气压系统和风系统

地球上的气压系统和风力系统是非常重要的因素，它们与温度分布一起影响着世界各地的气候。这些系统在决定天气模式、季节变化，甚至不同地区能够繁衍的植被和野生动物类型方面发挥着关键作用。研究气压和风力系统的工作有助于我们预测天气、规划自然灾害，并为农业、建筑和旅行做出明智的决策。因此，对于任何对地理和环境感兴趣的人来说，研究这些系统都至关重要。

气压系统

大气层中所有空气的重量都会施加一定的压力，这就是大气压。气压系统是指海平面大气压分布中的高压点和低压点的集合。由于地球每天的温度分布不均匀，这意味着气压也会是变化的。

气压也受温度影响，因为空气在不同温度下有不同的特性——暖空气上升，冷空气下降。海平面地表气压高点和低点之间的差异并不显著，高点约为108千帕，低点约为87千帕。

气压系统也会改变天气，低压系统通常与云层形成和降水引发的白天温度降低有关，而高压系统则会使白天温度升高，晴朗的天空允许更多的热量通过阳光辐射。让我们分别讨论低压和高压系统。

a) 低压

海平面大气压低于周围区域的区域被称为低压区。这些低压系统形成的主要原因在于对流层上层，那里发生风散，导致其下方区域形成低压系统。在地面高空，风在特定地点散开。

上层槽是被称为罗斯贝波的更大系统的一部分，这种散开主要发生在两个区域：

1. 在风中被称为上层槽的大型波状模式的东侧。这些波穿过对流层。罗斯贝波是大型波，存在于从西向东吹的西风中。
2. 在风中被称为短波槽的较小、较短波的前面。这些短波槽也穿过对流层，但不如罗斯贝波宽。

当这些区域高空风散开或发散时，它们导致下方的空气上升。这种上升气流降低了地球表面的气压，因为空气的向上运动有助于平衡重力。这个过程很重要，因为它影响天气模式，并可能导致不同天气系统的形成。由于低压系统以及有助于其形成而发生的各种现象包括：

• 热低压及其形成： 当地球上的某些区域因获得大量阳光而变得非常热时，就会形成热低压。这通常发生在沙漠和其他大片陆地区域。当这些热点区域的空气变暖时，它会比周围较冷的空气轻。因此，它会上升到空中，这使得地面附近的气压下降。
• 季风形成： 这些陆地上的大片低压区在季风形成中起着重要作用。季风是带来大量降雨的季节性风模式。它们的发生是由于陆地和海洋上气压的差异。当陆地上空的气压因热低压而下降时，它会形成一种“坡度”，有助于将湿润的空气从海洋移向陆地。这就是季风季节降雨量大的原因。
• 海洋上低压区的形成： 当温暖的海洋上空有大型雷暴时，也可能形成低压区。当这些风暴与一种全球天气模式（称为热带辐合带）以特定方式同时发生时，就称为季风槽。季风槽在8月达到最北端，在2月达到最南端。
• 热带气旋的发展： 有时，这些温暖海洋上空的低压区会变得非常组织化和强大。当这种情况发生在热带地区时，我们称之为热带气旋。这些气旋一年中任何时候都可能发生，但在11月更常见。它们可以在北半球或南半球形成。
• 大气抬升和云层形成： 地表低层风辐合是导致大气抬升的原因，而大气抬升又导致云层形成和降水，从而降低了白天的温度。
• 云层对白天温度的影响： 白天，云层就像天空中巨大的镜子。它们将大部分阳光反射回太空，这意味着到达地面的太阳能减少。因此，多云天的温度比晴天更凉爽，因为地面和空气不会像晴天那样升温。
• 云层对夜间温度的影响： 夜间，云层扮演着不同的角色。它们像毯子一样，捕获地球表面散发的热量。通常，这种热量，称为长波辐射，会逸散到太空中，但云层吸收它并使其靠近地面。这使得多云的夜晚比晴朗的夜晚温度更高，因为热量不容易逸散。
• 风力强度： 我们感受到的风力强度也取决于低压区的强度。低压系统是气压低于周围区域的区域，通常与暴风雨天气有关。低压系统越强，周围的风就会越强烈。这是因为低压区和周围高压区之间的气压差导致空气移动更快，从而产生更强的风。

