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1、4.2 控制大气环流的基本因子与 大气环流的基本模型,4.2.1 热力驱动的环流-单圈环流 4.2.2 旋转地球上的环流三圈环流,Hadley(1720)提出赤道和高纬度极地之间的热力差异是地球上大规模风系形成的根本原因。这就是著名的Hadley环流理论的基本思想。 热力驱动了风，即大气环流得以形成及维持的最终原动力，来自于太阳辐射的热量分布不均匀，是大气环流理论极为重要的基本观点。,4.2.1 热力驱动的环流-单圈环流,在低纬度地区有热量的净收入，而在高纬度地区有热量的净支出，热量的净收支不均匀的分布是随纬度变化的。因此大气温度的纬度分布必然取决于热量净收支随纬度变化的规律。,1. Hadl
2、ey环流,称纯热力驱动的大气环流为Hadley环流。,辐射收支的纬度变化,根据热力学第一定理，辐射加热的不均匀将产生大气温度的变化。,地一气系统的太阳短波辐射和长波辐射通量随纬度变化的情况,1 200hPa以下（12km），无论冬夏，平均温度梯度由赤道指向两极 2 冬季南北温差大于夏季 3 夏季平流层温度梯度由极地指向赤道，冷中心位于赤道 4 无论冬夏，低纬地区对流层顶高于中高纬,2. 温差造成的热力对流,热力驱动的环流的形成 大气温度的变化表现为低纬度地区大气温度高于高纬度地区，高层大气温度低于低层大气。在地一气系统接收太阳辐射随纬度变化的分布状况下，低纬低层大气为热源，高层和极地大气为热汇
3、（冷源）。,（假设地球不旋转）： 高层：极地位势高度低，而赤道位势高度高，由此产生由赤道指向极地的位势梯度，高层空气向极运动 低层：极地冷空气下沉，质量堆积，低层产生由极地指向赤道的气压梯度，低层空气向赤道运动 如此构成单圈环流：赤道上升，极地下沉， 高层南风，低层北风 直接热力环流：由大气加热不均匀产生的，加热区上升，冷却区下沉的环流,实际大气中热力驱动的对流现象,夏日因热力强迫形成的对流云（或所谓的对流单体）,沿海地区的海陆风,城市热岛效应,4.2.2 旋转地球上的环流,在转动的地球上，大气由于受到地球重力的作用，必定随地球转动。事实上，地球大气有别于单纯受热力驱动流体的根本特征是大气的层
4、结性和旋转性。地球上的实际大气是重力层结、旋转性、热力共同作用的结果，并进而制约了热力驱动的Hadley环流。,地球自转（三圈环流形成）,净余辐射能沿纬度分布的不均匀，造成了赤道暖两极冷的温度场。赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的作用下向右偏转，在30N左右转为西风，并在此处辐合，质量堆积，并且冷却下沉，地面气压升高，下沉气流辐散，其中向南的一支在柯氏力影响下右偏，转为东北风，此风系稳定，称为东北信风，在南半球为东南信风，两支信风在赤道汇合上升，从而构成直接环流圈，称为Hadley环流,Hadley cell,东北信风（NE trade wind）：北半球Hadley环流圈中低层向南的气流，在
5、柯氏力作用下向右偏而形成的一支稳定的风系。 东南信风（SE trade wind）：南半球Hadley环流圈中低层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支稳定的风系。 赤道辐合带（热带辐合带）：赤道附近东北信风和东南信风汇合的地带，简称ITCZ(intertropical convergence zone),2 极地环流圈的形成 极地能量亏损，温度低，密度大，从而使气压随高度递减增大，高空有较低纬度指向极地的气压梯度，而低层有极地指向较低纬度的气压梯度。则低层空气有指向较低纬度运动，在柯氏力作用下右偏成为东北风，高层南风在柯氏力作用下右偏成为西南风，构成极地环流圈,3 Ferrel 环流的
