永久急流

在某些行星（例如地球）的大气层中，存在着狭窄、快速的气流环流，称为急流。这些气流位于对流层顶的大气最高层，对流层顶是将对流层与平流层区分开来的区域。由于急流会影响气候、天气模式和航空，因此它们非常重要。气象学家、气候学家和飞行员都需要了解急流，尤其是永久性急流。

急流的含义

急流可能只有几公里厚，几百公里宽，几千公里长。它们的速度可达400公里/小时（250英里/小时）或120公里/小时（75英里/小时）。最快的风速是在急流中心附近发现的，通常被称为急流核心。急流最早在第二次世界大战中为人所知，当时飞行员在高空遇到了强风，根据他们飞行的方向，这些强风会大大减慢或加速他们的任务。

地球的自转和太阳辐射引起的大气加热是急流形成的驱动因素。地球的自转导致南北半球的气团都以自西向东的方向流动。太阳对地球的加热导致温度变化，特别是在赤道和两极。这些温差引起的气压变化导致风型的发展，特别是急流。

永久性急流和临时性急流的区别

急流分为永久性和临时性两种形式。永久性急流出现在地球大气层的某些部分，顾名思义，它们是永久性的。副热带急流和极地急流就是两个例子。相反，临时性急流可以根据季节变化或特定的气象条件发展和消退。

永久急流

• 极地急流
  在南北半球，极地急流位于50°到60°之间的纬度。它们产生于较温和的中纬度空气和寒冷的极地空气之间的温差。在冬季，当天气差异更明显时，这些急流往往会变得更强。极地急流极大地影响中纬度天气模式，例如风暴发展和降水。
  
• 副热带急流
  在南北半球，副热带急流可以在大约30°的纬度发现。它们是由中纬度较冷空气和较暖热带空气之间的温差引起的。尽管它们通常比极地急流弱，但副热带急流在确定天气模式和气候方面仍然非常重要，尤其是在热带和副热带地区。

临时性急流

临时性急流在某些区域不如其永久性急流稳定。这些急流可以根据特定的气象条件发展，例如强大的低压系统的出现或有限区域内显着的温差。热带东风急流是一种临时性急流，由于周围陆地的高温，在夏季在非洲和印度等地出现。

急流的形成和特性

大气环流和风型

对流层（大气层中最薄的部分）中的大规模空气运动被称为大气环流，它负责在地球表面传递热能。这种环流主要由太阳辐射对地球表面不均匀的加热驱动，是地球气候系统的重要组成部分。

由于赤道地区比极地地区每年受到更多的直射阳光，导致温度梯度，从而导致大气压力的差异。由于这些压力差，空气从高压区域流向低压区域，从而形成风型。

赤道附近的强太阳加热升高了空气的温度，使其密度降低，并导致其上升，形成热带辐合带（ITCZ），这是一个低压区域。当暖空气上升、冷却并凝结形成云和降水时，热带地区常见的雨带就会出现。在达到高空后，这些空气向极地辐散并向更高的海拔移动。

当空气离开赤道并在南北约30度角处冷却并下降时，形成副热带高压区。这些区域与地球上一些最大的沙漠（包括澳大利亚内陆和撒哈拉沙漠）有关，因为下降的干燥空气会阻止降水和云的形成。

从副热带高压区，一些空气被信风带回赤道，信风始于美国东北部和美国东南部。哈德利环流在ITCZ完成，这些信风在那里汇合。西风，在中纬度地区很强，是另一部分从副热带高压区向极地流动的空气。

温带地区的天气系统由西风从西向东驱动，西风也产生了那里大部分报告的天气。两极处由于冷空气下降而形成称为极地高压区的高压区。极地东风，在极锋附近与西风交叉，是下一个向赤道移动的气流。极锋是一个强烈的气象活动区，由于极地空气和来自中纬度地区的较暖空气之间的温差，气旋和其他天气系统可能在此出现。

