大氣環(huán)流課程講義

1、大氣環(huán)流課程觀測事實部分序言序言 一、什么是大氣環(huán)流？一、什么是大氣環(huán)流？-包圍地球的大氣在全球規(guī)模進(jìn)行的環(huán)行運動稱為包圍地球的大氣在全球規(guī)模進(jìn)行的環(huán)行運動稱為大氣環(huán)流。特點在于全球范圍（或大范圍），一般大氣環(huán)流。特點在于全球范圍（或大范圍），一般指月以上的平均運動。指月以上的平均運動。-地球大氣對太陽短波輻射的動力及熱力反應(yīng)的表地球大氣對太陽短波輻射的動力及熱力反應(yīng)的表現(xiàn)?，F(xiàn)。 二、大氣環(huán)流的主要研究對象二、大氣環(huán)流的主要研究對象 在全球范圍或其他較大尺度上，分析大氣各種在全球范圍或其他較大尺度上，分析大氣各種氣象參數(shù)的統(tǒng)計特征，并相對集中于探討時間和經(jīng)氣象參數(shù)的統(tǒng)計特征，并相對集中于探討時

2、間和經(jīng)度取平均的流場、溫度場以及濕度場的統(tǒng)計特征及度取平均的流場、溫度場以及濕度場的統(tǒng)計特征及其形成和維持的原因。其形成和維持的原因。 三、大氣環(huán)流學(xué)科的發(fā)展簡史三、大氣環(huán)流學(xué)科的發(fā)展簡史 對大氣環(huán)流的研究是從最早嘗試解釋信風(fēng)形成的原對大氣環(huán)流的研究是從最早嘗試解釋信風(fēng)形成的原因開始，至今約有因開始，至今約有300多年的歷史，并大致可劃分為四多年的歷史，并大致可劃分為四個階段個階段：1、形成了、形成了Hadley單圈環(huán)流的假說單圈環(huán)流的假說 1735年由年由Hadley提出的提出的“單圈環(huán)流單圈環(huán)流”模型，又稱模型，又稱為為Hadley環(huán)流模型或直接環(huán)流模型。主要依據(jù)太陽輻環(huán)流模型或直接環(huán)流模

3、型。主要依據(jù)太陽輻射在不同緯度非均勻加熱的結(jié)果。單圈環(huán)流模型是不射在不同緯度非均勻加熱的結(jié)果。單圈環(huán)流模型是不完全的。首先它與觀測不符；其次，低層大氣全是偏完全的。首先它與觀測不符；其次，低層大氣全是偏東風(fēng)，必然造成大氣給地球一個向西的力，由此使地東風(fēng)，必然造成大氣給地球一個向西的力，由此使地球自轉(zhuǎn)減慢，這與地球自轉(zhuǎn)角速度基本恒定的事實是球自轉(zhuǎn)減慢，這與地球自轉(zhuǎn)角速度基本恒定的事實是相反的。相反的。 2、三圈環(huán)流假說的發(fā)展、三圈環(huán)流假說的發(fā)展 “三圈環(huán)流三圈環(huán)流”是是1856年由年由Ferrel首先提出：即低緯與高緯首先提出：即低緯與高緯之間由三個環(huán)流圈組成，低緯和高緯各是一個直接環(huán)流圈，而之

4、間由三個環(huán)流圈組成，低緯和高緯各是一個直接環(huán)流圈，而中緯度為一間接環(huán)流圈，稱中緯度為一間接環(huán)流圈，稱Ferrel環(huán)流圈。環(huán)流圈。“三圈環(huán)流三圈環(huán)流”的直接原因仍是太陽輻射隨緯度的非均勻加熱造的直接原因仍是太陽輻射隨緯度的非均勻加熱造成的。實際的觀測表明：三圈環(huán)流模型中，間接環(huán)流相對較弱。成的。實際的觀測表明：三圈環(huán)流模型中，間接環(huán)流相對較弱。3、對大型渦旋（熱量、動量的輸送）在大氣物理量、對大型渦旋（熱量、動量的輸送）在大氣物理量輸送和平衡過程中的作用問題的研究（輸送和平衡過程中的作用問題的研究（19世紀(jì)后期到世紀(jì)后期到20世紀(jì)上半葉）世紀(jì)上半葉） 建立大氣長波理論（由以建立大氣長波理論（由以