6、形成 Hadley环流中在30N下沉辐散的气流中，向北流动的气流，与极地环流圈中上升支汇合，在高空辐散，其中有一支向南运动。这样在Hadley环流圈和极地环流圈之间存在一个与直接环流圈相反的环流，为间接环流圈，也称Ferrel 环流圈。,（a）理论模型,极锋,副热带锋,极锋：极地环流圈中低层向南的东北风与Hadley环流圈中下沉辐散而向北运动的西南风相遇，干冷与暖湿气流相遇而形成的锋区。 副热带锋区：Hadley环流圈中高层向北运动的暖湿气流与极地环流圈中上升辐散向南的一支气流相遇而形成锋区。在对流层上部明显，有副热带急流与之对应。,2、低层三风四带 三风： 极地东风（东北风) 中纬西风（西南
7、风) 低纬东风（东北信风） 四带： 极地高压带 副极地低压带 副热带高压带 赤道低压带,3、高空主要为西风带: 高纬西风带极锋西风急流 中纬东风带弱 低纬西风带副热带西风急流 二条行星锋区：极锋和副热带锋,（b）三圈环流观测事实 （利用实际资料分离出的实例，箭头代表流线方向）,季风：随季节而改变风向的风，主要由海陆热力差异造成。 高空急流：在300hPa以上，=30m/s的风速带。,总结： 三圈环流 东北信风 东南信风 东北季风西南季风 赤道辐合带 极锋锋区 副热带锋区,1.大气环流形成和维持的原因,太阳辐射 地球自转 （三圈环流-大气环流的基本模型） 摩擦作用 (大气运动的角动量平衡） 地球
8、表面的不均匀性,形成原因,维持因子,地面摩擦和大气中的内摩擦时刻都在消耗大气的动能，阻滞大气的运动。由于摩擦和山脉的作用，空气与转动地球之间产生了转动力矩（即角动量）。,摩擦作用(大气运动的角动量平衡),单位质量空气绕地轴旋转的绝对角动量为：,一）地球大气系统中绝对角动量分布状态 1、 地球角动量，为西风角动量，其大小随纬度增高减小，赤道最大，极地最小,2、低层相对角动量 弱 极地东风带具有东风角动量 强,（二）地球大气系统中绝对角动量守恒 a 低纬东风带由于摩擦和山脉的作用从地球 获得西风角动量 b 中纬西风带由于摩擦和山脉的作用失去西 风角动量 实际上： 地球旋转为常数 东、西风带长期维持
9、 两者相互补偿，达到平衡，证明角动量 守恒,Question 角动量从东风带向西风带的输送通过什么机制完成？,角动量的水平输送扰动,（三）角动量的两种输送方式 1、大气内部角动量水平输送 . u角动量水平输送三种形式： 平均经向环流三圈经向环流 定常扰动 平均长波槽脊 非定常扰动天气尺度的槽脊、（反）气旋,. 角动量水平输送的特征（P158 图4.14） a）非定常扰动对角动量水平输送远大于定长扰动和平均经向环流 b）非定常扰动对角动量水平输送最大值出现在30度纬度附近 c）冬季哈得莱环流较强对角动量输送显著 d）费雷尔环流较弱，但水平输送方向与哈得莱环流相反,. 槽脊输送角动量的方式（P15
10、9 图4.15） a 对称槽 槽前对u角动量向北输送 槽后对u角动量向南输送 两者相等 无南北净输送 b 东北西南向的倾斜槽 槽前对u角动量向北输送大于槽后对u角动量向南输送 有u角动量向北净输送 c 西北东南向的倾斜槽 有u角动量向南净输送 但实际大气在中高纬地区多为东北西南向槽脊，所以中纬度的扰动水平输送主要是向北输送西风角动量,角动量的垂直输送经圈环流,2，大气内部角动量的垂直输送（P160 图4.16） 哈得莱环流有净余的角动量，向上输送 补 偿了高空西风带 费雷尔环流有净余的角动量，向下输送补 偿了低层西风带 平均经圈环流对角动量的垂直输送是主要的,扰动的垂直运动是上升、下沉互补出现
