環(huán)流物理學(xué)

對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說，環(huán)流會(huì)造成毀滅性災(zāi)難，無論你的設(shè)備是計(jì)算機(jī)還是通信系統(tǒng)。有些工程師缺乏對(duì)環(huán)流的正確認(rèn)識(shí)，因?yàn)樵谠韴D上一般用一個(gè)接地符號(hào)或公共符號(hào)表示所有電路的返回路徑。初級(jí)工程師經(jīng)常錯(cuò)誤理解這個(gè)符號(hào)，認(rèn)為它代表零阻抗。情況并非如此，接地符號(hào)只表示你原理圖上的一種線路。如果接地連接中的電流足夠大，或者變化得足夠快，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的電壓，該電壓可能影響到電源的精度。

另外，在儀表應(yīng)用中，該電壓還會(huì)造成測(cè)量誤差，數(shù)字系統(tǒng)工程師必須努力應(yīng)對(duì)接地彈跳問題。音頻緩沖器會(huì)出現(xiàn)可怕的接地環(huán)路中的環(huán)流效應(yīng)，它會(huì)引起蜂鳴和哼聲。RF 工程師總要努力控制高頻系統(tǒng)設(shè)備中地電流的流動(dòng)。

環(huán)流可以禍害電源電路、音頻電路以及 RF 電路。即使 IC 設(shè)計(jì)者也必須努力應(yīng)對(duì)環(huán)流的影響。

在考慮環(huán)流造成的麻煩時(shí)，電路的交流阻抗要比電阻更重要。

原理圖中的公共符號(hào)或接地符號(hào)只不過是另一種線路，并不代表零阻抗。

電源輸出電流大，內(nèi)部環(huán)流也大。應(yīng)使基準(zhǔn)接地遠(yuǎn)離這些節(jié)點(diǎn)。應(yīng)使電源電路和你的系統(tǒng)在一點(diǎn)連接。

切割接地層通常會(huì)造成更大麻煩。但是，當(dāng)全是模擬電路時(shí)，這個(gè)規(guī)則就有些例外。

通常良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣和采用差分信號(hào)鏈就可避免音頻與 RF 電路中的接地回路。

環(huán)流：彎道水流的內(nèi)部呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)，在橫斷面上的投影呈環(huán)形的水流。又稱“橫向環(huán)流”、“彎道環(huán)流”。水流沿彎道作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生離心力，在離心力作用下，凹岸水面升高，凸岸水面降低。同時(shí)，由于水面流速大，離心力大，上層的水流指向凹岸；河底的流速小，離心力小，河底的水流則指向凸岸，形成橫向環(huán)流。

然而橫向環(huán)流并非在橫斷面上進(jìn)行，橫向環(huán)流與縱向水流結(jié)合在一起，呈現(xiàn)螺旋式向下游運(yùn)動(dòng)的水流。彎道中可能有一個(gè)大的環(huán)流，也可能有大小不同的幾個(gè)環(huán)流，環(huán)流可能占據(jù)整個(gè)橫斷面，也可能只占橫斷面的一部分。橫向環(huán)流是引起泥沙橫向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，它促使彎道凹岸沖刷而凸岸淤積。

環(huán)流（circulation），是指在流動(dòng)系統(tǒng)中，設(shè)法讓全部或部分流體沿一定方向、一定路徑循環(huán)流動(dòng)，稱為環(huán)流。

采用環(huán)流的反應(yīng)器稱為環(huán)流反應(yīng)器。采用環(huán)流是為了使流體有足夠長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，或?yàn)榱说玫礁玫幕旌?，或是為了?qiáng)化過程中的換熱。

產(chǎn)生環(huán)流需要輸入能量，可以用機(jī)械泵或輸入另一高速流體的方法來輸入能量，以保證環(huán)流的實(shí)施。

1.回環(huán)曲折地流。 漢 劉向 《說苑·雜言》：“ 孔子觀於呂梁 ，懸水四十仞，環(huán)流九十里。” 明 鄭真 《題畫》詩(shī)：“萬仞蒼崖壁立，雙溪碧水環(huán)流?！?

