天氣學原理課件

大氣環(huán)流大氣環(huán)流是指全球範圍的大尺度大氣運行的基本狀況水準尺度——數(shù)千公里以上垂直尺度——10公里以上時間尺度——幾天§1大氣平均流場特徵與季節(jié)轉(zhuǎn)換一、平均緯向風分量的經(jīng)向分佈1、低緯度為東風帶——30°N~30°S最大東風風速中心：1（7）月在南（北）半球平流層

7月北半球平流層緯向平均西風分佈2、中高緯為西風帶北半球：1月最大西風風速中心—40m/s,200hpa,30°N7月最大西風風速中心—16m/s,200hpa,40°N即西風帶冬強夏弱，隨季節(jié)南北位移南半球：西風中心強度冬夏變化不大，200hpa，隨季節(jié)南北位移3、極區(qū)近地面為弱東風帶

冬季對流層至平流層均為西風夏季極區(qū)平流層為極地東風二、平均徑向風分量的徑向分佈1、徑向風比緯向風小得多地球上基本是環(huán)繞緯圈的大氣運動，有弱的南北向氣流交換2、北半球低緯度冬季—高層南風，低層北風夏季—高層北風，低層南風三、平均的水準環(huán)流（氣壓場）1、北半球500hpa平均環(huán)流特徵①極區(qū)為極渦控制—冬強夏弱冬季2個低渦中心：格陵蘭西部、東西伯利亞夏季1個低渦中心：極區(qū)②中高緯中高緯是以極渦為中心的環(huán)繞緯圈的西風環(huán)流—冬強夏弱，西風帶中有“冬三夏四”的平均長波槽。

冬季三個長波槽：東亞大槽—140°E

北美大槽—70°w

歐洲淺槽—40°E

夏季四個長波槽：東亞大槽—160°-180°E

北美大槽—60°w

歐洲西海岸槽—0°-10°E

貝加爾湖西部槽—90°E

冬季中低緯有5個西風帶槽：東亞、北美、孟加拉灣、地中海、東太平洋③低緯度低緯度為副熱帶高壓控制—冬弱夏強，隨季節(jié)南北位移冬季副高弱—其範圍在20°N以南夏季副高強—其範圍在40°N以南2、北半球海平面平均氣壓場特徵①北半球有５個半永久性的大氣活動中心—海洋系統(tǒng)太平洋副高和大西洋副高：夏強冬弱，南北位移阿留申低壓和冰島低壓：冬強夏弱格陵蘭高壓②北半球有４個季節(jié)性大氣活動中心—大陸系統(tǒng)冬季：亞洲冷高壓和北美冷高壓夏季：亞洲熱低壓和北美熱低壓四、大氣環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換1、北半球大氣環(huán)流的季節(jié)特點①11月～５月為冬季環(huán)流型：西風帶三個長波槽，西風急流強位置偏南，東亞南北兩支西風急流②７月～９月為夏季環(huán)流型：西風帶四個長波槽，西風急流弱偏位置北，東亞一支西風急流２、兩次季節(jié)突變①6月突變——冬季環(huán)流型轉(zhuǎn)為夏季環(huán)流型②10月突變——夏季環(huán)流型轉(zhuǎn)為冬季環(huán)流型控制大氣環(huán)流的基本因數(shù)與大氣環(huán)流的基本模型一、太陽輻射作用太陽輻射能是大氣環(huán)流形成的基本能源。（Ｐ１５１圖4.10）

1、太陽輻射能在整個地球表面分佈不均勻，隨緯度 增大而減小。

(1)低緯度（40°N~40°S）是太陽輻射能淨得區(qū)

(2)中高緯（40°N~北極、40°S~南極）是太陽能 淨失區(qū)2、大氣的平均溫度特徵（Ｐ１５２圖4.11）(1)對流層中，低緯為暖中心，向極地溫度逐漸遞減，冬季南北溫差大於夏季。(2)平流層中，低緯為冷中心，夏季溫度由赤道向極地逐漸升高。３、溫度分佈不均勻必然產(chǎn)生熱力環(huán)流

