三圈环流
赤道晒得最多，热空气在那里上升，在 30° 附近下沉，再沿地面流回赤道。地球在转，风跟着偏转，每个半球分成三个环流圈。
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赤道晒得最多
离赤道越远，阳光照得越斜，同样大小的地面分到的阳光越少。按地球的轨道算，一年平均，大气顶上每平方米收到的阳光，赤道约 416 瓦，两极约 172 瓦，相差 2.4 倍。
热带吸收的阳光多于散失的热，两极散失的多于吸收的。热带并没有越来越热，两极也没有越来越冷：多出来的热由大气和海洋往两极搬。按 Fasullo 和 Trenberth（2008）的估计，搬得最多的地方在纬度 35° 附近，约 5.9 PW，也就是每秒 5.9 × 10¹⁵ 焦，其中大部分靠大气。
这一章，环带的切面按平均气温着色：热带近地面最暖，越往高处、越往两极越冷。
年平均日射：赤道约 416 瓦每平方米，两极约 172 瓦每平方米（按轨道计算）· 热向两极搬，35° 附近最多，约 5.9 PW
空气在赤道上升
两个半球的信风在赤道附近汇合。那里的空气又暖又湿，向上升，一边升一边变冷，水汽凝结成高耸的积雨云，下大雨。这条带叫热带辐合带。空气往上走，海面上常常没有风，水手管它叫赤道无风带。
环带切面上橙色的笔画和箭头，就是从雨带升起的空气：一直升到对流层顶，约 16 公里高，再向两极流去。地球上的云也只画在多雨的地方，按 GPCP 1991–2020 年的平均雨量。
这条雨带平均在赤道以北几度。按经度平均，一年里雨最多的纬度在 6.5°N 左右。Schneider 等（2014）认为，它偏北主要是因为大西洋把热往北送，北半球更暖。
信风汇合，空气上升，成云下雨 · 按经度平均，雨最多处约 6.5°N（GPCP，1991–2020 年）
在 30° 附近下沉
升到高空的空气向两极流，一路向太空散热，变冷，到南北纬 30° 附近下沉。下沉的空气被压缩，变热变干，所以那里多晴天、少雨。撒哈拉就在这条带上。
下沉的空气在地面形成高压。按经度平均，海平面气压最高的地方在 35°N 和 32.5°S 附近，约 1,018 百帕。在地图上它不是一整条带，而是大洋上一个个高压中心，比如北大西洋的亚速尔高压。台上的白线是等压线，每 4 百帕一条。
水手管这里叫马纬度：风弱，天晴。不是所有沙漠都在这条带上：山的背风面、沿岸的冷洋流（阿塔卡马、纳米布）、远离海洋的内陆和极地，也会造出沙漠。
30° 附近空气下沉，变热变干 · 地面上是大洋上的一个个高压 · 等压线每 4 百帕（NCEP/NCAR，1991–2020 年）
信风
下沉的空气在地面向两边流开。流回赤道的那一股，本该正对着赤道吹。可是地球在转：在转动的地面上看，运动的空气在北半球往右偏，在南半球往左偏，在赤道上不偏。这叫科里奥利效应。
于是回流的风成了北半球的东北信风和南半球的东南信风。台上的虚线是地球不转时风走的路，实线是它实际走的路。1735 年，哈得来用地球的自转解释了信风为什么从东边吹来。
白色的短线跟着 1991–2020 年地面 10 米高的平均风漂，一秒钟走 10 小时的路。按经度平均，31°N 到 32°S 之间地面吹的都是东风。
北半球往右偏，南半球往左偏 · 东北信风和东南信风 · 白线：10 米高的平均风（NCEP/NCAR，1991–2020 年）
三个环流圈
把很多年、所有经度的风平均起来，每个半球的空气大致绕成三个圈。靠赤道的是哈得来环流圈，从赤道到 30° 左右；中间是费雷尔环流圈，从 30° 到 60° 多；最外面是极地环流圈。切面上的流线就是由 NCEP/NCAR 1991–2020 年的平均风算出来的。
三个圈大小悬殊。按这份平均，北半球的哈得来圈每秒翻转的空气约有 780 亿千克，南半球的约 960 亿千克；南半球的费雷尔圈约 540 亿千克，北半球的约 140 亿千克；北半球的极地圈只有约 22 亿千克。
哈得来圈和极地圈里，暖空气上升、冷空气下沉。费雷尔圈正好相反：它是中纬度一个接一个的高压和低压平均出来的样子，不是一个真的对流圈。哈得来在 1735 年设想每个半球只有一个大圈；费雷尔在 1856 年补上了中纬度的那一圈。
哈得来圈：0°–30° 左右 · 费雷尔圈：30°–60° 多 · 极地圈 · 流线：按经度和多年平均（NCEP/NCAR，1991–2020 年）
为什么不是一个大圈
如果地球不转，赤道上升的热空气可以一路流到两极再下沉，每个半球只有一个大圈。哈得来当年设想的就是这样。
地球在转。从赤道出发、在高空流向两极的空气，带着赤道上随地球转动的速度，离地轴越近，就越往东偏、越快。假如它一路保持角动量，到 30° 会快到每秒 134 米。真实大气撑不到那一步：按 1991–2020 年的平均，30°–35° 上空 12 公里处的西风约每秒 27–30 米，北半球冬天约 44 米。那里是副热带急流。
所以哈得来圈在 30° 左右就下沉了。再往外，热主要靠中纬度一个接一个的风暴搬运；把这些风暴平均起来，就显出了费雷尔圈。
