丁一匯高等天氣學(xué)熱帶大氣的動(dòng)力學(xué)特征與輻散環(huán)流課件

第七講熱帶大氣的動(dòng)力學(xué)特征與輻散環(huán)流丁一匯國(guó)家氣候中心高等天氣學(xué)系列講座單元三：熱帶大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)1精選課件熱帶一般是指南北半球副熱帶高壓脊線之間的區(qū)域，而副熱帶高壓脊線也是地面東風(fēng)帶和西風(fēng)帶之間的分界線。這個(gè)分界線平均位于30o緯度左右。熱帶幾乎占全球面積的一半。它之所以重要主要有三個(gè)方面：第一，熱帶是整個(gè)大氣的水汽、熱量和角動(dòng)量源。第一章已一般的說(shuō)明了正是在熱帶大氣從地面得到角動(dòng)量，并在熱帶大氣所獲得的熱量超過(guò)了向外輻射所損耗的熱能，這種盈得的動(dòng)量和熱量向極地方向輸送以補(bǔ)償中高緯的大氣角動(dòng)量和熱量的損失；第二方面是由于熱帶大氣和擾動(dòng)與中高緯的大氣和擾動(dòng)有明顯的相互作用，這使得人們不能把這兩個(gè)地區(qū)的環(huán)流看作是完全孤立的，其中任一地區(qū)的預(yù)報(bào)都必須考慮來(lái)自另一地區(qū)的影響；第三，熱帶地區(qū)是地球上主要的海洋區(qū)，海氣相互作用以及遙相關(guān)顯著，這是影響全球天氣與氣候形成和異常的一個(gè)主要原因。2精選課件圖7.1平均緯向風(fēng)的緯向剖面。左：12～2月平均；右：6～8月平均根據(jù)1971～2000年NCEP再分析資料制作單位：m·s-1（王慧提供，2004）3精選課件7.1熱帶大氣的動(dòng)力學(xué)特征4精選課件5精選課件6精選課件7精選課件8精選課件由于熱帶天氣尺度系統(tǒng)的無(wú)輻散性，所以過(guò)去一些人認(rèn)為這種系統(tǒng)的發(fā)展與來(lái)自中緯度的側(cè)向強(qiáng)迫作用有關(guān)。實(shí)際上這種機(jī)制并不是必要的。熱帶天氣尺度擾動(dòng)的發(fā)展完全有可能從熱帶行星尺度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)取得能量。例如可以注意到，對(duì)流性天氣尺度的擾動(dòng)（包括熱帶氣旋）常在特定的地理區(qū)域形成，這些區(qū)域正好對(duì)應(yīng)于行星尺度流型的上升區(qū)，如西太平洋，西大西洋地區(qū)等。9精選課件（3）存在著不同類(lèi)型大尺度低頻變化的流型或波動(dòng)。用經(jīng)典的潮汐理論不少人對(duì)行星尺度、緩慢變化的熱帶大氣進(jìn)行了研究。在不同的環(huán)境條件和強(qiáng)迫作用下（如不同的非絕熱加熱）得到了一些不同類(lèi)型的大尺度流型或波動(dòng)。這些流型與觀測(cè)十分相近。例如對(duì)于緯向波數(shù)1的情況，人們發(fā)現(xiàn)在熱帶存在著向西和向東傳播的重力波、向東傳播的凱爾文波、向西傳播的混合Rossby波（或者叫MY波，因是由Maruyama和Yanai發(fā)現(xiàn)）以及斜壓和正壓的Rossby波。其中開(kāi)爾文波與混合Rossby波尤其重要，這在第二章作了詳細(xì)討論。在東風(fēng)基本氣流情況下。只有開(kāi)爾文波具有很慢的速度，以致可以看作是定常解。對(duì)于西風(fēng)基本氣流，可以激發(fā)出一系列的Rossby波。對(duì)于潮汐波在實(shí)際緯向風(fēng)速條件下總是瞬變的。10精選課件11精選課件圖7.2赤道大氣Kelvin波的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)水平分布（取自Matsumo,1966）12精選課件圖7.3赤道大氣混合Rossby—重力波的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)水平分布（取自Matsumo,1966）13精選課件混合Rossby—重力波的流場(chǎng)相對(duì)于赤道是一個(gè)對(duì)稱(chēng)渦旋，而氣壓場(chǎng)不與赤道呈對(duì)稱(chēng)分布，高低壓中心分別位于赤道的兩側(cè)。風(fēng)壓場(chǎng)的關(guān)系在相對(duì)高緯的地區(qū)近似于地轉(zhuǎn)關(guān)系，而在近赤道地區(qū)非地轉(zhuǎn)分量很大，在赤道上緯向速度，但是經(jīng)向速度v達(dá)到最大，并且?guī)缀跖c等壓線相垂直。經(jīng)向速度v的大小沿y方向相對(duì)于赤道而言呈Gauss分布，離開(kāi)赤道地區(qū)波動(dòng)迅速減弱。14精選課件15精選課件16精選課件圖7.4沙特阿拉伯（左圖）阿拉伯海（中圖）和孟加拉灣（右圖）上空大氣非絕熱加熱分量的垂直分布。