天气学原理重点考点

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。
③. 槽脊输送角动量的方式（P161 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 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。
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 中纬西风带——具有西风角动量
低纬东风带——具有东风角动量
（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
，暖下沉，冷上升（辐合）∴ 锋生
，暖上升，冷下沉（辐散）∴ 锋消 ∴在稳定大气中，暖空气一侧相对于冷空气一 侧是下沉的，则锋生；反之则锋消。
② 在不稳定大气中
当
，
，锋生；
当
，
，锋消。
因为暖气团的凝结潜热作用抵消了上升作用。
c) 非绝热加热项
，暖空气相对加热， 冷空气相对冷却，则
， 则
，锋生 ，锋消
-Vg· ▽ζg > 0
地转风相对涡度平流
b. 地转涡度平流 ——在长波槽中作用较大
在北半球
所以在天气图上：
1）槽前脊后偏南风， ，则 有负地转涡度平流，等压面位势高度升高。 2）槽后脊前偏北风， ，则
有正地转涡度平流，等压面位势高度降低。
3）槽脊线上为西风，地转涡度平流为零，等压面位 势高度无变化。
a. 地转风相对涡度平流
天气图应用
槽前脊后为正的相对涡度平流，等压面高度降低
槽后脊前为负的相对涡度平流，等压面高度升高 槽脊线上涡度平流为零，等压面高度无变化 ∴相对涡度平流使槽脊东移（短波槽），对槽脊 的发展不起作用。
低
Vg 高 ζg < 0 ζg > 0 -Vg· ▽ζg < 0 Vg 高
ζg < 0
Байду номын сангаас
——构成直接热力环流圈
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 极地环流圈———强 费雷尔环流圈——弱 哈德莱环流圈——强
三圈经向环流
极地 环流 Ferrel 环流 Hadley 环流
极锋 急流 副热带 急流
2、低层三风四带
极地东风（东北风）
天气图应用
a）地面低压中心，一般位于高空的槽前脊后，低层涡
度平流很小，高层为正涡度平流。
∴在这个地区涡度平流随高度增加——有上升运动
b）地面高压中心，一般位于高空的槽后脊前，低层涡
度平流很小，高层为负涡度平流。
∴在这个地区涡度平流随高度减弱——有下沉运动
高
ω> 0
ω< 0
低
涡度平流随高度变化造成的垂直运动 （实线—500hPa等高线，虚线—1000hPa等高线）
三、热成风
地转风随高度的改变量称热成风，即上下两层 地转风之差。
Vg2
Vg1
讨论： 1. 热成风与等平均温度线平行，背热成风而立， 低温在左，高温在右。
2. 热成风风速大小与平均温度梯度成正比，与 纬度成反比，等温线越密集热成风越大。
3. 热成风与冷暖平流
自下而上地转风随高度逆转时——气层中有冷平流 自下而上地转风随高度顺转时——气层中有暖平流
负变压中心有变压风的辐合；
正变压中心有变压风的辐散。
②
——纵向（切向）地转偏差
Ⅰ. 气流气旋式旋转
产生指向地转风相反方向地转偏差——实际风小 于地转风 。 Ⅱ. 气流反气旋式旋转
产生指向地转风相同方向地转偏差——实际风大 于地转风。
Ⅲ. 高空槽前脊后有纵向地转偏差的辐散， 高空槽后脊前有纵向地转偏差的辐合。
加热形式
凝结潜热加热——有利于锋生 下垫面加热——有利于锋消
一、位势倾向方程
1. 公式推导
简化的涡度方程
代入连续方程
得到
—— 13
作运算
——18
将14+18式，消去
项，得到：
—— 19位势倾向方程
2. 讨论19式各项的物理意义
① 证明左端项
设 ，则有：
k,l,m为三个方 向上的波数
同理
∴
即
② 地转风绝对涡度平流
① 若等位温线与伸展的轴夹角β ＜45°，则在辐合 气流下易锋生 ② 若β ＞45°，则辐散气流下易锋消；但等位温线 会逐渐旋转使β ＜45° ∴变形场最有利于产生锋生。 在天气图上鞍型场最易产生锋生。
b) 垂直运动作用
① 稳定大气（一般状态下）
当
时，
，锋生；
当
时，
，锋消。
说明：
ω ＞ 0，下沉； ω ＜ 0，上升。
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）角动量的输送方式
1、大气内部角动量的水平输送 2、大气内部角动量的垂直输送
1、大气内部角动量的水平输送
平均经向环流 对角动量的输送
定常扰动
非定常扰动
表示通过纬圈φ处的整个大气垂直面（xz面） 在单位时间内向北水平输送的总角动量。
④ 非绝热加热的拉普拉斯项
同理可证：
非绝热加热：凝结潜热 下垫面加热
一、太阳辐射作用(P153图4.10)
太阳辐射能是大气环流形成的基本能源。
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（40°N~40°S）是太阳辐射能净得区
(2) 中高纬（40°N~北极、40°S~南极）是太阳 能净失区
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 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
——⑧ 所以转为讨论⑧式
a) 水平运动的作用
∴
当 当
时，则 时，则
，锋消； ，锋生。
气流辐散，锋消
气流辐合，锋生
∴在垂直于等位温线的方向上有气流辐合利于 锋生，反之则有利于锋消。
进一步说明：