影响急流形成的因素

急流是强大、狭窄的风，位于对流层顶部附近，通常在9到12公里（30,000到39,000英尺）的高度。它们通常在主要气团（例如来自热带地区的较暖空气和来自寒冷北方的空气）相遇点附近发展。许多重要因素影响急流的发展和行为。

• 温度梯度： 急流背后的主要驱动力是不同气团之间的温度变化。极地急流和副热带急流是最突出的急流，它们起源于这些温差最大的边界。例如，极锋是极地急流与较暖的中纬度空气的交汇点。当温差越大时，压差以及急流风就越强。
• 地球自转和科里奥利效应： 科里奥利效应由地球自转引起，对气流有显著影响。这种现象导致南半球的气流向左偏转，北半球的气流向右偏转。科里奥利效应主要决定了急流狭窄、快速移动的特性。如果没有科里奥利效应，高空风将不会局限于小区域，而是会在纬度上更均匀地分散。
• 季节变化： 不同季节带来不同的急流位置和强度。在冬季，由于极地和热带地区之间更大的温差，极地急流变得更强，并有可能向南移动更远。在夏季，随着温差减小，极地急流减弱并向北移动。相比之下，副热带急流也表现出季节性波动，尽管它通常不如极地急流明显。
• 地形： 地球上的地形特征，如山脉和高原，可以影响急流的走向和强度。例如，急流可能在亚洲喜马拉雅山和北美洲落基山脉附近分离或下降。这可能导致天气模式的区域性变化，包括风暴系统的形成或降水分布的调整。
• 洋流： 这些洋流对地球表面的温度有很大影响，从而影响急流。北大西洋急流的位置和气温都可能受到暖洋流的影响，例如大西洋的墨西哥湾流。另一方面，寒冷的洋流可能会改变急流的方向和强度，并产生冷却效应。

永久性急流的基本特征

永久性急流与其他大气风型不同，具有许多重要特征，特别是极地急流和副热带急流。其中一些属性包括它们的位置、高度、风速、宽度、深度和方向；它们还包括季节变化、对天气的影响以及作为气候指标的功能。

• 位置和高度： 极地急流倾向于出现在北半球和南半球，大约在50到60度纬度。副热带急流位于大约30度纬度。在对流层顶附近，对流层与平流层之间的分界线，两种急流通常都在海平面以上9到12公里（30,000到39,000英尺）的高度被观察到。在这个高度，温差和风速达到最高点。
• 风速： 急流的一个独特特征是其异常高的风速，有时超过160公里/小时（100英里/小时）。急流的核心或中心通常是风速最快的地方。在冬季，当北极和热带气团之间的温差达到最高点时，风速可能会显著增加，有时甚至超过320公里/小时（200英里/小时）。这些高风速可能会对天气和航空产生重大影响。
• 宽度和深度： 急流通常只有几百公里宽，尽管它们可以跨越数千公里。它们的垂直深度也有限，通常只有几公里。由于其狭窄和浅的形状，急流是气团和天气系统长距离快速流动的有效通道。
• 方向： 鉴于地球的自转和高空西风的强大影响，急流通常从西向东流动。另一方面，它们表现出显著的漩涡和波浪状起伏，称为罗斯贝波，而不是直线前进。这些波浪通过引导气团和风暴系统的迁移来改变天气模式，从而在急流路径中产生显著的低谷和山脊。
• 季节性变化： 季节性温度梯度波动反映在急流的位置和强度上，随季节变化。在冬季，极地急流向赤道移动增加，导致中纬度地区空气变冷，天气模式更加显著。
  在夏季，由于极地急流减弱并向极地移动，中纬度地区的天气变得更加稳定和温暖。与极地急流相比，副热带急流通常稳定，但它也表现出显著的季节变化。
• 对天气的影响： 全球天气模式受到急流的极大影响。它们充当不同气团（例如较暖的热带空气和寒冷的极地空气）之间的屏障，并且它们有能力引导天气现象，包括气旋和反气旋。
  温度和降水模式可能受到急流位置和强度的影响，这通常会导致显着的天气事件。例如，当极地急流向南下沉时，可能会形成强大的冬季风暴，将寒冷的北极空气带到较低纬度。另一方面，向北的移动可能导致长时间的温暖干燥天气。
• 气候指标： 急流运动的变化可能揭示气候中更显著的变化，并对长期天气模式产生影响。例如，中纬度天气条件的变化（例如更长的热浪或寒流）与北极变暖和极地急流减弱有关。
  除了增强气候模型和天气预报外，急流研究还为地球气候系统许多要素之间的复杂联系提供了重要见解。

