第四篇大气环流 热空气膨胀上升,冷空气流过来填补它的 空缺,造成的空气循环流动现象,称为环 北极高纬度低压带 60 流。就全球而言,就是大气环流。如赤道 中纬度 30 地区比较热,两极地区比较冷,赤道地区 高压带 的暖空气上升,由高空流向两极,两极的 空气则向赤道移动,造成环流。根据环流 赤道 范围的大小,通常分为三种。主环流:覆 低压代 盖地球表面大部分地区,指全球性风系。 申纬度 次环流:比主环流的范围小一点,包括气 30 高压带 团和锋面在内。局部环流:范围更小,存 60 在时间很短暂但可以发展成剧变的天气, 南极高纬度低压带 包括海陆风、山风、谷风、雷雨、积云 龙卷风等
第四篇 大气环流 热空气膨胀上升，冷空气流过来填补它的 空缺，造成的空气循环流动现象，称为环 流。就全球而言，就是大气环流。如赤道 地区比较热，两极地区比较冷，赤道地区 的暖空气上升，由高空流向两极，两极的 空气则向赤道移动，造成环流。根据环流 范围的大小，通常分为三种。主环流：覆 盖地球表面大部分地区，指全球性风系。 次环流：比主环流的范围小一点，包括气 团和锋面在内。局部环流：范围更小，存 在时间很短暂但可以发展成剧变的天气， 包括海陆风、山风、谷风、雷雨、积云、 龙卷风等
4.1大气环流的基本概念 大气环流指的是在全球范围内,水平尺度横跨数千公里,垂 直尺度延伸数十公里以上,时间尺度在105S以上的平均运动。 所谓环流,指的是空气沿一封闭的教迹移动,或有沿着某一封 闭轨迹循环运动的倾向。显然,气流治经圈方向运动称为经圈 (向)环流,沿纬圈方向移动称为纬圈(向)环流。 从一般意义而言,大气环流强调的是空气的运动,包括大 气中一切以运动形式存在的总体。本章主要讨论全球范围、长 时间平均的大气运动及其变化规律。各种短期天气现象和过程 必定以其相关的平均大气环流过程为背景,而平均大气环流的 异常变化必然会导致天气、气候的异常
大气环流指的是在全球范围内，水平尺度横跨数千公里，垂 直尺度延伸数十公里以上，时间尺度在 105 S以上的平均运动。 所谓环流，指的是空气沿一封闭的轨迹移动，或有沿着某一封 闭轨迹循环运动的倾向。显然，气流治经圈方向运动称为经圈 （向）环流，沿纬圈方向移动称为纬圈（向）环流。 从一般意义而言，大气环流强调的是空气的运动，包括大 气中一切以运动形式存在的总体。本章主要讨论全球范围、长 时间平均的大气运动及其变化规律。各种短期天气现象和过程 必定以其相关的平均大气环流过程为背景，而平均大气环流的 异常变化必然会导致天气、气候的异常。 4.1 大气环流的基本概念
大气环流的尺度特征 尺度范畴 尺度分类 时间尺度 空间尺度 大气现象举 例 气候尺度 年代 1000 全球变暖现 大尺度 象 40000km 大气环流 季节、年 季风 天气尺度数天到数周100-5000台风
尺度范畴 尺度分类 时间尺度 空间尺度 大气现象举 例 大尺度 气候尺度 年代 1000 – 40 000 km 全球变暖现 象 大气环流 季节、年 季风 天气尺度 数天到数周 100 – 5000 km 台风 大气环流的尺度特征
42大气环流的研究方法 统计方法 (1)经典方法尺度和量纲分析一尺度分离 定性描述 推理 (2)现代方法 定量观测分析(卫星、雷达等) 数值模拟(GCM等)
统计方法 （1）经典方法 尺度和量纲分析 尺度分离 定性描述 推理 （2）现代方法 定量观测分析（卫星、雷达等） 数值模拟（GCM 等） 4.2 大气环流的研究方法