假定：地球不旋轉(zhuǎn)、地球表面性質(zhì)一樣

對流層中低緯暖，高緯冷，使空氣在赤道上升，極地下沉，在南北溫差的作用下，高空為赤道吹向極地的南風；在氣壓梯度力作用下，低層為極地吹向赤道北風——構(gòu)成直接熱力環(huán)流圈

二、地球自轉(zhuǎn)作用地轉(zhuǎn)偏向力，f隨緯度變化（P154圖4.12a、b）

1、北半球?qū)α鲗哟髿猸h(huán)流模式三圈經(jīng)向環(huán)流：極地環(huán)流圈－－－強費雷爾環(huán)流圈——弱哈德萊環(huán)流圈——強2、低層三風四帶三風：極地東風（東北風)

中緯西風（西南風)

低緯東風（東北信風）

四帶：極地高壓帶副極地低壓帶副熱帶高壓帶赤道低壓帶3、高空主要為西風帶:

高緯西風帶——極鋒西風急流中緯東風帶——弱低緯西風帶——副熱帶西風急流

二條行星鋒區(qū)：極鋒和副熱帶鋒三、角動量交換轉(zhuǎn)動慣量與角速度乘積：單位品質(zhì)的空氣繞地軸旋轉(zhuǎn)的絕對角動量

地球角動量相對角動量（一）地球大氣系統(tǒng)中絕對角動量分佈狀態(tài)1、地球角動量，為西風角動量，其大小隨緯度增高減小，赤道最大，極地最小2、低層相對角動量

弱極地東風帶——具有東風角動量

強

（二）地球大氣系統(tǒng)中絕對角動量守恆

a低緯東風帶由於摩擦和山脈的作用從地球 獲得西風角動量

b中緯西風帶由於摩擦和山脈的作用失去西 風角動量

實際上：地球旋轉(zhuǎn)為常數(shù)東、西風帶長期維持——兩者相互補償，達到平衡，證明角動量 守恆（三）角動量的兩種輸送方式

1、大氣內(nèi)部角動量水準輸送

①.u角動量水準輸送三種形式：

平均經(jīng)向環(huán)流——三圈經(jīng)向環(huán)流定常擾動——平均長波槽脊非定常擾動——天氣尺度的槽脊、（反）氣旋②.角動量水準輸送的特徵（P158圖4.14）

a）非定常擾動對角動量水準輸送遠大於定長擾動和平均經(jīng)向環(huán)流

b）非定常擾動對角動量水準輸送最大值出現(xiàn)在30度緯度附近

c）冬季哈得萊環(huán)流較強對角動量輸送顯著

d）費雷爾環(huán)流較弱，但水準輸送方向與哈得萊環(huán)流相反③.槽脊輸送角動量的方式（P159圖4.15）

a對稱槽槽前對u角動量向北輸送槽後對u角動量向南輸送兩者相等無南北淨輸送

b東北——西南向的傾斜槽槽前對u角動量向北輸送大於槽後對u角動量向南輸送有u角動量向北淨輸送

c西北——東南向的傾斜槽有u角動量向南淨輸送但實際大氣在中高緯地區(qū)多為東北－西南向槽脊，所以中緯度的擾動水準輸送主要是向北輸送西風角動量2，大氣內(nèi)部角動量的垂直輸送（P160圖4.16）

①哈得萊環(huán)流有淨餘的Ω角動量，向上輸送——補 償了高空西風帶 費雷爾環(huán)流有淨餘的Ω角動量，向下輸送——補 償了低層西風帶

平均經(jīng)圈環(huán)流對角動量的垂直輸送是主要的②擾動的垂直運動是上升、下沉互補出現(xiàn)由於高層u角動量大於低層u角動量，所以擾動的垂直運動總是向下淨輸送u角動量③計算表明，向上、向下對角動量的垂直輸送平衡④水準輸送與垂直輸送共同作用，大氣角動量收支平衡，東西風帶長期維持，地球角動量收支平衡，地球轉(zhuǎn)動角動量速度是常數(shù)四、地球表面的不均勻性

