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第七章 大气环流


第七章 大气环流
大气环流——是指大范围的大气运动状态. 大气环流——是指大范围的大气运动状态. ——是指大范围的大气运动状态 其水平范围达数千千米,垂直尺度在10 其水平范围达数千千米,垂直尺度在10 千 米以上,时间尺度在1 日以上. 米以上,时间尺度在1—2 日以上.
一级环流:全球范围的空气运动,东西风系. 一级环流:全球范围的空气运动,东西风系.

二级环流:几百—几千公里 季风,气旋,反气旋) 几千公里( 二级环流:几百 几千公里(季风,气旋,反气旋) 三级环流:几百公里以下,如海陆风,山谷风等. 三级环流:几百公里以下,如海陆风,山谷风等.

若按水平范围同时考虑时间尺度, 若按水平范围同时考虑时间尺度,大气环流又可分为 四种: 四种:

大尺度环流:2000㎞以上,持续时间一周左右; 大尺度环流:2000㎞以上,持续时间一周左右; 中间尺度环流:200—2000 持续时间2 3 2000㎞ 中间尺度环流:200 2000㎞持续时间2—3天; 中尺度环流: 200 持续时间1天左右; 200㎞ 中尺度环流:2—200㎞持续时间1天左右; 小尺度环流: 以下持续时间几小时或更短; 小尺度环流:2㎞以下持续时间几小时或更短;

一,大气环流形成的基本因子
(一)太阳辐射作用 1,沿纬圈平均在35°S—35°N 之间 沿纬圈平均在35° 35° 35 是辐射差额的正值区,即净得能量区. 是辐射差额的正值区,即净得能量区. 由35°S 向南和由35°N 向北是辐射 35° 向南和由35° 35 差额的负值区,即净失能量区. 差额的负值区,即净失能量区.

2,一圈环流的生成 ,
(1)结果,低纬大气因净得热量不断增温并 结果, 膨胀上升, 膨胀上升, (2)极地大气因净失热量不断冷却并收缩下 在这种温度梯度下,为保持静力平衡, 沉.在这种温度梯度下,为保持静力平衡, 对流层高层必然出现向极地的气压梯度, 对流层高层必然出现向极地的气压梯度,低 层出现向低纬的气压梯度. 层出现向低纬的气压梯度. (3)假设地球表面性质均一和没有地转偏向 力,则气压梯度力的作用将使赤道和极地间 构成一个大的理想的直接热力环流圈. 构成一个大的理想的直接热力环流圈.

赤道

(二)地球自转作用
地球自转产生的偏转力迫使运动空气的方向偏 离气压梯度力方向. 在北半球,气流向右偏转,结果使直接热力环 流圈中自极地低空流向赤道的气流偏转成东风, 而不能迳直到达赤道;同样,自赤道高空流向 极地的气流,随纬度增高,偏转程度增大,逐 渐变成与纬圈相平行的西风.可见,在偏转力 的作用下,理想的单一的经圈环流,既不能生 成也难以维持,因而形成了几乎遍及全球(赤 道地区除外)的纬向环流.

极地高压带 副极地低压带

副热带高压带 赤道低压带

哈德莱 环流
极地环 流圈 间接环 流圈 高压 低压 高压 低压

哈德莱环 流
间接环 流圈

极地环 流圈


高压 90N 低压 60° 高压 30° 低压 0° 30° 60° 90S

三圈环流的形成

b.地面气压带 b.地面气压带
三圈环流形成的同 时,地面上形成了高 低相间的气压带. 低相间的气压带
极地高压
副极地低压带

副热带高压带 赤道低压带 副热带高压带
副极地低压带 低 高

极地高压

形成地面的气压带和风带

(三)地表性质作用
地球表面是一个性质不均匀的复杂的下垫 面.(从对大气环流的影响来说,海陆间热力
性质的差异所造成的冷热源分布和山脉的机械 阻滞作用,都是重要的热力和动力因素.) 海洋与陆地的热力性质有很大差异. 夏季:陆地是相对热源,海洋是相对冷源; 冬季:陆地是相对冷源,海洋是相对热源. 这种冷热源分布直接影响到海陆间的气压分布, 使完整的纬向气压带分裂成一个个闭合的高压 和低压