QR：凈輻射；QC：凝結(jié)加熱；QW：感熱加熱；FM（E—W）是東西方向的熱通量，F(xiàn)M（N—S）是南北方向的熱通量。單位：Kd-117精選課件18精選課件19精選課件20精選課件7.2輻散環(huán)流21精選課件圖7.5200hPa北半球夏季（6～8月）多年平均（1968～1980）的輻散環(huán)流分布。箭頭代表輻散風(fēng)分量，箭頭長(zhǎng)度代表輻散風(fēng)速。實(shí)線代表速度勢(shì)等值線，單位：5×105m2·s-1；D：高空輻散，C：高空輻合22精選課件全球輻散環(huán)流如下，在北半球冬季（尤其在1979年1月）（圖7.6a）主要哈得萊環(huán)流的上升支在5oS附近，下沉支在30oN附近，造成這支哈得萊環(huán)流圈的因子主要是亞洲冬季風(fēng)。另一個(gè)哈得萊環(huán)流是在5oS上升，30oS下沉、與澳大利亞季風(fēng)有關(guān)的環(huán)流圈，因而澳大利亞季風(fēng)是北半球冬季南半球哈得萊環(huán)流圈的一個(gè)有機(jī)組成部分。澳大利亞北部的降水變率與印尼－澳大利亞北部輻散環(huán)流上升支的周期性經(jīng)向移動(dòng)有關(guān)。澳大利亞大部分地區(qū)的輻散風(fēng)屬于南半球這支次要哈得萊環(huán)流圈的。了解這支環(huán)流圈的特征和演變對(duì)于全面了解澳大利亞季風(fēng)是非常重要的。與南大西洋和東南太平洋下沉支有關(guān)的輻散環(huán)流也值得進(jìn)一步研究。23精選課件夏季輻散環(huán)流的主要特征是（圖7.6b）：（1）如前面指出，亞洲夏季風(fēng)影響的范圍很廣。上升區(qū)位于阿薩姆－孟加拉地區(qū)，相應(yīng)有三個(gè)下沉氣流：太平洋的東西或瓦克環(huán)流的下沉支，西南印度洋的季風(fēng)下沉區(qū)和地中海及沙漠熱低壓的下沉區(qū)。（2）與非洲季風(fēng)有關(guān)的輻散環(huán)流比較局地性，在西非5oN附近為上升支，東南太平洋15oS附近為下沉支。這個(gè)下沉區(qū)也與中美洲附近的強(qiáng)上升區(qū)密切有關(guān)；（3）鄰近中美洲（10oN附近）的東太平洋地區(qū)對(duì)流活動(dòng)很強(qiáng)。在這個(gè)暖海面每年有20～25個(gè)熱帶氣旋形成。主要上升運(yùn)動(dòng)區(qū)就位于此處。這支輻散環(huán)流的下沉支在南太平洋和南大西洋，它們是哈得萊環(huán)流和東西環(huán)流的重要部分，對(duì)南半球副熱帶急流的強(qiáng)度和變化有重要作用。24精選課件圖7.6全球輻散環(huán)流的三維分布概略圖。根據(jù)FGGE資料作出。（a）1月；（b）7月（a）1月（b）7月25精選課件7.3主要熱帶天氣系統(tǒng)這里主要只一般性討論赤道輻合帶和熱帶波。赤道輻合帶是熱帶環(huán)流中十分重要的行星尺度系統(tǒng)。它在海洋上可以產(chǎn)生很長(zhǎng)的熱帶云帶。根據(jù)最近20多年的研究，從觀測(cè)方面關(guān)于赤道輻合帶得到了以下一些主要結(jié)果：（1）輻合帶一般不在赤道上，常位于離赤道一定緯度的地方。從圖7.7可以看到，在亞洲季風(fēng)區(qū)和西太平洋赤道輻合帶是彎曲的，1月位于17°S～18°N范圍，7月在2°N～27°N之間，在東半球輻合帶的位置變化最大，這是由于北半球南亞和北非的夏季風(fēng)和南半球夏季南非和澳大利亞的季風(fēng)造成。（2）輻合帶在海洋地區(qū)緯向位置的季節(jié)變化比在大陸上要小。在海洋上大約為10°～15°，而在大陸上為20°～25°。在大洋的東部輻合帶位置變化較小。26精選課件（3）在北太平洋，輻合帶位于赤道與15°N之間，在9～10月其位置最北。在北大西洋，輻合帶位于赤道與10°N之間，其最北位置也是出現(xiàn)在9～10月。在南太平洋，雖然可以觀測(cè)到一條持續(xù)性云帶，從熱帶（印尼地區(qū)）一直伸展到南半球副熱帶（約35°S），但通常不把這條云條看作赤道輻合帶。在印度洋，赤道輻合帶位于10°S～10°N之間。有時(shí)在赤道每一側(cè)各存在一條輻合帶，即雙赤道輻合帶現(xiàn)象，目前這種現(xiàn)象被看作是一種主要的氣候的特征。（4）陸地上的輻合帶一般與太陽(yáng)加熱的季節(jié)進(jìn)程一致。在西非，1～2月位于～5°N，8～9月位于22°N。在印度，當(dāng)季風(fēng)中斷時(shí)輻合帶位于25°N，即在喜馬拉雅山山麓。輻合帶的這種顯著北移與西藏高原的熱源作用有關(guān)。（5）海洋上的輻合帶一般出現(xiàn)在暖SST（海表溫度）區(qū)域。27精選課件圖7.71月（a）和7月（b）亞洲季風(fēng)區(qū)和熱帶太平洋850hPa平均流場(chǎng)和OLR圖。