天氣學(xué)原理和方法第四章大氣環(huán)流

1、4.1 大氣平均流場(chǎng)特征與季節(jié)轉(zhuǎn)換4.2控制大氣環(huán)流的基本因子與大氣環(huán)流的基本模型4.3極地環(huán)流概況4.4熱帶環(huán)流概況4.5西風(fēng)帶大型擾動(dòng)4.6急流4.7東亞環(huán)流基本特征環(huán)流：空氣沿一個(gè)封閉的軌跡運(yùn)動(dòng)，或有沿著某一封閉軌跡循環(huán)運(yùn)動(dòng)的傾向。經(jīng)向環(huán)流：氣流沿經(jīng)圈方向運(yùn)動(dòng)（南北向）緯向環(huán)流：氣流沿緯圈方向運(yùn)動(dòng)（東西向）大氣環(huán)流：指全球范圍的大尺度大氣運(yùn)行的基本狀況，水平尺度在數(shù)千公里以上，垂直尺度在10公里以上，時(shí)間尺度在1-2日以上。是各種不同尺度的天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展和移動(dòng)的背景條件。尺度范疇尺度分類時(shí)間尺度空間尺度大氣現(xiàn)象舉例大尺度氣候尺度年代100040000km全球變暖大氣環(huán)流尺度季節(jié)、年季風(fēng)

2、大氣環(huán)流的尺度特征一、平均緯向風(fēng)分量的經(jīng)向分布低緯：東風(fēng)帶中高緯 ：西風(fēng)帶（冬季最大風(fēng)速40m/s,30N ,200hPa 夏季最大風(fēng)速16m/s,40N ,200hPa）極區(qū)：近地面：弱東風(fēng) 對(duì)流層：西風(fēng) 平流層(夏季） ：東風(fēng) 冬季：對(duì)流層低層30N以南：偏北風(fēng) 40N 以北：南風(fēng) ）對(duì)流層高層：低緯30N以南：南風(fēng) 高緯 40N 以北：北風(fēng)對(duì)流層中層：經(jīng)向分量很弱 夏季：13-40N之間：低層北風(fēng) 高層 南風(fēng)低緯（近赤道）：低層 北風(fēng) 高層 南風(fēng)平均緯向風(fēng)分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)向風(fēng)v分量的緯向平均雖然很小，但依然存在，說(shuō)明大氣中存在空氣的南北交換和熱量輸送中緯低緯1 對(duì)流層中部（500hPa）冬

3、季三槽：亞洲東岸 北美東部 歐洲東部三脊：阿拉斯加 西歐沿岸 青藏高原北部槽：北美（延伸 ）東亞（延伸） 地中海 孟加拉灣 青藏高原北部 東太平洋副熱帶高壓：海上夏季：極區(qū)：極渦中緯：繞極西風(fēng)四槽：勘察加半島 北美東部 歐洲西海岸 貝加爾湖到青藏高原 減弱脊：減弱不清楚低緯：副熱帶高壓大大加強(qiáng)：北太平洋 北大西洋非洲大陸西部出現(xiàn)閉合2 對(duì)流層底部（海平面氣壓場(chǎng)）冬季阿留申低壓 冰島低壓亞洲冷高壓 北美大陸高壓 格陵蘭大陸高壓夏季亞洲大陸低壓 冰島低壓太平洋副熱帶高壓 大西洋副熱帶高壓 格陵蘭大陸高壓一月份海平面氣壓場(chǎng)一月份海平面氣壓場(chǎng)阿留申低壓 冰島低壓亞洲冷高壓 北美冷高壓 格陵蘭高壓太平洋

4、副熱帶高壓 （夏威夷高壓）大西洋副熱帶高壓（亞速爾高壓） 七月份海平面氣壓場(chǎng)七月份海平面氣壓場(chǎng)冰島低壓亞洲大陸低壓 北美大陸低壓 格陵蘭高壓太平洋副熱帶高壓 （夏威夷高壓）大西洋副熱帶高壓（亞速爾高壓） 半永久性大氣活動(dòng)中心阿留申低壓 冰島低壓太平洋副熱帶高壓 大西洋副熱帶高壓 格陵蘭高壓季節(jié)性大氣活動(dòng)中心亞洲冷高壓 亞洲大陸低壓 北美冷高壓 北美熱低壓四、大氣環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換6 月 10月突變控制大氣環(huán)流的基本因子：太陽(yáng)輻射 地球自轉(zhuǎn) 地球表面不均勻性地面摩擦一、太陽(yáng)輻射作用 1 200hPa以下，無(wú)論冬夏，平均溫度梯度由赤道指向兩極 2 冬季南北溫差大于夏季 3 夏季平流層溫度梯度由極地指向