在高空上表现为: 在高空上表现为: 在冬季:大陆是冷源,纬向西风气流流 在冬季:大陆是冷源, 经大陆时,气流温度逐渐降低, 经大陆时,气流温度逐渐降低,直到大 陆东岸降到最低,气流东流入海后, 陆东岸降到最低,气流东流入海后,因 海洋是热源,气温不断升温, 海洋是热源,气温不断升温,直到海洋 东缘温度升到最高,这样便形成了图4 32 东缘温度升到最高,这样便形成了图432 所示的温度场.即大陆东岸成为温度槽, 所示的温度场.即大陆东岸成为温度槽, 大陆西岸形成温度脊. 大陆西岸形成温度脊. 夏季时:温度场相反,大陆东岸为温度 夏季时:温度场相反, 大陆西岸为温度槽. 脊,大陆西岸为温度槽.根据热成风原 与温度场相适应的高空气压场则是, 理,与温度场相适应的高空气压场则是, 冬季大陆东岸出现低压槽, 冬季大陆东岸出现低压槽,西岸出现高 压脊, 压脊,夏季时相反

冬季:大陆东岸低压槽, 冬季:大陆东岸低压槽,大陆西岸高压脊 夏季:大陆东岸高压脊, 夏季:大陆东岸高压脊,大陆西岸低压槽

二,大气环流的平均特征
大气运动状态千变万化.为了从这些随时间和 大气运动状态千变万化. 空间不断变化的复杂环流 状态中找出大气环流的主要规律,通常采用求 状态中找出大气环流的主要规律, 平均的方法,即对时间求平均, 平均的方法,即对时间求平均, (一)平均纬向环流 大气环流最基本的状态是盛行着以极地为中心 的旋转的纬向环流,也就是东,西风带. 的旋转的纬向环流,也就是东,西风带.

上图是平均纬向风速的经向剖面图. 从图上可以看出,对流层的中上层, 除赤道地区有东风外,各纬度几乎 是一致的西风,而且西风跨越的纬 距随着高度在扩大.这是对流层中, 上层由低纬指向高纬的经向温度所 决定的. 近地面层的纬向环流分布有特征如 下:

(1)高纬地区:冬夏季都是一层很浅薄 高纬地区: 的东风带,称极地东风带. 的东风带,称极地东风带. (2)中纬地区:从地面向上都是西风, 中纬地区:从地面向上都是西风, 称盛行西风带. 称盛行西风带.西风带在纬距上的宽度 随高度而增大. 随高度而增大.西风风速自地面向上直 200hPa,差不多是增加的, 至200hPa,差不多是增加的,到对流层 顶附近形成一个强西风中心. 顶附近形成一个强西风中心. 北半球冬季西风风速大于夏季 巨大的大陆面积,不规则的地形以及气 巨大的大陆面积, 压型式的季节变化往往又使西风气流变 得不十分清楚. 得不十分清楚.

南半球西风风速比北半球要强,风向也 南半球西风风速比北半球要强, 更为稳定 (3)低纬地区:自地面到高空是深厚的 低纬地区: 东风层,称热带东风带或信风带. 东风层,称热带东风带或信风带.它是 纬向风带中风向最为稳定, 纬向风带中风向最为稳定,风速较大 平均风速4 8m/s),活动范围广阔 8m/s), (平均风速4—8m/s),活动范围广阔 几乎占全球的一半)的风带. (几乎占全球的一半)的风带. 此外,北半球夏季,在南亚和非洲出现 此外,北半球夏季, 西风系统,称赤道西风带,其厚度从2 西风系统,称赤道西风带,其厚度从2— 3km(非洲) 6km( ).( 3km(非洲)到5—6km(印度洋).(思 6km 印度洋). 为什么?) 考:为什么?)

