大气环流的动力和热力因素（大气热力环流直接原因）

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概要

1、五个关键词来理解大气环流这个很简单又异常复杂的事情：简单主线是热力与动力；复杂之处因为尺度、立体与下垫面。

2、习惯上，对于影响中国天气的系统大家谈论较多的是副高，这没有问题，但实际上副高背后还有真正掌控局面的大佬——青藏高压。北半球的夏季，放眼全球，最强的大气热源也是在青藏高原及周边的，理所当然是亚洲夏季风尤其是东亚夏季风环流最重要的影响因子。而超级庞大的青藏高压是这个环流中的最显著最庞大的系统，是这个大热源的代表，它甚至直接影响了西太平洋副高的强弱大小，进而决定了中国夏季的高温和暴雨。

3、今年夏天为什么北半球环球如此同热？从气候变化的角度解释，这是由温室气体的增加导致的全球变暖的表现。从天气成因的角度，我们一般解释为今年的副高的无比强大，但今年的副高为什么这么强呢？这肯定就需要追溯到副高的成因上，这是一个长时间尺度的过程，已经超出了我的专业——天气的时间尺度，只能开开脑洞来谈谈了。

正文

如果说2021中国天气最大的角儿是暴雨，那么2022年最大的天气大腕儿毫无疑问是高温。我6月以来围绕高温成因写了多篇科普文，各有不同的角度。本篇尝试从宏观大气环流的角度，用最简单的方式来解读造成这一切的东亚夏季风环流及环流成因。既有基于前人的研究成果，又有个人的思考和理解，在本文中杂糅在一起再凝练成粗线条。简便起见，我不会对前人成果引经据典，也不会对个人脑洞严密论证，权供一观一乐吧。

一、理解大气环流成因的两条主线——热力和动力

简单来说，大气环流是指大气层中的那些较大范围的空气流动。

它决定了全球大气运行的基本形势，进而决定了天气和气候。

关于大气环流的形成原因，我去年写过一篇《是谁？如何？将要？塑造我们的天气和气候》。本篇将尝试比那一篇更简练。

根本上，决定大气环流的无非就是那几个物理规律：大气的动量守恒、质量守恒和能量守恒。把这些因子掰开揉碎再组合之后，浓缩为两条：热力和动力。

1）大气环流的原力——热力
热力顾名思义与温度有关，在这里我将具象到大气流动相关的热力现象简化为流动起来之前，以及流动起来之后的两点：

其一流动前的原动力：

影响地球上大气流动的因子有很多，甚至大气流动起来之后自身也是重要的影响因子，那么谁才是最根本的因子呢？

我认为，谁启动了这个流动，谁就是最根本的因子，是原动力。

根本上，这个原动力就是“太阳辐射能在地球上的不均匀分布”——必有冷暖差异在先，热胀冷缩，然后空气自身密度出现了差异，产生了阿基米德浮力，于是才有了暖上升。

这力量的根源就是热力，是位能。

热力是原动力，由其驱动的流动是自主（主动）的流动。可视为热力流。

假如以跑步作比，主动流可以理解为自己在跑。

其二流动后的热力特性——压缩增温和膨胀冷却：
静止的空气一旦流动起来就离开了自己原来的地盘，就要跟新到之地的地头蛇打交道，比比谁厉害（比密度=比冷暖）。直接结果，就是膨胀会降温，压缩会升温。

大气环流的时空尺度，以及大气堆积的特性决定了，只在垂直方向移动时空气才可以被压缩，在水平方向是不可压的。也决定了低层稠密高层稀薄，所以有上升冷却，下沉增温。

另外，简单再说下地面加热大气的三个主要来源：

热辐射：地面受热后以红外辐射加热上面的大气，这个量不大；

感热加热：热传导给大气底层，再经大气自身湍流、对流交换到上层大气，这个是大头，其中，晴天又比云雨天多很多；

潜热加热：低层水汽升空后凝冻结成云释放出来的热量加热大气，这个量变化极大，有云则有，无云则无，而且存在异地加热，即这里的低空水汽斜升到下游高空才成云。

虽然大多数时候只讨论后两者，但前者因素有时候作用也不小，比如傍晚到前半夜。

有加热也要考虑冷却，类似的，不展开说了，大气冷却主要是：自身（包括云）向外太空的辐射冷却；以及冷下垫面的冷却作用；还有云雨雪等融化、蒸发造成的潜热吸收的作用。

2）大气环流的流力——动力

当大气流动起来之后，它就有了自身的动能，这个动能是热力差异的位能所转换而来的。这种力量就是动力的含义之一，所以从因果上讲，热力在先，是主因，动力在后，是果，但也会转换为因，但本质上是次因。