5、Rossby為首的芝加哥學(xué)派創(chuàng)立）。為首的芝加哥學(xué)派創(chuàng)立）。為了說明大氣環(huán)流的三圈環(huán)流現(xiàn)象，為了說明大氣環(huán)流的三圈環(huán)流現(xiàn)象，Helmhotz（1888）提出渦）提出渦旋概念旋概念氣流與緯向平均氣流的偏差，并不是現(xiàn)代天氣學(xué)上的氣流與緯向平均氣流的偏差，并不是現(xiàn)代天氣學(xué)上的高、低壓，這種渦旋在維持大氣環(huán)流方面起了重要作用，這為高、低壓，這種渦旋在維持大氣環(huán)流方面起了重要作用，這為后來的大氣環(huán)流波動學(xué)說奠定了理論基礎(chǔ)。后來的大氣環(huán)流波動學(xué)說奠定了理論基礎(chǔ)。4、大氣環(huán)流觀測事實和機(jī)理研究的發(fā)展，轉(zhuǎn)盤模擬實、大氣環(huán)流觀測事實和機(jī)理研究的發(fā)展，轉(zhuǎn)盤模擬實驗及數(shù)值試驗驗及數(shù)值試驗1）大氣環(huán)流觀測事實的分析研

6、究*大氣中急流的發(fā)現(xiàn)（二戰(zhàn)中，空襲日本的美國空軍B29轟炸機(jī)在日本上空遇到強(qiáng)西風(fēng)，這是發(fā)現(xiàn)急流（中緯度西風(fēng)帶）的一個開端）*大氣物理量的計算（角動量、熱量）*平流層大氣環(huán)流的研究：發(fā)現(xiàn)了平流層爆發(fā)性增溫的現(xiàn)象（Stratospheric sudden warming）2） 關(guān)于大氣環(huán)流機(jī)理的研究關(guān)于大氣環(huán)流機(jī)理的研究關(guān)于有效位能的提出：Lorenz（1955）從大氣運動的能量平衡來解釋大氣環(huán)流的演變，特別是提出有效位能的概念，指出了大氣溫度在空間分布的不均勻性是引起大氣運動的根本原因。關(guān)于Hadley環(huán)流在維持大氣環(huán)流的作用：對于全球角動量的平衡起到重要的作用。關(guān)于大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換的突變性：葉和陶

7、（1958）在分析了東亞大氣環(huán)流演變的事實后，提出了東亞大氣環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換是突變性的，這個看法比在80年代國際上許多學(xué)者特別是Charney提出大氣環(huán)流的非線性突變要早20年。大氣運動的地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論 3） 氣環(huán)流數(shù)值試驗研究的發(fā)展（主要是數(shù)值模氣環(huán)流數(shù)值試驗研究的發(fā)展（主要是數(shù)值模式的發(fā)展）式的發(fā)展） 4） 新的觀測事實的發(fā)現(xiàn)新的觀測事實的發(fā)現(xiàn) 從60年代起，由于觀測技術(shù)的發(fā)展，特別是衛(wèi)星遙感探測技術(shù)，使得熱帶及平流層觀測資料大大增加，從而發(fā)現(xiàn)一些新的觀測事實：a）熱帶大氣波動的發(fā)現(xiàn)：赤道平流層緯向平均風(fēng)向存在著準(zhǔn)二年周期振蕩（QBO）現(xiàn)象；從理論及觀測事實發(fā)現(xiàn)了在熱帶存在著Rossby-重力混

8、合波、Kelvin波。b）熱帶低頻振蕩的發(fā)現(xiàn)：30-60天周期的振蕩（1971、1972）c）大氣環(huán)流異常遙相關(guān)的發(fā)現(xiàn)：如PNA型等。 四、新世紀(jì)初大氣環(huán)流與大尺度動力學(xué)的發(fā)展展望： * 大氣環(huán)流動力學(xué)將向氣候系統(tǒng)動力學(xué)發(fā)展 * 大氣環(huán)流和氣候年際和年代際變化的研究將得到重視 *將更加重視全球加速增溫對各區(qū)域大氣環(huán)流與氣候影響的研究。 五、 參考書： 1、大氣環(huán)流基礎(chǔ)，卜玉康編，氣象出版社，1994； 2、大氣環(huán)流基礎(chǔ)，謝安、江劍民編，氣象出版社，1994； 3、氣候物理學(xué)，Jose P. Peixoto and Abraham H. Oort著，吳國雄、劉輝等譯，氣象出版社，1995； 4、

