漫谈西风带

一、西风带的形成

西风带泛指行星风带中中纬度盛行的西风，近50年的大气探测资料表明西风带主要在高空表现明显，且显著存在两个风速核心，其分别位于30~40N的副热带-中纬度地区以及60N 附近的中高纬度地区，两支急流因所处的纬度特征而分别被成为副热带急流以及极锋急流，他们是西风带高空结构的重要组成部分，但想要理解他们的形成则需要对三圈环流体系有一个详尽的了解。

赤道附近，因为太阳高度角常年偏大的缘故，接受到的热量为全球之最，由于相对热的气团会上升，所以赤道附近拥有常年最为恒定的抬升气流。强烈的抬升气流降低了地面的气压，由此赤道低压带形成，而低压带对周围气流有拉扯作用，由此构成的上升气流反过来加强了抬升气流，从而构成一个循环。

反过来，极地因为常年接受到的太阳辐射异常少，空气相对于其他地方来说要冷得多，由此形成的冷气团在下沉过程中构成了极地高空的冷性低压（极涡）。低压产生的风场强迫又使得周围的空气从高空流入而后下沉并构成循环。

赤道附近，上升的气流在高空形成质量堆积高压，同时等压面的因气流的上升而抬高。而在极地地区，底层因下沉气流而形成冷性高压，不过有研究表明这种高压的强度相当弱，甚至出现气旋性旋转。

由此，赤道附近气压层的升高和极地气压层的降低导致了经向气压负梯度的出现，如果空气此时的运动是准地砖的，那么必然出现大片的西峰区。但事实上，由于科里奥利力参数f=2Ωsinφ在低纬度极小，所以赤道-低纬度地区的风是非地转的，一般高空气流以SWS的形势出现。而到了30N附近的副热带地区，地转参数量级可以与气压梯度比拟时，风向将转为地转西风，西风带即从这里开端。

但30N附近的高空仅仅存在质量堆积是不行的，必须有一个流出存在——这个流出，按照观测，几乎完全以向地面的流出体现。在副热带地区下沉的气流是近似绝热的，下沉增压的结果就是中下对流层出现异常干暖的气团，同时下沉气流在近地面的堆积会形成干暖的高压，也即副热带高压。

反过来再看中纬度地区，底层由极地向外流出的空气在高纬度地区因科里奥力的因素而呈现偏东风，这就是极地东风带，而在60N的南侧则充斥着因副热带高压而形成的偏南气流，两股气流在60N附近相会形成辐合，同时具有相当显著的经向温度梯度，于是，锋面形成——这种锋面一般统称极锋。

极锋附近上升的气流在高空形成质量堆积，辐散气流向两侧流出时，向北的一支汇入极涡环流中以填补高空辐合造成的质量流失，而向赤的一支与来自赤道的偏南风气流在副热带地区相遇从而形成高空锋区，随后下沉为副热带高压。

整个三圈环流由此形成，整个理论风场分布情况大致如下图所示，但但西风带的两支急流是如何形成的呢？

图1.1：理论三圈环流（紫色为纬向西风，绿色为纬向东风）

图1.2：全球垂直速度气候均值剖面：

两支西风急流的成因是完全不相同的。对于极锋活动地区，其地面气流的方向并不确定，但却始终具有强烈的经向温度梯度，且南暖北冷。在热胀冷缩的作用下，南侧较暖的空气会使得整个气层变厚，而北侧的气层则因为较低的气温而变薄，从而使得气压梯度随着气压的降低（高度的升高）而升高，到了上对流层（300~200hPa）附近，强烈的气压梯度会造成强烈的西风气流——这就是极锋急流的成因，如果用更学术化一点的语言，就是60N附近较强的温度梯度导致热成风产生极锋西风。

而在副热带地区高空的副热带西风急流的成因则与较强的极赤位势高度梯度以及位温面锋区特征有关，属于高空锋导致的后果。一般来说，副热带高空急流也被成为南支，而极锋急流则被成为北支，且南支基本强于北支。下两图是81~10年气候平均位势高度场与位温场剖面可以看出两个关键物理要素在30N附近有最为剧烈的变化，且出现锋面特征。