5、赤道，冷中心位于赤道 4 無(wú)論冬夏，低緯地區(qū)對(duì)流層頂高于中高緯，兩者間有明顯斷裂（對(duì)流層頂?shù)闹饕卣魇菤鉁氐拇怪边f減率變小或成等溫、甚至成逆溫型）在如上的溫度分布下，高層：極地位勢(shì)高度低，而赤道位勢(shì)高度高，由此產(chǎn)生由赤道指向極地的位勢(shì)梯度，高層空氣向極運(yùn)動(dòng)低層：極地冷空氣下沉，質(zhì)量堆積，低層產(chǎn)生由極地指向赤道的氣壓梯度，低層空氣向赤道運(yùn)動(dòng)如此構(gòu)成單圈環(huán)流：赤道上升，極地下沉， 高層南風(fēng)，低層北風(fēng)直接熱力環(huán)流：由大氣加熱不均勻產(chǎn)生的，加熱區(qū)上升，冷卻區(qū)下沉的環(huán)流二、地球自轉(zhuǎn) 單圈環(huán)流不考慮地球自轉(zhuǎn)，但地球自轉(zhuǎn)的情況下，空氣受到柯氏力的作用，在北半球向右偏在南半球向左偏，形成經(jīng)圈方向的三圈環(huán)流Ha

6、dley 環(huán)流的形成赤道上空向北流動(dòng)的氣流，在柯氏力的作用下向右偏轉(zhuǎn)，在30N左右轉(zhuǎn)為西風(fēng)，并在此處輻合，質(zhì)量堆積，地面氣壓升高，并且冷卻下沉，下沉氣流輻散，其中向南的一支在柯氏力影響下右偏，轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，此風(fēng)系穩(wěn)定，稱為東北信風(fēng)，在南半球?yàn)闁|南信風(fēng)，兩支信風(fēng)在赤道匯合上升，從而構(gòu)成直接環(huán)流圈，稱為Hadley環(huán)流Hadley cell東北信風(fēng)（NE trade wind）：北半球Hadley環(huán)流圈中低層向南的氣流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支穩(wěn)定的風(fēng)系。東南信風(fēng)（SE trade wind）：南半球Hadley環(huán)流圈中低層向北的氣流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支穩(wěn)定的風(fēng)系。赤道輻合帶（

7、熱帶輻合帶）：赤道附近東北信風(fēng)和東南信風(fēng)匯合的地帶，簡(jiǎn)稱ITCZ(intertropical convergence zone)極地環(huán)流圈的形成極地能量虧損，溫度低，密度大，從而使氣壓隨高度遞減增大，高空有較低緯度指向極地的氣壓梯度，而低層有極地指向較低緯度的氣壓梯度。則低層空氣有指向較低緯度運(yùn)動(dòng)，在柯氏力作用下右偏成為東北風(fēng)，高層南風(fēng)在柯氏力作用下右偏成為西南風(fēng)，構(gòu)成極地環(huán)流圈Ferrel 環(huán)流的形成Hadley環(huán)流中在30N下沉輻散的氣流中，向北流動(dòng)的氣流，與極地環(huán)流圈中上升支匯合，在高空輻散，其中有一支向南運(yùn)動(dòng)。這樣在Hadley環(huán)流圈和極地環(huán)流圈之間存在一個(gè)與直接環(huán)流圈相反的環(huán)流，為間

8、接環(huán)流圈，也稱Ferrel 環(huán)流圈。極鋒：極地環(huán)流圈中低層向南的東北風(fēng)與Hadley環(huán)流圈中下沉輻散而向北運(yùn)動(dòng)的西南風(fēng)相遇，干冷與暖濕氣流相遇而形成的鋒區(qū)。副熱帶鋒區(qū)：Hadley環(huán)流圈中高層向北運(yùn)動(dòng)的暖濕氣流與極地環(huán)流圈中上升，輻散向南的一支氣流相遇而形成鋒區(qū)。在對(duì)流層上部明顯，有副熱帶急流與之對(duì)應(yīng)。地面和高空流場(chǎng)分布 低緯地面 極地 中緯 西風(fēng)帶 低緯高空 高緯 中緯 西風(fēng)帶東風(fēng)帶西風(fēng)帶氣壓場(chǎng)分布東北信風(fēng)東南信風(fēng)東北季風(fēng)西南季風(fēng)赤道輻合帶極鋒鋒區(qū)副熱帶鋒區(qū)三、角動(dòng)量交換由于地面摩擦和山脈作用，極地和熱帶東風(fēng)帶得到西風(fēng)角動(dòng)量，中高緯西風(fēng)帶損耗西風(fēng)角動(dòng)量而大氣內(nèi)部通過(guò)非定常擾動(dòng)以及Hadley