9、氣候動力學(xué)，倪允琪 編著，氣象出版社，1993； 5、大氣中的大尺度動力過程，B. Hoskins, R. Pearce 編著，孫照渤等譯，氣象出版社，1987。 6、現(xiàn)代氣候?qū)W研究進(jìn)展王紹武 主編, 氣象出版社, 2001.， 六、六、 講授內(nèi)容：講授內(nèi)容： 1）大氣環(huán)流的基本觀測事實）大氣環(huán)流的基本觀測事實 2）大氣中的水分平衡）大氣中的水分平衡 3) 大氣中的熱量平衡大氣中的熱量平衡 4) 大氣中的能量平衡大氣中的能量平衡 5）大氣環(huán)流的理論研究）大氣環(huán)流的理論研究 6）大氣中的低頻變化和遙）大氣中的低頻變化和遙相關(guān)相關(guān)第一章第一章 大氣環(huán)流的基本觀測事實大氣環(huán)流的基本觀測事實1 大氣環(huán)

10、流中物理量及其通量的分解大氣環(huán)流中物理量及其通量的分解 為了討論大氣不同尺度的運動及其在有為了討論大氣不同尺度的運動及其在有關(guān)物理量輸送和平衡過程中的不同作用，關(guān)物理量輸送和平衡過程中的不同作用，可采用多種不同的尺度分解計算方法，大可采用多種不同的尺度分解計算方法，大致有三種：致有三種： 1）平均和擾動分解方法（）平均和擾動分解方法（*）2）諧波分解方法）諧波分解方法3）時間、空間的濾波方法）時間、空間的濾波方法一、物理量的分解設(shè)有物理量A（，p，t），可分解為對時間T的平均和距平：類似地，也可分解為空間平均和偏差兩部分，一般是對緯圈的平均：綜合時間和空間的分解，則任一氣象要素可表示為：各項的

11、物理含義： -長期的緯圈平均值，稱為緯向平均環(huán)流。如信風(fēng)帶。AAA*AAAA -表示緯偏值的時間平均圖，稱為常定渦旋（stationary eddies）。主要反映大氣活動中心、高空的平均槽脊以及季風(fēng)等特征。-瞬時的緯圈平均對其多年平均值的偏差，也稱瞬變緯圈平均項。就逐年、逐月平均相對多年平均而言，可反映年際和季節(jié)變化。-瞬時緯偏值，稱為瞬變渦旋項（transient eddies）。主要反映天氣尺度系統(tǒng)。*AA*A二、物理量通量的分解通量-大氣運動所引起的某物理量的輸送率。如某物理量A的經(jīng)向通量，用Av表示，它的緯圈和時間平均可分解為：其中： -平均經(jīng)向環(huán)流通量（反映平均經(jīng)圈環(huán)流的輸送作用）

12、 -常定渦旋通量（反映大氣活動中心、平均槽脊、海陸分布及地形影響） -瞬變經(jīng)向環(huán)流通量 -瞬變渦旋通量（斜壓不穩(wěn)定作用） *vAvAvAvAAvvA*vA vA*vA2 大氣環(huán)流的平均狀況大氣環(huán)流的平均狀況 影響大氣環(huán)流的主要因子：影響大氣環(huán)流的主要因子：太陽輻射能隨緯度的不平太陽輻射能隨緯度的不平均分布均分布、地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)，海陸和大地形的分布海陸和大地形的分布、基本氣流的不、基本氣流的不穩(wěn)定性、地表面的摩擦以及太陽活動等。前三個因子在我穩(wěn)定性、地表面的摩擦以及太陽活動等。前三個因子在我們研究大氣環(huán)流的時間長度內(nèi)是相對穩(wěn)定的因子，其共同們研究大氣環(huán)流的時間長度內(nèi)是相對穩(wěn)定的因子，其共同作用

