AP环境科学知识点精讲：三圈环流

每年冬天，我们都会听到这样一个说法：这是XX年来最冷的一个冬天。虽然这样的言论总是会被不断辟谣，但我们能从中引出一个非常有趣且重要的AP环境科学知识点——三圈环流。本文就结合实际生活情况来和大家聊聊这个知识点，和与之相关的概念。

AP环境科学知识点解析：三圈环流

01你可能真的是在北极过冬

我们都知道，地球上无论物质流动还是能量流动，本质上都是一体的。热量流动也不例外。全球范围内的热量流动让地球上形成了四季，风等诸多地理现象。这种有规律的热量流动就叫做热力环流。

在AP环境科学中，我们主要学习的一种热力环流叫做三圈环流。它发生在地球只有自转，没有公转，地表均一的这种假象条件下。被叫做三圈环流的原因就是，这种假象模型中地球上的大气主要形成三种循环：Polar Cell (极地环流)，Ferrell Cell(费雷尔环流) 和 Hadley Cell (哈德来环流)。

首先，为什么会形成这三个分区的循环，而不是形成一个全球范围内的大循环呢？

这是因为地球的自转导致了地转偏向力(Coriolis Effect) 的形成。地转偏向力是指：由于地球的自转，地球上的运动物体会由于惯性，相对于自己原来的运动轨迹发生偏转。

是不是看到这么长的AP环境科学知识点定义，瞬间有些头疼呢？

这其实很简单。在我们平时坐车的时候，看路边停着的车辆是在往后倒退的。地转偏向力和它是一个道理。从地球的角度看，本来静止的大气是后退的。

由于地球的"腰围"，也就是赤道，是最长的，所以在赤道附近地球转速的线速度最大。这就导致了在赤道附近的北纬23.5度地区，大气几乎是平行于纬线运动。这种平行的运动方式会使空气相互挤压，导致一部分空气下沉，使得北回归线附近气压较高。

同理，这种现象也发生在极地地区，形成了Polarcell(极地环流)，使得北极圈附近的气压降低。北回归线和北极圈这一高一低两个气压，使在他们中间的气流也流动了起来，就像一个水车，形成了一个新的环流，也就是位于中纬度地区的FerrellCell (费雷尔环流)。由于空气从高压流向低压，从北回归线到达极地地区，再带着来自北极的寒气回到我们所在的中纬度地区，吹在我们脸上的风，其实就是实打实的北极的风啊。

寒潮究竟是怎么一回事呢？

寒潮是一种天气现象，指的是极地地区气候极其寒冷时，Polar Cell (极地环流) 中的空气比正常情况下失去了更多的能量。当这个气压团冷到一定程度时，就会突破Polar Cell (极地环流)，冲向中低纬度的地区，导致沿途的地区气温降低，变得更加寒冷。

这么乍一说有一点抽象。我们不妨把寒流想象成一个球。两位球员分别站在北极圈和北纬。正常来说，从北极点发射出来的球会被站在北极圈的球员拦下来，把球再打回北极点。但是，有一次北极点发球的时候力量太大，北极圈的球员没拦住，球就往中纬度和低纬度飞去了。球就是冷空气，而这种发球太用力的现象就是寒流。

为什么今年会发生寒潮？

今年突发的寒潮，其实是多重因素相互作用的结果。

其中最重要的，也是AP环境科学涉及到的一个原因，就是发生在赤道中东太平洋地区的持续的拉尼娜现象 (La Niña)。在考试中，拉尼娜现象通常与与之相反的厄尔尼诺现象 (El Niño)成对出现。但是在解释这两个现象之前，我们先要了解一下另一个全球范围内的环流，洋流 (Ocean Currents)。

洋流与大气中的三圈环流很类似，也有区域性的洋流。

以北半球为例，温暖的热带海水被重力推离赤道，被赤道附近的信风从东北吹到西南。就像早晨不想起床的你被闹钟拉出温暖的被窝，然后又冒着寒风跑到了学校一样。同样受到地转偏向力的影响，水流实际上在赤道附近由东向西流动。

中纬度就是赤道附近过程的一个复制，中纬度地区的水被从西南方向吹向东北方向时，地转偏向力使其从西向东移动。水就这样像被送上了传送带一样的一步步顺时针循环 (当然，在南半球是相反的逆时针)。洋流与空气环流相互作用。来自两极地区的冷水沿着大陆的西海岸移动，水域上方的冷空气给邻近的大陆带来较低的温度。

与空气流动不同的是，除了上述的洋流模式，也就是 Shallow Warm Currents (浅暖流)，洋流还有一种模式，叫做 Deep Cold Current (深冷流)，也叫 Thermohaline Circulation (温盐环流)。这种循环就相对简单的多。它的主要作用是推动地表水和深水的混合，让热量和营养物质在海洋中纵向循环流动。这样水中的生物就可以得到生命所需的氧气和营养物质啦。这有一点像买东西，上层水是买家，下层水是卖家。下层水把营养物质给上层水的同时上层水也把相应的钱，也就是氧气给了下层水。而这个以物易物的过程就是通过纵向的循环实现的。

这种循环是由含有大量盐的地表水驱动的。例如，当暖流从热带流向寒带的时候，一些水自然蒸发或者因为温度降低而结冰，导致水的盐浓度增加。这种冰冷的咸水的密度较大，所以会沉入海底，与更深的海水混合。这种循环非常缓慢，可能需要数百年才能完成。果然上下楼跑就比在一层不同房间来回穿要累的多呀。我不禁回想起了读国际学校早期六年级时候每天被迫爬六层楼上学的恐惧。

虽然这种环流发生的非常缓慢，但是它至关重要又很容易受到影响。例如，全球变暖就会影响Thermohaline Circulation (温盐环流)。气温升高会加速北半球冰川的融化，稀释北大西洋的海水。当水的含盐度降低，海水就不太容易下沉。这就会导致洋流中断，阻止向西欧输送温水，并导致其气温下降。

实际上，这种海冰偏少的情况也在某种程度上直接导致了今年冬天中国的气温格外低。根据中国国家气候中心气候预测室观测，去年秋天北极海冰相较于往年偏少。这导致了赤道太平洋的异常冷海温，也就是拉尼娜现象的一种表现。

拉尼娜现象

拉尼娜现象与它有名的同胞兄弟，厄尔尼诺现象正好完全相反。这两个名字咋一看超级长超级可怕，好像完全记不住。但实际上这是两个很可爱的名字——拉尼娜在西班牙语里面是小女孩的意思，而厄尼诺就是小男孩。他们的名字也跟影响一样，小女孩拉尼娜会让水温降低，而小男孩厄尔尼诺会让水温升高。

在正常情况下，表层海水在东南信风的影响下会向西移动，使南美洲西岸附近的表层海水减少。这时下层海水就会向上涌形成Upwelling(上升流)。但是，在厄尔尼诺年份，东南信风偏弱，导致Upwelling (上升流) 的海水向西移动，Upwelling (上升流) 减少，太平洋海面水温升高。

了解到这么多与寒潮相关的知识，你是不是有一种寒风“千里迢迢来相会”的奇妙感觉呢？站在中纬度的土地上，感受着来自北极的干冷，新鲜的空气和其中夹杂着的也许来自热带雨林中的水蒸气，整个人似乎都与世界融为了一体。

但是，这种全球一体的能量流动也将每一个细小的对环境的破坏无限放大了。你浪费的一滴水，可能在几百年以后，决定着一个鱼群的存亡。所以，请把这种蝴蝶效应牢记在心，珍惜每一点资源吧。

保护这个奇妙的地球，从我做起。

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