信風(Trade winds)是常年由副熱帶高氣壓帶吹向赤道低氣壓帶的盛行風,大氣環流的主要成分之一,以風向恒定少變為特征。信風盛行的低緯地區被稱為信風帶,它會隨著季節的變化而發生有規律的南北移動。
作為哈得萊環流的下部,信風主要形成于水平方向上的空氣流動現象,在地轉偏向力(即科里奧利力)的作用下,空氣流動方向發生偏移,在北半球向右偏形成東北信風,在南半球向左偏形成東南信風;其強度與高低壓系統間的氣壓差互成正比。據其不同特點,信風可分為低空信風、信風逆溫層和高空信風三層。信風會對全球的氣候和天氣造成重要影響。例如,信風的強弱變化是導致ENSO循環(即厄爾尼諾暖流南方濤動現象)的重要原因之一,ENSO循環亦會推動信風變化。同時,信風也直接導致了北非地區哈馬丹風季節,以及熱帶輻合帶(ITCZ)的形成。
古代航海家利用信風穿越大洋,促進了人類的跨地區文明交流和貿易,因此信風也被稱為“貿易風”。2014年美國與澳大利亞科學家的研究表明,過去20年太平洋信風風力空前加強,使全球變暖趨勢出現停滯局面,但一旦風力減弱,預計全球將重新迅速變暖。
定義
信風是從副熱帶高氣壓帶吹向赤道低氣壓帶的盛行風,是大氣環流的主要成分之一。它常年由副熱帶高氣壓帶吹向赤道低氣壓帶,在北半球為東北風向,稱東北信風;在南半球為東南風向,稱東南信風。信風盛行的低緯地區被稱為信風帶,包括東北信風帶和東南信風帶。
命名
由于信風較為穩定,風向、風速終年少變,好像很守信用,故得名“信風”。古代商人們借助信風吹送獲得了相對固定的帆船海路,往來于海上進行貿易,故信風又稱“貿易風”。
成因
信風是大氣環流的主要成分之一。以北半球為例,沿經圈有三個閉合環流圈,從低緯度到高緯度分別為哈得萊環流(空氣自較暖處上升,在對流層上部向較冷處流去后下沉)、費雷爾環流(空氣自較暖處下沉,較冷處上升)和極地環流(空氣自較暖處上升,在對流層上部向較冷處流去后下沉)。受三圈環流影響,近地表形成六個風帶和七個氣壓帶。
由于不同性質地面的熱力情況差異,兩個氣壓帶之間產生氣壓差,空氣發生流動現象,并從高氣壓帶流向低氣壓帶,這種水平方向上的空氣遷移運動形成了風。信風即是副熱帶高氣壓帶帶向赤道低氣壓帶流動的空氣產生的。另外由于在地球由西向東的自轉運動而產生的地轉偏向力的作用下,空氣流動方向發生偏斜,在北半球向右偏,在南半球向左偏,因此在北半球形成了東北信風和東北信風帶;在南半球形成了東南信風和東南信風帶。信風帶是哈得萊環流的下部分支。信風在赤道輻合上升至高空,補充了赤道上空流出的空氣,構成哈得萊環流的上升支。
高位和分層
信風屬地面風系,其到達的高度一般為100~1500米或更高,以風向恒定少變為特征。信風在海洋上比在陸地上更為穩定、顯著,通常會產生部分多云或晴朗的天氣。其平均風速約為每秒5~6米,但也可能出現每秒13米或更高的速度。信風可分為不同特點的三層:
低空信風
低空信風在副熱帶高氣壓帶帶附近的厚度大約限于500米的高空,但向赤道厚度逐漸增加,在副熱帶輻合帶附近厚度最大,可達2500米左右。低空信風風力強而穩定,北半球一般為東北偏東風,南半球為東南偏東風,平均方向低于45°以下的占80%以上。風速也很有規律,夏季平均約10千米/時,冬季約20千米/時,僅在副熱帶高壓帶附近風速變化才較頻繁,并與高壓環流波動強度相一致。低空信風氣團一般較為濕潤,溫度向赤道地區逐漸增高。但因低空信風層積云型較淺薄(上有逆溫層),且近地面風速最高,因此積云型云層頂部常被切去并呈略向高緯傾斜的矮積云型,氣候比較干燥,冬季只有在地形抬升作用的迎風坡有雨;夏季在逆溫層較高并受其它環流系統影響的地區才有降水。
信風逆溫層
信風逆溫層位于低空信風之上,其溫度隨高度增加(在緯度20°地區約為1℃/100米),厚度的變化從幾百米到1000米左右,和低空信風一樣向低緯方向增加;同時,逆溫層部和底部之間的溫差大約從10℃減少到僅幾度。逆溫層的高度從海洋東部向西及向赤道一側增高。冬季的逆溫層最強,在海洋東部發育最好。信風逆溫層的存在,阻止了低層氣流的上升運動,使信風區降水少,只有當具有使逆溫層抬升或遭到破壞的情況下,信風區才能有降水天氣。
高空信風