（一）海陸分佈對大氣環(huán)流的影響

1海平面的氣壓場：“半永久性大氣活動中心”、“季節(jié)性大氣活動中心”是海陸溫差結(jié)果

冬季海洋暖——阿留申低壓，冰島低壓強大大陸冷——蒙古冷高壓，北美冷高壓， 格陵蘭高壓

夏季海洋冷——太平洋副高，大西洋副高強大大陸暖——亞洲熱低壓，北美熱低壓2高空的東亞大槽、北美大槽是海陸溫差和高大山脈共同作用的結(jié)果

東亞大槽冬季——歐亞大陸東海岸溫度低+青藏 高原背風坡動力作用夏季——大槽東移離開大陸東岸+青藏 高原背風坡動力作用北美大槽冬季——北美大陸東海岸溫度低+洛磯 山脈背風坡動力作用夏季——大槽略東移離開東海岸+洛磯 山脈背風坡動力作用（二）地形影響——青藏高原

1，高原的動力作用①冬季極鋒的西風急流在東亞明顯分為南北兩支，在 高原東側(cè)形成“北脊南槽”高原北部脊區(qū)——我國北方晴天多孟加拉灣低槽——我國南方陰雨多②高原東側(cè)形成特殊天氣系統(tǒng)東亞大槽

500hpa長江中下游風場輻合線

700hpa江淮切變線

700hpa西南渦2，高原的熱力作用

a南亞高壓形成高層高壓①夏季為熱源低層低壓上升氣流，高溫高濕

b夏季高原南側(cè)轉(zhuǎn)為東風急流

②冬季為相對冷源低層高壓（P163圖4.18）高原南多西風急流適應(yīng)五、能量收支（P164圖4.19）

Q（太陽輻射）平均摩擦損耗維持緯向環(huán)流

Hardely環(huán)流（暖升冷降）

PMKM(緯向有效位能)Ferrel環(huán)流（冷升暖降）（緯向動能）發(fā)展槽脊南北熱量輸送斜槽對角動量的輸送（反串級輸送）

熱力擾動環(huán)流（暖升冷降）

PEKE(渦動有效位能)（渦動動能）

擾動摩擦損耗中緯度大尺度大氣運動的能量迴圈過程1由於太陽輻射的緯度差異，通過熱帶加熱，極地冷卻產(chǎn)生平均全位能（緯向位能） QPM2通過中緯度斜壓擾動（斜壓不穩(wěn)定長波）對感熱的輸送使其基本氣流的有效位能轉(zhuǎn)化為渦動有效位能 PMPE3通過中緯度斜壓經(jīng)向擾動形成的暖升冷降，使渦動有效位能轉(zhuǎn)化為渦動動能。渦動動能一部分由於摩擦而損耗PEKE4通過中緯度大型擾動對角動量的輸送，使渦動動能轉(zhuǎn)化為基本氣流的動能（緯向動能） KEKM5平均經(jīng)圈環(huán)流的淨作用使基本氣流的有效位能轉(zhuǎn)化為基本氣流的動能（緯向動能） PMKM6緯向動能維持大氣平均環(huán)流（處於穩(wěn)定、平衡轉(zhuǎn)態(tài)），並由於摩擦而有一定損耗一、環(huán)流指數(shù)與指數(shù)迴圈

1.西風岸大氣環(huán)流兩種基本狀態(tài)緯向環(huán)流——平直西風環(huán)流經(jīng)向環(huán)流——波狀流型具有較大南北向氣流 或出現(xiàn)大型暖高壓，冷低壓２.西風指數(shù)西風帶大型擾動

高指數(shù)：Ｉ值大——西風強，緯向環(huán)流為主低指數(shù)：Ｉ值小——西風弱，經(jīng)向環(huán)流為主

３、指數(shù)環(huán)流（指數(shù)迴圈）

大氣環(huán)流演變呈“指數(shù)迴圈”狀態(tài)——經(jīng)向環(huán)流和緯向環(huán)流不斷交替轉(zhuǎn)換，迴圈出現(xiàn)：高指數(shù)——低指數(shù)——高指數(shù)二、西風帶長波

1、西風帶波動分為三類：

①超長波——波長>10000km，北半球2~3個波， 由地形和海陸分佈的強迫振動引起②長波——波長3000~10000km，50~120經(jīng)距， 北半球3~7個波，由行星鋒區(qū)長波擾 動所引起③短波——幾百~3000km，由鋒區(qū)中的短波擾 動所引起。一般情況下，長波和短波不容易分辨。如圖所示，迭加後的長波槽就變得極不明顯，而長波脊則因為同位相迭加顯得很強。