43大气环流的基本特征 今造成大气环流变化的复杂性:不单由大气内部过程决定,还由 大气上、下边界处的各种物理、化学过程决定。 (1)地球 太阳辐射 大气流体 大气 的层结性 地球辐射 和旋转性; c云入 H2O,N2,O2,CO2,O3等 气溶胶 大气-生物 (2)各种 气-冰耦合 降水,蒸发 陆地耦合 热交换 风应力 尺度的运 冰 生物群 动及其相 P②2(冰海f大气海洋藕合 大气成分 耦合 海洋 互作用; 陆地特征、地形 (3)地球 植被、反照率等 海盆形状、盐度等 系统各圈 的相互作 大气一海洋一冰雪一陆地和生物圈所组成 用和影响。 的复杂系统示意图
❖ 造成大气环流变化的复杂性：不单由大气内部过程决定，还由 大气上、下边界处的各种物理、化学过程决定。 大气一海洋一冰雪一陆地和生物圈所组成 的复杂系统示意图 （1）地球 大气流体 的层结性 和旋转性； （2）各种 尺度的运 动及其相 互作用； （3）地球 系统各圈 的相互作 用和影响。 4.3 大气环流的基本特征
冷大气环流研究方法一尺度分离 大气环流研究的一个基本出发点,就是将大气环流看成是相对较小尺度流 体运动的平均背景场,而较小尺度运动则是大气平均环流场上叠加的扰动 流场。例如,天气尺度涡旋和中小尺度局地环流,相对于全球尺度的大气 环流,均被认为是平均环流背景场上叠加的次尺度涡动(扰动)部分,即 距平,或在平均值附近的有限振荡。如图是求算实测风沿纬圈(大气环流 的空间特征尺度可以用部分或整个纬圈的长度L表示)的平均值和距平值的 示意图。 平纬 纬圈方向 均圈 量上 和实 涡测 动风 量的
❖ 大气环流研究方法----尺度分离： 大气环流研究的一个基本出发点，就是将大气环流看成是相对较小尺度流 体运动的平均背景场，而较小尺度运动则是大气平均环流场上叠加的扰动 流场。例如，天气尺度涡旋和中小尺度局地环流，相对于全球尺度的大气 环流，均被认为是平均环流背景场上叠加的次尺度涡动（扰动）部分，即 距平，或在平均值附近的有限振荡。如图是求算实测风沿纬圈（大气环流 的空间特征尺度可以用部分或整个纬圈的长度L表示）的平均值和距平值的 示意图。 纬 圈 上 实 测 风 的 平 均 量 和 涡 动 量
以公式表达 A=[A]+A* IA]代表大气运动沿纬圈的平均状况,定义为A=1L∫0Adx。 A六为叠加在平均值上的距平(扰动)部分。相似地,对A在时间尺度上 取平均记为A,同样可以分解为时间尺度上的平均值和距平值。A=1/τ ∫τoAdt,,代表所取平均的时间长度。 值得强调的是,相对于时间平均的扰动部分(即类似于对纬圈平均时称为 涡动的部分),称为变量,记为A A=A-X。假设时间取足够长,则A将不随τ变化。一般地,它意味着时 间τ应大于天气系统的典型生命期。 中纬度,τ应当大于15~20天; 热带,τ要小些。 全球环流而言,τ要小于季节循环周期,即3个月,约91~92天
值得强调的是，相对于时间平均的扰动部分（即类似于对纬圈平均时称为 涡动 的部分），称为瞬变量，记为A’ A’＝A－A。假设时间取足够长，则A将不随τ变化。一般地，它意味着时 间τ应大于天气系统的典型生命期。 -----中纬度，τ 应当大于15～20天； -----热带，τ要小些。 -----全球环流而言，τ要小于季节循环周期，即3个月，约91～92天。 以公式表达： A = [A] +A* [A] 代表大气运动沿纬圈的平均状况，定义为[A] = 1/L∫0 LAdx。 A* 为叠加在平均值上的距平（扰动）部分。相似地，对A在时间尺度上 取平均记为A，同样可以分解为时间尺度上的平均值和距平值。A ＝1/τ ∫τ0 Adt，，代表所取平均的时间长度
