第四章_2控制大氣環(huán)流基本因子與大氣環(huán)流基本模型

1、一、一、太陽輻射作用太陽輻射作用 太陽輻射能是大氣環(huán)流形成的基本能源。（ 圖4.10） 1、太陽輻射能在整個(gè)地球表面分布不均勻，隨緯度增大而減小。 (1) 低緯度（40N40S）是太陽輻射能凈得區(qū) (2) 中高緯（40N北極、40S南極）是太陽能 凈失區(qū)2、大氣的平均溫度特征（ 圖4.11）(1) 對流層中，低緯為暖中心，向極地溫度逐漸遞減，冬季南北溫差大于夏季。(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) 無論冬夏，低緯地區(qū)對流層頂高于中高緯，兩者間有明顯斷裂、溫度分布不均勻必然產(chǎn)生熱力環(huán)流、溫度分布不均勻必然產(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

2、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(fēng)；在氣壓梯度力作用下，低層為極地吹向赤道北風(fēng)構(gòu)成直接熱力環(huán)流圈二、地球自轉(zhuǎn)作用二、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(qiáng) 費(fèi)雷爾環(huán)流圈弱 哈德萊環(huán)流圈強(qiáng) Hadley 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

3、赤道匯合上升，從而構(gòu)成直接環(huán)流圈，稱為Hadley環(huán)流.東北信風(fēng)東北信風(fēng)（NE trade windNE trade wind）：北半球）：北半球HadleyHadley環(huán)流環(huán)流圈中低層向南的氣流，在柯氏力作用下向右偏而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。形成的一支穩(wěn)定的風(fēng)系。東南信風(fēng)東南信風(fēng)（SE trade windSE trade wind）：南半球）：南半球HadleyHadley環(huán)流環(huán)流圈中低層向北的氣流，在柯氏力作用下向左偏而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。形成的一支穩(wěn)定的風(fēng)系。赤道輻合帶赤道輻合帶（熱帶輻合帶）：赤道附近

4、東北信風(fēng)和（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，簡稱東南信風(fēng)匯合的地帶，簡稱ITCZ(intertropical ITCZ(intertropical convergence zoneconvergence zone極地環(huán)流圈極地環(huán)流圈的形成的形成 極地能量虧損，溫度低，密度大，從極地能量虧損，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向較低緯度運(yùn)動(dòng)，在

5、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)流圈成為西南風(fēng)，構(gòu)成極地環(huán)流圈 FerrelFerrel 環(huán)流的形成環(huán)流的形成 HadleyHadley環(huán)流中在環(huán)流中在3030N N下沉輻散的氣流中，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)。匯合，在高空輻散，其中有一支向南運(yùn)動(dòng)。這樣在這樣在HadleyHadley環(huán)流圈和極地環(huán)流圈之間存環(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，為間接在一個(gè)與直接環(huán)流圈相反的環(huán)流，為間接環(huán)流圈，也稱環(huán)

6、流圈，也稱Ferrel Ferrel 環(huán)流圈。環(huán)流圈。 極鋒：極鋒：極地環(huán)流圈中低層向南的東北風(fēng)與極地環(huán)流圈中低層向南的東北風(fēng)與HadleyHadley環(huán)流圈中下沉輻散而向北運(yùn)動(dòng)的西環(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南風(fēng)相遇，干冷與暖濕氣流相遇而形成的鋒區(qū)。鋒區(qū)。 副熱帶鋒區(qū)：副熱帶鋒區(qū)：HadleyHadley環(huán)流圈中高層向北運(yùn)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)。在對流層南的一支氣流相遇而形成鋒區(qū)。在對流層上部明顯，有副熱帶急流與之對應(yīng)上部明顯，有副熱帶急流與之對應(yīng)。2、低層三風(fēng)

7、四帶三風(fēng)： 極地東風(fēng)（東北風(fēng)) 中緯西風(fēng)（西南風(fēng)) 低緯東風(fēng)（東北信風(fēng)） 四帶： 極地高壓帶 副極地低壓帶 副熱帶高壓帶 赤道低壓帶氣壓場分布3、高空主要為西風(fēng)帶: 高緯西風(fēng)帶極鋒西風(fēng)急流 中緯東風(fēng)帶弱 低緯西風(fēng)帶副熱帶西風(fēng)急流 二條行星鋒區(qū)：極鋒和副熱帶鋒 季風(fēng)：季風(fēng)：隨季節(jié)而改變風(fēng)向的風(fēng)，主要由海隨季節(jié)而改變風(fēng)向的風(fēng)，主要由海陸熱力差異造成。陸熱力差異造成。 高空急流高空急流：在：在300hPa以上，以上，=30m/s的風(fēng)的風(fēng)速帶。速帶。三、角動(dòng)量交換三、角動(dòng)量交換轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度乘積 ： 單位質(zhì)量的空氣繞地軸旋轉(zhuǎn)的絕對角動(dòng)量 地球角動(dòng)量 相對角動(dòng)量（一）地球大氣系統(tǒng)中絕對角動(dòng)量分布狀態(tài)1