一个线性流场可分解为四种简单的流场 平流场 旋转场 辐合辐散 变形场 前三种对锋生、锋消不起作用。
变形场：
北美大槽
（二）地形影响——青藏高原
1. 高原的动力作用
①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
②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
∴地转涡度平流使槽脊西退（长波槽），对槽脊发展 不起作用。
③ 厚度平流随高度的变化项
代入静力学方程
有：
补充：冷暖平流在天气图上的应用 ⑴ 等压面图上冷暖平流的判断
a）
等温线与等高线有交角处有温度平流
等温线与等高线没有交角处无温度平流 b）二十四小时变温 ＞０ 暖平流
＜０
冷平流
⑵ 温度槽脊落后于高度槽脊
得：
—— 20
作运算 得：（σ在水平方向上分布均匀 ）
—— 21 将20－21，消去 项，得到：
——22 ω方程
2. 讨论22式各项的物理意义
① 左端项，同19式类似，同理可证
② 绝对涡度平流随高度变化项
——绝对涡度平流随高度增加， ω<0， 有上升运动
——绝对涡度平流随高度减小， ω>0， 有下沉运动
补充：天气图上判断冷暖平流
a) 24小时变温(△T24)： <0 >0
冷平流 暖平流
b) 水平温度平流：
c) 等高线与等温线有交角处，有温度平流 等高线与等温线平行处，无温度平流
4. 中纬度系统的温压结构 a) 中纬度对流层中，温度分布南暖北冷， 所以高层为西风气流，且高度越高，西风越大。
b) 地面闭合高压和低压系统 在高空转变为西风气流的波状槽脊。
③ 厚度平流的拉普拉斯项 同理可证：
代入静力学方程
天气图应用
a）高空槽附近（地面低压后部和高压前部）为
冷平流区，有下沉运动。
b）高空脊附近（地面低压前部和高压后部）为 暖平流区，有上升运动。
ω> 0
暖平流 高 低
ω< 0
暖平流
ω> 0
冷平流
温度平流造成的垂直运动 （实线—500hPa等高线，虚线—1000hPa等高线）
为
平均槽脊及 非定常大型 扰动对感热 输送 同一纬圈 暖升，冷降 大型定常扰 动对角动量 的输送
能
Q（太阳辐射）
平均摩擦损耗
维持纬向环流
⑶ 温度槽脊超前于高度槽脊
∴温度平流对槽脊发展起主要作用
任意槽脊
温度槽脊落后于高度槽脊
温度槽脊超前于高度槽脊
④ 非绝热加热随高度的变化项
>0，非绝热加热随高度增加，
等压面位势高度降低。
<0，非绝热加热随高度减小，
等压面位势高度升高。
二、ω方程
１. 公式推导：
取14、17式
——14 ——17
作运算
2、大气的平均温度特征（P153
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、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 向赤道的北风。
Ⅵ. 纵向地转偏差的大小与风速的平方成正比
c)
太小
略
一、锋生与锋消的概念
锋生——密度不连续面的形成过程或水平温度梯度 加大的过程；即锋的生成或原有锋强度增强的过 程，均称为锋生。 锋消——反之 等压面图上等温线密集程度
天气图
地面图上锋两侧要素场差异明显
2. 讨论⑦式（锋生消公式）
设坐标系x轴平行于等位温线； y轴垂直于等位温线，指向位温升高的方向。
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. 高原的热力作用
夏季中心位于青藏高原及其 附近地区对流层上部的高压。
①夏季为热源
a 南亚高压形成 高层高压 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
②冬季为相对冷源 低层高压（P165 图4.18） 高原南多西风急流适应
五、能量收支（P166 图4.19）
三圈环流 和东西风 带
①. 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
②. 角动量水平输送的特征（P160 图4.14）
a）非定常扰动对角动量水平输送远大于定常扰动 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；
三风 中纬西风（西南风） 四带
极地高压带
副极地低压带
低纬东风（东北信风）
副热带高压带
赤道低压带
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
三、角动量交换（维持因子）
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：
c) 中纬度系统的温压场结构的基本特征: 地面低压中心位于高空槽前脊后 地面高压中心位于高空槽后脊前 高空温度槽脊落后于气压槽脊
四、地转偏差
实际风与地转风的偏差称为地转偏差。
讨论：
a) （变压风）
代入地转风方程：
得：
变压风垂直于等变压线，指向变压代数值小的方向。
变压风的大小与变压梯度大小成正比，等变压线越密， 变压风越大。
2、大气内部角动量的垂直输送（P162 图4.16）
地球角动量 的垂直输送
相对角动量 的垂直输送 涡动引起的垂 直角动量输送
①
哈得莱环流有净余的Ω角动量，向上输送 ——补偿了高空西风带 费雷尔环流有净余的Ω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
②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。 ③计算表明，向上、向下对角动量的垂直输送平衡。 ④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。