蘭大大氣學(xué)院天氣學(xué)原理教程三圈環(huán)流的建立與大氣環(huán)流的形成和維持課件

§4.2控制大氣環(huán)流的基本因子與

大氣環(huán)流的基本模型§4.2.1熱力驅(qū)動(dòng)的環(huán)流----§4.2.2旋轉(zhuǎn)地球上的環(huán)流—三圈環(huán)流Hadley(1720)提出赤道和高緯度極地之間的熱力差異是地球上大規(guī)模風(fēng)系形成的根本原因。這就是著名的Hadley環(huán)流理論的基本思想。熱力驅(qū)動(dòng)了風(fēng)，即大氣環(huán)流得以形成及維持的最終原動(dòng)力，來(lái)自于太陽(yáng)輻射的熱量分布不均勻，是大氣環(huán)流理論極為重要的基本觀點(diǎn)。

§4.2.1熱力驅(qū)動(dòng)的環(huán)流----單圈環(huán)流在低緯度地區(qū)有熱量的凈收入，而在高緯度地區(qū)有熱量的凈支出，熱量的凈收支不均勻的分布是隨緯度變化的。因此大氣溫度的緯度分布必然取決于熱量?jī)羰罩щS緯度變化的規(guī)律。1.Hadley環(huán)流稱純熱力驅(qū)動(dòng)的大氣環(huán)流為Hadley環(huán)流。輻射收支的緯度變化根據(jù)熱力學(xué)第一定理，輻射加熱的不均勻?qū)a(chǎn)生大氣溫度的變化。1200hPa以下（12km），無(wú)論冬夏，平均溫度梯度由赤道指向兩極2冬季南北溫差大于夏季3夏季平流層溫度梯度由極地指向赤道，冷中心位于赤道4無(wú)論冬夏，低緯地區(qū)對(duì)流層頂高于中高緯2.溫差造成的熱力對(duì)流①熱力驅(qū)動(dòng)的環(huán)流的形成

大氣溫度的變化表現(xiàn)為低緯度地區(qū)大氣溫度高于高緯度地區(qū)，高層大氣溫度低于低層大氣。在地一氣系統(tǒng)接收太陽(yáng)輻射隨緯度變化的分布狀況下，低緯低層大氣為熱源，高層和極地大氣為熱匯（冷源）。②實(shí)際大氣中熱力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流現(xiàn)象夏日因熱力強(qiáng)迫形成的對(duì)流云（或所謂的對(duì)流單體）沿海地區(qū)的海陸風(fēng)城市熱島效應(yīng)地球自轉(zhuǎn)（三圈環(huán)流形成）凈余輻射能沿緯度分布的不均勻，造成了赤道暖兩極冷的溫度場(chǎng)。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30oN左右轉(zhuǎn)為西風(fēng)，并在此處輻合，質(zhì)量堆積，并且冷卻下沉，地面氣壓升高，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)在赤道匯合上升，從而構(gòu)成直接環(huán)流圈，稱為Hadley環(huán)流Hadleycell東北信風(fēng)（NEtradewind）：北半球Hadley環(huán)流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。東南信風(fēng)（SEtradewind）：南半球Hadley環(huán)流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。赤道輻合帶（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(jiǎn)稱ITCZ(intertropicalconvergencezone)3Ferrel

環(huán)流的形成Hadley環(huán)流中在30oN下沉輻散的氣流中，向北流動(dòng)的氣流，與極地環(huán)流圈中上升支匯合，在高空輻散，其中有一支向南運(yùn)動(dòng)。這樣在Hadley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，為間接環(huán)流圈，也稱Ferrel環(huán)流圈。（a）理論模型Ferrel環(huán)流圈極地Hadley環(huán)流圈熱帶Hadley環(huán)流圈極鋒副熱帶鋒極鋒：極地環(huán)流圈中低層向南的東北風(fēng)與Hadley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鋒區(qū)。副熱帶鋒區(qū)：Hadley環(huán)流圈中高層向北運(yùn)動(dòng)的暖濕氣流與極地環(huán)流圈中上升輻散向南的一支氣流相遇而形成鋒區(qū)。在對(duì)流層上部明顯，有副熱帶急流與之對(duì)應(yīng)。2、低層三風(fēng)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（b）三圈環(huán)流觀測(cè)事實(shí)（利用實(shí)際資料分離出的實(shí)例，箭頭代表流線方向）總結(jié)：三圈環(huán)流東北信風(fēng)東南信風(fēng)東北季風(fēng)西南季風(fēng)赤道輻合帶極鋒鋒區(qū)副熱帶鋒區(qū)1.大氣環(huán)流形成和維持的原因太陽(yáng)輻射地球自轉(zhuǎn)（三圈環(huán)流-大氣環(huán)流的基本模型）摩擦作用(大氣運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量平衡）地球表面的不均勻性