角动量一路守恒，到 30°：每秒 134 米（计算）· 实际：12 公里高约每秒 27–30 米（NCEP/NCAR，年平均）
对流层有多高
这些环流都在大气最底下的一层里，叫对流层。它装着大气约四分之三的质量，几乎所有的天气都在这里。越往上越冷，平均每升高 1 公里约冷 6.5 °C。
对流层的顶叫对流层顶。按 NCEP/NCAR 的多年平均，赤道上空约 16.5 公里，北极约 8.7 公里，南极约 9.5 公里。台上环带的外缘就是它，高度放大了 120 倍。
环带切面的颜色是平均气温。赤道上，地面附近约 25 °C，16 公里高处约 −75 °C。再往上是平流层，环带没有画。
对流层顶：赤道约 16.5 公里，两极约 9 公里（NCEP/NCAR，1991–2020 年）· 环带的高度放大 120 倍
西风与极锋
从 30° 往两极流的那一股地面风，被偏向东，成了西风。按经度平均，北半球 31°N 到 64°N、南半球 32°S 到 66°S 的地面吹西风。南半球的最强，52°S 附近平均每秒 7 米，那一圈几乎都是海。
在 60° 左右，从极地流出的冷空气撞上中纬度较暖的空气，这条交界叫极锋。温带的气旋大多沿着它生成，这是挪威的气象学家在 1910–1920 年代提出的。再往极地，地面吹极地东风；极地环流圈是三个圈里最弱的。
在 30° 和 60° 附近的高空，各有一条自西向东吹的急流，高约 9–14 公里，冬天最强。
西风：约 30°–60° · 极锋：60° 左右 · 极地东风 · 白线：10 米高的平均风（NCEP/NCAR）
跟着太阳南北移
太阳直射的纬度一年在 23.4°N 和 23.4°S 之间来回。整套环流跟着南北挪，但晚一两个月，摆得也没那么远。按经度平均，雨最多的纬度从 1 月的 8°S 左右移到 8 月的 9°N 左右。
冬半球的哈得来圈变得很强，一直伸过赤道；夏半球的那一圈几乎消失。按 NCEP/NCAR 的月平均，1 月北半球那一圈每秒翻转约 2,000 亿千克空气，南半球那一圈约 460 亿千克；7 月反过来。
在大洋上，雨带只摆几度。在印度洋和南亚，7–8 月雨带一直北上到 21°N 左右，风向也随季节反过来，这就是南亚季风。
太阳直射：23.4°N–23.4°S · 雨带晚一两个月跟上 · 南亚：7–8 月雨带到 21°N 左右（GPCP，1991–2020 年）
拆成六个圈
台上的环带是对流层沿一条经线的切面。靠这边的一半按年平均的边界切成六块：两个半球各有哈得来圈、费雷尔圈和极地圈。地球留在原处。
指针停在哪一块上，它就被单独托起，标出名字。
哈得来圈 · 费雷尔圈 · 极地圈 · 地球
十二个月
这里是 1991–2020 年的逐月平均，月与月之间线性过渡。环带上的流线、地球上的云带、地面的风和等压线都随月份变；阳光照来的方向按那个月太阳直射的纬度摆。
读数是太阳直射的纬度、按经度平均雨最多的纬度，以及两个哈得来圈里较强的那一个每秒翻转的空气。
逐月平均（NCEP/NCAR、GPCP，1991–2020 年），不是某一年 · 月与月之间线性过渡
试一试把月份从 1 月拨到 7 月：雨带的纬度从哪里移到哪里？太阳直射点移了多少？
模型省略了什么
台上是一个地球仪，套着一圈切开的对流层，不按比例：环带的高度放大了 120 倍，外缘画到对流层顶为止。地球是 NASA 的 Blue Marble 图像（2004 年 10 月），夜里的灯光来自 2016 年的 Black Marble；云取自 NASA 2002 年的云图，只留下按 GPCP 平均多雨的地方，所以副热带海面上常见的低云没有画。切面上的流线是经向质量流函数，由 1991–2020 年 NCEP/NCAR 再分析的月平均南北风算出：先按经度平均，地面以下的部分不计，每个纬度上空没有净的空气南北流过；线画在每秒 20 亿、100 亿、400 亿和 1,200 亿千克处，所以强的圈线多，弱的圈线少。笔画的速度压缩过，哈得来圈实际比极地圈快几十倍。每个圈里加粗、带箭头的线是其中一条流线，箭头指空气转的方向。切面的底色按圈的转向分两种，讲热量和高度的两章换成平均气温；热带上升的空气是唯一的橙红色。地面上的白线是 10 米高的平均风；等压线是海平面气压，在 1,500 米以上的高地上不画。实验台在逐月平均之间线性过渡，不是哪一年的真实天气。
几个容易误会的地方
三个圈是把多年、所有经度平均之后的样子；任何一天的天空里都看不到三个整齐的圈，中纬度是一个接一个移动的高压和低压。地面上的副热带高压不是一整条带，而是大洋上分开的几个高压。费雷尔圈里暖空气下沉、冷空气上升，它是风暴平均出来的，不是对流圈。每秒 134 米是角动量一路守恒的假想值，不是真实的风。科里奥利效应只在大尺度上明显：家里洗手池放水往哪边转，看的是盆的形状和水原来的流动，不是在哪个半球。不是所有沙漠都在下沉带上。雨带平均在赤道以北几度，具体几度要看怎么量：按雨最多的纬度约 6°N，按雨量的中位纬度只有约 2°N。IPCC 第六次评估报告认为，自 1980 年代以来哈得来环流很可能变宽了，变宽多少只有中等信度。
