1 第一讲、大气环流

2 Fc R

2 重力： g g R a
地转偏向力： C 2 V 由于地球旋转及空气微团相
对于地球有运动而产生。垂直于Ω和V,且在北半球指向运 动的右方。因为垂直于V，所以，Coriolis力对空气微团 不做功，只能改变速度的方向，不能改变速度的大小，故 Coriolis力又有地转偏向力之称。
不仅决定常规天气预报的成败，也同样影响月、季 的气候预报准确率，而这种短期的气候预报则是现 代气候学研究的重点和难点。
意义
大气环流是地气系统进行热量、水分等的交换
和能量转换的重要机制，又是这些物理量的输送、
平衡和转换的重要结果。 大气环流不仅决定着某地区的天气状况，同时 在一定程度上也决定了气候的形成，所以研究大气 环流意义是很重大的。
4.2 平均经向风分量的经向分布
北半球冬季，30°N以南的对流层低层，有较强的平均偏北风， 约最大3.5米/秒，200~300mb之间有明显南风分量中心，最大平 均风速为2.5米/秒。 40 °N以北低层平均为南风，高层平均为北风，但是平均风速都 不足1米/秒。 北 南
南
北
4.2 平均经向风分量的经向分布
HADLEY CELL IS A THERMALLY-DIRECT CIRCULATION
N
Equator
S
Global atmospheric circulation
3、三圈环流
3.2极地环流圈的形成
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 柯氏力作用下右偏成为西南风， 构成极地环流圈
84
5.2 对流层平均水平环流
85
5.2 对流层平均水平环流
1月北半球中高纬西风带上有三个大槽，分别位于东亚
沿岸、北美东岸以及东欧地区。 7月份西风带整体显著北移，中高纬有四个大槽，分别位 于北美东岸、西欧、亚洲中部及西太平洋。 冬季副热带高压强度弱，位置偏南（北纬20 °N以南）
高压不明显；夏季副热带高压强，位置偏北，中心在20—30
Global atmospheric circulation
4 、 大气平均流场特征
4.1平均纬向风分量的经向分布