2.謂循環(huán)往復(fù)?！尔i冠子·環(huán)流》：“美惡相飾，命曰復(fù)周；物極則反，命曰環(huán)流。” 陸佃 注：“言其周流如環(huán)。” 南朝 梁 劉勰 《文心雕龍·時(shí)序》：“樞中所動(dòng)，環(huán)流無倦。”

3.流體的循環(huán)流動(dòng)，由流體各部分的溫度、密度、濃度不同，或由外力的推動(dòng)而形成：全球大氣～。

環(huán)流大氣環(huán)流

為了簡(jiǎn)化研究，地理學(xué)中假設(shè)大氣均勻的在地表運(yùn)動(dòng)，將大氣運(yùn)動(dòng)分為三圈環(huán)流（指一個(gè)半球）。

低緯環(huán)流

由于赤道地區(qū)氣溫高，氣流膨脹上升，高空氣壓較高，受水平氣壓梯度力的影響，氣流向極地方向流動(dòng)。又受地轉(zhuǎn)偏向力的影響，氣流運(yùn)動(dòng)至北緯30度時(shí)便堆積下沉，使該地區(qū)地表氣壓較高，又該地區(qū)位于副熱帶，故形成副熱帶高壓。赤道地區(qū)地表氣壓較低，于是形成赤道低氣壓帶。在地表，氣流從高壓流向低壓，形成低緯環(huán)流。

中緯環(huán)流和高緯環(huán)流

在地表，副熱帶高壓地區(qū)的氣壓較高，因此氣流向極地方向流動(dòng)。在極地地區(qū)，由于氣溫低，氣流收縮下沉，氣壓高，氣流向赤道方向流動(dòng)。來自極地的氣流和來自副熱帶的氣流在60度附近相遇，形成了鋒面，稱作極鋒。此地區(qū)氣流被迫抬升，因此形成附極地低氣壓帶。氣流抬升后，在高空分流，向副熱帶以及極地流動(dòng)，形成中緯環(huán)流和高緯環(huán)流。

環(huán)流大洋環(huán)流

在海面風(fēng)力和熱鹽等作用下，海水從某海域流向另一海域，最終又流回原海域的首尾相接的獨(dú)立環(huán)流體系或流旋。大洋表面的環(huán)流與風(fēng)力分布密切相關(guān)。除水平環(huán)流外，還有鉛直環(huán)流，即升降流（見上升流，下降流）。

在赤道南北的低緯度海域，因東南信風(fēng)和東北信風(fēng)的作用，形成了自東向西的南赤道流和北赤道流，它們受大洋西海岸所阻而使西邊的水位升高（每100千米可升高4厘米），主支流分別向南和向北流去，各自有一小股支流分別向北和向南流動(dòng)，于赤道附近匯合，使水位抬升，因而形成了自西向東的赤道逆流。

在北半球中緯度海區(qū)里，向北的主支流被海上盛行的西風(fēng)驅(qū)趕而轉(zhuǎn)為向東流動(dòng)，形成北大西洋流和北太平洋流，都受海洋的東岸阻擋而分成向南和向北的兩個(gè)支流。在南半球中緯度海區(qū)，向南的主支流受盛行西風(fēng)驅(qū)趕，變成自西向東流動(dòng)，因無海岸阻擋而形成繞地球流動(dòng)的南極環(huán)極流。在南半球的高緯度海區(qū)，還有極地東風(fēng)流，它遇陸地后又折向北。所有這些海流，在大洋表層形成一個(gè)個(gè)環(huán)流體系。除大洋表層環(huán)流外，還有大洋深層環(huán)流。

環(huán)流海洋環(huán)流

海洋環(huán)流是研究風(fēng)引起的海流和密度分布不均勻所產(chǎn)生的密度流、大洋環(huán)流中流旋的生成和分布、大洋環(huán)流西向強(qiáng)化、海流的彎曲和變異、近赤道地區(qū)的流系結(jié)構(gòu)、南極繞極流，大洋熱鹽環(huán)流，深海環(huán)流和與主躍層的關(guān)系，海水的輻散和輻合運(yùn)動(dòng)與升降流及朗繆爾環(huán)流等的關(guān)系，中尺度渦及其能量轉(zhuǎn)換，冰漂流等特殊的流動(dòng)現(xiàn)象，海洋對(duì)風(fēng)應(yīng)力等的反應(yīng)，以及近岸海區(qū)的環(huán)流等等。

環(huán)流季風(fēng)環(huán)流

具有全球性的有規(guī)律的大氣運(yùn)動(dòng)，通常稱為大氣環(huán)流。大范圍地區(qū)的盛行風(fēng)隨季節(jié)而有顯著改變的現(xiàn)象，稱為季風(fēng)。季風(fēng)環(huán)流也是大氣環(huán)流的一個(gè)組成部分。亞洲東部的季風(fēng)環(huán)流最為典型。