b) 高压

高压区，也称为高压或反气旋，是行星表面附近大气压高于周围区域的区域。这意味着该区域的空气比周围区域更用力地向下压向地表。

高压区通常带来晴朗的天空和平静的天气，因为下沉的空气会阻止云层的形成。在高压区，风从压力最高的中心向压力较低的边缘移动。

• 科里奥利效应： 从中心到周边的气流直线路径受到科里奥利效应的影响，尤其是在地球这样的旋转行星上。科里奥利效应导致风向弯曲，方向与行星旋转方向相反。这种弯曲效应形成了热带气旋（也称为飓风或台风）特有的螺旋形状。在北半球，当风向外移动并偏转到右侧时，这种力导致风围绕高压区顺时针循环。在南半球，当风向外移动并偏转到左侧时，风围绕高压区逆时针循环。
• 副热带高压脊： 在南北纬30度左右，被称为“马纬度”，存在半永久性的高压系统，称为副热带高压脊。这些区域经历相对稳定的高压，但需要注意的是，其大小和确切位置在不同季节并不一致，并且往往是可变的。它对不同地区有不同的影响：
  1. 美国西海岸： 春季，副热带高压脊扩大，带来干燥无雨的夏季天气。秋季，它后退，太平洋的冷锋带来凉爽月份的降雨。
  2. 美国东海岸： 副热带高压脊在春末和夏季带来温暖潮湿的空气。秋季，随着高压脊的后退，来自加拿大的冷空气进入。
  3. 欧洲： 副热带高压脊给地中海地区带来炎热干燥的夏季和凉爽潮湿的冬季。北欧经历凉爽的海洋性气候。
  4. 南半球： 澳大利亚和南美洲南部锥形地带的夏季因副热带高压脊而炎热干燥，冬季因冷锋而凉爽湿润。

冬季，来自亚北极地区的寒冷高压系统占主导地位。在西欧和北美西海岸，这些系统源自阿拉斯加湾或格陵兰/冰岛等地区，带来凉爽潮湿的天气和普遍的雾。在东亚和北美内陆，冷气团源自西伯利亚或加拿大，带来非常寒冷干燥的空气。

• 形成： 高压区是由于空气在对流层（发生天气事件的大气层）中向下运动而形成的。这些区域通常位于对流层高层天气流型中槽的西侧下方。在天气图上，高压区由非发散层附近或上方的汇聚风（也称为“等速线”）指示。
  这个层级大约在500百帕气压面，大约是对流层中间的高度，相当于地球表面大气压的一半。这种风的汇聚是识别高压系统并理解其形成和对天气模式影响的关键特征。
• 风流： 风从高压区流向低压区，原因是两种气团之间的密度差异。高压系统通常含有较冷或较干燥的空气，这使得气团密度更大。这种密度更大的空气流向较暖或较潮湿的区域，这些区域通常靠近低压区。当风吹过陆地时，就像试图在厚泥中行走一样——它会减速。
  这种摩擦使得风从高压区更加散开。这种散开被称为“实际风”或“真风”，它包括由于建筑物和树木等因素对其路径的一些调整。这些调整增加了主要的风流，称为地转风，它通常平行于天气图上显示等压区的线条。

风力系统

风是空气或气体在行星表面自然运动的现象。它以不同的方式和大小发生。有时它是在雷暴期间的短暂爆发，持续时间很短。其他时候，它是由太阳加热陆地引起的微风，持续几个小时。还有那些环绕地球的大风，由地球不同部分吸收阳光量的差异驱动。大规模大气环流的两个主要原因:

1. 差异加热： 赤道比两极接收更多的太阳能，导致赤道空气温暖，两极空气凉爽。这种温差驱动了空气的运动。
2. 行星自转（科里奥利效应）： 地球的自转导致移动的空气偏转，形成弯曲的风模式。

区域风型

1. 热带和亚热带： 在这些区域，热低压——由于陆地和高高原上强烈加热而产生的低压区——可以驱动强大的风系统，即季风。
2. 沿海地区： 海风/陆风循环产生局部风。白天，陆地比海洋加热快，导致空气在陆地上上升，并被来自海洋的较冷空气取代（海风）。夜间，陆地冷却得更快，过程反转（陆风）。
3. 山区： 在地形多变的地区，风受地形影响。白天，随着暖空气沿山坡上升，会产生谷风。夜间，较冷空气下降到山谷中，产生山风。