极地急流的综合考察

极地急流是研究最充分、最重要的急流之一，这主要归因于它对中纬度天气模式的巨大影响。它在极锋附近形成，极锋是较暖的中纬度空气和寒冷的北方空气之间形成强烈温差的点。极地急流的强风被这种温差产生的巨大压差加速。

极地急流在冬季最强大且最不可预测。热带和极地气团之间更大的温差导致更高的压差，从而产生更快的风。主要的恶劣天气条件，包括暴风雪、寒潮和暴风雪，通常是由急流周期性向南下沉带到较低纬度的。这些向南下沉，称为槽，具有产生气旋和低压系统的能力，这可能导致极端天气。

另一方面，由于北极和热带地区之间温差的减小，极地急流在夏季较弱。它对于引导天气系统和影响降水和温度模式至关重要。

极地急流的蜿蜒路径形成了巨大的山脊和槽。不同的大气和地形特征与急流的结合导致了这些波状起伏，有时被称为罗斯贝波。槽和山脊可以影响天气系统的分散，这可能导致不同区域降水和温度的差异。例如，急流槽可能导致某个区域出现寒冷、暴风雨的天气，而山脊可能导致另一个区域出现温暖、干燥的天气。

极地急流充当不同气团之间屏障的潜力是其主要特征之一。推动急流的温差可以通过急流的快速风阻止较暖的热带空气与寒冷的北方空气混合来维持。

但在其他情况下，急流可能会变得更加不稳定，这为中纬度地区和极地地区之间的气团交换提供了可能性。这可能导致重大的气象现象，例如暖空气进入极地地区或寒冷的北极空气渗透到较低纬度地区。

副热带急流的综合分析

地球大气环流还包括副热带急流，它位于南北半球约30度纬度。它在较冷的中纬度空气和较暖的热带空气的交界处形成。副热带急流通常位于对流层顶部并延伸到平流层下部，其高度高于极地急流。

哈德利环流（发生在赤道并向上向两极移动暖空气）最终推动了副热带急流。当这些空气冷却并在大约30度纬度下降时，随着它向更高纬度移动，与副热带高压相关的高压区形成。副热带急流的主要产生器是由较热的热带空气和较冷的中纬度空气形成的温度梯度。

副热带急流的季节变化比极地急流少。虽然温度梯度和空气环流的季节变化可能仍有影响，但它们似乎在全年波动较小且保持稳定。副热带急流有可能在冬季加强并略微向极地移动，而在夏季减弱并向赤道移动。

在副热带和中纬度地区，副热带急流是天气模式的重要决定因素。它可以控制热带气旋的路径以及雷暴和锋面边界等天气系统的形成。降水的分布也可以受到副热带急流位置的影响，急流下方的区域降雨量和风暴活动更多。

副热带急流与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）等其他大气现象之间的关系是其最重要的特征之一。由于副热带急流在厄尔尼诺阶段可能增强并向南移动，天气模式在不同地区可能会显著不同。例如，美国南部可能出现更多的风暴活动和降雨，而澳大利亚和东南亚的某些地区可能出现更多的干燥天气。

山脉和高原等地势特征也影响副热带急流。这些特征可以分裂或使急流下降，从而导致天气模式的区域差异。例如，副热带急流可能分为两个分支，一个向喜马拉雅山以北，另一个向喜马拉雅山以南。这可能导致复杂的天气模式并影响该区域的降水分布。