海陸熱力性質(zhì)的差異，導(dǎo)致冬夏間海陸氣壓中心的季節(jié)變化，是形成季風(fēng)環(huán)流的主要原因。 太平洋是世界最大的大洋，亞歐大陸是世界最大的大陸，東亞居于兩者之間，海陸的氣溫對(duì)比和季節(jié)變化比其它任何地區(qū)都要顯著。所以，海陸熱力性質(zhì)差異引起的季風(fēng)，在東亞最為典型，范圍大致包括中國(guó)東部、朝鮮半島和日本等地區(qū)。

冬季，東亞盛行來自蒙古—西伯利亞高壓（亞洲高壓）前緣的偏北風(fēng)，低溫干燥，風(fēng)力強(qiáng)勁，此偏北風(fēng)強(qiáng)烈時(shí)即為寒潮；夏季，東亞盛行來自太平洋副熱帶高壓西北部的偏南風(fēng)，高溫、濕潤(rùn)和多雨。偏南氣流和偏北氣流相遇，往往會(huì)形成大范圍的降雨帶。

海陸熱力性質(zhì)的差異是形成季風(fēng)的重要原因，但不是惟一的原因。氣壓帶和風(fēng)帶位置的季節(jié)移動(dòng)等也是形成季風(fēng)的原因。例如，我國(guó)西南地區(qū)及印度半島一帶的西南季風(fēng)，就是南半球的東南信風(fēng)夏季北移越過赤道，在地轉(zhuǎn)偏向力影響下向右偏轉(zhuǎn)而成的。

沃克環(huán)流是重要的熱帶大氣環(huán)流系統(tǒng)，它的變化能夠通過遙相關(guān)型，對(duì)熱帶乃至全球許多地方的氣候異常產(chǎn)生顯著影響。全球增暖背景下的沃克環(huán)流變化，是當(dāng)前國(guó)際氣候?qū)W界關(guān)注的熱點(diǎn)話題。圍繞著沃克環(huán)流對(duì)全球增暖的響應(yīng)、沃克環(huán)流的年代際變化及其機(jī)理等問題，國(guó)際學(xué)術(shù)界正在進(jìn)行著激烈的爭(zhēng)論。迄今為止，國(guó)際科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)是沃克環(huán)流強(qiáng)度的變化，很少有研究從三維空間結(jié)構(gòu)的角度，討論沃克環(huán)流的整體變化特征。

最近，圍繞著近30年太平洋沃克環(huán)流空間結(jié)構(gòu)的變化問題，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所博士研究生馬雙梅和研究員周天軍，利用緯向質(zhì)量流函數(shù)來直觀地刻畫赤道太平洋沃克環(huán)流的整體結(jié)構(gòu)特征（圖2）。他們比較了現(xiàn)有的7套再分析資料所揭示的沃克環(huán)流的變化特點(diǎn)，指出近30年（1979~2012年）太平洋沃克環(huán)流的強(qiáng)度在顯著增強(qiáng)、中心位置在顯著西移；就7套資料的平均結(jié)果而言，沃克環(huán)流的增強(qiáng)趨勢(shì)是每10年增強(qiáng)15.08%、中心位置西移趨勢(shì)每10年3.708個(gè)經(jīng)度（圖3）。為了揭示造成上述沃克環(huán)流變化的機(jī)理，他們進(jìn)一步分析了26個(gè)CMIP5模式的AMIP試驗(yàn)（即利用觀測(cè)的歷史海溫來驅(qū)動(dòng)大氣模式）結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多模式集合的結(jié)果能夠再現(xiàn)觀測(cè)的沃克環(huán)流變化特點(diǎn)，而類La Nina型的冷海溫異常是造成近30年太平洋沃克環(huán)流變化的強(qiáng)迫因子。

熱帶太平洋沃克環(huán)流的氣候態(tài)緯向垂直剖面圖

（a）20CR，（b）ERAIM，（c）JRA25，（d）JRA55，（e）MERRA，（f）NCEP1，（g）NCEP2和（h）7套再分析的集合平均。填色和等值線表示緯向質(zhì)量流函數(shù)，矢量是垂直速度和緯向輻散風(fēng)的合成。

1979-2012年，赤道太平洋上空年平均緯向質(zhì)量流函數(shù)的氣候態(tài)（等值線）和線性趨勢(shì)（填色）。

（a）20CR，（b）ERAIM，（c）JRA25，（d）JRA55，（e）MERRA，（f）NCEP1，（g）NCEP2和（h）7套再分析的集合平均。黑色打點(diǎn)表示線性趨勢(shì)通過5%顯著性水平。

