# 三圈环流

拉普拉斯的迷你世界 · 图版 64 · 地球与天空 · 地球

> 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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- 更新于：2026-10-30

## 01 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*

## 02 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）*

## 03 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）*

## 04 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）*

## 05 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）*

## 06 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）*

## 07 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*

## 08 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）*

## 09 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）*

## 10 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*

## 11 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

### 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。

见：[01 赤道晒得最多](https://world.lapla.si/zh/circulation/#heat)

### 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。

见：[02 空气在赤道上升](https://world.lapla.si/zh/circulation/#rise)

### 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。

见：[03 在 30° 附近下沉](https://world.lapla.si/zh/circulation/#sink)

### 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。

见：[05 三个环流圈](https://world.lapla.si/zh/circulation/#cells)

### 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。

见：[09 跟着太阳南北移](https://world.lapla.si/zh/circulation/#seasons)

## 资料来源

1. [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）](https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/climate-and-earths-energy-budget/)
2. [NASA：Earth Fact Sheet（太阳辐照度 1,361 瓦⁠每平方米，黄赤交角 23.44°）](https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html)
3. [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）](https://doi.org/10.1175/2007JCLI1936.1)
4. [K. E. Trenberth、J. M. Caron（2001）：J. Climate 14, 3433（35° 处大气占 78%（北）和 92%（南））](https://doi.org/10.1175/1520-0442(2001)014%3C3433:EOMAAO%3E2.0.CO;2)
5. [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）](https://www.atmos.albany.edu/daes/atmclasses/atm551/OtherReadingMaterials/MIT-chap8-GeneralCirculation.pdf)
6. [E. Halley（1686）：An historical account of the trade winds, and monsoons…，Phil. Trans. 16, 153](https://doi.org/10.1098/rstl.1686.0026)
7. [G. Hadley（1735）：Concerning the cause of the general trade-winds，Phil. Trans. 39, 58](https://doi.org/10.1098/rstl.1735.0014)
8. [A. O. Persson（2006）：Hadley’s Principle，History of Meteorology 3, 17](https://journal.meteohistory.org/index.php/hom/article/view/58)
9. [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）](https://doi.org/10.1146/annurev.earth.34.031405.125144)
10. [W. Ferrel（1856）：An Essay on the Winds and the Currents of the Ocean（1882 年重印本）](https://archive.org/details/popularessayson00hazegoog)
11. [NOAA JetStream：Global Atmospheric Circulations（三个圈、不转的地球、哈得来 1735 年）](https://www.noaa.gov/jetstream/global/global-atmospheric-circulations)
12. [NOAA JetStream：The Jet Stream（急流的位置、高度，冬季最强）](https://www.noaa.gov/jetstream/global/jet-stream)
13. [NOAA JetStream：The Intertropical Convergence Zone（跟着太阳南北移）](https://www.noaa.gov/jetstream/tropical/convergence-zone)
14. [NOAA JetStream：Norwegian Cyclone Model（1910⁠–⁠1920 年代的挪威学派）](https://www.noaa.gov/jetstream/synoptic/norwegian-cyclone-model)
15. [NOAA 国家海洋局：What are the doldrums?（赤道无风带、空气上升）](https://oceanservice.noaa.gov/facts/doldrums.html)
16. [NOAA 国家海洋局：What are the horse latitudes?（30° 附近的高压、晴天少雨）](https://oceanservice.noaa.gov/facts/horse-latitudes.html)
17. [NOAA 国家海洋局洋流教程：The Coriolis Effect（北半球右偏，南半球左偏）](https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_currents/04currents1.html)
18. [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）](https://doi.org/10.1038/nature13636)
19. [A. Donohoe 等（2013）：J. Climate 26, 3597（雨带的季节摆动和滞后）](https://doi.org/10.1175/JCLI-D-12-00467.1)
20. [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）](https://doi.org/10.1175/1520-0469(2003)060%3C1522:OTSOTH%3E2.0.CO;2)
21. [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）](https://ocw.mit.edu/courses/12-812-general-circulation-of-the-earths-atmosphere-fall-2005/d2d8abbaec134a4cc1addcc0f3d838d3_section3.pdf)
22. [M. J. Rodwell、B. J. Hoskins（2001）：J. Climate 14, 3192（副热带高压是大洋上的高压）](https://doi.org/10.1175/1520-0442(2001)014%3C3192:SAASM%3E2.0.CO;2)
23. [M. S. Reboita 等（2019）：Frontiers in Earth Science 7（南半球的三个副热带高压）](https://doi.org/10.3389/feart.2019.00008)
24. [美国地质调查局：Deserts: Geology and Resources，Types of Deserts（信风沙漠、雨影、沿岸、极地）](https://pubs.usgs.gov/gip/deserts/types/)
25. [Scientific American（2001）：Does water flowing down a drain spin differently depending on the hemisphere?](https://www.scientificamerican.com/article/can-somebody-finally-sett/)
26. [UCAR 科学教育中心：The Troposphere（大气质量的 75⁠–⁠80%）](https://scied.ucar.edu/learning-zone/atmosphere/troposphere)
27. [NASA 格伦研究中心：Earth Atmosphere Model（标准大气每公里降约 6.5 °⁠C）](https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/atmosmet.html)
28. [S. Fueglistaler 等（2009）：Rev. Geophys. 47, RG1004（热带对流层顶约 17 公⁠里）](https://doi.org/10.1029/2008RG000267)
29. [K. P. Hoinka（1998）：Mon. Wea. Rev. 126, 3303（极区对流层顶的气压）](https://doi.org/10.1175/1520-0493(1998)126%3C3303:SOTGTP%3E2.0.CO;2)
30. [D. M. Schultz 等（2019）：Meteorological Monographs 59（极锋与温带气旋，Bjerknes 和 Solberg 1922）](https://doi.org/10.1175/AMSMONOGRAPHS-D-18-0015.1)
31. [美国国家气象局术语表：Monsoon（随季节反转的风）](https://forecast.weather.gov/glossary.php?word=monsoon)
32. [美国国家气象局术语表：Subtropical Jet（20°–30°，12⁠–⁠14 公⁠里）](https://forecast.weather.gov/glossary.php?word=subtropical%20jet)
33. [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）](https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_Chapter02.pdf)
34. [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](https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)
35. [E. Kalnay 等（1996）：The NCEP/NCAR 40-⁠Year Reanalysis Project，BAMS 77, 437](https://doi.org/10.1175/1520-0477(1996)077%3C0437:TNYRP%3E2.0.CO;2)
36. [GPCP 月降水 v2.3，经 NOAA PSL：本页的雨量和云带](https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.gpcp.html)
37. [R. F. Adler 等（2018）：Atmosphere 9, 138（GPCP v2.3）](https://doi.org/10.3390/atmos9040138)
38. [NOAA Interpolated OLR，经 NOAA PSL：向太空的红外辐射](https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.olrcdr.interp.html)
39. [NASA Earth Observatory：Blue Marble: Next Generation（Stöckli 等 2005）](https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/blue-marble-next-generation/)

## 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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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。