气候变化与急流

急流（特别是极地急流）的行为受到气候变化的显著影响。由于北极变暖减少了极地和中纬度地区之间的温差，极地急流已经减弱。这种减弱可能导致急流出现更大的槽和脊，以及更蜿蜒的路径。严重的酷热、寒冷和加剧的风暴活动是这些变化可能导致的恶劣天气模式的迹象。

北极放大现象（北极地区比地球其他地区升温更快）与极地急流的减弱有关。这种加速的变暖减小了驱动急流的温差，导致急流变慢并变得更加蜿蜒。由于波浪性增加，暖空气得以向北移动，而寒冷的北极空气则向南移动更远，从而导致天气模式变得更加强烈和持久。

尽管气候变化对副热带急流的影响鲜为人知，但它们也影响着副热带急流。根据具体研究，随着全球变暖，副热带急流增强并向极地移动，可能导致降水模式和天气系统发生变化。对于副热带急流对其天气和气候至关重要的地区，这些变化可能产生深远的影响。

对航空的影响

• 飞行路径的重要性
  由于急流对飞行路径的显著影响，航空业既有优势也有劣势。航空公司利用这些速度非常快（可达每小时200英里以上）的风来削减和减少燃油消耗和旅行时间。
  飞行员可以通过安排与急流方向（特别是自西向东的气流）一致的航线来提高燃油效率并加快旅行速度。例如，北大西洋急流经常出现在从北美到欧洲的跨大西洋航班上，从而缩短了航空公司和乘客的旅行时间和费用。
  然而，急流的存在需要仔细的航线规划，以避免强逆风，这可能会大大增加飞行时间和燃油消耗。这些情况通常由逆主导急流方向向西飞行的航班遇到。
  为了最大限度地优化飞行路线并确保运营效率，飞行员和空中交通管制员必须不断跟踪急流的位置和强度。实时天气数据和先进的飞行规划软件在此过程中至关重要。
• 航空业的难题
  急流给航空业带来了一些优势，但也带来了一些困难。主要的担忧之一是急流内部和周围发生湍流的可能性更高。急流危险通常与晴空湍流（CAT）有关，这种湍流在没有可见指示（例如云）的情况下发生。这种湍流可能变得严重且不稳定，影响乘客的舒适和安全，并可能损害飞机的结构完整性。
  由气候和季节变化引起的急流波动和不可预测的行为带来了另一个难题。急流在一年中的某些时候有改变纬度和强度的倾向，这可能会影响既定的飞行路径，并要求航空公司定期进行调整。燃油管理和航线规划的复杂性可能导致更高的运营成本和更困难的物流情况。
  急流还可能与天气系统混合，产生雷暴和气旋等恶劣天气条件，这可能导致航空公司运营出现问题，并导致航班取消和中断。为了降低这些风险并提高飞行员和空中交通管制员的态势感知能力，航空业需要投资于尖端的气象预报和监控系统。

当前和历史研究

• 重要的历史发现
  在过去的一个世纪里，对急流的探索和理解发生了很大变化。日本气象学家大石和三郎在20世纪20年代进行了最初的观测，为20世纪初出现的高空风概念奠定了基础。大石通过使用气象气球测量高空风向和风速，检测到了强西风的存在。由于沟通困难和分发受限，他的研究在日本以外没有得到广泛认可。
  在第二次世界大战期间，军事飞行员和气象学家看到这些快速移动的风如何影响长距离飞行后，急流的正式识别和研究获得了重大支持。在20世纪40年代，美国气象学家卡尔-古斯塔夫·罗斯贝的工作推动了急流科学的发展。
  罗斯贝对大气波（现在称为罗斯贝波）的研究为描述急流的形成和行为提供了理论基础。他的努力为现代气象学和气候研究奠定了基础。
• 急流研究的最新进展
  得益于科学技术的进步，近几十年来，急流研究取得了显著进展。高质量的卫星观测、计算机模拟和大气探测方法显著改进了对急流动力学、变化和结构的理解。科学家们已经确定，地球自转、温度变化以及与其他大气特征的联系是影响急流行为的一些因素。
  了解急流与气候变率之间的联系有所改善，这是一个重要的发展。研究表明，北大西洋涛动（NAO）和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）等大规模气候模式对急流有影响。
  急流的位置和强度受到这些气候模式的影响，从而影响天气模式和飞行操作。例如，副热带急流的变化与厄尔尼诺现象有关，后者会改变风暴路径和降水模式。
  气候变化对急流的影响也一直是近期研究的主题。全球变暖正在导致急流模式发生变化，这可能对航空和恶劣天气产生影响。根据具体研究，极地急流可能变得更长、更蜿蜒，这可能导致天气模式持续时间延长，以及热浪和寒流等严重事件的频率增加。了解这些变化对于增强对气候影响的抵抗力并在航空业内部制定适应性措施非常重要。