孔明燈、熱氣球利用了熱力環(huán)流原理加熱；暖氣片、電熱油燈利用了熱力環(huán)流原理升高房間溫度。

沃克環(huán)流原因

沃克環(huán)流的增強(qiáng)和減弱仍然是當(dāng)代科學(xué)之謎。一般有兩種說法：

一是自然因素。赤道信風(fēng)、地球自轉(zhuǎn)、地?zé)徇\(yùn)動(dòng)等都可能與其有關(guān)。

二是人為因素。即人類活動(dòng)加劇氣候變暖，也是赤道暖事件劇增的可能原因之一。

沃克環(huán)流沃克環(huán)流的增強(qiáng)和減弱規(guī)律

沃克環(huán)流具有明顯的季節(jié)和年際變化，它與諸多因素有關(guān)，以下只對(duì)重要因素之一ENSO進(jìn)行討論：

大約每隔3至7年沃克環(huán)流便會(huì)減弱一次，也就出現(xiàn)厄爾尼諾，活動(dòng)期通常延續(xù)一年以上，其間還間隔的出現(xiàn)沃克環(huán)流增強(qiáng)的現(xiàn)象，也就是拉尼娜。

沃克環(huán)流沃克環(huán)流與厄爾尼諾現(xiàn)象

由于“沃克環(huán)流”對(duì)太平洋東西兩岸的氣候調(diào)節(jié)有重要作用，如果東太平洋的洋面溫度升高，就會(huì)產(chǎn)生較暖而且濕潤(rùn)的上升氣流，削弱“沃克環(huán)流”，同時(shí)美洲中部一帶會(huì)氣溫上升、暴雨成災(zāi)，形成著名的“厄爾尼諾”。當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時(shí)，由于海洋溫度分布發(fā)生巨大變化，大氣也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。中、東太平洋氣壓隨著海溫的上升而下降（高壓減弱、氣壓降低），西太平洋氣壓隨著海溫的下降而上升（低壓減弱、氣壓升高），熱帶太平洋兩側(cè)氣壓差值變小，導(dǎo)致赤道東風(fēng)減弱和向東撤退，沃克環(huán)流也會(huì)被削弱。同時(shí)，隨著西太平洋暖水區(qū)向東移動(dòng)，沃克環(huán)流的上升支和下沉支的位置也發(fā)生偏移，對(duì)流活動(dòng)的中心移至中太平洋上空，中、東太平洋上升氣流大大加強(qiáng)，降水顯著增加；而西太平洋上升氣流明顯減弱，變成少雨區(qū)，形成大范圍干旱。

沃克環(huán)流減弱（厄爾尼諾）對(duì)我國(guó)的影響：

（1）夏季主雨帶偏南，北方大部少雨干旱。

（2）長(zhǎng)江中下游雨季大多推遲。

（3）秋季我國(guó)東部降水南多北少，易使北方夏秋連旱。

（4）全國(guó)大部冬暖夏涼。

（5）登陸我國(guó)臺(tái)風(fēng)偏少。除了上述一般規(guī)律外，也有一些例外情況。因?yàn)橹萍s我國(guó)天氣氣候的因素很多，如大氣環(huán)流、季風(fēng)變化、陸地?zé)釥顩r、北極冰雪分布、洋流變化乃至太陽活動(dòng)等。

沃克環(huán)流沃克環(huán)流與拉尼娜

當(dāng)沃克環(huán)流異常強(qiáng)勁，導(dǎo)致東太平洋下層冷海水上翻增強(qiáng)，洋面異常低溫，就會(huì)出現(xiàn)拉尼娜。當(dāng)拉尼娜發(fā)生時(shí)，東太平洋還會(huì)變得更冷，赤道西太平洋海溫可能會(huì)進(jìn)一步升高，東西太平洋氣壓差也進(jìn)一步增大，沃克環(huán)流會(huì)比正常情況更強(qiáng)，西太平洋也會(huì)更多雨，而東太平洋則更加少雨。

沃克環(huán)流增強(qiáng)（拉尼娜）時(shí)對(duì)我國(guó)的影響：

（1）熱帶氣旋增多，即在西北太平洋生成和登陸我國(guó)的熱帶氣旋增多。

（2）我國(guó)東北春夏易出現(xiàn)干旱，氣溫偏高。

（3）我國(guó)南方易發(fā)生干旱，華北洪澇。

（4）冬季較寒冷，寒潮多發(fā)，南方易出現(xiàn)凍雨、風(fēng)雪。