第6章大氣環(huán)流

1、6.1 大氣環(huán)流形成的主要因子6.2 大氣環(huán)流的平均狀況思考題第6章 大氣環(huán)流 大氣環(huán)流是指整個地球上大范圍的大氣運動，即可是年或月平均狀態(tài)，也可是短時或瞬時狀態(tài)。其水平范圍達數(shù)千千米，垂直尺度在10 千米以上，時間尺度在日、月或年。大氣環(huán)流反映了大氣運動的基本狀態(tài)，并孕育和制約著較小規(guī)模的氣流運動。它是各種不同尺度的天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和移動的背景條件。氣象學(xué)與氣候?qū)W地表輻射差額在35S35N間為正， 35S以南、35N以北為負，形成赤道向兩極的輻射梯度，進而形成了向極的溫度梯度。這種經(jīng)向溫度梯度構(gòu)成了產(chǎn)生和維持大氣環(huán)流的直接原動力。第6章 大氣環(huán)流6.1 大氣環(huán)流形成的主要因子6.1.1 太

2、陽輻射因子低緯大氣增溫并形成向上的熱對流，赤道上空大氣向南北運動，地面形成赤道低壓（熱低壓）；南北極高空大氣冷卻并下沉，地面形成極地高壓（冷高壓）。不考慮地轉(zhuǎn)偏向力，則赤道和極地間形成理想的熱力環(huán)流圈(Hadley環(huán)流) 。NS0LHH30N60N30S60S單圈熱力環(huán)流(Hadley環(huán)流)地轉(zhuǎn)偏向力使南、北半球的氣流分別向左、右偏轉(zhuǎn)，結(jié)果赤道高空向南、北極的氣流，隨緯度增高，逐漸變成與緯圈相平行的西風(fēng)；而地面自極地向赤道的氣流偏轉(zhuǎn)成東風(fēng)。 緯向風(fēng)帶的出現(xiàn)，阻擋著經(jīng)向氣流的逾越，引起南、北緯副熱帶上空空氣質(zhì)量的輻合，副極地上空空氣質(zhì)量輻散，從而地面形成動力性的副熱帶高壓帶和副極地低壓帶，并且與

3、熱力性的赤道低壓和南北極高壓形成高低氣壓帶交錯排列。 高低氣壓帶間的氣壓梯度力及地轉(zhuǎn)偏向力共同形成和維持了緯向行星風(fēng)帶：東南/東北信風(fēng)帶、盛行西風(fēng)帶、 極地東風(fēng)帶，以及經(jīng)向三圈環(huán)流圈：低緯度環(huán)流圈、中緯度環(huán)流圈、極地環(huán)流圈。第6章 大氣環(huán)流6.1 大氣環(huán)流形成的主要因子6.1.2 地球自轉(zhuǎn)作用極鋒副熱帶鋒熱帶輻合帶NS0LHH30NH60NL30SH60SLNESENENESESEWWWWEE海、陸熱力差異對氣流的影響。夏季，陸地為相對熱源，海洋為相對冷源；冬季則相反。這種冷熱源分布使完整的緯向氣壓帶分裂成一個個閉合的高壓和低壓大氣活動中心。海、陸間的季節(jié)性熱力差異引起的氣壓梯度驅(qū)動著海陸間的

4、大氣流動，這種隨季節(jié)而轉(zhuǎn)換的環(huán)流是季風(fēng)形成的重要因素。第6章 大氣環(huán)流6.1 大氣環(huán)流形成的主要因子6.1.3 地表性質(zhì)作用地形起伏對氣流的影響。大范圍的高原和高大山脈對大氣環(huán)流的影響非常顯著，主要有兩個方面。一是動力影響，高原或高山迎風(fēng)坡空氣輻合，形成高壓脊，而背風(fēng)坡形成低壓槽，如東亞大槽、北美大槽；當(dāng)?shù)匦芜^于高大或氣流較淺薄，則在迎風(fēng)坡氣流發(fā)生繞流，背風(fēng)坡氣流又匯合。二是熱力影響，高原相對于四周大氣而言，夏季為熱源，冬季則為冷源。均一地表假定下的行星風(fēng)帶海陸分布影響下的行星風(fēng)帶大氣環(huán)流的基本狀態(tài)是以南、北極為中心的緯向環(huán)流，即東、西風(fēng)帶。對流層的中上層，除赤道地區(qū)外，各緯度均為西風(fēng)，這是由