8、、 地球角動(dòng)量，為西風(fēng)角動(dòng)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(dòng)量 弱 極地東風(fēng)帶具有東風(fēng)角動(dòng)量 強(qiáng) （二）地球大氣系統(tǒng)中絕對角動(dòng)量守恒 a 低緯東風(fēng)帶由于摩擦和山脈的作用從地球獲得西風(fēng)角動(dòng)量 b 中緯西風(fēng)帶由于摩擦和山脈的作用失去西 風(fēng)角動(dòng)量 實(shí)際上： 地球旋轉(zhuǎn)為常數(shù) 東、西風(fēng)帶長期維持兩者相互補(bǔ)償，達(dá)到平衡，證明角動(dòng)量 守恒 （三）角動(dòng)量的兩種輸送方式 1、大氣內(nèi)部角動(dòng)量水平輸送 . u角動(dòng)量水平輸送三種形式： 平均經(jīng)向環(huán)流三圈經(jīng)向環(huán)流 定常擾動(dòng) 平均長波槽脊 非定常擾動(dòng)天氣尺度的槽脊、（反）氣旋. 角動(dòng)量水平輸送的特征（P158 圖4.14） a）非定常擾動(dòng)對角動(dòng)量

9、水平輸送遠(yuǎn)大于定長擾動(dòng)和平均經(jīng)向環(huán)流 b）非定常擾動(dòng)對角動(dòng)量水平輸送最大值出現(xiàn)在30度緯度附近 c）冬季哈得萊環(huán)流較強(qiáng)對角動(dòng)量輸送顯著 d）費(fèi)雷爾環(huán)流較弱，但水平輸送方向與哈得萊環(huán)流相反. 槽脊輸送角動(dòng)量的方式（P159 圖4.15） a 對稱槽 槽前對u角動(dòng)量向北輸送 槽后對u角動(dòng)量向南輸送 兩者相等 無南北凈輸送 b 東北西南向的傾斜槽 槽前對u角動(dòng)量向北輸送大于槽后對u角動(dòng)量向南輸送 有u角動(dòng)量向北凈輸送 c 西北東南向的傾斜槽 有u角動(dòng)量向南凈輸送 但實(shí)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(dòng)水平輸送主要是向北輸送西風(fēng)角動(dòng)量2，大氣內(nèi)部角動(dòng)量的垂直輸送（P160 圖4.1

10、6） 哈得萊環(huán)流有凈余的角動(dòng)量，向上輸送 補(bǔ)償了高空西風(fēng)帶 費(fèi)雷爾環(huán)流有凈余的角動(dòng)量，向下輸送補(bǔ)償了低層西風(fēng)帶 平均經(jīng)圈環(huán)流對角動(dòng)量的垂直輸送是主要的 擾動(dòng)的垂直運(yùn)動(dòng)是上升、下沉互補(bǔ)出現(xiàn) 由于高層u角動(dòng)量大于低層u角動(dòng)量，所以擾動(dòng)的垂直運(yùn)動(dòng)總是向下凈輸送u角動(dòng)量計(jì)算表明，向上、向下對角動(dòng)量的垂直輸送平衡水平輸送與垂直輸送共同作用，大氣角動(dòng)量收支 平衡，東西風(fēng)帶長期維持，地球角動(dòng)量收支平衡，地球轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量速度是常數(shù)四、地球表面的不均勻性四、地球表面的不均勻性 （一）海陸分布對大氣環(huán)流的影響 1 海平面的氣壓場：“半永久性大氣活動(dòng)中心”、“季節(jié)性大氣 活動(dòng)中心”是海陸溫差結(jié)果 冬季 海洋暖阿留申低

11、壓，冰島低壓強(qiáng)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(qiáng)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(fēng)坡動(dòng)力作用 夏季大槽東移離開大陸東岸+青藏 高原背風(fēng)坡動(dòng)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(fēng)坡動(dòng)力作用 夏季大槽略東移離開東海岸+洛磯 山脈背風(fēng)坡動(dòng)力作用海陸熱力差異造成冬季大陸東岸有大槽西岸有脊形成海陸熱力差異造成冬季大陸東岸有大槽西岸有脊形成 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 上山和下山對槽脊的影響（絕對渦度守

12、恒原理）H為氣柱為至對流層頂?shù)母叨?Hfdtd氣柱上山，氣柱上山，H H減小，輻散，減小，輻散，f f不變，則氣旋性渦度減小，不變，則氣旋性渦度減小，反氣旋性渦度增大，氣柱下山，氣旋性渦度增大反氣旋性渦度增大，氣柱下山，氣旋性渦度增大（二）地形影響青藏高原 1，高原的動(dòng)力作用 冬季極鋒的西風(fēng)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 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(fēng)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 夏季為熱源 低層低壓 上升氣

13、流，高溫高濕 b 夏季高原南側(cè)轉(zhuǎn)為東風(fēng)急流 冬季為相對冷源 低層高壓（P163 圖4.18） 高原南多西風(fēng)急流適應(yīng)五、能量收支五、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） PM KM (緯向有效位能) Ferrel環(huán)流 （冷升暖降） （緯向動(dòng)能） 發(fā)展槽脊南 北熱量輸送 斜槽對角動(dòng)量 的輸送 （反串級反串級 輸送輸送） 熱力擾動(dòng)環(huán)流（暖升冷降） PE KE (渦動(dòng)有效位能) （渦動(dòng)動(dòng)能） 擾動(dòng)摩擦損耗擾動(dòng)摩擦損耗中緯度大尺度大氣運(yùn)動(dòng)的能量循環(huán)過程中緯度大尺度大氣運(yùn)動(dòng)的能量循環(huán)過程1 由于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）Q PM2 通過中緯度斜壓擾動(dòng)（斜壓不穩(wěn)定長波）對感熱的輸送使其基