第6章_大气环流
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气象学与气候学
第6章 大气环流
大气环流是指整个地球上大范围的大气运动，即可是年或月平 均状态，也可是短时或瞬时状态。其水平范围达数千千米，垂直尺 度在10 千米以上，时间尺度在日、月或年。大气环流反映了大气运 动的基本状态，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不 同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。
N 60º N 30º N E
H
L
W NE SE
W
H
0
30º S 60º S
NE L SE
H L
NE SE
W
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
W
S
E
H
极锋
副热带锋
热带辐合带
第6章 大气环流
6.1 大气环流形成的主要因子
6.1.3 地表性质作用
• 海、陆热力差异对气流的影响。夏季，陆地为相对热源，海洋为相 对冷源；冬季则相反。这种冷热源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——大气活动中心。海、陆间的季节性热力差 异引起的气压梯度驱动着海陆间的大气流动，这种随季节而转换的环 流是季风形成的重要因素。 • 地形起伏对气流的影响。大范围的高原和高大山脉对大气环流的影 响非常显著，主要有两个方面。一是动力影响，高原或高山迎风坡空 气辐合，形成高压脊，而背风坡形成低压槽，如东亚大槽、北美大槽； 当地形过于高大或气流较浅薄，则在迎风坡气流发生绕流，背风坡气 流又汇合。二是热力影响，高原相对于四周大气而言，夏季为热源， 冬季则为冷源。
西伯利 阿留申 亚高压 低压
冬季 海平面气压场
印度 低压 北太平 洋高压 夏季 海平面气压场
冬季(1月)地面气压场和风场 ITCZ：热带辐合带
夏季(7月)地面气压场和风场 ITCZ：热带辐合带
2006年1月海平面气压场
2006年7月海平面气压场
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.4 急流
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.2 平均经向环流
• 概念：指沿经圈的垂直剖面上，由平均风速的北、南分量和垂直分 量构成的平均环流圈。 • 特点：在大气运动满足静力平衡和准地转平衡条件下，除低纬度以 外，上述风速的南北分量和垂直分量都很小，因而经圈环流同纬圈环 流相比要弱得多。 • 结构：北半球有三个经向环流圈，即①低纬环流圈，又称哈得莱 （Hadley）环流圈，为直接热力环流圈（正环流圈）；②中纬环流圈， 又称费雷尔（Ferrel）环流圈，为间接热力环流圈（逆环流圈） ；③高 纬环流圈，又称极地环流圈，也是直接热力环流圈（正环流圈） 。
地球自转作用下的理想三圈环流
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.3 实际平均水平环流
①对流层中、上层平均水平换流
纬向环流受到的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，其表现形式为槽、脊和高压、低压。 • 槽、脊主要出现于对流层高层。北半球，1 月份500hPa 等压面图上 西风带有三个平均槽，即东亚大槽、北美大槽、及欧洲浅槽。三槽之 间并列着三个脊，但强度比槽弱得多。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。
第6章 大气环流
6.1 大气环流形成的主要因子
6.1.2 地球自转作用
• 地转偏向力使南、北半球的气流分别向左、右偏转，结果赤道高 空向南、北极的气流，随纬度增高，逐渐变成与纬圈相平行的西风； 而地面自极地向赤道的气流偏转成东风。 • 纬向风带的出现，阻挡着经向气流的逾越，引起南、北纬副热带 上空空气质量的辐合，副极地上空空气质量辐散，从而地面形成动力 性的副热带高压带和副极地低压带，并且与热力性的赤道低压和南北 极高压形成高低气压带交错排列。 • 高低气压带间的气压梯度力及地转偏向力共同形成和维持了纬向 行星风带：东南/东北信风带、盛行西风带、 极地东风带，以及经向 三圈环流圈：低纬度环流圈、中纬度环流圈、极地环流圈。
均一地表假定下的行星风带
海陆分布影响下的行星风带
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.1 平均纬向环流
大气环流的基本状态是以南、北极为中心的纬向环流，即东、西 风带。对流层的中上层，除赤道地区外，各纬度均为西风，这是由低 纬指向高纬的经向温度梯度所决定的。平均纬向环流基本结构如下： • ①高纬地区：极地东风带。主要分布在北大西洋低压和北太平洋低 压的向极一侧，其厚度、强度都是冬季大于夏季。 • ②中纬地区：盛行西风带。纬向宽度、风速随高度而增大，北半球 冬季西风风速大于夏季。 • ③低纬地区：热带东风带或信风带。它是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（几乎占全球的一半） 的风带。
极锋 N 60º N 30º N
H
SPL STH 副热 带锋
0º
EL
S 平均经向环流圈
①温带急流 N 60º N 30º N
H
SPL STH
③副热带东风 急流? ②副热带急流
0º
EL
S 平均经向环流圈与急流
急流示意图
参考材料：大气环流的异常事件
正常年份
ENSO年份
赤道东太平洋海表水温异常升高的现
概念：指对流层中上层风速30m/s 以上的狭窄强纬向风带，其位置 通常与水平温度经向梯度很大的锋区相对应。
①温带急流：又称极锋急流，多见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； ②副热带急流：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。 ③副热带东风急流：在夏季北半球亚洲、非洲副热带对流层顶附近 （100~150hPa）处的一支急流。
