大氣環流（二）三胞環流（Atmospheric circulation）

大氣環流（二）三胞環流（Atmospheric circulation）
國立臺灣師範大學科學教育研究所吳佳蓉研究生/臺灣師範大學科學教育研究所許瑛玿教授責任編輯

大氣環流形成的主要因素之一是加熱的空間分布不均勻。由於低緯度地區的地面接受太陽輻射較多，氣溫比較高，所以到了高層呈現比中、高緯度為高的氣壓。空氣在高層直接由赤道流向南北極，然後在地面上由南北極流回赤道，而形成純南北方向的環流。這樣形成從赤道到北極只有一個對流胞的全球環流，稱為單胞環流，英國氣象學家George Hadley於1735年提出類似的概念，此一單胞環流因此被稱為哈德里胞（Hadley cell）。

然而哈得里環流所達成南北冷暖空氣的交換，遠遠來不及調節南北的溫差，而且當上層空氣往極區移動時，柯氏力會使它偏轉，所以向極區的分量越走越小，同時因為一路冷卻，也越走越冷，於是到了緯度30度的時候就下降了。因此哈得里環流其實只能由涵蓋赤道到緯度30度的區域。

因此極區的空氣仍然快速冷卻，當高緯度地區的南北溫差達到某個臨界值時，極區的冷空氣向中緯度潰散而下，迫使中緯度地區因副熱帶下沉氣流輻散後流向高緯度地區的氣流抬升，於是促成另一個位於中緯度地區的環流胞。這個位於中緯度的環流胞是十九世紀美國William Ferrel由理論想出來的，因此稱為佛雷爾胞（Ferrel cell）。

而從極區流出的冷空氣在中緯度被迫抬升後，到了對流層頂，有一部分氣流往極區流回，形成高緯度地區的極胞（polar cell）。極胞與哈德里胞皆可以靠本身所釋放出的能量（如潛熱）維持運作，稱為熱力直接環流（thermally direct circulation）；

而佛雷爾胞必須靠大氣提供能量，才能維持由較冷的地方上升，在較暖的地方下沉的現象，稱為熱力間接環流（thermally indirect circulation）。因此由哈德里胞、佛雷爾胞與極胞形成的「三胞環流」，是目前公認最接近觀測所得的全球環流。（如下圖）。

(圖片來源 http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/gcirc/ferrel02.htm)

地面氣壓分布大致與三胞環流相互呼應，地表空氣輻合地區為低壓帶，如赤道及中緯度低壓帶；緯度30度附近，空氣輻散的地區則為高壓區，一般而言，較少劇烈 的天氣現象發生，經常風平浪靜，亦被稱為馬緯無風帶（horse latitude）。三胞環流也直接形成地面的盛行風向，例如低緯度地區的東北信風與東南信風帶；中緯度西風帶以及極地東風帶等「行星風系」，影響人類發 展甚劇。

然而，因地球自轉軸傾斜而有季節變化，三胞結構並不永遠南北對稱，且由於地球表面上有山岳起伏，使得空氣不會很順利地在地面流動，而海陸比熱的差異，也會造成地面氣壓分布改變。因此地面氣壓分布不完全由三胞環流決定，同樣地，因氣壓不同形成的風，方向也不完全符合行星風系，如季風。

參考資料：
1. 大氣科學概論http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/atmsci.htm
2. 全球環境變遷導論「4.4垂直環流」http://gis.geo.ncu.edu.tw/gis/globalc/CHAP0404.htm