9、 環(huán)流和Ferrel環(huán)流輸送角動(dòng)量給中緯度大氣，使得東風(fēng)帶和西風(fēng)帶得以長(zhǎng)期存在四、地球表面的不均勻性 海陸分布對(duì)大氣環(huán)流的影響 海陸熱力差異造成冬季大陸東岸有大槽西岸有脊形成 地形的影響 大地形的動(dòng)力作用，使氣流發(fā)生明顯的分支、繞流和匯合 上山和下山對(duì)槽脊的影響五、能量收支兩極是能匯，赤道和低緯是能源極地：66.5N以北和66.5S以南地區(qū)，是大氣中的冷源北極環(huán)流平均概況冬季：極渦有兩個(gè)中心，分別位于格陵蘭西、亞洲東北，極地為槽區(qū)夏季：極渦一個(gè)中心位于極點(diǎn)地面：冬季有一閉合低壓 夏季為高壓極地溫度分布特點(diǎn)：垂直方向：冬季2km以下有強(qiáng)烈逆溫 夏季逆溫減弱地面溫度年變化顯著：冬季-30C 以下

10、夏季 0C左右層結(jié)穩(wěn)定極地環(huán)流異常：極地為暖性反氣旋或暖脊控制，使極渦分裂南下，位置偏南，寒潮多而強(qiáng)熱帶：南北半球的副熱帶高壓脊線之間的區(qū)域，約占地球表面積的一半一、平均環(huán)流特征 地面流場(chǎng) 冬季：兩支偏東氣流（信風(fēng)） 赤道輻合帶隨季節(jié)有南北位移： 大西洋 西非 太平洋東部 5-10N 印度洋 西太平洋 10S 夏季：西南季風(fēng) 東北信風(fēng)加強(qiáng)北移 赤道輻合帶北抬一月份全球風(fēng)場(chǎng)分布七月份全球風(fēng)場(chǎng)分布2 氣壓場(chǎng)冬季：亞洲大陸冷高壓，海洋上副熱帶高壓 南半球大陸為熱低壓控制 赤道為赤道低壓帶夏季：亞洲非洲為熱低壓 海洋上副熱帶高壓 強(qiáng)大北抬 南半球大陸為冷高壓 赤道低壓帶向北移動(dòng)季風(fēng)：穩(wěn)定的盛行風(fēng)隨季節(jié)

11、發(fā)生顯著變化的氣流稱為季風(fēng)。信風(fēng)輻合帶：兩支信風(fēng)匯合的地帶（氣壓場(chǎng)上為信風(fēng)槽）季風(fēng)輻合帶：季風(fēng)與信風(fēng)（或赤道偏西風(fēng)）匯合的地帶（季風(fēng)槽） 對(duì)流層上部平均流場(chǎng) 冬季：熱帶對(duì)流層 強(qiáng)西風(fēng) 副熱帶 西風(fēng)急流，上有三槽：孟加拉灣 非洲西海岸 太平洋東部 夏季： 熱帶對(duì)流層高層：三個(gè)反氣旋中心位于北美 波斯灣 青藏高原 東風(fēng)急流二、平均經(jīng)向垂直環(huán)流Hadley環(huán)流三、平均緯向垂直環(huán)流對(duì)流層上部 東半球 東風(fēng) 西半球 西風(fēng)對(duì)流層下部 東半球 西風(fēng) 西半球 東風(fēng)Walker（沃克）環(huán)流：與印度尼西亞的對(duì)流區(qū)相聯(lián)系的緯向環(huán)流圈，橫跨赤道太平洋，上升支位于印度尼西亞，下沉支位于赤道東太平洋一、急流的概念急流使指