气候学中的风力系统

风会根据地区的不同而呈现出不同的模式。在两极上空，东风往往主导气流模式。这些风从东向两极吹。在中纬度地区，西风盛行。这些风从西向东吹，位于副热带高压脊以北。

在热带地区，东风再次成为主导力量。这些风在赤道附近从东向西流动。在副热带高压脊的正下方，可以找到赤道无风带，也称为马纬度，那里的风较弱。该区域经历平静或非常轻微的风。

• 信风： 信风，也称为贸易风，是赤道附近热带地区主要的东风地表风。在北半球，它们主要从东北方向吹来，而在南半球，它们从东南方向吹来。信风在引导在海洋上形成的热带气旋方面发挥着关键作用。它们还将非洲尘埃向西穿过大西洋带到加勒比海和北美洲东南部部分地区。
• 西风带： 在中纬度地区，特别是35到65度范围内发现的主导风被称为西风带或盛行西风。它们从西向东吹，它们在引导被称为温带气旋的天气系统方面发挥着重要作用。在北半球，它们主要来自西南方向，而在南半球，它们来自西北方向。
  这些风在冬季两极气压较低时最强，反之，在夏季两极气压较高时最弱。在南半球，西风在南纬40到50度之间最强。该区域因水手们遭遇的猛烈风力而闻名，被称为咆哮的四十度。这主要是因为缺乏能扰乱气流的陆地。
• 极地东风： 极地哈德利环流是来自北极和南极周围高压区的寒冷风。它们吹向西风带内的低压区，西风带是高纬度地区的主导风。与西风带不同，极地东风从东向西吹。
  它们不是很强或一致。由于太阳在两极附近天空较低，那里的空气变得非常冷并下沉，在地表形成高压区。这导致空气流向赤道。然而，由于科里奥利效应，空气被推向西而不是直接向南。

风切变

风切变，也称为风梯度，描述了地球大气层中短距离内风速和风向的变化。这种现象可分为两种主要类型：

1. 垂直风切变： 它发生在不同海拔高度风速或风向发生变化时。这种类型通常在地球表面附近发现，但也可以在高海拔地区观察到，特别是在上层急流和锋面区周围。
2. 水平风切变： 另一方面，水平风切变涉及风速或风向在水平平面上的变化。这种类型经常在天气锋面和沿海地区观察到。

风切变是一种微尺度气象现象，换句话说，它发生在非常短的距离内。尽管风切变规模很小，但它经常与更大的天气系统相互作用，如飑线和冷锋，这些都是中尺度和天气尺度特征的例子。

这些相互作用可以显著影响当地天气条件和恶劣天气事件的发展。了解风切变在这些更大系统中的作用对于准确的天气预报和减轻其对航空等活动的影响至关重要。

成因： 风切变常出现在各种天气和地理条件下。它通常发生在雷暴产生的微下击暴流和下击暴流附近。你也会在天气锋面周围和低层风力较强的区域（称为低空急流）发现它。

山脉可以引起风切变，辐射逆温也可以，辐射逆温发生在晴朗平静的夜晚。人造结构，如建筑物和风力涡轮机，以及移动的帆船，也可以产生风切变。这种现象在航空中特别重要，因为它显著影响飞机在起飞和降落时的控制。

影响： 风切变可以显著影响声音在大气中的传播方式。它可以使声波弯曲，使声音在通常听不到的区域变得可听，反之，它也可以阻止声音到达通常会到达的地方。

除了影响声音外，对流层中强烈的垂直风切变在天气模式中也起着关键作用。它通过破坏其结构来阻碍热带气旋的形成。然而，这种相同的风切变可以帮助组织单个雷暴，使其持续更长时间并可能发展成恶劣天气系统。

地球大气层之外的风力系统：太阳风

太阳风并非由空气组成，而是一股带电粒子流，即等离子体，以每秒400公里（约每小时890,000英里）的惊人速度从太阳上层大气中喷射出来。这种等离子体主要由能量约为1 keV的电子和质子组成。这些粒子的温度和速度会随时间变化。

这些带电粒子能够逃离太阳引力的部分原因是太阳日冕中极高的温度，部分原因是它们通过一个科学家尚未完全理解的过程获得的巨大动能。太阳风向外延伸，形成了日球层，这是一个星际介质中巨大的气泡，包围着整个太阳系。

拥有强大磁场的行星能够更好地保护其大气层免受太阳风电离的影响。太阳风还会引起其他几种现象，包括可能扰乱地球电网的地磁暴、美丽的极光（如北极光）以及彗星的等离子体尾巴，这些尾巴总是指向远离太阳的方向。