5、低緯指向高緯的經(jīng)向溫度梯度所決定的。平均緯向環(huán)流基本結(jié)構(gòu)如下：高緯地區(qū)：極地東風(fēng)帶。主要分布在北大西洋低壓和北太平洋低壓的向極一側(cè)，其厚度、強度都是冬季大于夏季。中緯地區(qū)：盛行西風(fēng)帶。緯向?qū)挾?、風(fēng)速隨高度而增大，北半球冬季西風(fēng)風(fēng)速大于夏季。低緯地區(qū)：熱帶東風(fēng)帶或信風(fēng)帶。它是緯向風(fēng)帶中風(fēng)向最為穩(wěn)定、風(fēng)速較大（平均風(fēng)速48m/s）、活動范圍廣闊（幾乎占全球的一半）的風(fēng)帶。第6章 大氣環(huán)流6.2 大氣環(huán)流的平均狀況6.2.1 平均緯向環(huán)流第6章 大氣環(huán)流6.2 大氣環(huán)流的平均狀況6.2.2 平均經(jīng)向環(huán)流概念：指沿經(jīng)圈的垂直剖面上，由平均風(fēng)速的北、南分量和垂直分量構(gòu)成的平均環(huán)流圈。特點：在大氣運動滿足

6、靜力平衡和準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡條件下，除低緯度以外，上述風(fēng)速的南北分量和垂直分量都很小，因而經(jīng)圈環(huán)流同緯圈環(huán)流相比要弱得多。結(jié)構(gòu)：北半球有三個經(jīng)向環(huán)流圈，即低緯環(huán)流圈，又稱哈得萊（Hadley）環(huán)流圈，為直接熱力環(huán)流圈（正環(huán)流圈）；中緯環(huán)流圈，又稱費雷爾（Ferrel）環(huán)流圈，為間接熱力環(huán)流圈（逆環(huán)流圈） ；高緯環(huán)流圈，又稱極地環(huán)流圈，也是直接熱力環(huán)流圈（正環(huán)流圈） 。地球自轉(zhuǎn)作用下的理想三圈環(huán)流緯向環(huán)流受到的擾動主要是地球表面海陸分布以及地面摩擦和大地形作用所引起，其表現(xiàn)形式為槽、脊和高壓、低壓。槽、脊主要出現(xiàn)于對流層高層。北半球，1 月份500hPa 等壓面圖上西風(fēng)帶有三個平均槽，即東亞大槽、北美大

7、槽、及歐洲淺槽。三槽之間并列著三個脊，但強度比槽弱得多。7 月份，西風(fēng)帶顯著北移，槽脊的位置也發(fā)生很大變動，即東亞大槽東移入海，原歐洲淺槽已不存在，并變?yōu)榧梗鴼W洲西岸和貝加爾湖地區(qū)各出現(xiàn)一個淺槽，北美大槽位置基本未動。第6章 大氣環(huán)流6.2 大氣環(huán)流的平均狀況6.2.3 實際平均水平環(huán)流對流層中、上層平均水平換流北半球1月500hPa平均等高線槽線北半球7月500hPa平均等高線槽線第6章 大氣環(huán)流6.2 大氣環(huán)流的平均狀況6.2.3 實際平均水平環(huán)流對流層低層平均水平換流對流層低層受海、陸熱力差異的影響最大。夏季，陸地為相對熱源，海洋為相對冷源；冬季則相反。這種冷熱源分布使完整的緯向氣壓帶

8、分裂成一個個閉合的高壓和低壓大氣活動中心。北半球海洋上的太平洋高壓、大西洋高壓、阿留申低壓、冰島低壓常年存在，只是強度、范圍隨季節(jié)有變化，稱為常年活動中心。陸地上的南亞低壓（印度低壓）、北美低壓、西伯利亞高壓、北美高壓等只是季節(jié)性存在，稱為季節(jié)性活動中心。夏季海平面氣壓場冬季海平面氣壓場西伯利亞高壓阿留申低壓印度低壓北太平洋高壓冬季(1月)地面氣壓場和風(fēng)場ITCZ：熱帶輻合帶夏季(7月)地面氣壓場和風(fēng)場ITCZ：熱帶輻合帶2006年1月海平面氣壓場2006年7月海平面氣壓場概念：指對流層中上層風(fēng)速30m/s 以上的狹窄強緯向風(fēng)帶，其位置通常與水平溫度經(jīng)向梯度很大的鋒區(qū)相對應(yīng)。溫帶急流：又稱極鋒