12、一股窄而強(qiáng)的氣流帶，中心在對(duì)流層上部，風(fēng)俗必須大于或等于30m/s ，風(fēng)速水平切變量級(jí)為每100公里5m/s ，垂直切變量級(jí)每公里5-10m/s。急流中心長(zhǎng)軸為急流軸，其上可以有一個(gè)或多個(gè)風(fēng)速極大值中心，急流軸呈準(zhǔn)水平，軸線多呈東西向，水平長(zhǎng)度達(dá)上萬(wàn)公里，水平寬度幾百公里，厚度幾公里。二、急流基本特點(diǎn)急流左側(cè)風(fēng)速具有氣旋性切變，有偏差風(fēng)輻合急流右側(cè)風(fēng)速具有反氣旋性切變，有偏差風(fēng)輻散在直線西風(fēng)急流入口區(qū)，空氣質(zhì)點(diǎn)沿流線方向加速，有沿流線方向的加速度，有偏南的非地轉(zhuǎn)風(fēng)，同時(shí)空氣質(zhì)點(diǎn)在急流軸附近增量最大，因此：急流入口區(qū)左側(cè)輻合，右側(cè)輻散急流出口區(qū)左側(cè)輻散，右側(cè)輻合三、極鋒急流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)最大風(fēng)速出現(xiàn)在

13、對(duì)流層頂斷裂處，風(fēng)速垂直切變?cè)趯?duì)流層中下部達(dá)到最大。位置隨極鋒而南北變動(dòng)比較大四、副熱帶西風(fēng)急流特點(diǎn)最大風(fēng)速中心在中緯度對(duì)流層頂和熱帶對(duì)流層頂斷裂處，風(fēng)速垂直切變最大出現(xiàn)在對(duì)流層上部風(fēng)向和地理位置穩(wěn)定，冬強(qiáng)夏弱五、熱帶東風(fēng)急流特點(diǎn)，風(fēng)速7月急流一月急流一、海陸和高原對(duì)東亞環(huán)流和天氣系統(tǒng)活動(dòng)的影響 海陸熱力差異造成東亞季風(fēng)特點(diǎn) 對(duì)流層底部：蒙古冷高壓 阿留申低壓 印度低壓太平洋副熱帶高壓東亞 冬季干冷的冬季風(fēng) 夏季暖濕的夏季風(fēng) 雨量集中對(duì)流層中層：東亞500hPa槽脊位置冬夏季相反高空基本氣流： 30N 以北 西風(fēng) 30N 以南 偏東風(fēng)高原季風(fēng)復(fù)雜性近地面 冬季為冷高壓夏季為熱低壓因此近地面風(fēng)系

14、不同400hPa以上為西風(fēng)，南北兩側(cè)有急流 夏季北側(cè)西風(fēng)急流加強(qiáng)南側(cè)轉(zhuǎn)為東風(fēng)急流垂直方向：季風(fēng)環(huán)流：印度西南季風(fēng)沿高原爬坡上升，與高原上空輻散氣流匯合，主要部分向南流去并下沉，最南可達(dá)南半球，隨東南信風(fēng)一起向北越赤道轉(zhuǎn)為西南氣流，北上構(gòu)成閉合環(huán)流。對(duì)高原和臨近地區(qū)天氣有重要影響 青藏高原地形對(duì)東亞天氣和環(huán)流的影響 繞流和分支在高原北部形成地形脊南部形成地形槽切變線 暖濕氣流的輸送 氣流在上山和下上過(guò)程中對(duì)高空槽脊強(qiáng)度有影響二、我國(guó)各季環(huán)流概況和主要天氣過(guò)程 冬季 我國(guó)在西風(fēng)氣流控制下，亞洲大陸平均槽在140E，平均脊在90E，蒙古冷高壓強(qiáng)勁 高空槽比較強(qiáng)濕地面氣旋才會(huì)發(fā)展而破壞冷高壓，同時(shí)引導(dǎo)冷空氣南下，性呈強(qiáng)冷空氣爆發(fā)或寒潮。東亞大槽完成以次新陳代謝過(guò)程。 南支槽輸送暖濕氣流，形成華南 昆明靜止鋒2 春季 南支西風(fēng)急流3、6月減弱北移 北支槽穩(wěn)定 西風(fēng)帶槽脊無(wú)大變化，但強(qiáng)度減弱 我國(guó)上空為西風(fēng)氣流控制，么每個(gè)國(guó)高壓減弱西移，阿留申低壓減弱東移 ，我國(guó)東北出現(xiàn)低壓，鄂霍茨克海出現(xiàn)高壓，印度低壓范圍擴(kuò)大，印度西南季風(fēng)開(kāi)始建立，副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，低緯度天系系統(tǒng)開(kāi)始活躍