該圖由1971~2000NCEP資料制作（柳艷菊提供，2004年）28精選課件圖7.8Meanstreamlineat850hPaforsummer(July-September),(a)formonthswithmanytyphoons,and(b)formonthswithfewtyphoons.Blackcircledenotesthelocationoffirstdetectionoftyphoons.29精選課件圖7.10Mean850hPastreamlinefieldsforJuly(a),August(b),September(c),andOctober(d),averagedfor1979-1999.TheboldsolidlinesdenotethepositionoftheITCZmonsoontroughs.Shadedareasrepresentweakwindverticalshear,withV200-V80030精選課件輻合帶中所有變量分布對(duì)輻合帶幾乎時(shí)對(duì)稱(chēng)的，并且季節(jié)變化不明現(xiàn)。這表明輻合帶的作用全年不變。氣壓在輻合帶槽線處最低，經(jīng)向風(fēng)是吹向槽內(nèi)的，相應(yīng)出現(xiàn)輻合。氣流的穩(wěn)定度很小。輻合帶的暖心結(jié)構(gòu)是很明顯的，最暖的層次在對(duì)流層上部。與溫度距平一致，比濕距平表現(xiàn)為明顯的濕區(qū)。由于上述溫濕分布特征，高壓應(yīng)位于赤道輻合帶上部，低壓位于對(duì)流層下部。上部應(yīng)對(duì)于流出層，下部對(duì)應(yīng)于流入層，其間的無(wú)輻散層在500hPa左右赤道輻合帶中。濕靜力能量（cpT++Lq）的垂直分布表明（圖7.10），在對(duì)流層中部有最小值（～700hPa）。在700hPa以下為位勢(shì)不穩(wěn)定層。這種分布表明，不能用一般的擴(kuò)散概念來(lái)說(shuō)明輻合帶的向上熱輸送，因?yàn)樵谶@種情況下整層濕靜力能量分布應(yīng)向上減小。這時(shí)應(yīng)引用“負(fù)粘性”的概念也即渦旋輸送或?qū)α鬏斔偷母拍睢?1精選課件圖7.10赤道槽內(nèi)和離槽20°緯距處濕靜力能量（cpT++Lq）的垂直分布。單位：cal·g-1（1cal＝4.1868J）32精選課件熱帶大氣中的擾動(dòng)有許多種類(lèi)，對(duì)于天氣尺度的擾動(dòng)主要有熱帶波、高空冷渦、熱帶氣旋、季風(fēng)低壓等。他們的尺度一般在1000～2000km左右。這里主要以熱帶波動(dòng)為例討論熱帶擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)，更詳細(xì)的討論可參看。熱帶波在有利環(huán)境條件下可以發(fā)展成臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)，太平洋和大西洋上的臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)很大部分是由這種熱帶波發(fā)展而來(lái)的，因而其作用十分重要。由于熱帶地區(qū)尤其是海洋地區(qū)資料缺乏，目前除個(gè)別地區(qū)或個(gè)別時(shí)段外（專(zhuān)門(mén)的熱帶試驗(yàn)），大多用各種不同的綜合法來(lái)得到熱帶擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)。其中最有名的是Reed和Recker和Gray的綜合法。下面給出的非洲熱帶波結(jié)構(gòu)的結(jié)果即是根據(jù)Reed等的綜合法分析得到的（圖7.11）。33精選課件波的經(jīng)向風(fēng)最大值在650hPa，強(qiáng)度為5m·s-1。緯向風(fēng)結(jié)構(gòu)表明，槽前為東風(fēng)，槽后為西風(fēng)。相對(duì)渦度在650也有最大值，在200hPa存在著反氣旋渦度最大值，這表明綜合熱帶波是非常深厚的，幾乎達(dá)整個(gè)對(duì)流層。在地面槽線前方有大的輻合，而最大的水平質(zhì)量輻散位于同一地區(qū)的200hPa層上。在中間層，水平輻散的分布較亂。最大垂直速度在700hPa，約5hPa·h-1（1～2cm·s-1）。最大上升運(yùn)動(dòng)恰位于槽線之前方，但衛(wèi)星云圖有時(shí)表明云系主要分布在槽線處，這于Riehl的經(jīng)典東風(fēng)波模式（由位渦守恒解釋?zhuān)┮膊煌?。這點(diǎn)值得進(jìn)一步研究。溫度場(chǎng)分布表明，700hPa以上是冷心，300～400hPa層中是暖心，再高層又是冷區(qū)。干區(qū)一般與北風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)，而濕區(qū)位于槽后南風(fēng)區(qū)。在高層，分布恰與低層分布相反，這種原因