在低纬地区，夏季除了北半球的对流层底层有小范围弱 西风以外，全部为东风，最大风速中心在平流层。东风 带的宽度在对流层下部占南北各30个纬距，垂直方向上 冬季东风带迅速变窄，夏季则变化较小。
环流：空气沿一个封闭的轨迹运动，或沿着某一封闭轨迹 循环运动的倾向。 经向环流：气流沿经圈方向运动（南北向） 纬向环流：气流沿纬圈方向运动（东西向） 大气环流：指全球范围的大尺度大气运行的基本状况，水 平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10公里以上，时间尺 度在1-2日以上。是各种不同尺度的天气系统发生发展和移 动的背景条件。
球范围内大气环流的时间尺度则需以年和季节度量。
大气环流是造成有利于或不利于某个天气系统 盛行于某地的“环流背景”。
现代的大气环流研究领域正深入到气候学的传 统研究领域，如厄尔尼诺现象、温室气体效应、臭 氧层效应和大气环流的相互影响等等。
大气环流的基本状况决定着气候系统未来的
变化趋势，对大气环流演变规律的深入理解与否，
3、三圈环流
3.3 Ferrel (费雷尔)环流的形成
Hadley环流中在30ºN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汇合，在高空辐散，其 中有一支向南运动。这样在Hadley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，为间接环流圈， 也称Ferrel(费雷尔) 环流圈。
5、平均水平环流
5.1 大气活动中心
分析多年平均海平面气压图可知，全球经常有7—8个巨大的高、 低压区，一般称之为大气活动中心。 大气活动中心的形成与下垫面有很大关系。 1月份北半球有西伯利亚高压、阿留申低压、冰岛低压、 北美高压四个大气活动中心。 南半球有赤道低压，位于印尼到澳大利亚的西太平洋。 另外，东南太平洋，南印度洋及南大西洋各有一个高压，其中 东南太平洋高压较强，印度洋高压最弱。
79
5.1 大气活动中心（1月份）
西伯 利亚 高压
冰岛低压
阿留申低压
北美高压
东南太平洋高压
印度洋高压弱
80
5.1 大气活动中心
7月北半球大气活动中心的分布几乎与1月相反，阿留申 低压中心已消失，冰岛低压也大为减弱，北美东北部为弱低 压，只有以下三个大气活动中心：亚洲大陆为强大的低压区， 称为印度低压，低压中心经常在印度西北部；北太平洋与北大 西洋为强大高压所占据，分别称为太平洋副热带高压和大西洋
根本动力
大气运动的根本能源是太阳辐射能，地球的自 转和公转使地球表面产生温度的差异，太阳辐射能在 地球上的非均匀分布，是大气环流的原动力。
控制因素 内部因子：大气本身的可压缩性、连续性、 流动性和大气水平尺度与垂直分布等 外部因子：太阳辐射能及其高能粒子周期性 和非周期性的振动、地球表面的摩擦作用， 海陆分布和大地形的影响等外界因素。
地球大气按照温度分层：
外逸层 500 km 热 层 85 km 中 层
平流层 对流层
50 km
8－10－12 km 极 中 赤 地 纬 道 度
大气环流研究
尺度
空 间 尺 度
水平尺度：有某大地区（例如欧亚地区）、某半球或 全
球范围的大气环流 垂直尺度：有对流层、平流层、中层或整个大气圈的大 气环流 时间尺度：一至几天、一月、一季、半年、一年的直至
多年平均的大气环流 。
大气环流的演变不仅仅是大气内部状态和行为
的反映，而且是与大气密切相关的太阳辐射、海洋、
冰雪、陆地和生物圈所组成的复杂系统的总体行为。
大气圈 水圈
岩石圈
人类圈
冰冻圈
生物圈
地
球
系
统
结
构
当体现这种总体行为的时间尺度需以年代为标 尺时，属于气候和气候变化所研究的领域；当时间 尺度需要以天为标尺时，空间尺度局限于个别的天 气系统区域范围，则正是天气学研究的范畴；而全
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ大气环流
大气环流
黄楚惠 中国气象局气象干部培训学院四川分院
全国气象部门新任预报员上岗培训班 （2014年3月）
提纲 1 、大气环流研究 2、热力环流原理 3、三圈环流 4、大气平均流场特征 5、平均水平环流 6、极地环流概况 7 、急流 8、东亚环流特征
1 、大气环流的研究



1960年代以前，主要限于地面观测资料的分析和统计， 诊断分析和理论研究十分有限。 1960年代开始，根据日益增多的观测资料（包括卫星、 飞机及其他特殊观测资料）开展大气环流的观测和结果 统计。大气环流数值模拟实验开始成为主要研究方法之 一，理论研究也开始深入。 1970年代开始，随着大型、高性能电子计算机应用，不 断采取新资料处理和客观分析方法，为大气环流的观测 分析、统计、数值模拟和计算提供了更多、更长期的资 料。
2 、热力环流原理

由于这种环流是因温度分布不均而产生的，所以称为热 力环流。由此可以看出，在地球表面上只要有冷、热的 差异就会产生环流。
2 、热力环流原理
2 、热力环流原理
就同一水平面而言，气流总是由高压流向低压
2 、热力环流原理
2 、热力环流原理
在地球上的极地和赤道之间、陆地与海洋之 间都存在着热力的差异，因此均可形成热力环 流。
3、三圈环流 3.4 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
3、三圈环流
3.5 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

3、三圈环流
3.1 Hadley （哈得来）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 30ºN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
中高纬度的对流层中冬、夏季均为西风，冬强夏弱，北 半球的强度变化更为显著。最大风速中心在200mb高度 附近，冬季位于30°N附近，夏季约在40 ° N附近，整 个东西风风带随季节有南北移动。

