信风的关键作用

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  信风,是变幻莫测的热带气象最主要的特征。由于太阳直射,热带的海洋和大陆上空的空气受热变轻,使得来自北方、东方和南方的信风在此辐合。信风的辐合造成了强烈的抬升,进而产生了赤道东风。气团抬升后在高空分流,一支向南,一支向北。这两支气流向东弯曲,在±30°纬度下沉至地面,形成哈得莱环流。受到季节交替、海陆差异以及昼夜变化的调控,该辐合带具有季节性南北移动的特征。同时这些过程也会造成辐合带上冷暖锋活动的交替,常伴随着狂风骤雨。

1.赤道辐合带

环境百科全书-信风的关键作用-信风的运动机制
图1 信风的运动机制图。根据L’air等人2013年的一项研究,在春分和秋分日,信风向赤道辐合,同时地表加热空气使其密度减小,催生上升运动。[图片来源:EDP科学](Courant ascensionel 上升流;vent du nord 北风;vent d’est 东风;vent d’sub南风)

  假设我们正处于春分秋分之时。此时,太阳直射赤道地区,尽管茂密的森林吸收了大量太阳辐射,但强的辐射仍然快速加热空气,使得气团变轻并在对流层中上升(请阅读《大气和地球的气体外壳》)。上升运动导致地面出现低气压,低压的抽吸作用进一步使得南北两侧的空气向赤道聚集。在北半球,科里奥利力[1]使气团运动轨迹向右偏移,所以由北而来的气流向西弯曲。而在南半球,科里奥利力使气团运动轨迹向左偏移,所以由南而来的气流仍然向西弯曲(图1)。至于东边的气团,由于它们已经被加热,因此在过去数小时中持续上升并且向西运动。当它们到达太阳直射的地区后,便与由南北方向而来的气流汇合,形成强盛的东风。通过上述的抽吸抬升过程,受热最强烈区域(即太阳直射处)周围的空气都被影响。这一影响范围是非常大的,因为接收90%太阳辐射的区域直径高达5000公里。同时,这个受热最强烈的区域会随着太阳运动而移动,以大约1600km/h的速度向西移动(24小时绕赤道一周,约40000公里)。因此,位于受热最强烈区域西边的气团并未向东移动,因为在此之前它们就被卷入了上升流中。需要注意的是,实际上并没有物质在以1600km/h的速度移动,这个速度仅代表太阳相对于地面上固定观测者的位移。

环境百科全书-信风的关键作用-信风水平分量相互抵消
图2 信风水平分量相互抵消,导致夏季赤道东风减弱。这是由于北回归线(+23°26’)以北的信风向西偏移,以南的信风向东偏移,形成鲜明对比。同理,在冬至期间,南回归线(-23°26’)附近也会出现类似情况,导致赤道东风减弱。(Westward deviation 西向偏转;eastward deviation东向偏转)

  信风辐合带的位置随着太阳直射点的移动而变化。夏季信风辐合带向北移动至北回归线(+23°26’),冬季则向南移动至南回归线(-23°26’)。由于科里奥利力在北半球指向运动方向的右侧,在南半球指向左侧。因此,当太阳直射赤道,即春分和秋分时,辐合带关于赤道对称。而随着辐合带的北(南)移,这种对称性逐渐减弱,在夏至(冬至)日消失。如图2所示,在夏至和冬至日,辐合带北部的偏东风与南部的偏西风部分抵消,导致赤道东风风速远低于春分和秋分日

  当信风掠过洋面时,空气从海洋中汲取了充足的水汽。在上升的过程中,水汽凝结,造成暴雨,为热带地区提供了充沛的降水。同时,由于有充足的阳光照射和加热,热带地区的光合作用非常活跃。因此,热带地区覆盖着郁郁葱葱的植被和茂密的森林

2.信风国度——一个非常不稳定的地区

环境百科全书-信风的关键作用-赤道东风气流在7月和1月的极端位置
图3 赤道东风气流在7月(红色)和1月(蓝色)的极端位置。海陆分布使得赤道东风气流和南北回归线(±23°26’)并不完全重合,而是在冬季移向更南的地区,在夏季移向更北的地区。并且,大陆上的偏移比在海洋上更为明显。[图片来源:马特哈尔丁](July ITCZ 七月赤道辐合带;January ITCZ 一月赤道辐合带)

  信风辐合带具有季节性南北移动的特征,并且这种移动在大陆和海洋上存在差异。夏季陆地温度高于海洋,所以信风辐合带的北移在大陆(北美、北非和亚洲)表现得更为明显(图3)。同样,在冬季(南半球的夏季),信风辐合带的南移在南美、撒哈拉以南的非洲地区和澳大利亚表现得更为明显。这就使得赤道东风并不是平直的,而是随着海陆分布而蜿蜒(图3,红色和蓝色区域分别表示夏季和冬季)。那么,是什么造成了海洋和陆地的温度差异呢?有两种机制可以解释这种海陆温差。第一,海洋和陆地对太阳辐射的吸收能力不同。总体而言,到达地球的太阳辐射约有30%被反射。而海洋可以反射大约40%60%的入射太阳辐射。因此,海洋的反射过程对全球平均的反照率[2]有很大的贡献。而在陆地上,由于热带地区植被茂密,反照率只有10%到20%。作为参考,沙漠地区的反照率可以达到30%到50%。