地球变暖可能带来的变化

化石燃料燃烧和森林砍伐是两种人为引起的全球变暖活动，它们对风型和大气环流产生重大影响，特别是关于永久性急流的行为和特性。这些快速移动的高空急流有可能显著影响航空、气候系统和天气模式。

• 急流位置的变化
  急流位置的变化是全球变暖最明显的影响之一。随着全球气温升高，急流——主要由赤道和两极之间的温差引起——可能会向极地移动。这种变化是由北极变暖导致赤道和两极之间的温差减小所解释的。
  急流向极地的移动可能导致天气模式发生变化，以前受急流影响的地区将拥有独特的气候。例如，中纬度地区可能出现不同的降水模式，这可能导致干旱或洪水的发生频率增加。
• 急流强度变化
  全球变暖也可能导致急流强度发生变化。当赤道和两极之间的温差减小时，急流可能会减弱。较弱的急流产生更稳定的天气模式，可能导致一个区域出现持久的天气系统。
  这可能导致极端天气的长时间出现，例如热浪、寒潮或强雷暴。此外，急流减弱可能会扰乱天气系统通常的向东推进，这将使天气预报的准确性降低，并导致极端天气事件更频繁地发生。
• 急流扭曲加剧
  全球变暖导致的急流形状预期变化可能会增加这些气流的“波浪性”或蜿蜒程度。急流蜿蜒度的增加可能导致温暖的热带空气向北移动，寒冷的极地空气向南移动，从而产生特殊而恶劣的天气模式。
  极端天气事件，例如一个地区长时间的热浪和另一个地区严酷的寒流，都可能由这种“阻塞”现象引起。在某些地方，急流波浪性的增加可能导致其常规运动中断，这可能导致风暴和飓风的强度和频率增加。
• 对极地急流的影响
  绕北极和南极的极地急流特别容易受到气候变化引起的温度梯度变化的影响。如果北极继续比地球其他地区升温更快（这一过程称为北极放大），极地急流的不规则性可能会增加。
  在北半球，这可能导致与恶劣天气相关的事件频率增加，例如热浪、冷空气爆发和过量降雨。极地急流行为的变化也可能影响中纬度地区冬季风暴的分布和严重程度，这可能影响基础设施、人类安全和农业。
• 对副热带急流的影响
  全球变暖可能对副热带急流产生影响，副热带急流离赤道更近。副热带急流的强度和位置可能会随着热带和副热带地区的变暖而改变。
  副热带急流强度更大并向极地移动，可能影响季节性降雨模式和季风分布，特别是在南亚、非洲和南美洲等地区。除了影响飓风和热带气旋的频率和强度外，副热带急流的变化还可能通过增加更强大和破坏性风暴的可能性来提高沿海居民的风险。

结论

对永久性急流（包括它们的形成、特性以及由于全球变暖可能发生的变化）的研究是大气研究的一个重要领域。预测和减少气候变化对全球天气模式、气候系统和不同经济部门的影响需要了解这些高空急流的动力学。作为当今理解和缓解气候变化影响的努力的重要组成部分，急流及其对全球变暖的反应的研究不仅仅是一项令人兴奋的科学研究。