2、長波的辨認方法：1)時間平均圖（P175圖4.31b）

2)空間平均圖(P177圖4.31c)3)平均高度廓線圖(P178圖4.31d)4)分析長波的結(jié)構(gòu)和特徵深厚系統(tǒng)：700~對流層頂長波：50~120經(jīng)距，移速慢：10經(jīng)距/天，靜止或西退熱力結(jié)構(gòu)：冷性槽，暖性脊3、長波的移動

1）長波波速公式條件：正壓，水準無輻散運動

——①

用小擾動法將方程線性化：假設(shè)：

則：帶入①式其中得到——②

上式為一個二階線性偏微分方程——波動方程設(shè)其解：——③

即將長波視為在基本的西風氣旋上迭加的經(jīng)向正（餘）弦波將③帶入②式有

所以有

——④上式即為長波波速公式——Rossby波速公式（槽線方程）2）討論④式：

a.波速C與西風風速有關(guān)，越大，移動越快，反之，移動越慢。當槽脊向東時，槽脊移動的速度總是小於西風風速。

b.波速C與波長L有關(guān)，長波移動的慢，短波移動的快。

c.波速C與緯度有關(guān)（），高緯度波動移動的快，低緯移速慢。

d.靜止波的波長：若C=0，則有後退波（西退）靜止波前進波（東移）緯度越高，西風越大，則越大（P180表4.2）

e.靜止波臨界的緯向風速：C=0,>

前進波當靜止波

<後退波緯度越高，波長越短，越小（

P180表4.1）3）長波波速公式的物理意義正壓，水準，無輻散大氣，槽脊的移動是由絕對渦度平流決定相對渦度平流：槽東進地轉(zhuǎn)渦度平流：

槽西退a.槽（脊）前正（負）的相對渦度平流，局地渦度增大（減?。┎郏梗〇|進b.槽前（後）偏南風（北風），負（正）地轉(zhuǎn)渦度平流，局地渦度減小（增大）槽西退4、長波調(diào)整長波波數(shù)的變化及長波的更替稱為長波調(diào)整。長波穩(wěn)定，大型環(huán)流很少變動，天氣過程按一定型式發(fā)展長波調(diào)整，天氣過程發(fā)生劇烈變化

1)南北兩支西風帶短波同位相迭加——成為長波2)上游槽(脊)的轉(zhuǎn)向?qū)ο嗯R脊(槽)的影響(P182圖4.33)3)群速度和上下游效應(yīng)(P182圖4.34)群波振幅最大值的移速稱為波群速.設(shè):兩個振幅相同,波長和移速不同的正弦波則綜合波

——⑤討論⑤式：

a）綜合波的振幅是隨x，t而變化的余弦波：余弦波振幅為２Ａ，波長為

波速（群速度）得到——⑥b)正壓無輻散長波的波群速，將長波波速帶入⑥式有：

——長波的波群速由上式可見：1.綜合波的範圍線以群速向下遊方向傳播2.長波的波群速大於和Ｃ，即大於西風風速和長波波速3.由於波動能量和波的振幅的平方成正比，所以這種波動最大振幅的傳播，也就是波動能量的傳播——能量頻散上（下）遊效應(yīng)：上（下）遊長波系統(tǒng)發(fā)生變化，以比 系統(tǒng)本身的移速和平均西風風速都快 的速度，即波群速影響下（上）遊長 波系統(tǒng)也發(fā)生變化，稱為上（下）遊 效應(yīng)．上下游效應(yīng)：大範圍上下游長波系統(tǒng)變化的相互聯(lián)繫．4）預(yù)報長波調(diào)整的定性經(jīng)驗