4.1平均纬向风分量的经向分布
4.1平均纬向风分量的经向分布
极区近地面为弱东风，冬季从对流层到平流层均为西风， 夏季对流层中仍为西风，强度减弱，平流层则变为环流极地 的东风，与低纬的东风相连。
大气环流的定义
大气环流包含内容广泛，定义也不完全相同。 某些区域大气的平均状态 全球大气的瞬时状态 主要指所有永久性或半永久性大气活动的集合体：赤道 辐合带、急流、季风、副热带高压和各种永久性和半永 久性气旋和反气旋中心。 所有特征的定量统计结果
1、大气环流的研究
普遍认可的定义


北半球夏季：赤道区域，底层平均南风分量达2.5米/秒，高空为 2米/秒以下的北风分量。 13 °N—40 °N，底层盛行1米/秒以下的北风分量，高空 深厚的气层里都是较弱的南风。
南
北
北
南
平均纬向风与平均经向风的比较：

平均纬向风分量远远大于经向风 经向风分量虽然很小，但依然存在，说明大气中存在空 气的南北交换和热量输送 纬向风比经向风大得多， 说明地球上空大气运动基 本上是环绕着纬圈自东向西（东风）或自西向东（西风） 运动的。但也有南北向的空气交换，冬强夏弱。经向风 量级虽小，但作用很大。
作用：大气在极地上空平均是净支出热量，所以极地是 大气的冷源，中、低纬度的热量通过平均经圈环流和大 型涡旋不断向极地输送，大气在极地冷源上丧失热量形 成冷空气，然后向南侵袭，影响中、低纬度的环流和天 气，所以研究极地环流很有意义

6、极地环流概况 6.1 北极环流的平均状况
1月 北半球500百帕平均图上，极地涡旋断裂为两个闭合中心， 一个在格陵兰西侧与加拿大之间，另外一个在亚洲的东 北部，极地是一个槽区。
° N之间，在低纬太平洋、大西洋和北非大陆有明显的高压中
心，北非高压最强。另外，在印度半岛有（副热带）低压存在。 86
1月和7月500hPa高度场和温度场
87
6、极地环流概况

概念：地理学上把66.5ºN以北和66.5ºS以南地区称为极 地，北极地区除格陵兰以外，基本上都是海洋，是个多 冰山的大洋，但即使在冬季也不完全冰封。南极地区是 个大陆。
假设：地球没有自转、 地表均一，极地赤道间
的经向环流——一圈环
流
3、三圈环流
在考虑了地球自转的条件下，一圈环流模式将不会 存在，大气环流将变得更复杂一些。 关键：在存在相对于地球运动的时候，产生地转偏向力。 北半球指向右，南半球指向左。 假设：地表均一 缺点：不考虑地形的影响
地转偏向力

惯性离心力：
1、大气环流的研究
研究方法主要有四种： 观测资料的分析和统计 理论研究 数值模拟实验 实验室研究 主要用转盘实验研究大气环流的各种基本性质。 上面几种方法最好是结合起来应用，尤其是前三种。 在任何情况下，由第一种方法得到的结果，都是后三种 方法研究的依据和基础。
1、大气环流的研究
大气环流—指全球范围的大尺度大气运行的基本状况
1、大气环流的研究
按照大气在垂直方向上的某种特征，将大气划分成水
平方向性质比较均匀的若干层次。
一般按照大气的热力性质划分，即气温随高度分布将
大气分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层；各层
之间有一很薄的过渡带，也即各层的层顶。
对流层温度随高度递减； 平流层起初随高度不变，而后随高度增加，原因 是臭氧吸收太阳的紫外线引起温度升高； 中间层温度随高度递减； 热层温度随高度又渐增。
副热带高压。
南半球正是隆冬，大洋上三个高压强度增强，澳大利亚大 陆区也为高压区，所以有四个高压中心。
81
5.1 大气活动中心（7月份）
北太平洋
北大西洋
印度低压
82
5.2 对流层平均水平环流
。
1月、7月500mb多年平均图代表对流层中层冬季和夏季 的水平环流图。 无论冬夏，极区都是一个低压区，一般称为极地涡旋，简称 极涡。极涡强度在1月最强，7月大为减弱