形成原因維持因子2、低層相對(duì)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(duì)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(zhǎng)期維持——兩者相互補(bǔ)償，達(dá)到平衡，證明角動(dòng)量 守恒Question角動(dòng)量從東風(fēng)帶向西風(fēng)帶的輸送通過(guò)什么機(jī)制完成？角動(dòng)量的水平輸送——擾動(dòng)（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

①.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(zhǎng)波槽脊非定常擾動(dòng)——天氣尺度的槽脊、（反）氣旋②.角動(dòng)量水平輸送的特征（P158圖4.14）

a）非定常擾動(dòng)對(duì)角動(dòng)量水平輸送遠(yuǎn)大于定長(zhǎng)擾動(dòng)和平均經(jīng)向環(huán)流

b）非定常擾動(dòng)對(duì)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(duì)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③.槽脊輸送角動(dòng)量的方式（P159圖4.15）

a對(duì)稱槽槽前對(duì)u角動(dòng)量向北輸送槽后對(duì)u角動(dòng)量向南輸送兩者相等無(wú)南北凈輸送

b東北——西南向的傾斜槽槽前對(duì)u角動(dòng)量向北輸送大于槽后對(duì)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)量角動(dòng)量的垂直輸送——經(jīng)圈環(huán)流2，大氣內(nèi)部角動(dòng)量的垂直輸送（P160圖4.16）

①哈得萊環(huán)流有凈余的Ω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Ω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(duì)角動(dòng)量的垂直輸送是主要的②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③計(jì)算表明，向上、向下對(duì)角動(dòng)量的垂直輸送平衡④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(zhǎng)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

（一）海陸分布對(duì)大氣環(huán)流的影響

1海平面的氣壓場(chǎng)：“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——?dú)W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(kāi)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(kāi)東海岸+洛磯 山脈背風(fēng)坡動(dòng)力作用（二）地形影響——青藏高原

1，高原的動(dòng)力作用①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(guó)北方晴天多孟加拉灣低槽——我國(guó)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(zhǎng)江中下游風(fēng)場(chǎng)輻合線

700hpa江淮切變線

700hpa西南渦地形的影響大地形的動(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(duì)槽脊的影響（絕對(duì)渦度守恒原理）H為氣柱為至對(duì)流層定的高度氣柱上山，H減小，輻散，f不變，則氣旋性渦度減小，反氣旋性渦度增大，氣柱下山，氣旋性渦度增大地形動(dòng)力的影響（1）對(duì)流層中下層西風(fēng)經(jīng)過(guò)青藏高原時(shí)，分為兩支，北支在400N以北甘肅一帶形成高壓或貝加爾湖高壓脊。南支西風(fēng)經(jīng)高原南側(cè)形成孟加拉灣低槽，槽前西南氣流向北侵襲我國(guó)。兩支氣流在1100E以東匯合。在南支氣流的北側(cè)，我國(guó)的西南地區(qū)，低層常形成一個(gè)個(gè)低渦，即西南渦，西南渦東移到1100E以東時(shí)，成為誘導(dǎo)地面氣旋生成的一個(gè)重要原因。（2）對(duì)流層低層、高原北邊緣有時(shí)接連出現(xiàn)由西往東偏南方向移動(dòng)的閉合小高壓，其直徑約為幾百到一千公里。通常把這種高壓稱為蘭州高壓。這些高壓是形成江淮切變線的天氣系統(tǒng)之一。江淮切變線經(jīng)常伴有地面靜止鋒，在條件合適時(shí)亦可能有地面氣旋生成。B.熱力影響冬季--相對(duì)冷源：使南支西風(fēng)急流加速；夏季--熱源：

a.對(duì)流層上層出現(xiàn)最強(qiáng)大的系統(tǒng)–南亞高壓；

b.使高原南側(cè)對(duì)流層上層出現(xiàn)地球上唯一東風(fēng)急流；c.對(duì)流層低層出現(xiàn)最深厚的西南季風(fēng)，該地區(qū)生成反hadley環(huán)流，氣流在高原上升，在赤道地區(qū)下沉。青藏高原青藏高原五、能量收支（P164圖4.19）

Q（太陽(yáng)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(dòng)能）發(fā)展槽脊南北熱量輸送斜槽對(duì)角動(dòng)量的輸送（反串級(jí)輸送）

熱力擾動(dòng)環(huán)流（暖升冷降）

PE