第二节第二节第二节第二节 控制大气环流的基本因子与大气环流的基本模型控制大气环流的基本因子与大气环流的基本模型控制大气环流的基本因子与大气环流的基本模型控制大气环流的基本因子与大气环流的基本模型一、一、太阳辐射作用太阳辐射作用 太阳辐射能是大气环流形成的基本能源。（ 图4.10） 1、太阳辐射能在整个地球表面分布不均匀，随纬度增大而减小。 (1) 低纬度（40N40S）是太阳辐射能净得区 (2) 中高纬（40N北极、40S南极）是太阳能 净失区2、大气的平均温度特征（ 图4.11）(1) 对流层中，低纬为暖中心，向极地温度逐渐递减，冬季南北温差大于夏季。(2) 平流层中，低纬为冷中心，夏季温度由赤道向极地逐渐升高。(3) 无论冬夏，低纬地区对流层顶高于中高纬，两者间有明显断裂、温度分布不均匀必然产生热力环流、温度分布不均匀必然产生热力环流 假定：地球不旋转、地球表面性质一样 对流层中低纬暖，高纬冷，使空气在赤道上升，极地下沉，在南北温差的作用下，高空为赤道吹向极地的南风；在气压梯度力作用下，低层为极地吹向赤道北风构成直接热力环流圈二、地球自转作用二、地球自转作用 地转偏向力，f随纬度变化 （P154 图4.12a、b） 1、北半球对流层大气环流模式 三圈经向环流： 极地环流圈强 费雷尔环流圈弱 哈德莱环流圈强Hadley 环流的形成 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，地面气压升高，并且冷却下沉，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.东北信风东北信风（NE trade windNE trade wind）：北半球）：北半球HadleyHadley环流圈环流圈中低层向南的气流，在柯氏力作用下向右偏而形中低层向南的气流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支稳定的风系。成的一支稳定的风系。东南信风东南信风（SE trade windSE trade wind）：南半球）：南半球HadleyHadley环流圈环流圈中低层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形中低层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支稳定的风系。成的一支稳定的风系。赤道辐合带赤道辐合带（热带辐合带）：赤道附近东北信风和（热带辐合带）：赤道附近东北信风和东南信风汇合的地带，简称东南信风汇合的地带，简称ITCZ(intertropical ITCZ(intertropical convergence zoneconvergence zone极地环流圈极地环流圈的形成的形成 极地能量亏损，温度低，密度大，从极地能量亏损，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，构成极地环流圈成为西南风，构成极地环流圈FerrelFerrel 环流的形成环流的形成 Hadley Hadley环流中在环流中在3030N N下沉辐散的气流中，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。汇合，在高空辐散，其中有一支向南运动。这样在这样在HadleyHadley环流圈和极地环流圈之间存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，为间接在一个与直接环流圈相反的环流，为间接环流圈，也称环流圈，也称FerrelFerrel 环流圈。环流圈。极锋：极锋：极地环流圈中低层向南的东北风与极地环流圈中低层向南的东北风与HadleyHadley环流圈中下沉辐散而向北运动的西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南风相遇，干冷与暖湿气流相遇而形成的锋区。锋区。副热带锋区：副热带锋区：HadleyHadley环流圈中高层向北运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 赤道低压带气压场分布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：极锋和副热带锋季风：季风：随季节而改变风向的风，主要由海随季节而改变风向的风，主要由海陆热力差异造成。陆热力差异造成。高空急流高空急流：在：在300hPa以上，以上，=30m/s的风的风速带。速带。三、角动量交换三、角动量交换转动惯量与角速度乘积 ： 单位质量的空气绕地轴旋转的绝对角动量 地球角动量 相对角动量（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、西风带长期维持两者相互补偿，达到平衡，证明角动量 守恒 （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（P159 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 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海陆热力差异造成冬季大陆东岸有大槽西岸有脊形成海陆热力差异造成冬季大陆东岸有大槽西岸有脊形成大地形的动力作用，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（绝对涡度守恒原理）H为气柱为至对流层顶的高度气柱上山，气柱上山，H H减小，辐散，减小，辐散，f f不变，则气旋性涡度减小，不变，则气旋性涡度减小，反气旋性涡度增大，气柱下山，气旋性涡度增大反气旋性涡度增大，气柱下山，气旋性涡度增大（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 2，高原的热力作用 a 南亚高压形成 高层高压 夏季为热源 低层低压 上升气流，高温高湿 b 夏季高原南侧转为东风急流 冬季为相对冷源 低层高压（P163 图4.18） 高原南多西风急流适应五、能量收支五、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 北热量输送 斜槽对角动量 的输送 （反串级反串级 输送输送） 热力扰动环流（暖升冷降） PE KE (涡动有效位能) （涡动动能） 扰动摩擦损耗扰动摩擦损耗中纬度大尺度大气运动的能量循环过程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 PM2 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 PE3 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 KE4 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 KM5 平均经圈环流的净作用使基本气流的有效位能转化为基本气流的动能（纬向动能） PM KM6 纬向动能维持大气平均环流（处于稳定、平衡转态），并由于摩擦而有一定损耗