1Ch10、大气环流和海洋环流1.全球纬向风分布，2.热带辐合带，3.哈德雷环流，4.费雷尔环流，5.季风，6.风生洋流，7.温盐环流,8.海气耦合和沃克环流2本章参考书:1.Meteorology Today, C.D. Ahrens (Chapter 9, 6th or 7th edition),2.Atmospheric Science: An Introductory Survey, John M. Wallace and P.V. Hobbs (Chapter 8),3.An Introduction to Dynamic Meteorology, J.R. Holton (Chapter 1 and 2, 3rd edition)4.Introduction to Circulating Atmosphere, Ian N. James, Cambridge University Press, 1994.全球大气和海洋环流在前面我们学习了龙卷、强风暴、台风和气旋等天气系统， 这些从小到大的天气系统都是区域性的这一章我们学习空间尺度可以和地球的尺度相比较的大气运 动系统，也称为行星尺度大气环流或全球大气环流。
一般 来说环流指的是闭合的流场，全球环流则指的是闭合环流 圈的空间尺度很大，可以和行星的尺度相比较海洋大气是密切相关的风驱动海洋流动形成风生环流，海 洋环流也会反过来影响大气运动，海洋和大气环流耦合在 一起共同影响全球气候变化所以，这一章我们除了学习 大气环流，也将学习海洋环流在下一章，我们将更详细 地学习大气和海洋环流是如何影响全球气候的31、全球纬向风分布纬向风指的是大气风场的纬向（东-西）分 量，通常用u来表示相应地，南北方向 的分量称为经向风，用v来表示地面风场和高空风场的分布既相似，也不 完全一样412-2和6-8月平均近地面风场5在北半球，我们通常 用12-2月份的平均 代表冬季、6-8月份 的平均代表夏季右图所示的是近地面 风的分布，箭头代 表气流的方向无 论是冬季或夏季， 中高纬度一般吹西 风，热带吹东风 为什么？DJFJJA61和7月平均的500mb 等压面上高 度场和流场等值线为500 hpa等压面上的等高线，箭头表示气流方向 热带为东风，中高纬度为西风平均的纬向风随高度和纬度的分布如果我们对纬向风分量在纬圈上作平均，可以得到纬向风随 高度和纬度的变化在对流层，热带为东风，中高纬度为 西风。
在平流层，冬半球是西风，夏半球是东风其中的 粗实线是东风和西风的分界线7纬向平均的温度场分布8对流层大气吸收地球的长波辐射，赤道地区温度高，两极温度最低 在平流层，臭氧吸收太阳紫外辐射，夏半球极地温度高，东半球基地温度最低 气压梯度力和科实力的平衡造成平流层夏半球吹东风、冬半球吹西风热带地区为什么是东风？n热带地区是东风意味着大气运动比地球自转慢 ，这是可以理解的地球自转带动大气运动， 所以，大气运动的速度最多只能等于地球的自 转速度，也就是风速为零n如果赤道地区是西风，说明大气运动的速度比 地球旋转还要快，这需要其他物理过程提供能 量才行n在金星、木星和土星上，赤道地区确实是存在 西风的这种现象称为超级旋转，也就是比地 球的自转还要快 92、热带辐合带 (Inter-tropical convergence zone, ITCZ)10热带东北信风和东南信 风在赤道附近地区形 成的辅合区右图所示的是太平洋地 区近地面气流的流线 ，可以清楚地看出在 赤道地区有一个辅合 带中高纬度地区有 涡旋ITCZ从降水量看热带辐合带上图，1月份降水；下图 ，7月份降水热带地区有一个带状的降 水区，该降水带对应 热带辐合带。