大气流动起来之后决定其行为模式的因子仍有热力，但也有其它因素。把热力抽离出来之后，其它那些在大气流动起来之后才起作用造成或者影响流动的，可视为动力流。

动力流具象起来可以理解为两大个简单的东西：

其一补偿（抽吸）：

当有了流动，必有流入流出，流出之地不能真空必须有其它地方空气来补偿，这个补偿也就造成了流动，就好像抽水机抽水一样。

其二转向（旋转）：

在地球上的所有物质不论动静都会受地球自转的影响。但是移动的物体比起静止的物体会多一种地球自转带来的影响——科氏力。

这个影响很有意思，就是不动没有，动起来才有，而且永远是垂直于移动的方向，也就是说会把移向带偏。具体来说，在北半球向移动前进方向右边偏转，在南半球向左边偏转。所以这个力又叫做“地转偏向力”。

大气一旦流动起来，就有了这个效果，也就是它带来了大气流动的旋转效应。

相较于热力流是自身属性使得主动流动而言，动力流本质上都是外界施加的被动的流动。

仍以跑步作比，被动流可以理解为被别人拖着跑。

3）大气环流的形成

一个最简单的大气环流成因模型可以用下图来表示：

大气环流的动力和热力因素,大气热力环流直接原因(1)

大气热动力环流基本模型（涛淘风云）

地面暖区空气上升，这是热力主动流，相对的地面冷区就会有空气流动补充而来，这是动力被动流，热力上升流会在高空的对流层顶堆积成为高压系统，在地面则是低压系统，高空的高压系统会有空气向外流出，这是主动流，这个主动流出的一部分会来到地面冷区上空，就会产生向下的补偿流，这是动力被动流。在这个地面冷区又有高空下沉的区域，在地面就是高压，在高空就是低压。

热力上升流越强，则其高空的高压越强，反过来高空高压的强大反映了其低空热力的强大。这个强大，也同样在对流层顶的高度反映了出来，上图中对流层顶画成倾斜并非无意，而是事实。

同理，动力被动下沉越强，则地面和低空高压越强，反之印证亦然。

受旋转效应的影响，强大的高压都是顺时针旋转向外的，而强大的低压都是反时针旋转向内的。在大尺度的系统中，前者是青藏高压、西伯利亚高压、副热带高压，后者是热带气旋（台风、飓风）、温带气旋。

我认为，地球上一切宏观的空气流动的因果都可以用上述的热力与动力两条主线来概括，不论是什么尺度。但说到尺度，就不得不提这简单成因粗线条下的复杂因素了。

二、理解大气环流复杂性的三个关键词——尺度、立体、下垫面

在《上海高温来自青海——再谈高温成因和暖空气乾坤大挪移》一文中，用的就是上述粗线条，结果留下一地鸡毛很多疑问。

实际上那些问题产生的根源就在于除了热动力粗线条之外，还有其它因素在影响着大气环流的复杂性。为了本文的简便起见，这一部分就简单举几点，不充分展开了。

1）尺度

空间尺度：

虽然热动力的主线在几乎所有尺度上都会相应的环流存在。但不同尺度下的热动力环流模型未必完全如上图那样，比如一个雷暴尺度的系统，其下沉支就不是被动流而是热力流了（冷下沉）。

实际上大尺度环流中嵌着小尺度的环流，而大量的小又聚合成大。对于大如青藏高压的尺度，实际上反映的已经接近于一个平均态了，整体平均态是上升支，但是高原上的雷暴系统中也有下沉气流。副高整体上是下沉支，但副高里面也是会有较小尺度的上升运动成云，甚至会有强对流风暴的强上升气流。

大尺度的动力被动流是可以逆小尺度的热力主动流的，比如我们说造成高温天气的下沉增温运动，就是动力带下来的，否则暖空气一定是热力上升流的。一年多来，本号涉及这种情况的文章也有很多篇，不再赘述。