图1.3/4：300~100hPa位温、位势高度剖面（1981~2010）

但实际风场的分布并不与三圈环流的推论相同，其问题主要出现在赤道-低纬度地区上空以及Ferrel环流圈的上空。根据之前的分析，热带地区上空应该被广泛的西风所覆盖，但实际情况是热带、特别是赤道地区中对流层以上往往存在明显的东风气流，他的形成与科里奥利力有关——由于上升气流受到的科氏力指向西侧，所以赤道气流在上升过程中会逐渐出现东分量，上升的越长，向东的速度也就越大，不过在对流层内由于受到赤道纬向Walker环流的干扰，这种特征并不明显，比如下图中在对流层顶附近出现了一个弱的西风距平区，随后平流层内急转强烈东风气流，这可能与太平洋上Walker环流的高空西风支有关。

另一个疑点在于Ferrel环流的高空气流，按照三圈理论，这里应该是被东风控制，但实际上这里是西风带的核心势力范围。鄙人认为可以理解为两侧两支西风急流的西风动量向中间输送，使得原本的东风带逆转为西风，这从该范围内的西风显著弱于南北两支急流可以看出，而下图是纬向风动量的经向输送气候均值，可以看出30~60N之间有广泛的正值。

图1.5：气候平均纬向风动量的经向输送（南半球反着看便于理解）

二、西风带的波动

如果仔细观察西风带的话，可以看出这条行星风带总是以弯弯曲曲的形状向东传播，而且越是靠近极地则这种波动越是明显。实际上这是西风带内在波动的体现，一般成为斜压波结构，

他的特征是高底层的温度场相差约1/4个波长。西风带的这种波动之所以存在，是为了满足大气角动量与的热量的输送需求，而且热量的输送的需要以及不同维度科里奥利力参数的变化是波动产生的原因，角动量的输送需要则调整了波动的形态。

科里奥利力的作用在于，即使经线上的气压梯度保持一个常量，因为不同纬度所对应的科氏力作用，地转西风也将出现风速上的变化（只是纬度的函数），而经向的风速切变必然带来切变动量的传递，于是波动发展。Rossby指出，科氏力梯度在中高纬度较小（β=df/dy=）Ωcosφ，所以这种波动在中高纬度也最明显，后来就称其为Rossby波。

热量输送角度，如果西风带始终保持平直的西风，那么近地面层的低纬暖平流和高纬冷平流会将极锋温度梯度的扩大将没有一个上限值，很显然这是不切实际的。而当西风带的纬向西风上一旦叠加经向波动，那么由经向风扰动产生的锋面弯曲将在平流的作用下，使得经向风扰动两侧的波包发展——比如北半球一纬向锋面上出现经向南风扰动，那么扰动的东侧将有负涡度而西侧有正涡度，于是出现辐散和辐合以及高低压的差别，一对波动形成。近地面层的波动一旦形成，低压中心偏东侧的南风暖平流将东侧的温度升高，使得气层变厚，同时上升气流也将暖的空气向上携带，使得高空出现暖而高的脊性空气。在低压中心西侧则是北风的冷平流，情况完全相反，如此一暖一冷一高一低的配置就组成了高空西风波动的温压场特征。

从角动量传递的角度来说，赤道/极地附近的近地面东风使得地球对其上方的大气输送西风角动量，而西风带内的西风对地面有西风角动量输送，这样如果没有一个合理的输送通道，全球的纬向风都将和地面保持一样的角速度，而这明显不符合实际，所以大气中必然存在一条角动量的输送通道。在假设西风气流的速度恒定的情况下，我们知道如果西风波动中的槽脊轴线与经线垂直，那么槽脊两侧的经向风将会使得角动量的净输送等于0，但如果槽脊是倾斜的呢？如果槽脊线是西南-东北倾斜的（后倾槽/正斜槽），那么在风速恒定的情况下槽前的偏西分量要远大于槽后的偏西分量，而且槽前气流是西南偏西的，于是净角动量的输送指向北，这种区别如下图所示：

图2.1：西风槽形态对角动量的净输送的影响(鼠绘/摘录)