  第二,海表洋流混合也会造成海陆的温度差异。海洋中存在尺度很大的温盐环流,同时,潮汐造成了海水的周期性运动,海浪的涌动湍流也会随机地造成海洋中的扰动。这些过程将热带海洋储存的热量向南北方向输送,从而使得海洋表面温度趋于均匀。而在大陆上,热量输送的载体只有空气(即通过气体物质输送热量)。空气的输热效率远低于海水,因为空气的密度仅为海水密度的1/800,比热容仅为1/4。我们可以在厨房中进行验证——通过浇水或吹风来冷却热菜,哪一种会更快呢?此外,空气中含有大量的水分,他们以多种方式存在,包括不可见的蒸汽或可见的云雾。在洋面上,水分吸收热量,不断蒸发,成为水汽进入到空气中,直到达到饱和。当压力或温度下降时,空气中可容纳的水汽减少,便会发生凝结,即水从蒸汽形式变成液体形式,成云致雾,有时还伴随着降水和风暴。在这个过程当中,则会向外释放热量。空气的流动,也就是,能通过输送水分影响这些过程,进而实现对热量的输送。

3.热带地区变幻无常的天气

  赤道辐合带简称ITCZ,不稳定不连续的对流单体是赤道辐合带[3]的特征之一。这种旺盛的对流活动由以下几个原因共同导致。首先,信风的辐合将更冷、更重的气团带到了赤道地区,这些气团与局地较暖的气团相会,形成不稳定结构,催生了对流活动。这种对流结构的水平尺度范围区间大,而在垂直方向上最高可至对流层顶。旺盛的对流活动进一步导致了一连串的暖锋和冷锋活动。其中,冷锋即冷暖气团的交界,由于冷气团密度大,与密度较小的暖气团相会时迫使其抬升。抬升运动伴随着气团的冷却和膨胀,导致水汽迅速凝结,形成一种极具特色的云——具有砧状云顶的积雨云。积雨云的出现往往伴随着狂风骤雨,例如,2009年6月1日,一场积雨云暴雨导致一架里约热内卢飞往巴黎的飞机发生空难(请参阅《雷暴:空气电场》)。

环境百科全书-信风的关键作用-积雨云使位于赤道辐合带的低压带在云图中清晰可见
图4 积雨云(白点)使位于赤道辐合带的低压带在云图中清晰可见。同时,北纬10°附近有呈南北走向的白色条纹线。其宽度比巴拿马地峡的宽度(约70公里)要小。图片于2005年6月12日由GOES-11卫星拍摄[图片来源:(美国)国家海洋和大气管理局]。

  此外,其他几个机制加剧了对流不稳定,并使得热带地区的天气独具特色。首先,辐合带的低气压受到太阳运动的调控。因此,除了我们前面已经了解到的季节性变化外,它还存在显著的日变化特征,主要表现为低压在中午最强,夜间最弱。其次,南极大陆覆盖着大量冰川,而北半球则有成片的陆地,所以北半球所吸收的太阳辐射要多于南半球,相较之下,南半球比北半球更冷。最后,辐合带南北部的温带地区是稳定的高压带,但仍散布有低压。在科里奥里力的作用下,低压气团呈气旋式旋转(北半球为逆时针方向,南半球为顺时针方向),气流可以穿过高压系统,延伸至热带地区。当温带地区的冷空气团到达热带地区后,能够加强冷锋,进一步促使暖空气抬升。这一区域在云图中表现为南北走向白色条纹线,也是常常发生局部阵雨的地方(图4)。

  综上所述,由信风造成的赤道辐合带(ITCZ具有非常鲜明的特征。赤道辐合带被认为是大气环流的主要触发原因,它首先催生了哈得莱环流,而后影响了整个对流层(请参阅《大气环流:其组织》)。这一区域的特征是猛烈的热带风暴(请参阅《雷暴:空气电场》),由于在此航行十分危险,19世纪航海船队将这一区域用法语称为“黑锅”。时至今日,该称谓依然被穿越赤道的跨大西洋航班机组人员以及参加环球高桅横帆船比赛的船员使用。


参考资料及说明

[1] 古斯塔夫·科里奥利斯,《台球效应的数学理论》,卡里连-戈埃里,1835年。

[2] https://fr.wikipedia.org/wiki/Albédo

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Intertropical_Convergence_Zone


译者:许高洁          编审:徐霈强          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: MOREAU René (2022), 信风的关键作用, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/key-role-of-the-trade-winds/.

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