在热带 太平洋东部和大西洋 ，辅合带很窄在西 太平洋和印度洋，降 水区由于季风的作用 而相对宽阔113、哈德雷环流在18世纪，航海已相当发达， 根据多年航海的经验，人们 已知道在赤道的北侧存在东 北信风，赤道的南侧存在东 南信风 1875年，英国气候学家Hadely 根据地面观测到的热带信风 推测，由于热带地区较热， 空气上升，在大气高层向两 极流去，在极地变冷下沉， 在地面向赤道流去，构成一 个闭合的单圈环流12单圈环流假想 (G. Hadley, 1735)单圈环流是哈德雷根据热力作 用的结果提出来的，并没有 考虑地球的自转作用如果没有地球自转，大气在经 圈方向的环流并是单圈的但由于地球自转，经圈环流并 不是单圈的13三圈环流由于地球的自转，当大气自 赤道流向高纬度时，科氏 力的作用使得气流逐渐偏 向东，再加上辐射形成的 南北温度梯度的限制，哈 德雷环流只能在大约南北 纬30度的地方下沉在20世纪20年代人们提出了 旋转地球上三圈环流的理 论模型:144、费雷尔环流与哈德雷环流相反，费雷尔环流在较冷的 地方上升（大约南北纬60度的地方）， 在较热的地方下沉（大约南北纬30度的 地方），这说明费雷尔环流并不是由热 力因素驱动的。
15费雷尔环流在第8章，我们学习了锋 面和气旋，我们知道冷 锋是由于冷气团南下推 动暖气团上升形成的 平均来说，锋面和气旋的 多发区是在大约南北纬 60度的地方，在那里由 于锋面的作用，南边来 的暖气团平均来说呈上 升运动所以，费雷尔 环流是动力驱动的16费雷尔环流和锋面气旋关系示意图17锋面气旋附近暖空气上升极区环流和哈德雷环流一样，极区环流在较暖的地 方上升，在较冷的地方下沉，也是由于 热力驱动的环流18根据观测资料计算出的三圈环流 （来自李大玮）1920经圈环流模型的历史演变从哈德雷的单圈环流到现在的三 圈环流经历了一个漫长的过程 1735年，Hadley提出了单圈环流 的假说但是，在随后的近半 个世纪里，人们并不知道它的 存在Immaneul Kant（1756）和John Dalton（1793）又分别提出了 类似的环流模型和解释很久 之后，Dalton才发现并指出他 的环流模型在半个世纪前已经 由Hadley提出了1837年， Heindrich Wilhelm Dove 提出了不同版本的单圈环流 21Dove注意到了在中纬 度，地面风并不总是 偏北风，所以， Hadley环流不可能延 伸到极地，他提出 Hadley环流只能到达 副热带，但他没有关 注中高纬度的经向环 流。
221855年，Matthew Maury提出了 一个两圈环流的模型1855年，海军军官 Matthew Maury提出了 一个两圈环流的模型 他的Hadley环流基本是 对的，但没有极区环流 他也没能解释为什么231856年，Ferrel提出了一个接近现 代的模型1856年，中学教师费雷 尔提出了一个接近现 代的三圈环流模型 正是因为这一点，中 纬度地区的环流被称 为费雷尔环流他也是第一个应用科氏 力、气压梯度力和摩 擦力之间的平衡来解 释中纬度地区地面的 偏南风241857和1892年，Thomson提出 了一个不同的模型James Thomson的经圈 环流模型包括一个单 圈环流和一个浅薄的 反向环流在中高纬度 低层251859年，Ferrel提出了他的第 二个版本1959年，Ferrel 改变了了 他本人先前提出的模型 这个模型结合了他先 前的模型以及Thomson 的但与正确的模型距 离更远了261921年，Vilhelm Bjerknes提出了一个接 近正确的模型，但极区有两个环流圈271928年，Bergeron的模型大约接近于我们 现在认可的，但完整的理论解释是由Held 和Hou在1980年提出的。
