第二章++大气环流的基本状况llp2010

尺度10km以上，)较长时间尺度的(几天以上)大气运动的
基本状况。它们的变化不但影响着天气的类型和变化，而 且影响着气候的形成。 目前短期气候预测常以气象要素距平图的形式给出， 而把多年平均状况作为正常的背景来考虑。可见对大气环
流的多年平均状况作一些了解是完全必要的。
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§2.1 大气环流的平均状况
能随季节变化，造成大气环流的季节变化。
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 地球自转 2）自转：自转是地球绕地轴的转动。自转一周的时间（恒 星日）为23时56分4秒。自转对大气运动的影响与运动时、 空尺度有关，空间尺度越大、速度越慢的运动受地转影响 越显著，大气环流正是这种运动。
自转的影响与纬度有关（ f 2Ω sin ）：中高纬度大 气环流由于f大而呈更明显的水平属性，Rossby波（相 速 C u L ， f / y）。这种流型的产生与此有关； 4 强的地转效应不利于有效位能的释放，因而锋面和急流 （可视为行星锋带）可以稳定存在。低纬则更利于对流的 发生，系统呈现正压性。
Rae
我们首先讨论一下地气系统年平均的辐射收支状况。
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
1.对大气上界：
放出= 长波(6%+38%+26%)+ 短波(6%+20%+4%)
行星反照率
=100% 吸收=短波(100%)
水汽、二氧化 碳的净辐射 (38%)
被水汽、尘埃、 臭氧吸收(16%) 散射 (6%) 被云 反射 (20%) 云的辐射 (26%) 地 表 的 净 长 波 辐 射
2.1.1 决定大气环流的基本因子 • 大气本身的特殊尺度 • 太阳辐射能随纬度分布的不均匀性 • 地球自转 • 地球表面的不均匀性 • 地面摩擦
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 大气本身的特殊尺度 观测表明，整个大气质量的99%集中在离地36公 里高度以下的气层中，但大气环流的水平尺度则可以用 地球半径来度量。因此，在讨论大气环流时可以把大气 看成是覆盖在地球表面上极薄的一层气体。这决定了大 气环流具有准水平性（可以由连续方程来得以证明）。 所以采用若干标准等压面图就能够表示大气环流的主要 特征。
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 地球表面的不均匀性
（2）大地形所产生的热力和动力作用。
●动力作用：气流通过山脉（爬越、绕流）将产生定常波， 它们随基流的季节变化而变化。 ●热力作用：如青藏高原夏季的加热作用是南亚高压、亚洲 夏季风基本成因
高空 青藏高原
T
加大
问：副热带高压为何在两半球7月份加强？ 高原的热力作用引起的纬向环流圈是北半球7月份副高加强的一种机制。
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During the Northern Hemisphere summer, sunlight that reaches the earth‘s surface in far northern latitudes has passed through a thicker layer of absorbing, scattering, and reflecting atmosphere than sunlight that reaches the earth’s surface farther south. Sunlight is lost through both the thickness of the pure atmosphere and by impurities （ 使 洁 净 ） in the atmosphere. As the sun‘s rays become more oblique( 倾 斜 ), these effects become more pronounced. 19 19
2 2
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As the earth revolves about the sun, it is tilted on its axis by an angle of 23.5°. The earth's axis always points to the same area in space (as viewed from a distant star). Thus, in June, when the Northern Hemisphere is tipped toward the sun, more direct sunlight and long hours of daylight cause warmer weather than in December, when the Northern Hemisphere is tipped away from the sun. (Diagram, or course, is not to scale.)
§2.1大气环流的基本状况 2.1.1 决定大气环流的基本因子 2.1.2 大气平均温度场 2.1.3 平均纬向环流和平均经向环流 2.1.4 平均水平环流 §2.2 东亚季风 §2.3 青藏高原自然特征及其对气候的影响 §2.4 极地气象学
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§2.1 大气环流的平均状况
2.1.0 大气环流的定义 大气环流是指大范围(水平尺度几千公里以上，垂直
• 太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
P1 P2
P3
P
3
2
1
dC ( P ) d dt
u g完全是均匀的， 那么由于辐射差额随纬度分布的不 均匀性形成的温度场将是纯纬向场， 即等温线完全平行于纬圈分布。在 这种情况下若地球没有自转，低纬 度空气由于受热而垂直上升，高纬 度空气由于冷却而垂直下沉，结果 形成极赤之间的热力环流圈，即所 谓“单圈环流”。但是，这种单圈 环流实际上是不可能存在的，这说 明太阳辐射能随纬度分布的不均匀 性所造成的非绝热加热虽然是决定 大气环流的重要因子，但不是唯一 的因子，大气环流的状态还取决于 其他因子。
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•
太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
散 射 辐 射 反 射
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2.1.1 决定大气环流的基本因子 • 太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
地气系统的辐射平衡方程为：
Rae Q(1 ) F
Q 为地气系统的辐射差额， 为进入大气上界 的太阳辐射通量，即太阳常数1367W/m2， 为 F 地气系统的反照率， 为返回太空的红外辐射。
低
高
20 20
低
高
21 21
2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 地球表面的不均匀性
（1）海陆分布产生的不均匀加热；
以北半球的东半球对流层中部经向的情况为例。冬季大陆为冷源，使其上面的空气变冷，而海洋是热源， 使其上面的空气变暖。在中低纬大陆南侧辐射温度梯度和海陆温度梯度方向均由低纬指向高纬，两者一致而 加强，这是冬季西风急流强且位置偏南的重要原因。夏季与冬季情况相反，辐射温度梯度和海陆温度梯度均 由中纬指向低纬，两者一致而加强，有利于大陆南侧东风急流的出现。在大陆北部，海陆温度梯度和极冰温 度梯度方向一致指向北，但梯度值减小，有利于夏季西风急流北移且减弱。可见海陆的经向温度梯度与辐射 温度梯度、极冰温度梯度叠加，便形成了东、西风急流及其强弱、位置的季节变化。 再看纬向的情况。海陆分布造成的沿纬向的温度梯度叠加到上述沿经向的温度梯度上，就使得对流层中 部温度场发生经向扰动。冬季当空气由冷的陆面移向较暖的海洋时，常在大陆东岸形成温度场中的冷舌和高 度场中与之相应的高空低压槽。亚洲和北美大陆东岸冬季的半永久性低压槽(亦称锚槽)，就是在大陆的冷却作 用下形成的。当空气离开大陆在海洋上运行时，不断受热增温，常在海洋东部形成暖舌和相应的高空高压脊。 夏季的情况与冬季相反，大陆东岸容易出现高空脊，大洋东部容易出现高空槽。可见海陆分布引起的不均匀 加热可以在一些特定的地理区域上产生西风带的扰动。 由于海陆不均匀加热有明显的年变化，在海平面气压场上，冬季大陆腹地为冷性高压盘踞，夏季有强大的 热低压，造成海陆季风现象。尤其在南亚地区，冬季受蒙古冷高压底部东北风控制，夏季受印度热低压前部的 西南风控制，季风现象明显，为世界上最著名的季风区。
《气候动力学》
李丽平
大气科学学院 南京信息工程大学 2010年8月
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课程内容安排
1. 2. 3. 4. 5. 6.
气候系统及其变化 大气环流基本状况 大气中的角动量平衡 大气环流持续异常及遥相关动力学机理 海气相互作用及其对气候影响 大气季内振荡特征及成因
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本章内容安排
§2.1 大气环流的基本状况及其对气候影响
被云吸 收(3%)
3.对大气： 吸收= 长波(15%+7%+23%)+ 短波(16%+3%)=64% 放出= 长波(38%+26%)=64% 3.对地表： 吸收=短波(51%) 放出=长波 (21%+7%+23%)=51%
(6%)
被地面反射 (4%)
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 地面摩擦
（1）地面摩擦经常作用于大气的下边界上； 摩擦层：1-1.5Km （2）西风带通过地面摩擦有使地球自转加快的 趋势，东风带则有使地球自转减慢的趋势。
地面摩擦的影响常常能传递到大气上层中去。例如，摩擦作用使近地面的空气 自高压流向低压，使空气质点在穿越等压线时得到加速度，增加了动能，补偿了地 面摩擦消耗掉的动能的一部分。在摩擦层以上，必有空气穿越等压线自低压流向高 压，结果使空气减速而消耗动能。可见通过这种过程使地面摩擦作用传到上层去。 斯马戈林斯基(Smagorinsky)指出，在无地面摩擦时，高空槽脊的地理位置是上下— 致的，而考虑地面摩擦的作用就会使槽脊线随高度向上发生向西的偏移。
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v g z