(二)平均水平环流
水平环流是指纬向环流受到扰动 (主要是地球表面海陆分布以及地 面摩擦和大地形作用所引起) 面摩擦和大地形作用所引起)后发 展起来的槽,脊和高,低压环流. 展起来的槽,脊和高,低压环流. 北半球对流层中,高层的平均水平 北半球对流层中, 环流形式是西风带上存在着大尺度 的平均槽,脊. 的平均槽,

1月 月

北半球500百帕等压面图 百帕等压面图 北半球

7月 月

北半球500百帕等压面图 百帕等压面图 北半球

1, 500hPa 等压面图(见上图) 等压面图(
1 月份500hPa 等压面图上西风带有 三个平均槽:即位于亚洲东岸140°E 三个平均槽: 附近的东亚大槽,北美东岸70°—80°W 附近的北美大槽,和乌拉尔山西部的欧洲 浅槽.在三槽之间并列着三个脊,脊的强 度比槽弱得多. 7 月份,西风带显著北移,槽脊的位置也 发生很大变动,即东亚大槽东移入海,原 欧洲浅槽已不存在,并变为脊,而欧洲西 岸和贝加尔湖地区各出现一个浅槽,北美 大槽位置基本未动.

2,对流层上层300hPa 平均图上的 对流层上层300hPa 环流形势与中层500hPa 环流形势与中层500hPa 平均图大体 相似,(图略) ,(图略 相似,(图略)只是西风范围更扩 风速更增强.冬季时, 大,风速更增强.冬季时,三槽形 势非常清楚.夏季时, 势非常清楚.夏季时,槽,脊明显 减弱. 减弱.在副热带地区有深厚的高压 其位置,范围, 带,其位置,范围,强度都随季节 有变化. 有变化.

提纲: 一,平均纬向环流 1,高纬低空为一浅薄的东风层,高空为 高纬低空为一浅薄的东风层, 西风. 西风. 2,低纬有一较厚的东风层. 低纬有一较厚的东风层. 3,中纬从地面至高空都是西风,在高空 中纬从地面至高空都是西风, 西风范围向高,低纬扩展. 西风范围向高,低纬扩展. 结论:主要环流为西风环流. 结论:主要环流为西风环流.

二,平均水平环流

1, 500hPa 等压面图
1 月份西风带有三个平均槽, 东亚大槽,北美大槽,欧洲浅槽. 在三槽之间并列着三个脊,脊的强度比 槽弱得多. 7 月份,西风带显著北移,槽脊的位置 也发生很大变动,即东亚大槽东移入海, 原欧洲浅槽已不存在,并变为脊,而欧 洲西岸和贝加尔湖地区各出现一个浅槽, 北美大槽位置基本未动.

2,对流层上层300hPa 平均图上的 对流层上层300hPa 环流形势与中层500hPa 环流形势与中层500hPa 平均图大体 相似,(图略) ,(图略 相似,(图略)只是西风范围更扩 风速更增强.冬季时, 大,风速更增强.冬季时,三槽形 势非常清楚.夏季时, 势非常清楚.夏季时,槽,脊明显 减弱. 减弱.在副热带地区有深厚的高压 其位置,范围, 带,其位置,范围,强度都随季节 有变化. 有变化.

3,在中高纬海平面上. 在中高纬海平面上.
(1),1月份北半球中高纬度沿纬圈有两个大 ),1 低压,一个在北太平洋的阿留申群岛附近, 低压,一个在北太平洋的阿留申群岛附近,中 心强度为1000hPa 左右. 阿留申低压. 心强度为1000hPa 左右.称阿留申低压.另一 个在北大西洋的冰岛附近,称冰岛低压. 个在北大西洋的冰岛附近,称冰岛低压.中心 强度为997hPa 还有两个冷高压, 997hPa. 强度为997hPa.还有两个冷高压,一个是欧亚 大陆上的强大西伯利亚高压,中心强度为 大陆上的强大西伯利亚高压, 西伯利亚高压 1035hPa.另一个是北美大陆上的北美高压 北美高压, 1035hPa.另一个是北美大陆上的北美高压, 中心强度1020hPa 1020hPa. 中心强度1020hPa.副热带的高压有两个主要 中心,一个在太平洋 一个在大西洋 太平洋, 大西洋, 中心,一个在太平洋,一个在大西洋,范围甚 强度较弱.(共六个) .(共六个 小,强度较弱.(共六个)

(2)7 月份,北半球大陆上发展了两个 低压,即亚洲南部低压(又称印度低压) 和北美西南部低压,中心强度分别为 997hPa 和1011hPa.原在海洋上势力很 强的阿留申低压和冰岛低压仍然存在, 但强度已大为减弱,甚至几乎消失了, 而海洋上的 北太平洋高压(夏威夷高压),北大西 洋高压(亚速尔高压)强度增强,范围 扩大,位置北移,中心气压值增至 1027hPa 左右.南半球高压带几乎环绕 全球,中心气压值可超过1020hPa(图 438). (也是六个,但大陆上的两个系统变了)

冬,夏季在平均气压图上出现的大型高, 夏季在平均气压图上出现的大型高, 低压系统,称为大气活动中心. 低压系统,称为大气活动中心.