常见问题 · 5
- 赤道和两极一年收到的阳光差多少？
离赤道越远，阳光照得越斜，同样大小的地面分到的阳光越少。按地球的轨道算，一年平均，大气顶上每平方米收到的阳光，赤道约 416 瓦，两极约 172 瓦，相差 2.4 倍。
01赤道晒得最多 ↑- 热带辐合带是什么？
两个半球的信风在赤道附近汇合。那里的空气又暖又湿，向上升，一边升一边变冷，水汽凝结成高耸的积雨云，下大雨。这条带叫热带辐合带。
02空气在赤道上升 ↑- 为什么南北纬 30° 附近多沙漠？
升到高空的空气向两极流，一路向太空散热，变冷，到南北纬 30° 附近下沉。
03在 30° 附近下沉 ↑- 费雷尔环流圈和哈得来环流圈有什么不同？
哈得来圈和极地圈里，暖空气上升、冷空气下沉。费雷尔圈正好相反：它是中纬度一个接一个的高压和低压平均出来的样子，不是一个真的对流圈。
05三个环流圈 ↑- 雨带怎样随季节移动？
太阳直射的纬度一年在 23.4°N 和 23.4°S 之间来回。整套环流跟着南北挪，但晚一两个月，摆得也没那么远。
09跟着太阳南北移 ↑
资料来源
- NASA Earth Observatory：Climate and Earth’s Energy Budget（太阳不均匀地加热地球；热带收入多于散失，极区散失多于收入）
- NASA：Earth Fact Sheet（太阳辐照度 1,361 瓦每平方米，黄赤交角 23.44°）
- J. T. Fasullo、K. E. Trenberth（2008）：J. Climate 21, 2313（向两极的热输送在 35° 最多，约 5.9 PW）
- K. E. Trenberth、J. M. Caron（2001）：J. Climate 14, 3433（35° 处大气占 78%（北）和 92%（南））
- J. Marshall、R. A. Plumb：Atmosphere, Ocean and Climate Dynamics 第 8 章讲义（哈得来圈、信风、副热带下沉、不转的地球、角动量）
- E. Halley（1686）：An historical account of the trade winds, and monsoons…，Phil. Trans. 16, 153
- G. Hadley（1735）：Concerning the cause of the general trade-winds，Phil. Trans. 39, 58
- A. O. Persson（2006）：Hadley’s Principle，History of Meteorology 3, 17
- T. Schneider（2006）：The general circulation of the atmosphere，Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 34, 655（费雷尔圈由涡旋维持；年平均和季节）
- W. Ferrel（1856）：An Essay on the Winds and the Currents of the Ocean（1882 年重印本）
- NOAA JetStream：Global Atmospheric Circulations（三个圈、不转的地球、哈得来 1735 年）
- NOAA JetStream：The Jet Stream（急流的位置、高度，冬季最强）
- NOAA JetStream：The Intertropical Convergence Zone（跟着太阳南北移）
- NOAA JetStream：Norwegian Cyclone Model（1910–1920 年代的挪威学派）
- NOAA 国家海洋局：What are the doldrums?（赤道无风带、空气上升）
- NOAA 国家海洋局：What are the horse latitudes?（30° 附近的高压、晴天少雨）
- NOAA 国家海洋局洋流教程：The Coriolis Effect（北半球右偏，南半球左偏）
- T. Schneider、T. Bischoff、G. H. Haug（2014）：Nature 513, 45（热带辐合带平均在约 6°N；偏北的原因；大洋与印度洋上的摆动）
- A. Donohoe 等（2013）：J. Climate 26, 3597（雨带的季节摆动和滞后）
- M. Dima、J. M. Wallace（2003）：J. Atmos. Sci. 60, 1522（哈得来圈的季节：冬半球的圈最强）
- P. H. Stone：MIT 12.812 讲义第 3 节（三圈结构，费雷尔圈热力间接，极地圈很弱）
- M. J. Rodwell、B. J. Hoskins（2001）：J. Climate 14, 3192（副热带高压是大洋上的高压）
- M. S. Reboita 等（2019）：Frontiers in Earth Science 7（南半球的三个副热带高压）