a.上游長波槽脊加強（減弱、移動）１～２天後，下游長波槽脊也會加強（減弱、移動）＂冬三夏四＂長波槽一般來說相對穩(wěn)定，長波調(diào)整才移動

b.在歐亞地區(qū)為兩個長波槽脊，如果超過兩個槽（或少於兩個槽）——出現(xiàn)長波調(diào)整

三、阻塞高壓

1、概述：1）定義：西風帶長波脊不斷北伸，在脊的北部形成閉 合暖高壓中心，稱為阻塞高壓。條件：a）中高緯高空有閉合的暖高中心——以北

b）暖高中心呈準靜止狀態(tài)——維持3天以上

c）西風急流在阻高西側(cè)分為兩支，繞過阻高後 匯合，其分支點和匯合點的範圍大於40~50 個經(jīng)度。2）結(jié)構(gòu)（P192圖4.42）

a.阻高為深厚的暖性系統(tǒng)：700hpa~對流層頂

b.高壓中心軸線，自下而上向西北方向傾斜

c.阻高對應(yīng)冷而高的對流層頂

d.近地面為冷高壓3）阻高的活動

a.北半球常出現(xiàn)在大西洋，歐洲和北美

b.亞洲常出現(xiàn)在烏拉爾山，鄂霍次克海

c.亞洲５、６、７三個月最多

2、阻高的建立過程①第一型：西風帶不穩(wěn)定波動發(fā)展過程（P186圖4.36）冷暖平流強，發(fā)展短波槽

②第二型：迭加過程西風帶發(fā)展短波槽（P187圖4.37）③阻高適應(yīng)共同點：

a上游有發(fā)展西風槽，槽後有冷平流，槽前有強的暖平流和負熱成風渦度平流，使高脊發(fā)展強大。

b高壓脊兩側(cè)由於冷平流作用，槽南伸加強，形成（切斷）低壓

cP188圖4.38500hpa高壓脊以西為暖平流

200hpa高壓脊以西為冷平流有利於高壓脊發(fā)展

5、阻高的重建和後退——穩(wěn)定階段

①阻高的重建：新的阻高相繼在舊的阻高的原地建立，稱阻高重建（P189圖4.39）

阻高在不發(fā)展槽前的冷平流和正渦度平流共同作用下而崩潰，又在緊跟而來的發(fā)展槽前的暖平流作用下重建②阻高的西退：

a）不連續(xù)西退：一個阻高趨於消失，而在消失的阻高西側(cè)一段距離的地方又生成一個新的阻高，看起來像是阻高也在西退。將這種阻塞高壓位置大幅後退，稱為不連續(xù)西退。

b）連續(xù)西退：阻高西側(cè)為正變高，東側(cè)為負變高，那麼阻高將連續(xù)西退。6、阻高的崩潰過程（P190圖4.40）

①.上游連續(xù)有不發(fā)展的槽東移，槽前冷平流和正渦度平流，不斷衝擊，削弱阻高崩潰

②.阻高前後的槽均轉(zhuǎn)為移動性，經(jīng)向環(huán)流轉(zhuǎn)緯向環(huán)流

③.500hpa阻高以西轉(zhuǎn)為冷平流

200hpa阻高以西轉(zhuǎn)為暖平流不利於高壓脊發(fā)展四、切斷低壓1.定義：西風帶長波槽不斷向南加深，在槽的南邊形成的閉合冷性低壓中心。2.結(jié)構(gòu)：P192圖4.42

高空深厚冷低壓：700hpa~對流層頂暖而低的對流層頂?shù)孛鏈\薄的冷高壓冷堆週邊為鋒區(qū)3.切斷低壓的形成

a.與阻高相伴生成

b.西風槽的切斷（P191圖4.41）溫度槽落後與高度槽，且振幅較大，高度槽隨之加強，南伸迅速，槽前後暖脊發(fā)展，切斷冷源，形成孤立的冷性低壓。4.切斷低壓的消失過程a.原地變性回暖和摩擦作用逐漸消亡。b.新的冷空氣的衝擊和東移使冷堆輻散下沉增溫，氣旋性渦度減小而逐漸消亡。一、急流的一般概念和基本特徵

1.定義：對流層上部強而窄的氣流帶

2.