13、形成了大氣環(huán)流的多年平均狀況。其它因子隨時間有作用形成了大氣環(huán)流的多年平均狀況。其它因子隨時間有較大的變化。較大的變化。 一、大氣平均溫度場一、大氣平均溫度場1、緯向平均大氣溫度的分布、緯向平均大氣溫度的分布由圖可得出如下特點：由圖可得出如下特點：1）在極地平流層有明顯的季節(jié)變化；2）在所有季節(jié)，赤道對流層頂附近存在一強(qiáng)的極小值；3）在冬半球（尤其 在 北 半 球 冬季），中緯對流層頂以上存在一極大值；4）對流層的季節(jié)變化相對要??；5）中緯存在強(qiáng)的經(jīng)向溫度梯度。2平均溫度的水平分布平均溫度的水平分布圖為1月及7月平均地面溫度分布，特點： （1） 北半球冬季大陸區(qū)域，極地至赤道間的溫度梯度達(dá)最大

14、值；（從不同的季節(jié)比較） （2） 各半球中，最大的溫度水平梯度位于南、北半球的中緯地區(qū)； （3） 海陸分布、陸地表面的特征和地表面地形對溫度的分布有非常顯著的影響、（如海岸線和山脈地區(qū)附近艾溫線的形狀和很強(qiáng)的梯度） （4） 最冷的地區(qū)在北半球冬季期間的（歐亞大陸北部）西伯利亞和加拿大的東部和全年中的南極洲。 （5） 在赤道地區(qū)，溫度因為太陽輻射變化不大而年變化很?。缓Ｑ蟾沟販囟鹊淖兓埠苄?。（因為1海洋的熱容量大；2海洋邊界層的混合作用很強(qiáng)，使得海洋的熱慣性較大。） （6） 最大溫度變化位于冬冷、夏熱的陸地，即西伯利亞中部（DT=-50）和加拿大北部（DT=-40）；另一極值位于撒哈拉沙漠（D

15、T=-20）。在南半球，中緯最大的溫度變化要小許多（10-15），并且中心位于大陸南部；南、北極的溫度變化的絕對值大約為35。地表溫度的分布是否會影響到中高層大氣？1000-300hPa厚度場的特征： 1）北半球1月亞洲東岸是平均的溫度槽，北大西洋、北太平洋的東部是平均溫度脊； 2）7月相反，兩大洋上為溫度槽，兩大陸上為溫度脊；極赤溫差減少；青藏高原上空強(qiáng)大的暖中心說明它在夏季變成大氣的熱源； 3）南半球中緯度的等厚度線基本與緯圈平行，只在夏季低緯度三個大陸上才有較明顯的暖脊波動。二、大氣的平均環(huán)流1、平均緯向環(huán)流（U分量）由緯向平均的緯向風(fēng)分量的緯度-高度剖面圖，可得緯向平均的緯向風(fēng)環(huán)流的分

16、布特征及其季節(jié)變化：1）在地面附近，低緯和高緯存在東風(fēng)，而中緯存在西風(fēng)；2）在平流層冬季極地附近存在西風(fēng)急流（極夜急流）；3）在平流層有大的季節(jié)變化（冬半球為西風(fēng)，夏半球為東風(fēng)）；4）在對流層上部（200hPa附近），南北半球各有一個西風(fēng)極大值；冬季：30o，30-40 m/s ；夏季：45o， 15-20 m/s。1）在地面附近，低緯和高緯存在東風(fēng)，而中緯存在西風(fēng)；2）在平流層冬季極地附近存在西風(fēng)急流（極夜急流）；3）在平流層有大的季節(jié)變化（冬半球為西風(fēng)，夏半球為東風(fēng)）；4）在對流層上部（200hPa附近），南北半球各有一個西風(fēng)極大值；冬季：30o，30-40 m/s ；夏季：45o， 15

17、-20 m/s。 2、平均經(jīng)圈環(huán)流、平均經(jīng)圈環(huán)流 V風(fēng)分布： （1）主要中心位于冬半球低緯度的低層和對流層上部，符號相反； （2）兩半球的中緯度和高緯度也有上、下層符號相反，成對分布的弱中心；低層分別與中緯度西風(fēng)帶和高緯度東風(fēng)帶相對應(yīng)。Omega垂直剖面：冬季：20S-10N，上升；10-35N，下沉夏季：20N-10S，上升；10-40S，下沉南北半球的分布在冬、夏基本上是對稱的，只是符號正好相反，極大值位于400-500hPa之間。通常用流函數(shù)來表示平均經(jīng)圈環(huán)流：由連續(xù)方程對上式做時間和緯圈平均，可得：定義流函數(shù)：0)cos(cos1pvua0coscos1pvapagvcos2cos22

