎可以忽略的东西，次要的三圈环流被我们当成了大气环流的主流；或者至少是当成同等强度的运动形式。大气环流：大范围大气运动的状态。（《地理学名词》第二版）由于太阳辐射的纬度分布不均以及海陆间热力差异，造成地表不同地区的气压差异，形成全球性有规律的大气运动，这就是大气环流。（中学地理教材）具体来说，大气环流就是通常所说的7个气压带和6个风带。行星风系：在不考虑地形和海陆影响下全球范围盛行风带的总称。（《地理学名词》 第二版）行星风系与行星的自转有关。对地球而言，即与地转偏向力有关。对其他行星而言，即与“星”转偏向力有关。大气环流与行星风系所指的对象是一样的，这一点两者相同。从成因上看，大气环流侧重来自太阳辐射的热量的影响，行星风系侧重行星自转产生的“星”转偏向力的影响，这一点两者不同。行星风系又称“行星风带”(planetary wind pelt)，是在不考虑地形和海陆影响下全球范围盛行风带的总称。在不计海陆分布和地形起伏的影响下，大气低层盛行风带的总称。它是由地球上太阳辐射的不均匀性及地球自转所形成的一种理想化的大气环流形式。南北半球各有4个气压带，即赤道低压带、副热带高压带、副极地低压带和极地高压带，并相应地出现了3个风带，统称行星风带：赤道一侧的信风带，在北半球盛行东北信风，南半球盛行东南信风；中纬度地区的西风带；环绕极地的极地东风带。中纬度地区由于地域广阔，常使气压带分裂成几个高、低压区，因有季节变化，使中纬度行星风带亦发生季节性变化。大气环流的主流是叠加了涡旋波动的纬向运动，两个厚实贯穿于地面和高空，一个单薄局限于低空，即三个风带：1、赤道及其附近：地面和高空都是东风，高空有东风波动，地面即信风带；2、中、高纬度地区：地面和高空，整个对流层都是西风和西风波；
指受太阳辐射对高低纬度的加热不均和自转偏向力影响所形成的环流圈，称为三圈环流。它是大气环流的理想模式。其分第一环流圈，第二环流圈和第三环流圈。第一环流圈为哈德来环流，又称信风环流圈或热带环流圈;第二环流圈为费雷尔环流，又称中纬度环流圈;第三环流圈指极地环流圈。由于赤道地区气温高，气流膨胀上升，高空气压较高，受水平气压梯度力的影响，气流向极地方向流动。又受地转偏向力的影响，气流运动至北纬30度时便堆积下沉，使该地区地表气压较高，又因为该地区位于副热带，故形成副热带高气压带。赤道地区地表气压较低，于是形成赤道低气压带。在地表，气流从高压流向低压，形成低纬环流。在地表，副热带高压地区的气压较高，因此气流向极地方向流动。在极地地区，由于气温低，气流收缩下沉，气压高，气流向赤道方向流动。来自极地的气流和来自副热带的气流在60度附近相遇，形成了锋面，称作极锋。此地区气流被迫抬升，因此形成副极地低气压带。气流抬升后，在高空分流，向副热带以及极地流动，形成中纬环流和高纬环流。假设地球不自转，地表性质均一，太阳直射赤道。此时引起大气运动的因素是高低纬度之间的受热不均。因而在终年炎热的赤道地区，大气受热膨胀上升，在终年严寒的两极地区，大气冷却收缩下沉。这样，在高空，赤道形成高气压，气压梯度力的方向指向极地，大气由赤道上空流向两极上空。在近地面，赤道形成低气压，两极形成高气压，气压梯度力的方向指向赤道，大气由两极流回赤道。因此，在同一半球，赤道和极地之间形成了单圈闭合环流。地球的自转，假设地表性质均一，太阳直射赤道，则引起大气运动的因素是高低纬之间的受热不均和地转偏向力。从北半球来看，赤道地区上升的暖空气，在气压梯度力作用下，由赤道上空向北流向北极上空(南风)移动，受地转偏向力影响，由南风逐渐右偏成西南风，在30°N附近上空堆积，于是产生下沉气流，致使近地面气压升高，形成副热带高气压带。近地面，在气压梯度力作用下，大气由副热带高气压带向南北流出。向南的一支流向赤道低压，在地转偏向力影响下，谭老师地理工作室综合整理由北风逐渐右偏成东北风，称为东北信风。同理南半球也会形成东南信风，东北信风与南半球的东南信风在赤道附近辐合上升，在赤道与副热带地区之间便形成了低纬环流圈。近地面，从副热带高气压向北流的一支气流，在地转偏向力的作用下逐渐右偏成西南风即盛行西风。从极地高气压带向南流的气流(北风)在地转偏向力影响下逐渐向右偏形成东北风，即极地东风。较暖的盛行西风与寒冷的极地东风在60°N附近相撞，在近地面形成暖锋(极锋)。暖而轻的气流爬升到冷而重的气流之上，形成了副极地上升气流。上升气流到高空，又分别流向南北，向南的一支气流在地转偏向力的影响下，由北风逐渐右偏成东北风，在30°N附近与来自赤道的高空西南风相撞形成冷锋，加强了副热带高气压带高空的下沉气流，进一步升高副热带高气压带的气压，于是在副热带地区与副极地地区之间构成中纬度环流圈;向北的一支气流在北极地区下沉,是在副极地地区与极地之间构成了高纬度环流圈。由于副极地上升气流使近地面的气压降低，于是形成了副极地低气压带。同理，南半球同样存在着低纬、中纬、高纬三个环流圈。因此，在近地面，共形成了7个气压带、6个风带。19世纪20年代的时候有人提出了三圈环流模型，尽管后来有人对这个模型进行了修正以符合高空观测结果，但仍然不妨碍它是一个有效认识全球环流分布的工具。形成原理：赤道附近的空气受热上升形成积云时释放的潜热驱动哈得来环流，高层大气向极地运动，谭老师地理工作室综合整理在分别到达南、北纬20°~35°时下沉。结果：由于空气在赤道上升过程中有水汽凝结，使得在南、北纬20°～35°附近下沉的空气较干燥，且下沉过程中的绝热加热作用进一步降低空气的相对湿度。因此，下沉的干燥大气使得这个纬度带少雨而干早，成为全球副热带沙漠地区，北非的撤哈拉沙漠和澳大利亚沙漠都位于这个纬度带上。位置：在三圈环流模型中，南、北纬30°～60°的环流称为费雷尔环流，由威廉.费雷尔提出。盛行西风带：费雷尔环流在中纬度地区的近地层为西风气流。这个盛行西风带因本杰明・富兰克林一一美国第一个天气预报员而引起关注，是他注意到风暴由西向东穿越大陆。同时，富兰克林还观察到西风气流是不稳定的，对航行的影响没有信风航海那样可靠，原因是气旋和反气旋在中纬度地区的活动对西风气流形成了干扰。下沉气流在地面附近向赤道方向运动，在南、北半球各形成一个极地东风带。这些寒冷的极地冷空气向赤道方向移动，最终在中纬度地区与较暖的西风气流相遇。掌握全球气压带、风带及三圈环流的图示，有两条规律我们可以利用：此时只需要确定一个气压带即可得出全球的气压带风带分布。例如我们可以确定赤道是低气压带，与赤道相邻的30°附近的气压带为高气压带，60°附近的为低气压带，90°附近的是高气压带，再根据画风向的方法，画出近地面风向，即风带。使用这种方法的前提是熟知上面两条规律以及能熟练的画出风向。