g T fT x
2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
•

1. 2. 3. 4. 5.
地球自转
的作用：
波速小于基本气流速度； 对长波的作用大于对短波的作用； 频散现象； 对扰动的发展有关； 其作用在低纬度大，抑制低纬度的 不稳定。 4.5 3.7 3.0 地球转动的长期变化 距今(亿年) 地质年代 奥陶纪 泥盆纪 石炭纪 1年天数 412 400 390
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
随季节的变化很大：在远离 二分点的季节，净辐射主要 由夏半球地气系统获得。
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大气—地球系统辐射差额随纬度分布的季节变化。
粗实线为年平均，点断线为1月份，虚实线为7月份。
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
•太阳辐射能随纬度分布的不均匀性
•地球自转 •地球表面的不均匀性 •地面摩擦
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2.1.2 大气平均温度场
影响大气温度分布的主要因子
（1）地气系统的辐射差额； （2）大气中大型湍涡和海洋环流； （3）下垫面对热量的储存——海陆热力差异； （4）高空大气热力状况取决于空气成分对太阳辐射 的直接吸收。
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小结
以上讨论了决定大气环流基本状况的五个主要因子。前三 个因子的作用形成了大气环流的准水平性、准地转性以及对流 层的经向三圈环流和东西风带状环流，第五个因子有利于东西 风带的维持，第四个因子则促使纬向环流破坏，有利于产生经 向环流分量。这些因子的共同作用形成了大气环流的多年平均 状况。 一定地区的天气气候异常起因于大气环流的持续异常。因 此，研究大气环流的异常发展规律是短期气候预测的主要物理 基础。而要弄清大气环流的异常发展，首先必须弄清大气环流 的多年平均状况。 •大气本身的特殊尺度
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2.1.1 决定大气环流的基本因子
• 地球自转
1）公转：公转是地球绕日的转动。公转一周的时间
（回归年）为365日5时48分46秒。因公转轨道 （黄道）平面与天赤道（太阳赤道）平面成交角， 导致太阳直射地面的纬度随季节而变（春、秋分 直射赤道，其余时间直射点偏于某半球），极地
出现极昼、极夜。它使到达所有纬度的太阳辐射