今热力驱动的环流 风是人们在日常生活中直接感受到的大气运动形式。简而言之,大气环流 就是研先风的科学。其核心内容就是揭示风的形成、维持和消亡的变化规 律,并利用此规律分析风的各种表现形式,从而能够预测它的演变。然而, 大气流体运动的复杂多变,人类至今还不能完全掌握它的演变规律。千百 年来,人类孜孜以求,探索着大气运动的奥秘。 Halley(1687)和 Hadley (1720),通过对信风现象的研究,提出了赤道和高纬度极地之间的热力 差异是地球上的大规模风系形成的根本原因。 Hadley指出,在炎热的赤道,空气受热上升,而在寒冷的极 地空气遇冷下沉。因此赤道上空源源而来的空气向极地流动, 并在极地产生下沉,然后再从低空折向赤道运动。 这就是著名的 Hadley环流理论的基本思想。 今天看来, Hadley环流理论是太过于简单,但其基本观点—即热力驱 动了风,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,却是大气环流理论极为重要的基本观点
今天看来，Hadley环流理论是太过于简单，但其基本观点——即热力驱 动了风，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，却是大气环流理论极为重要的基本观点。 ❖热力驱动的环流 风是人们在日常生活中直接感受到的大气运动形式。简而言之，大气环流 就是研究风的科学。其核心内容就是揭示风的形成、维持和消亡的变化规 律，并利用此规律分析风的各种表现形式，从而能够预测它的演变。然而， 大气流体运动的复杂多变，人类至今还不能完全掌握它的演变规律。千百 年来，人类孜孜以求，探索着大气运动的奥秘。Halley（1687）和Hadley （1720），通过对信风现象的研究，提出了赤道和高纬度极地之间的热力 差异是地球上的大规模风系形成的根本原因。 Hadley指出，在炎热的赤道，空气受热上升，而在寒冷的极 地空气遇冷下沉。因此赤道上空源源而来的空气向极地流动， 并在极地产生下沉，然后再从低空折向赤道运动。 这就是著名的Hadley环流理论的基本思想
(1) Hadley环流 热力作用所产生的大气环流,这是单纯的热力环 流。习惯上称纯热力驱动的大气环流流型为 Hadley环流。 地一气系统沿纬圈的太阳辐射能量的净收支是不均匀分布 辐射收支的 的。赤道地区获得的净辐射热量远多于极地地区。 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 地一气系统所吸收的太阳短波射入辐射随纬度变化,辐射的最大值在赤道 并向极地减少;与此同时,地一气系统所发射的长波辐射随纬度变化要 比太阳短波射入辐射的变化平缓得多。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。因此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
地一气系统所吸收的太阳短波射入辐射随纬度变化，辐射的最大值在赤道 ，并向极地减少；与此同时，地一气系统所发射的长波辐射随纬度变化要 比太阳短波射入辐射的变化平缓得多。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。因此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) Hadley环流 热力作用所产生的大气环流，这是单纯的热力环 流。习惯上称纯热力驱动的大气环流流型为 Hadley环流。 辐射收支的 纬度变化 地一气系统沿纬圈的太阳辐射能量的净收支是不均匀分布 的。赤道地区获得的净辐射热量远多于极地地区。 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
90·N 净支出 净收入 10 射出辐射 射入辐射 40 射出辐射 净支出 90·s 100 1s0 250 300 350(W·m-2) 地一气系统的太阳短波射入辐射和 长波辐射通量随纬度变化的情况
地一气系统的太阳短波射入辐射和 长波辐射通量随纬度变化的情况 射入辐射 射出辐射