水準長度：

上萬km

水準寬度：幾百km

厚度：

幾km

3.水準風切變：垂直風切變：高空急流4.急流軸左側(cè)風速具有氣旋性切變急流軸右側(cè)風速具有反氣旋性切變5.急流軸左側(cè)有偏差風的輻合急流軸右側(cè)有偏差風的輻散二、極鋒急流的結(jié)構(gòu)特點（P194圖4.43）

1.極鋒急流位於極地對流層頂和中緯度對流層頂?shù)臄嗔烟?，極鋒鋒區(qū)上方，平均高度在300hpa（10公里）

2.急流隨著極鋒南北位移，冬強夏弱

冬季平均：40o~60oN，甚至更低緯度

夏季平均：60o~70oN，極圈附近

3.急流下方地面氣旋、反氣旋活躍三、副熱帶西風急流的結(jié)構(gòu)特點

1.副熱帶西風急流位於中緯度對流層頂和熱帶對流層頂斷裂處，副熱帶鋒區(qū)上方。平均高度150~200hpa（12公里左右）

2.隨副熱帶鋒南北位移冬季：20o~30oN

夏季：35o~45oN四、熱帶東風急流

1.冬季在赤道附近夏季位於10o~20oN

2.平均高度在熱帶對流層頂，100~150hpa

3.亞洲——非洲東風急流最強：海陸對比和青藏高原熱源作用東亞環(huán)流基本特徵一、東亞大氣環(huán)流特徵

冬季極鋒急流分為南北兩支

青藏高原獨特的環(huán)流系統(tǒng)

季風環(huán)流最強1.東亞高空西風急流達到全年最強期，位置最偏南，明顯分為南北兩支（參照P150，圖4.9a）北支西風急流35o~40oN

南支西風急流25o~30oN

2.高空中高緯環(huán)流（500hpa）為一脊一槽青藏高原北部為高脊

90oE

東亞大槽

140oE3.高空的南支急流中孟加拉灣槽活躍二、東亞四季的環(huán)流概況和主要的天氣過程特點（一）冬季：11月~3月“十月”突變後，進入冬季環(huán)流型4.地面為兩個“大氣活動中心”控制：

蒙古冷高壓：範圍可達整個東亞地區(qū)（穩(wěn)定）

阿留申低壓，全年最強期5.冬季風強盛時期低層：北方西北風，南方東北風高層：西風帶6.我國的主要天氣過程強冷空氣一次次入侵——寒潮（降溫，大風）華南，昆明準靜止鋒——陰雨（二）夏季：7月~9月“六月”突變進入夏季環(huán)流型

1.南支西風急流北移，與北支西風急流合併40oN以北

，熱帶東風急流北移至青藏高原南側(cè)

2.高空環(huán)流500hpa為一槽一脊貝加爾湖淺槽

90oE

東亞沿海為高脊3.地面為兩個“大氣活動中心”副熱帶高壓，最強期亞洲熱低壓，最強期4.夏季風強盛時期低層——東南季風和西南季風高層——30oN以北為西風控制，30oN以南為熱 帶東風控制5.我國天氣全國雨季——雷暴，陣雨連陰雨帶——華南雨期，江淮梅雨，華北雨季天氣系統(tǒng)與天氣形勢的天氣學預(yù)報方法第一節(jié)天氣系統(tǒng)的外推預(yù)報法外推法——將天氣系統(tǒng)過去的演變趨勢外延以推測未 來的狀況一、閉合系統(tǒng)的外推法

1、等速外推：

2、變速外推二、槽脊線的外推

1、移動外推——分段外推2、強度外推——等高線振幅三、說明：

1、在天氣形勢穩(wěn)定的時候可用外推

2、但在天氣出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時不可用

3、外推的時間是短期的，長期不能用天氣系統(tǒng)的運動學預(yù)報方法運動學法——利用變壓、變高的分佈特點，通過運動學公 式，預(yù)測系統(tǒng)未來的移動的變化一、系統(tǒng)移動的運動學公式取固定坐標系——固定於地表，以速度運動的質(zhì)點

———①取運動坐標系——隨天氣系統(tǒng)移動，設(shè)天氣系統(tǒng)移動速度為，空氣質(zhì)點移速為空氣質(zhì)點相對於運動坐標系的移速為（-）

——②①－②得到：=——③如果取x軸與系統(tǒng)移動方向一致，=0運動系統(tǒng)中的特性點，線上某物理量為零則③式改寫為0=