共8 个:
其中北半球海洋上的太平洋高压,大西 其中北半球海洋上的太平洋高压, 海洋上 洋高压,阿留申低压,冰岛低压常年存 洋高压,阿留申低压,冰岛低压常年存 只是强度,范围随季节有变化, 在,只是强度,范围随季节有变化,称 为常年活动中心. 陆地上的南亚低压 为常年活动中心.而陆地上的南亚低压 印度低压),北美低压, ),北美低压 (印度低压),北美低压,西伯利亚高 压,北美高压等只是季节性存在,称为 北美高压等只是季节性存在, 等只是季节性存在 季节性活动中心

三,实际大气环流的基本特征 由于受海陆和地形的影响, 由于受海陆和地形的影响,破坏了理想 的三风四带的大气环流. 的三风四带的大气环流. (一)地面环流状况: 地面环流状况: 特点: 北半球因海陆相间分布, 特点:1,北半球因海陆相间分布,纬向 分布的气压带被分成几个闭合 的高低压系 统,并随季节而变 动.

大气活动中心
冬夏在海陆出现的闭合的高低压中心 永久性的:常年存在的(海上四个) 永久性的:常年存在的(海上四个) 太平洋:阿留申低压, 太平洋:阿留申低压,太平洋副高 大西洋:冰岛低压,亚速尔高压 大西洋:冰岛低压, 半永久性的:随季节出现的(陆地上的四个) 半永久性的:随季节出现的(陆地上的四个) 亚洲:蒙古高压, 亚洲:蒙古高压,印度低压 美洲:北美高压, 美洲:北美高压,北美低压

2,南半球40°S以南,无论冬夏,等压线基 南半球40° 以南,无论冬夏, 40 本上呈纬向分布, 40° 以南: 本上呈纬向分布,而40°S以南: 冬季高压带环绕全球 夏季陆地是低压, 夏季陆地是低压,海洋是高压

1月气压中心

7月气压中心

(二)高空的环流状况
高空受地面影响小, 高空受地面影响小,因此地面上的高低 压闭合中心,在高空已不存在, 压闭合中心,在高空已不存在,取而代之的 是槽脊形式. 是槽脊形式. 1,冬季:等高线密,三槽三脊 冬季:等高线密, 2,夏季:等高线稀,四槽四脊 夏季:等高线稀,

(三)将地面和高空同时刻的气压图相对照: 将地面和高空同时刻的气压图相对照:

蒙古高压位于东亚大槽后的下方, 蒙古高压位于东亚大槽后的下方, 北美高压位于北美槽后的下方. 北美高压位于北美槽后的下方. 阿留申低压位于东亚槽前的下方 冰岛低压位于北美槽前的下方. 冰岛低压位于北美槽前的下方.

是指风速30m/s 以上的狭窄强风带.是
大气环流中的一个重要特征. 急流中心强度最大区称急流轴.急流轴是准 水平的,其南北两端存在着强大的垂直风速 切变(每千米 5—10m/s).一般情况下,急 流中心风速可达 50—80m/s,强急流中心风 速达100—150m/s 或更大. 位于东亚海洋上和日本上空的急流强度最大, 冬季偶尔达150—180m/s,甚至达200m/s

(四)急流

急流区大多与对流层上层水平温度梯 度很大的锋区相对应,因而也和天气 系统的发生,发展有密切关系.

在对流层上层已经发现有下列几种急流.

(1)温带急流:又称极锋急流,位于南北半
球中高纬度地区的上空,是与极锋相联系的西风 急流. 1)急流的平均高度在冬季约8—10km,夏季约9— 11km,平均厚度约3—10km. 2)急流的位置经常在变动,冬季平均位于40°— 60°N 间,甚至伸展到更低纬度. 3)夏季平均位置北移到70°N附近.温带急流的 中心最大风速一般45—55m/s,甚至达105m/s. 4)一般是冬季强,夏季弱.急流轴有明显的分支 和汇合现象.

