全球八圈环流“大气传送带”：如何影响全球气候？

钱维宏 北京大学物理学院

从传统 “三圈环流” 到 “全球八圈环流” 的发现，不仅是大气运动规律的精细升级，更揭示了大气与气候之间更复杂的关联。这一全新的环流模型，如同为全球气候系统装上了 “更精密的齿轮组”，通过调整热量、水汽的输送路径，影响着不同纬度的温度、降水、极端天气，甚至两极的海冰变化。其对全球气候的影响，可从高纬度气候失衡、中低纬度降水格局调整、极端天气频率变化、海冰 - 大气反馈强化四大核心维度展开。

一、重塑高纬度气候：两极 “冷暖分化” 的关键推手

在传统“三圈环流”中，高纬度仅靠 “极地环流” 维系热量平衡；而“八圈环流”新增的 “北极环流” 与 “南极环流”，直接打破了这种平衡，成为南北两极气候 “背道而驰” 的核心驱动力。

1. 北半球高纬度：增暖与海冰消融的 “加速器”

北半球的四圈环流包括哈得来环流（Hadley cell）、费雷尔环流（Ferrel cell）、极地环流（Polar cell）和新增的 “北极环流（Arctic cell）自1989-1990年以来都具有长期异常变化的趋势 [1]。北极环流的中心位于对流层低层（对应低洼的北冰洋），其长期变化趋势与极地环流形成 “反向联动”—— 近几十年观测显示，北半球极地环流增强、北极环流减弱，两者共同推动高纬度大气的 “升温效应”：

·极地环流增强，意味着从低纬度向北极输送的暖湿气流增多；北极环流减弱，则削弱了北极冷空气的 “锁闭能力”，使得暖空气更易在北极堆积。

·这种环流变化直接导致北极对流层出现 “上下双层增温”，底层增温速度达1℃/10 年，成为全球增暖“北极放大效应” 的重要大气背景。

·大气增暖又进一步触发 “海冰 - 气温正反馈”：海冰消融后，海洋吸收更多太阳辐射，加剧地面增温，反过来加速海冰减少 —— 而这一切的初始 “动力调节”，正来自北极环流与极地环流的协同变化。

2. 南半球高纬度：降温与海冰增多的 “稳定器”

与北极不同，南极环流的中心位于对流层上部（对应高耸的南极高原），其环流强度与结构变化呈现出完全相反的特征：

·南极环流与极地环流的协同作用，使得南半球高纬度（53S以南）对流层中下部出现显著降温（中心降温速度达 -1℃/10 年），且降温趋势直接传导至地面 [2]。

·地面降温抑制了海冰消融，甚至促进海冰扩张 —— 除罗斯海局部受特殊环流影响增暖外，南极大陆边缘多数海域海冰呈增多趋势。

·南极高原的地形（平均海拔 2000 米以上）进一步强化了这种环流效应：高空的南极环流能更高效地将冷空气 “约束” 在南极地区，形成与北极完全相反的 “冷化趋势”。

可以说，南北两极新增的 “极地环流”（北极环流、南极环流），是导致南北两极气候 “冷暖分化” 的关键齿轮 —— 它们的存在，让原本对称的高纬度环流系统，产生了截然不同的气候效应。

二、调整中低纬度降水：雨带偏移与干湿格局重构

中低纬度的气候核心是 “水热分布”，而八圈环流通过改变哈得来环流、费雷尔环流的强度与位置，直接影响雨带的移动和干湿区域的划分。

1. 哈得来环流：副高 “失衡” 引发的降水异常

哈得来环流是热带地区的 “主环流”，其下沉支对应副热带高压带（干旱区），上升支对应赤道多雨带。在八圈环流模型中，南北半球哈得来环流的长期变化呈现 “不对称性”：

·北半球哈得来环流增强更显著，导致北半球副热带高压（如北太平洋副高、北大西洋副高）的强度、范围均大于南半球；而南半球哈得来环流的下沉支则向南偏移，使得南半球副高增强中心南移至45°S附近。

·这种 “副高失衡” 直接引发降水格局变化：北半球副高控制区（如美国西南部）干旱化趋势加剧，夏季雨带更易向北推进（如中国长江流域梅雨期缩短，而西北、华北、东北降水增多）；南半球副高南移则导致南美洲南部、澳大利亚南部降水增多，而热带草原区干旱风险上升。

2. 费雷尔环流：中纬度 “西风带波动” 与极端降水

费雷尔环流是中纬度的 “间接环流”，其强度变化直接影响西风带的稳定性。在八圈环流背景下，费雷尔环流与高纬度环流（传统极地环流+新增极地环流）的相互作用更复杂：

·北半球高纬度增暖导致南北温差减小，削弱了西风带的 “约束能力”，使得西风带波动加剧（如阻塞高压、切断低压频发）—— 这会导致中纬度地区（如欧洲、中国东北）极端降水增多（暖湿气流更易北上），同时寒潮过程减少但强度增强（冷空气 “阶段性爆发”）。