18、ag流函數(shù)的分布特點：1）年平均情形，南北半球各有三環(huán)流圈：Hadley環(huán)流，F(xiàn)errel環(huán)流及極地環(huán)流圈2）冬半球的Hadley環(huán)流十分強(qiáng)大，而夏半球的Hadley環(huán)流幾乎完全消失3）Hadley環(huán)流比中緯度Ferrel環(huán)流反環(huán)流強(qiáng)得多。吳國雄等利用ECMWF5年的資料和新的算法算得的經(jīng)圈環(huán)流3 3 平均水平環(huán)流平均水平環(huán)流1）平均海平面氣壓場和風(fēng)場 北半球冬季：6個大氣活動中心：阿留申低壓；冰島低壓；蒙古高壓；加拿大高壓；夏威夷和亞速爾高壓（副熱帶暖性高壓） 。南半球：三個副高中心：南太平洋、南大西洋和印度洋副高。 北半球夏季：5個大氣活動中心：冰島低壓（減弱）；南亞熱低壓；北美南部低壓；

19、夏威夷和亞速爾副高（北太平洋副高與大西洋副高。）低緯赤道附近的低壓帶稱赤道槽：1月偏在南半球；7月移向北半球。 2）對流層中部的平均水平環(huán)流北半球冬季：極渦有兩個中心，副熱帶高壓所在的緯高偏南在20-15N之間。西風(fēng)帶上出現(xiàn)三對平均槽脊波動：槽：亞洲東岸；美州東岸和烏拉爾山以西的歐洲上空。脊：阿拉斯加，西歐沿岸以及貝加爾湖。北半球夏季：極渦減弱，只有一個中心。副高北移到20N北側(cè)，強(qiáng)度加強(qiáng)，西風(fēng)強(qiáng)度明顯減弱，四個平均波動：槽：北美大槽；東亞大槽東移20；歐洲西岸槽，烏拉爾山東側(cè)上空槽（弱）。 1.3 高層大氣的觀測事實 高層指平流層（12-50km）及中層大氣（50-80km）。在這些高空領(lǐng)域

20、，大型環(huán)流靠50km附近的臭氧層吸收的太陽紫外線和O3，CO2，H2O射出的紅外輻射形成的加熱和冷卻量分布來驅(qū)動。1、凈輻射加熱和冷卻分布有明顯的季節(jié)變化。夏半球極地附近為最大的加熱區(qū)，在冬半球極地附近有最大的冷卻區(qū)。這種加熱和冷卻的分布可以產(chǎn)生平均經(jīng)向環(huán)流。并在科氏力的影響下，夏半球高空有緯向東風(fēng)，冬半球高空有緯向西風(fēng)。 2、緯向平均溫度場分布 30-60km：從冬半球極地-夏半球極地均勻增溫 60km以上：從夏半球極地-冬半球極地均勻增溫3、緯向風(fēng)分布 1）夏半球的偏東風(fēng)可進(jìn)入到冬半球 2）冬半球平流層和中間層的西風(fēng)急流位于45N，在平流層的下部大約位于60N（極夜急流）3）在赤道地區(qū)緯向

21、風(fēng)的半年變化非常顯著，在春分和秋分后 出現(xiàn)偏西風(fēng)，在夏至和冬至后出現(xiàn)偏東風(fēng) QBO位相周期性交替下傳最大風(fēng)速極值出現(xiàn)在2030hPa下傳到約70hPa之后振幅明顯減小赤道上緯圈平均赤道上緯圈平均u風(fēng)的氣壓時間剖面風(fēng)的氣壓時間剖面 小波分析結(jié)果表明QBO周期約28個月赤道上緯圈平均赤道上緯圈平均u風(fēng)的小波分析風(fēng)的小波分析QBO特征：1）周期基本上為準(zhǔn)兩年；2）由30km下傳，振幅基本不變化，但到23km以下振幅迅速削弱；3）向下傳播速度約為每月1km；4）振蕩現(xiàn)象對于赤道程對稱； 平流層爆發(fā)性增溫：在冬末春初，平流層大氣的溫度在某些地方可以發(fā)生急劇的增溫，幾天之中可以增溫50。這種急劇的增溫現(xiàn)象稱為平流層爆發(fā)性增溫（stratospheric sudden warming）. 一般可以認(rèn)為平流