逆溫層以上為高空信風,受地轉東風控制,風速一般較低空信風低,高度在近副熱帶高氣壓帶帶處為6000米左右,在熱帶輻合帶附近上升到10000米。高空信風氣團性質干燥穩定,風向為東風。
周期變化
由于太陽直射點位置不斷變化,南北半球上的信風帶也會隨著季節的變化而發生有規律的南北移動。以東北信風帶為例,每年3月位于5°N~25°N左右,9月向北移動到10°N~30°N左右,到第二年3月,整個風帶又退回到5°N~25°N附近。而南半球則反之。在信風帶南北移動的過程中,北半球的東北信風可能越過赤道變成西北風;南半球的東南信風也可越過赤道變成西南風,形成赤道西風。
風帶的季節性移動是形成季風的主要原因之一。由于信風帶風向、風速最穩定,影響范圍最廣,因此在兩個信風帶的交接帶,即熱帶交接帶上形成的季風最顯著。例如南亞和東南亞,都是著名的季風氣候區。
影響
對氣候環境的影響
降水分布
信風對降水的分布有密切的影響。如非洲中部的大部分地區處在赤道低壓帶和信風帶交替控制區,信風控制時,盛行熱帶大陸氣團,形成干旱少雨的旱季。又如亞洲中南半島、印度半島及中國臺灣、廣東省、廣西壯族自治區、云南省南部等處,夏季赤道低壓帶北移,東南信風越過赤道右偏成西南季風,赤道氣團帶來大量降水,形成雨季(一般為6~9月)。
熱帶輻合帶
南、北兩半球信風相遇形成熱帶輻合帶(Intertropical Convergence Zone,簡稱ITCZ),是南、北半球副熱帶高氣壓帶帶間氣壓最低的帶區。熱帶輻合帶是熱帶地區主要的、持久的大型天氣系統,有時甚至可以繞地球一圈。它的移動、變化及強弱對熱帶地區的天氣影響很大。一般而言,熱帶輻合帶表現為一條由一系列活躍對流云團組成的近于緯向的連續云帶,寬度可達5個緯距以上,東西長達數千千米。有時輻合帶不活躍,云帶很窄,表現為斷裂的一團團尺度較小的云團。熱帶輻合帶是低緯度熱量、水汽輸送最集中的地區,是大氣能量源地,也是臺風發生、發展的主要源地。因為熱帶輻合帶區域的溫度水平分布比較均勻,水平氣壓梯度很小,因此風力微弱。又因上升氣流強盛,水汽充足的緣故,此區域多對流雨,一年有超過200天降雨。如果熱帶輻合帶在某區滯留過久,會造成當地水災、他地旱災的發生。
哈馬丹風
哈馬丹風是從熱帶輻合帶北側的副熱帶高壓帶向南吹的東北地區信風。夏季,因撒哈拉沙漠地區變為熱低壓,哈馬丹風強度減弱。冬季,撒哈拉地區成為冷高壓并與亞速爾高壓脊相連接,再加上歐亞大陸高壓的影響,大大加強了哈馬丹風的強度。它橫穿蘇丹草原地帶,吹向西非,成為影響巨大的風系。哈馬丹風終年在20°N~25°N以北地區活動,這里極端干燥少雨,是撒哈拉沙漠的中心地帶。其影響的范圍各月不同,1月前后勢力最大,影響地區最廣,幾乎整個西非一帶都受影響。有時向西可影響到大西洋中部,給海上帶來大霧;在中部非洲的乍得、喀麥隆、剛果一帶也會出現哈馬丹風特有的天氣。哈馬丹風寒冷干燥,在經過撒哈拉沙漠途中更加干燥并帶有大量浮游物。因此,哈馬丹風所到之處氣溫急劇下降,并帶來特有的天氣,即哈馬丹靄。這種靄早晨最濃,白天因對流時浮游物被運至上層而稀薄,到夜間因空氣下沉而再次變濃。這種天氣能見度很低,地上水平視程經常在500米以內,成為航空的巨大障礙。在吹哈馬丹風之時,西非各地出現一年中最低氣溫,20°N以南地區極端低溫有時達 0℃以下。哈馬丹風特有的天氣一般持續2~5天左右。
ENSO循環
ENSO是厄爾尼諾暖流和南方濤動(Souther Oscillation)的合稱,是發生于赤道東太平洋地區的風場和海面溫度振蕩,是低緯度的海氣相互作用現象,一般以3~7年為一個發生周期。信風的強弱變化是導致ENSO循環的重要原因之一。
厄爾尼諾發生時,東南信風減弱,赤道逆流增強,暖海水輸送到東太平洋,南美洲的寒流被暖流取代,形成大范圍的海水異常增暖。而突然增強的這股暖流沿著厄瓜多爾海岸南侵,使海水溫度劇升,冷水魚群因而大量死亡,海鳥因找不到食物而紛紛離去,漁場頓時失去生機,使沿岸國家遭到巨大損失。厄爾尼諾現象導致全球降水量比正常年份明顯增多,致使太平洋中、東部及南美太平洋沿岸國家洪澇災害頻繁,同時印度、印度尼西亞、澳大利亞一帶則嚴重干旱,世界多種農作物受到影響。
