由于
赤道地区气温高,气流膨胀上升,高空气压较高,受水平气压梯度力的影响,气流向极地方向流动。又受地转偏向力的影响,气流运动至
北纬30度时便堆积下沉,使该地区地表气压较高,又因为该地区位于
副热带,故形成
副热带高气压带。赤道地区地表气压较低,于是形成
赤道低气压带。在地表,气流从高压流向低压,形成低纬环流。
在地表,
副热带高压地区的气压较高,因此气流向极地方向流动。在
极地地区,由于气温低,气流收缩下沉,气压高,气流向赤道方向流动。来自极地的气流和来自
副热带的气流在60度附近相遇,形成了
锋面,称作极锋。此地区气流被迫抬升,因此形成
副极地低气压带。气流抬升后,在高空分流,向副热带以及极地流动,形成中纬环流和高纬环流。
三圈环流理论自T.
伯杰龙最先提出(1928年),后由C. G.
罗斯贝作进一步发挥,用它代替乔治·哈得来在1735年所提出的
哈得来环流模式。
哈得来模式表示在南北半球各有一个单一环流,在低空空气向西并向
赤道流动,在高空空气向东并向极地流动。三圈环流理论假定在每个半球上各有两个哈得来环流,一个出现在近赤道地区,一个出现在近极地区域。在两个环流之间是
费雷尔环流,在
费雷尔环流圈中,地面空气向东并向极地流动,高空则向西并向赤道流动。三圈环流理论较好地解释了地表面所观测到的风系:热带东风
信风带,
中纬度西风带和
极地东风带。但是,这个理论与下列事实不一致:在高空中纬度西风带不是改变方向,而是风速变得更强;其次,在热带高空气常常很弱,或根本不存在;并且在三圈环流中向极地输送的能量不如热带大气从
太阳辐射中得到的能量为多。此外,三圈环流理论不能解释大气中
角动量的输送。
由于在热带和极地,
东风带的流动方向和
地球自转的方向相反,地面摩擦使其速度减慢(相对于地面),并不断地从地球获得
角动量;又因为东风带的速度保持不变,因此必须把获得的角动量同时传递给中纬度西风带。中纬度向东吹的风速快于地球转动的速度,地面摩擦使其速度减慢并失去角动量传给地球;这样,它们也继续保持比较稳定的速度。怎样完成这种
动量传递,三圈环流理论不能解释特别清楚。有人认为,完成这种动量传递的中纬度是高低
气压系统,即扰动,和长的
驻波。
假设地球不自转,地表性质均一,
太阳直射赤道。此时引起
大气运动的因素是高低纬度之间的受热不均。因而在终年炎热的赤道地区,大气受热膨胀上升,在终年严寒的两极地区,大气冷却收缩下沉。这样,在高空,赤道形成
高气压,气压梯度力的方向指向极地,大气由赤道上空流向两极上空。在近地面,赤道形成
低气压,两极形成高气压,气压梯度力的方向指向赤道,大气由两极流回赤道。因此,在同一半球,赤道和极地之间形成了单圈闭合环流。
从
北半球来看,赤道地区上升的
暖空气,在气压梯度力作用下,由赤道上空向北流向北极上空(南风)移动,受地转偏向力影响,由南风逐渐右偏成
西南风,在30°N附近上空堆积,于是产生
下沉气流,致使近
地面气压升高,形成副热带高气压带。近地面,在气压梯度力作用下,大气由副热带高气压带向南北流出。向南的一支流向
赤道低压,在地转偏向力影响下,由北风逐渐右偏成
东北风,称为
东北信风。同理南半球也会形成
东南信风,东北信风与南半球的东南信风在赤道附近辐合上升,在赤道与副热带地区之间便形成了低纬
环流圈。
近地面,从
副热带高气压向北流的一支气流,在地转偏向力的作用下逐渐右偏成西南风即
盛行西风。从
极地高气压带向南流的气流(北风)在地转偏向力影响下逐渐向右偏形成东北风,即
极地东风。较暖的盛行西风与寒冷的极地东风在60°N附近相撞,在近地面形成
冷锋(极锋)。暖而轻的气流爬升到冷而重的气流之上,形成了副极地上升气流。上升气流到高空,又分别流向南北,向南的一支气流在地转偏向力的影响下,由北风逐渐右偏成东北风,在30°N附近与来自赤道的高空西南风相撞形成冷锋,加强了副
热带高气压带高空的下沉气流,进一步升高副热带高气压带的气压,于是在副热带地区与副极地地区之间构成
中纬度环流圈;向北的一支气流在
北极地区下沉,是在副极地地区与极地之间构成了
高纬度环流圈。由于副极地上升气流使近地面的气压降低,于是形成了副极地低气压带。
同理,
南半球同样存在着低纬、中纬、高纬三个环流圈。因此,在近地面,共形成了7个
气压带、6个风带。