兰大大气学院天气学原理教程三圈环流的建立与大气环.docx

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兰大大气学院天气学原理教程三圈环流的建立与大气环

§4.2控制大气环流的基本因子与

大气环流的基本模型

§4.2.1热力驱动的环流——单圈环流

§4.2.2旋转地球上的环流一三圈环流

§421热力驱动的环流一一单圈环流

Hadley（1720）提出赤道和高纬度极地之间的热力差异是地球上大规模风系形成的根本原因。

这就是著名的Hadley环流理论的基本思想。

热力驱动了风，即大气环流得以形成及维持的最终原动力，来自于太阳辐射的热量分布不均匀，是大气环流理论极为重要的基本观点。

mi.11曲ECMWF的分析诜料卸得的丿］平均纬向温度的分伤

«上为1刀份."F为7川份.甲位C〉

1200hPa以下（12km）,无论冬夏，平均温度梯度由赤道指向两极

2冬季南北温差大于夏季

3夏季平流层温度梯度由极地指向赤道，冷中心位于赤道

4无论冬夏，低纬地区对流层顶高于中高纬

2.温差造成的热力对流

①热力驱动的环流的形成

大气温度的变化表现为低纬度地区大气温度高于高纬度地区，高层大气温度低于低层大气。

在地一气系统接收太阳辐射随纬度变化的分布状况下，低纬低层大气为热源，高层和极地大气为热汇（冷源）。

■（假设地球不旋转）：

■高层：

极地位势高度低，而赤道位势高度高，由此产生由赤道指向极地的位势梯度，高层空气向极运动

■低层：

极地冷空气下沉，质量堆积，低层产生由极地指向赤道的气压梯度，低层空气向赤道运动

■如此构成单圈环流：

赤道上升，极地下沉，高层南风，低层北风

■直接热力环流：

由大气加热不均匀产生的，加热区上升，冷却区下沉的环流

②实际大气中热力驱动的对流现象

城市热岛效应

沿海地区的海陆风

城市“热岛效应”=>城市风

匚13

郊区气温低城区气温高郊区气温低

§4.2.2旋转地球上的环流

在转动的地球上，大气由于受到地球重力的作用，必定随地球转动。

事实上，地球大气有别于单纯受热力驱动流体的根本特征是大气的层结性和旋转性。

地球上的实际大气是重力层结、旋转性、热力共同作用的结果，并进而制约了热力驱动的Hadley环流。

地球自转（三圈环流形成）

■净余辐射能沿纬度分布的不均匀，造成了赤道暖两极冷的温度场。

赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的作用下向右偏转，在30。

N左右转为西风，并在此处辐合，质量堆积，并且冷却下沉，地面气压升高，下沉气流辐散，其中向南的一支在柯氏力影响下右偏，转为东北风,此风系稳定，称为东北信风，在南半球为东南信风，两支信风在赤道汇合上升，从而构成直接环流圈，称为Hadley环流

Hadleycell

东北信风（NEtradewind）:

北半球HadIey环流圈中低层向南的气流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支稳定的风系。

东南信风（SEtradewind）:

南半球HadIey环流圈中低层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支稳定的风系。

赤道辐合带（热带辐合带）：

赤道附近东北信反和秦南信凤汇合馬带，简新

ITCZ（intertropicaIconvergencezone）

2极地环流圈的形成

极地能量亏损，温度低，密度大，从而使气压随高度递减增大，高空有较低纬度指向极地的气压梯度，而低层有极地指向较低纬度的气压梯度。

则低层空气有指向较低纬度运动，在柯氏力作用下右偏成为东北风，高层南风在柯氏力作用下右偏成为西南风，构成极地环流圈

3Ferrel环流的形成

Hadley环流中在30列下沉辐散的气流中，向北流动的气流，与极地环流圈中上升支汇合，在高空辐散，其中有一支向南运动。

这样在HadIey环流圈和极地环流圈之间存在一个与直接环流圈相反的环流，为间接环流圈，也称Ferrel环流圈。

倍风带

极地Had1ey环流圈

赤道

极

Hadiey环流圈—?

环流圈

极锋

副热带离代压带・热带Hadley

Ferrel环流圈/

扱地东嘶极地F

（a）理论模型

■极锋：

极地环流圈中低层向南的东北风与Hadley^流圈中下沉辐散而向北运动的西南风相遇，干冷与暖湿气流相遇而形成的锋区。

■副热带锋区：

Hadley环流圈中高层向北运动的暖湿气流与极地环流圈中上升辐散向南的一支气流相遇而形成锋区。

在对流层上部明显，有副热带急流与之对应。

2、低层三风四带

三风：

「极地东风（东北风）

Y中纬西风（西南风）

』氐纬东风（东北信风）

四带：

「极地高压带

副极地低压带Y副热带高压带殊道低压带

3、高空主要为西风带：

厂高纬西风带——极锋西风急流

Y中纬东风带——弱

.低纬西风带——副热带西风急流

二条行星锋区：

极锋和副热带锋

（b）三圈环流观测事实

（利用实际资料分离出的实例，箭头代表流线方向）

■季风：

随季节而改变风向的风，主要由海陆热力差异造成。

■高空急流：

在300hPa以上，＞=30m/s的风速带。

1.大气环流形成和维持的原因

形成原因

r■太阳辐射

■地球自转

（三圈环流-大气环流的基本模型）

维持因子〜■摩擦作用

（大气运动的角动量平衡）

■地球表面的不均匀性

摩擦作用（大气运动的角动量平衡）

■地面摩擦和大气中的内摩擦时刻都在消耗大气的动能，阻滞大气的运动。

由于摩擦和山脉的作用，空气与转动地球之间产生了转动力矩（即角动量）。

■单位质量空气绕地轴旋转的绝对角动量为:

相对角动量地转角动量

一）地球大气系统中绝对角动量分布状态

1、地球角动量，为西风

角动量，其大小随纬度增高减小，赤道最大，极地最小

2、低层相对角动量

弱极地东风带具有东风角动量

中纬西风带一一具有西凤角动量

低纬东凤带一一具有东凤角动量

（二）地球大气系统中绝对角动量守恒

[2低纬东风带由于摩擦和111脉的作用从地球Y获得西风角动量

b中纬西风带由于摩擦和山脉的作用失去西风角动量

实际上：

J地球旋转为常数

條、西风带长期维持

——两者相互补偿，达到平衡，证明角动量守恒

Question角动量从东风带向西风带的输送通过什么机制完成？

角动量的水平输送——扰动

（三）角动量的两种输送方式

1、大气内部角动量水平输送

1•u角动量水平输送三种形式：

k平均经向环流——三圈经向环流

Y定常扰动——平均长波槽脊

、非定常扰动——天气尺度的槽脊、（反）气旋

EH4.14定林性ifc动■平均统向环流以及业定卑性扰动

弓］起白勺屈动迅水平泊4动输•更仔勺“也垂直科曼分£6L

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2.角动量水平输送的特征（P158图4.14）

a）非定常扰动对角动量水平输送远大于定长扰动和平均经向环流

b）非定常扰动对角动量水平输送最大值出现在30度纬度附近

c）冬季哈得莱环流较强对角动量输送显著

d）费雷尔环流较弱，但水平输送方向与哈得莱环流相反

3•槽脊输送角动量的方式（P159图4.15）a对称槽Jf前对u角动量向北输送

*曹后对u角动量向南输送

■两者相A无南北净输送

b东北西南向的倾斜槽

槽前对u角动量向北输送大于槽后对u角动量向南输送

=＞有u角动量向北净输送

c西北——东南向的倾斜槽

■＞有U角动量向南净输送

但实际大气在中高纬地区多为东北一西南向槽脊,所以中纬度的扰动水平输送主要是向北输送西风角动量

（a）

（b）（c）

角动量的垂直输送

环流

2,人气内部角动量的垂直输送（P160图4.16）

1「哈得莱环流有净余的G角动量，向上输送补

偿了高空西风带

“费雷尔环流有净余的G角动量，向下输送——补U尝了低层西风带

平均经圈环流对角动量的垂直输送是主要的

2扰动的垂直运动是上升、下沉互补出现

由于高层u角动量人于低层u角动量，所以扰动的垂直运动总是向下净输送u角动量

3计算表明，向上、向下对角动量的垂直输送平衡

4水平输送与垂直输送共同作用，大气角动量收支平衡,东西风带长期维持，地球角动量收支平衡，地球转动角动量速度是常数

5

90

ikl

图4・16•冬季北半球角动量的经向通凰和垂貞通量收支示意图

（单位为10鉛（克•厘米巧/秒）

四、地球表面的不均匀性

（一）海陆分布对大气环流的影响

1海平面的气压场：

“半永久性大气活动中心”、

“季节性大气活动中心”是海陆温差结果

冬季J海洋暖——阿留申低压，冰岛低压强大

大陆冷——蒙古冷高压，北美冷高压，

格陵兰高压

夏季（海洋冷——太平洋副高，大西洋副高强大

大陆暖——亚洲热低压，北美热低压

2高空的东亚大槽、北美大槽是海陆温差和高大山脉共同作用的结果

北美大槽［冬季

（-）地形影响——青藏高原

1,高原的动力作用

1冬季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在

高原东侧形成“北脊南槽”

J高原北部脊区——我国北方晴天多

［盂加拉湾低槽——我国南方阴雨多

2高原东侧形成特殊天气系统

「东亚大槽

500hpa长江中下游风场辐合线

“700hpa江淮切变线

<-700hpa西南涡

地形动力的影响

图4・17冬李宵藏庐原附近500百帕流线

（1）对流层中下层西风经过青藏高原时，分为两支，北支在400N以北甘肃一带形成高压或贝加尔湖高压脊。

南支西风经高原南侧形成孟加拉湾低槽，槽前西南气流向北侵袭我国。

两支气流在1100E以东汇合。

在南支气流的北侧，我国的西南地区，低层常形成一个个低涡，即西南涡，西南涡东移到1100E以东时，成为诱导地面气旋生成的一个重要原因。

（2）对流层低层、高原北边缘有时接连出现由西往东偏南方向移动的闭合小高压，其直径约为几百到一千公里。

通常把这种高压称为兰州高压。

这些高压是形成江淮切变线的天气系统之一。

江淮切变线经常伴有地面静止锋，在条件合适时亦可能有地面气旋生成。

B.热力影响

■冬季“相对冷源:

使南支西风急流加速；

■夏季"热源：

a・对流层上层出现最强大的系统-南亚高压；

b・使高原南侧对流层上层出现地球上唯一东风急流；

c.对流层低层出现最深厚的西南季风，该地区生成反hadley环流，气流在高原上升，在赤道地区下沉。