又称南支西风急流,位于200hPa 上空副 热带高压的北缘,同副热带锋区相联系, 是一支相当强大而稳定的急流. 1)急流轴位于25—32°N 的11—13km 的高空,位置比较稳定,夏季向高纬推 移10—15 个纬距. 2)冬季中心最大风速约50—60m/s,强 中心风速可增至100—150m/s,甚至可达 200m/s.夏季风速减半.其分支,汇合 现象以东亚最清楚.

(2)副热带急流:

(3)热带东风急流: 热带东风急流:
主要出现在夏季北半球亚洲,非洲副热带对 流顶附近(100—150hPa)处的一支急流,盛 夏其平均位置在北纬10°—20°间,最大风 速平均30—40m/s,个别达50m/s,风向稳定, 强中心在阿拉伯海上空.

结论:由上可知,大气环流基本上是纬向环
流中包含着经圈环流,纬向主流上又叠着涡 旋运动.这种不同运动形式之间相互联系, 相互制约着,形成一个整体的环流体系.

三,大气环流的变化
(一)年变化(长期变化) 年变化(长期变化)
在中高纬度,一年中环流状态的季节转换,一 在中高纬度,一年中环流状态的季节转换, 般是以西风带上槽脊的数量, 般是以西风带上槽脊的数量,结构形式和西风 的强弱表现出来.从北半球500hPa 的强弱表现出来.从北半球500hPa 1,1—4 月(冬季)中高纬度西风带上有三个 4 冬季) 三个脊,而且槽脊的位置和强度基本稳定, 槽,三个脊,而且槽脊的位置和强度基本稳定, 2,6—8 月(夏季)西风带变为四个比较浅的 夏季) 8 脊不明显. 槽,脊不明显. 3,(5 月)(春季)过渡阶段. ,(5 )(春季 过渡阶段. 春季) 4,秋季(9—10 月)也为短促的过渡阶段. 秋季( 也为短促的过渡阶段. 10 这种以一年为周期的环流形态的变化, 这种以一年为周期的环流形态的变化,称为环 流的年变化

(二)中短期变化
变化主要表现在西风带纬向环流和经向环 流的 相互转换上. 相互转换上. 1,纬向环流型 在500hPa 上,环流比较 纬向环流型—在 平直,并在平直的西风带上多小槽,小脊, 平直,并在平直的西风带上多小槽,小脊, 很少有大槽,大脊. 很少有大槽,大脊. 2,经向环流型 在500hPa 西风带上发展 经向环流型—在 出深槽大脊,能引起强烈冷,暖空气活动. 出深槽大脊,能引起强烈冷,暖空气活动. 3,纬向型和经向型环流经常交替出现,其 纬向型和经向型环流经常交替出现, 交替周期大约2 6 交替周期大约2—6 周.

4,这种交替演变规律一般用环流指数来表示. 这种交替演变规律一般用环流指数来表示. 环流指数分纬向环流指数(IZ)和经向环流指 环流指数分纬向环流指数(IZ) IM)两种. 数(IM)两种. (1)纬向环流指数,又称西风指数,表示平 纬向环流指数,又称西风指数, 均地转风速中西风分量的一个指标. 均地转风速中西风分量的一个指标.可以定量 地表述纬向环流的强弱. 地表述纬向环流的强弱. 一般在500hPa 等压面图上计算西风指数,我 一般在500hPa 等压面图上计算西风指数, 国经常使用亚洲地区的西风指数, 国经常使用亚洲地区的西风指数,所选范围是 45° 65 65° 60° 150 150° 45°—65°N,60°—150°E,其计算公式为

式中Φ为位势高度,n 为计算范围内所取点的 式中Φ为位势高度, 数目, 为纬度. 数目,φ为纬度.

当IZ较大时,称高指数西风环流. 较大时, 高指数西风环流. 此间等高线较平直,降水偏少,气 此间等高线较平直,降水偏少, 温偏高. 温偏高. 当IZ较小时,称低指数西风环流. 较小时, 低指数西风环流. 此间等高线较弯曲,多大槽大脊, 此间等高线较弯曲,多大槽大脊, 冷暖空气容易交换,气温偏低, 冷暖空气容易交换,气温偏低,降 水偏多. 水偏多. 思考题:为什么高,低指数环流会 思考题:为什么高,

有周期性的变化? 有周期性的变化?

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