·南半球高纬度降温则维持了较强的南北温差，西风带更稳定，中纬度地区（如新西兰、南非）降水变率较小，但极端低温事件更频繁。

简言之，八圈环流通过调整中低纬度环流的 “对称性”，让全球雨带从 “均匀分布” 转向 “区域失衡”，直接影响农业生产、水资源分配和生态系统稳定。

三、加剧极端天气：环流 “异常模态” 的放大效应

八圈环流的一个重要特征是 “环流强度存在日循环（24 小时）和年循环（365 天）”，而实际天气是 “环流平均态 + 扰动” 的结果 —— 八圈环流强度和位置异常趋势反映了天气扰动的累计放大，进而引发更频繁的极端天气。

1. 高纬度环流异常：寒潮、热浪的 “幕后推手”

·北半球北极环流减弱时，北极冷空气更易突破 “西风带屏障” 南下，导致欧亚大陆、北美东部爆发强寒潮（如 2021 年美国得州寒潮）；而当极地环流增强时，暖空气持续北输，高纬度的北极地区则会出现罕见热浪（如 2020 年西伯利亚热浪，极端气温达 38℃）。

·南半球南极环流增强时，南极冷空气更易向中纬度扩散，导致南美洲南部、澳大利亚南部出现极端低温和暴风雪（如 2022 年阿根廷暴风雪）；而环流减弱时，罗斯海附近暖湿气流增强，引发局部冰川融化和暴雨。

2. 低纬度环流异常：台风、季风的 “强度升级”

·北半球哈得来环流增强，会导致热带洋面（如西北太平洋、北大西洋）海温升高，为台风（飓风）提供更多能量，使得台风强度增强、登陆时破坏力更大（如 2023 年超强台风 “杜苏芮”）。

·南半球哈得来环流增强的趋势中心南移则改变了季风环流的路径，如印度洋夏季风更易向西偏移，导致印度西部、非洲东部降水增多，而东南亚部分地区降水减少，加剧洪涝与干旱的 “两极分化”。

四、强化海气相互作用：气候系统的 “连锁反应”

八圈环流不仅是大气内部的 “运动规律”，更是连接大气、海洋、海冰的 “桥梁”—— 其变化会通过海气相互作用，引发全球气候系统的 “连锁反应”。

1. 海冰 - 大气反馈：环流与海冰的 “双向绑定”

如前所述，北半球高纬度环流（极地环流增强、北极环流减弱）→大气增暖→海冰减少→海洋吸热增多→进一步增暖，形成 “正反馈循环”；而南半球高纬度环流→大气降温→海冰增多→海洋反射增强→进一步降温，同样形成 “正反馈循环”。

·这种 “双向绑定” 使得两极气候趋势更难逆转：北极海冰减少速度加快（近 40 年夏季海冰面积减少约 40%），而南极海冰总体稳定甚至略有增加，两者共同影响全球海平面（北极海冰消融不直接抬升海平面，但冰川融化会；南极海冰增多则暂时 “储存” 水分，减缓海平面上升速度）。

2. 洋流 - 环流耦合：全球 “热量输送带” 的调整

大气环流与洋流是全球热量输送的 “双引擎”。八圈环流中高纬度环流的变化，会改变风对洋流的 “驱动力”：

·北半球西风带波动加剧，导致北大西洋暖流（西风漂流的分支）强度不稳定，时而增强（输送更多热量至欧洲），时而减弱（引发欧洲降温）—— 这种变化可能影响 “北大西洋经向翻转环流（AMOC）” 的稳定性，而 AMOC 是全球气候的 “关键开关”，其减弱可能导致全球气候紊乱。

·南半球西风带稳定且偏强，维持了南半球西风漂流的强度，使得南大洋对二氧化碳的吸收能力增强（冷水更易下沉，储存更多碳），但也可能加剧南极冰川的融化（暖流更易侵入南极大陆边缘）。

总结：八圈环流 —— 理解全球气候的 “新钥匙”

全球八圈环流的发现，打破了传统三圈环流 “对称、稳定” 的认知，让我们看到一个更复杂、更动态的大气运动系统。它对全球气候的影响，本质是 “通过调整环流的强度、位置和对称性，改变热量、水汽的输送路径，进而引发高纬度冷暖分化、中低纬度降水失衡、极端天气加剧和海气相互作用强化”。

如今，当我们面对 “北极放大效应”“副高异常”“极端天气频发” 等气候问题时，八圈环流模型为我们提供了更精准的 “分析工具”—— 但仍有诸多谜题待解（如环流与地面气候的 “因果关系”、不同环流圈的相互作用机制）。深入研究八圈环流，不仅是大气科学的理论突破，更能为未来气候预测、防灾减灾和碳中和目标提供关键支撑。总之，科学界要把探寻真理放在第一要务。

参考文献

[1] Qian WH, Wu KJ, Leung JC, Shi J (2016) Long-term trends of the Polar Arctic cells influencing the Arctic climate since 1989, J Geophys Res Atmos, 121, doi:10.1002/2015JD024252.

[2] Qian WH, Wu KJ, Leung JC (2019) Antarctic sea-ice variation associated with vertical geopotential height and temperature anomalies. Int J Climatol 39: 5380-5395.

来源: 钱维宏