11、 由于高层u角动量大于低层u角动量，所以扰动的垂直运动总是向下净输送u角动量 计算表明，向上、向下对角动量的垂直输送平衡 水平输送与垂直输送共同作用，大气角动量收支 平衡，东西风带长期维持，地球角动量收支平衡，地球转动角动量速度是常数,四、地球表面的不均匀性 （一）海陆分布对大气环流的影响 1 海平面的气压场：“半永久性大气活动中心”、“季节性大气 活动中心”是海陆温差结果 冬季 海洋暖阿留申低压，冰岛低压强大 大陆冷蒙古冷高压，北美冷高压， 格陵兰高压 夏季 海洋冷太平洋副高，大西洋副高强大 大陆暖亚洲热低压，北美热低压,2 高空的东亚大槽、北美大槽是海陆温差和高大山脉共同作用的结果 东亚大
12、槽 冬季欧亚大陆东海岸温度低+青藏 高原背风坡动力作用 夏季大槽东移离开大陆东岸+青藏 高原背风坡动力作用 北美大槽 冬季北美大陆东海岸温度低+洛矶 山脉背风坡动力作用 夏季大槽略东移离开东海岸+洛矶 山脉背风坡动力作用,（二）地形影响青藏高原 1，高原的动力作用 冬季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在 高原东侧形成“北脊南槽” 高原北部脊区我国北方晴天多 孟加拉湾低槽我国南方阴雨多 高原东侧形成特殊天气系统 东亚大槽 500hpa 长江中下游风场辐合线 700hpa 江淮切变线 700hpa 西南涡,地形的影响 大地形的动力作用，使气流发生明显的分支、绕流和汇合 上山和下山对槽脊的影响
13、（绝对涡度守恒原理）H为气柱为至对流层定的高度,气柱上山，H减小，辐散，f不变，则气旋性涡度减小，反气旋性涡度增大，气柱下山，气旋性涡度增大,地形动力的影响,（1）对流层中下层西风经过青藏高原时，分为两支，北支在400N以北甘肃一带形成高压或贝加尔湖高压脊。南支西风经高原南侧形成孟加拉湾低槽，槽前西南气流向北侵袭我国。两支气流在1100E以东汇合。在南支气流的北侧，我国的西南地区，低层常形成一个个低涡，即西南涡，西南涡东移到1100E以东时，成为诱导地面气旋生成的一个重要原因。 （2）对流层低层、高原北边缘有时接连出现由西往东偏南方向移动的闭合小高压，其直径约为几百到一千公里。通常把这种高压称
14、为兰州高压。这些高压是形成江淮切变线的天气系统之一。江淮切变线经常伴有地面静止锋，在条件合适时亦可能有地面气旋生成。,B.热力影响,冬季-相对冷源： 使南支西风急流加速； 夏季-热源： a.对流层上层出现最强大的系统 南亚高压； b.使高原南侧对流层上层出现地球上唯一东风急流； c. 对流层低层出现最深厚的西南季风，该地区生成反hadley 环流，气流在高原上升，在赤道地区下沉。,青藏高原,五、能量收支（P164 图4.19）,Q（太阳辐射） 平均摩擦损耗 维持纬向环流 Hardely环流（暖升冷降） PM KM (纬向有效位能) Ferrel环流 （冷升暖降） （纬向动能） 发展槽脊南 北热
15、量输送 斜槽对角动量 的输送 （反串级 输送） 热力扰动环流（暖升冷降） PE KE (涡动有效位能) （涡动动能） 扰动摩擦损耗,中纬度大尺度大气运动的能量循环过程 1 由于太阳辐射的纬度差异，通过热带加热，极地冷却产生平均全位能（纬向位能） Q PM 2 通过中纬度斜压扰动（斜压不稳定长波）对感热的输送使其基本气流的有效位能转化为涡动有效位能 PM PE 3 通过中纬度斜压经向扰动形成的暖升冷降，使涡动有效位能转化为涡动动能。涡动动能一部分由于摩擦而损耗 PE KE 4 通过中纬度大型扰动对角动量的输送，使涡动动能转化为基本气流的动能（纬向动能） KE KM 5 平均经圈环流的净作用使基本气流的有效位能转化为基