9、急流，多見于南北半球中高緯度地區(qū)的上空，是與極鋒相聯(lián)系的西風(fēng)急流；副熱帶急流：又稱南支西風(fēng)急流，位于200hPa 上空副熱帶高壓的北緣，同副熱帶鋒區(qū)相聯(lián)系，是一支相當(dāng)強大而穩(wěn)定的急流。副熱帶東風(fēng)急流：在夏季北半球亞洲、非洲副熱帶對流層頂附近（100150hPa）處的一支急流。第6章 大氣環(huán)流6.2 大氣環(huán)流的平均狀況6.2.4 急流NSELH030N60NSTHSPL平均經(jīng)向環(huán)流圈極鋒副熱帶鋒NSELH030N60NSTHSPL溫帶急流副熱帶東風(fēng)急流?副熱帶急流平均經(jīng)向環(huán)流圈與急流急流示意圖參考材料：大氣環(huán)流的異常事件正常年份ENSO年份p赤道東太平洋海表水溫異常升高的現(xiàn)象即為El Nino。

10、 El Nino現(xiàn)象結(jié)束后，次年太平洋東岸之海水溫又往往會比正常為低，西岸則往往偏高，此種顛反之異常狀態(tài)稱為La Nina (The Little Girl)。p南方濤動（SO），用以描述熱帶東太平洋地區(qū)與熱帶印度洋地區(qū)氣壓場反相變化的蹺蹺板現(xiàn)象，通常以東南太平洋（塔希提島以東）和印度洋（澳大利亞的達爾文站以西）之間的氣壓差表示SOI。南方濤動影響到全球海洋和大氣狀況p許多研究表明，赤道東太平洋海表水溫異常事件同南方濤動指數(shù)（SOI）之間有非常好的相關(guān)關(guān)系。 El Nino與南方濤動二者又合稱為ENSO。 南方濤動南方濤動對太平洋東西兩岸氣候所造成的影響：圖 (a)：正常狀態(tài)下，貿(mào)易風(fēng)將表層海

11、水向西推送，暖水在西側(cè)積聚因此產(chǎn)生暖濕空氣，暖濕空氣向上爬升因而在太平洋西側(cè)發(fā)展出低氣壓系統(tǒng)或是暴風(fēng)系統(tǒng)。在 太平洋東側(cè)則正好相反，涌升流促成冷海面，空氣下沈且干燥，天空晴朗高壓盛行。圖(b)：當(dāng)發(fā)生較強的El Nino現(xiàn)象時，貿(mào)易風(fēng)減弱，表層暖海水向東退回，因此太平洋東側(cè)堆積了暖海水，促成當(dāng)?shù)馗挥谂瘽袂疑仙臍鈭F，故低壓與暴風(fēng)盛行，反而是太平洋西側(cè)變成苦旱Normal, non-El Nino conditions Low pressure over Indonesia (large pressure gradient) ; Strong trades; Weak counter curre

12、nt; Upwelling off Peru (and California)- cold nutrient-rich waters; Warm water to west- cooler water to east- Peru high productivity; Storms concentrated in the west over warm water; In normal, non-El Nino conditions, the trade winds blow towards the west across the tropical Pacific. These winds pil

13、e up warm surface water in the west Pacific, so that the sea surface is about 1/2 meter higher at Indonesia than at Ecuador. The sea surface temperature is about 8C higher in the west, with cool temperatures off South America, due to an upwelling of cold water from deeper levels. This cold water is

14、nutrient-rich, supporting high levels of primary productivity, diverse marine ecosystems, and major fisheries. Rainfall is found in rising air over the warmest water, and the east Pacific is relatively dry. SO (Southern Oscillation)- decrease in the pressure gradient across the southern equatorial P

15、acific; Trades weaken; Countercurrent strengthens- warm water across the equatorial region; Decreased upwelling-warm low nutrient waters off Peru; Storm pattern shifts toward the east; During El Nino, the trade winds relax in the central and western Pacific leading to a depression of the thermocline

16、 in the eastern Pacific, and an elevation of the thermocline in the west. The observations at 110W show, for example, that during 1982-1983, the 17-degree isotherm dropped to about 150m depth. This reduced the efficiency of upwelling to cool the surface and cut off the supply of nutrient rich thermo

17、cline water to the euphotic zone. The result was a rise in sea surface temperature and a drastic decline in primary productivity, the latter of which adversely affected higher trophic levels of the food chain, including commercial fisheries in this region. Rainfall follows the warm water eastward, with associated flooding in Peru and drought in Indonesia and Australia. The eastward displacement of the atmospheric heat source overlaying the warmest water results in