此外,還有一種現象,被稱之為拉尼娜現象或稱反厄爾尼諾暖流。拉尼娜現象指赤道附近東太平洋水溫反常下降的一種現象,表現為東太平洋明顯變冷,同時也伴隨著全球性氣候混亂。拉尼娜的產生主要是由于赤道地區偏東信風不斷加強引起的。與厄爾尼諾的發生機制正好相反,當赤道太平洋信風持續加強時,赤道東太平洋表面暖水被吹走,深層的冷水上翻作為補充,海表溫度進一步變冷,從而形成拉尼娜。拉尼娜現象發生時,不僅使沃克環流增強,也使得大洋東岸降水減少,秘魯寒流水溫降低,導致旱災的出現,同時加劇大洋西岸洪澇的發生。同樣,拉尼娜現象的出現也會導致大氣環流異常,對全球氣候產生重大影響。
對自然生態的影響
形成表層洋流
信風是引起表層洋流的主要原因,風對水面的拖曳力及其施加于波浪迎風面的壓力能使海水緩慢前進。熱帶海洋上的信風常年從大洋的東部吹向西部,受信風影響,在赤道上層大洋中出現了向西流動的海流。由于南半球東南信風的范圍、強度更加廣闊和穩定,因此,在赤道上和南半球靠近赤道的地區為強勁的、向西的南赤道流,在10°N附近為向西的北赤道流。赤道附近這些向西流動的海流受大洋西岸的影響,使大量海水在赤道西部邊界附近海區堆積,海面高度升高,西部出現指向東部的壓力。在海水壓力的作用下,一部分海水在南北兩支赤道流的中間形成了赤道逆流,向大洋東部流去,一部分海水在赤道表層南赤道流以下形成了赤道潛流,流向大洋東部。因此,熱帶海洋上的信風在赤道海區直接產生了南、北赤道流,間接形成了赤道逆流和赤道潛流。
沙塵擴散
撒哈拉沙漠處于14°N~35°N之間,受亞熱帶高壓帶和東北地區信風帶交替控制。盛行的東北信風往往會將沙漠中的沙塵吹向大西洋,朝著美洲前進,穿越加勒比海抵達美國東部,甚至還擴散到了西班牙和地中海地區。由此形成的沙塵層可能減緩大西洋的變暖速度,并在一段時間內阻礙颶風活動。此外,撒哈拉沙漠中的大量沙塵還借由信風輸送并沉積在亞馬孫河盆地,給南美洲的土壤帶來物質積累,有效防止土壤中磷的消耗。
對人類活動的影響
四百多年前,航海家斐迪南·麥哲倫借助信風穿越太平洋抵達菲律賓群島。因為在古代全靠風帆航行,因此,信風這種定期定向的獨特風就成了國際商船遠航的主要動力。人們借助信風進行跨大洋的文明交流和國際貿易活動。
相關研究
英國天文學家愛德蒙德·哈得萊是第一個對信風作出解釋的人。他在1686年提出赤道地區的空氣溫度要比其他地區高,采暖散熱器流的上升使赤道兩邊的冷空氣向赤道流動,由此形成了信風。1735年,英國氣象學家喬治·哈得萊對這一理論提出了修正,指出是地球由西向東的自轉使空氣發生了偏移,形成了東北地區與東南兩個方向的信風。在解釋信風的過程中,哈得萊對熱量從赤道地區向其他地區的傳遞進行了說明,提出赤道上空的暖空氣在高空向兩極方向流動并逐漸下沉,信風與反信風共同形成一個閉合環流圈,這種空氣運動方式被稱為哈得萊環流。
據英國媒體2014年2月10日報道,美國與澳大利亞科學家稱,1994年至2014年這20年期間太平洋信風風力的空前加強,使全球變暖趨勢出現了停滯的局面。這些吹過熱帶地區的東風加速了赤道地區的海洋環流,將熱水推入太平洋深處,同時給地平線帶來了較冷的水。這促使其他地區氣溫降低,并在很大程度上解釋了全球平均氣溫為何自2001年以來基本保持穩定。
參考資料 >
The fertilizing role of African dust in the Amazon rainforest: Afirst multiyear assessment based on data from Cloud-AerosolLidar and Infrared Pathfinder Satellite observations.ADVANCINGEARTH AND SPACE SCIENCES.2024-04-09
美澳學者稱太平洋信風加強 阻止全球變暖趨勢.中國新聞網.2024-03-28
Trade wind.Britannica.2024-03-28
全球變暖和厄爾尼諾事件.中國氣象局.2024-03-15
撒哈拉的沙飄到東歐?中國氣象局專家:沙塵去哪兒看大氣環流.澎湃新聞.2024-04-02
撒哈拉沙塵今年首次抵達美洲,或阻礙熱帶風暴與颶風生成.澎湃新聞.2024-04-02