28经圈环流造成的气压，风，雨 随纬度的带状分布不同纬度的带状气候分布295、季风季风是由于海陆温差对比随季节的变化引起的我国是受季风影响最大的地区之一，我国的夏季 降水在很大程度上是受季风系统控制的30季风31亚洲大陆和海洋分布形成宣明的南北对比，它们之间温差随季节的季 节变化，使得该地区成为最典型的季风区夏季，陆地相对海洋较暖，气压较低，风自海洋吹向陆地，带来水汽 和降水冬季，陆地相对海洋较冷，气压较高，风自陆地吹向海洋， 气候寒冷干燥季风和海陆风形成的原理相似季风和海陆风形成的原理 相似，但空间尺度和时 间尺度均大得多夏季像白天，冬季向晚上 32青藏高原对季风环流的影响青藏高原的热力作用加强了该地区的季风环流高原的热力作用就像山谷风的原理一样，但空间 和时间尺度较大夏季像白天，冬季像晚上 336、风生洋流大气运动作用在海洋表面上，通过摩擦力带 动海水运动，形成风生（驱动）洋流主要的风生洋流有：北大西洋的湾流（Gulf Stream），北太平洋的黑潮(Karoshio)、 南极绕极洋流(Antarctic circumpolar current, ACC)等34风驱动海水运动的原理风应力作用在海面，带动海水沿风吹的方向运动，在科氏力 的作用下，表面海水逐渐向右偏转形成与风向45度的夹 角。
随着海水深度的加深，运动方向逐渐向右偏转另 外，由于摩擦力的作用，海水运动速度逐渐减弱一般 来说，风生洋流只达到100-300米深35近洋面层风场情况上图：12-2月份的平均 近地面风矢量；下图：6-8月份的平均 近地面风矢量热带吹东风，中高纬 度吹西风36北大西洋或北太平洋的风生洋流中高纬度的西风驱动海水向 东运动并逐步向南偏转， 热带东风驱动海水向西运动 并逐步向被偏转，它们构 成了一个闭合的环流 但需要注意的是西岸向北的 洋流窄而且流速大，东岸 向南的洋流宽，但缓慢 详细的讨论超出了本课程 的范围 37中纬度赤道海岸海岸风向风向洋流方向全球风生洋流的分布38红色箭头代表暖海水的 运动方向，蓝色箭头 代表冷海水的运动方 向 南北太平洋和大西洋各 有一个闭合的环流， 几乎是对称的 南极大陆外围有一个绕 极环流（ACC）墨西哥湾流狭窄但流速很快的湾流把热 带海水输送到高纬度地区 ，使得北大西洋沿岸的温 度比同纬度其它地区要高 ，而且比较湿润在台湾和日本东侧的洋面也 有类似湾流的洋流，也就 是黑潮但由于东亚大陆 海岸不太规则，该洋流没 有湾流那么明显39温暖的湾流湾流携带的热量对热 带与高纬度的热量 交换起着非常重要 的作用。
右图所示的是卫星遥 感得到的海水温度 40湾流不稳定产生的涡旋41分离出的涡旋有着较高的稳定性，能够维持相当长的时间湾流的流场矢量42实验室模拟的湾流 （J. Marshal, MIT）43南极绕极洋流示意图图中的几个椭圆形区域 分别表示了冷和暖的 海水区域44南极绕极洋流矢量流场箭头表示海水运动的方向 ，背景的蓝色代表洋流 运动最强的地方45北冰洋洋流合适的风生北冰洋洋流 能够把海冰输送出北 冰洋，相反，不合适的风生洋 流不利于北冰洋海冰 向北大西洋输送这对气候变化有什么样 的影响？467、温盐环流 （thermohaline circulation）前面我们提到了风生洋流之达到100-300米的深 度海水运动还受其层结稳定性的影响，就像 大气层结不稳定时，大气会产生垂直对流运动 ，海水也会层结不稳定而产生对流运动决定海水层结稳定性的要素除了温度，还有盐度 ，盐度越高，海水越重热带海水由于温度高，蒸发大，盐度较高高纬 度温度低，蒸发少，海水盐度低47温盐环流当热带温度和盐度较高的海水向高纬度运动时，随着温度的 降低（盐度变化相对较小），海水密度逐渐变大，产生下 沉运动，在海底流向赤道，构成闭合的环流，这一环流是 由于温度和盐度的变化共同造成的，所以，称为温盐环流 。
48温盐环流如右图所示的湾流把 热带大西洋高盐度 海水输送到北大西 洋，在格陵兰岛附 近便会产生下沉运 动，构成著名的北 大西洋温盐环流49全球温盐环流示意图50红色箭头表示表层海水 的运动方向；蓝色箭 头表示底部海水的运 动方向几处阴影区表示海水的 下沉区全球大洋环流 (global oce。