- 美国地质调查局：Deserts: Geology and Resources，Types of Deserts（信风沙漠、雨影、沿岸、极地）
- Scientific American（2001）：Does water flowing down a drain spin differently depending on the hemisphere?
- UCAR 科学教育中心：The Troposphere（大气质量的 75–80%）
- NASA 格伦研究中心：Earth Atmosphere Model（标准大气每公里降约 6.5 °C）
- S. Fueglistaler 等（2009）：Rev. Geophys. 47, RG1004（热带对流层顶约 17 公里）
- K. P. Hoinka（1998）：Mon. Wea. Rev. 126, 3303（极区对流层顶的气压）
- D. M. Schultz 等（2019）：Meteorological Monographs 59（极锋与温带气旋，Bjerknes 和 Solberg 1922）
- 美国国家气象局术语表：Monsoon（随季节反转的风）
- 美国国家气象局术语表：Subtropical Jet（20°–30°，12–14 公里）
- IPCC（2021）：AR6 第一工作组第 2 章（自 1980 年代以来哈得来环流很可能变宽）
- NCEP/NCAR 再分析（Kalnay 等 1996），经 NOAA PSL：本页的风、气温、高度、气压和对流层顶
- E. Kalnay 等（1996）：The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project，BAMS 77, 437
- GPCP 月降水 v2.3，经 NOAA PSL：本页的雨量和云带
- R. F. Adler 等（2018）：Atmosphere 9, 138（GPCP v2.3）
- NOAA Interpolated OLR，经 NOAA PSL：向太空的红外辐射
- NASA Earth Observatory：Blue Marble: Next Generation（Stöckli 等 2005）
数据
Winds, temperatures, heights, sea-level, surface and tropopause pressure: NCEP/NCAR Reanalysis 1, 1991–2020 monthly long-term means (Kalnay et al. 1996); precipitation: GPCP v2.3 (Adler et al. 2018); outgoing longwave radiation: NOAA Interpolated OLR. Data provided by the NOAA PSL, Boulder, Colorado, USA, from their website at https://psl.noaa.gov. Earth: NASA Earth Observatory, Blue Marble: Next Generation, October 2004 (Reto Stöckli et al. 2005); city lights, NASA Earth Observatory Black Marble 2016 (Joshua Stevens, Miguel Román, Suomi NPP VIIRS); clouds, NASA Blue Marble 2002 (Reto Stöckli, NASA GSFC). Elevation: ETOPO1, NOAA; GMTED2010 and SRTM, USGS (Terrain Tiles on AWS Open Data). The globe’s ring, its height scale, the drawn flow and the lab’s month-to-month blending are this page’s own model, not any institution’s product.
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引用这幅图版
拉普拉斯的迷你世界，图版 64《三圈环流》，https://world.lapla.si/zh/circulation/，CC BY-NC 4.0，2026-10-30 更新。
沿这个问题继续
图版 56洋流与厄尔尼诺风推着海面走，地球的自转让水流偏转，大陆挡住去路，表层的水在每个大洋里绕成大环流；环流西边的洋流又窄又急。热带太平洋上，信风把暖水堆在西边，东边的冷水离海面很近。每隔 2–7 年，信风变弱，暖水向东涌，温跃层变平，这就是厄尔尼诺，远处的天气也往往跟着变。台上是一块沿赤道切开的太平洋，水的颜色是测得的温度。
图版 04飓风的引擎它靠暖海运转，地球的自转让它旋转起来。