北半球1月500hPa平均等高线
槽线
北半球7月500hPa平均等高线
槽线
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.3 实际平均水平环流
②对流层低层平均水平换流
对流层低层受海、陆热力差异的影响最大。夏季，陆地为相对热源， 海洋为相对冷源；冬季则相反。这种冷热源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——大气活动中心。 • 北半球海洋上的太平洋高压、大西洋高压、阿留申低压、冰岛低压 常年存在，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（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，称为季节性活动中心。
El Nino conditions
• SO (Southern Oscillation)- decrease in the pressure gradient across the southern equatorial Pacific; • Trades weaken; • Countercurrent strengthens- warm water across the equatorial region; • Decreased upwelling-warm low nutrient waters off Peru; • Storm pattern shifts toward the east; • During El Nino, the trade winds relax in the central and western Pacific leading to a depression of the thermocline in the eastern Pacific, and an elevation of the thermocline in the west. • The observations at 110W show, for example, that during 1982-1983, the 17-degree isotherm dropped to about 150m depth. • This reduced the efficiency of upwelling to cool the surface and cut off the supply of nutrient rich thermocline water to the euphotic zone. • The result was a rise in sea surface temperature and a drastic decline in primary productivity, the latter of which adversely affected higher trophic levels of the food chain, including commercial fisheries in this region. • Rainfall follows the warm water eastward, with associated flooding in Peru and drought in Indonesia and Australia. • The eastward displacement of the atmospheric heat source overlaying the warmest water results in large changes in the global atmospheric circulation, which in turn force changes in weather in regions far removed from the tropical Pacific.
Normal, non-El Nino conditions
• Low pressure over Indonesia (large pressure gradient) ; • Strong trades; • Weak counter current; • Upwelling off Peru (and California)- cold nutrient-rich waters; • Warm water to west- cooler water to east- Peru high productivity; • Storms concentrated in the west over warm water; • In normal, non-El Nino conditions, the trade winds blow towards the west across the tropical Pacific. These winds pile up warm surface water in the west Pacific, so that the sea surface is about 1/2 meter higher at Indonesia than at Ecuador. • The sea surface temperature is about 8°C higher in the west, with cool temperatures off South America, due to an upwelling of cold water from deeper levels. • This cold water is nutrient-rich, supporting high levels of primary productivity, diverse marine ecosystems, and major fisheries. • Rainfall is found in rising air over the warmest water, and the east Pacific is relatively dry.
N 60º N
H
30º N
0 30º S 60º S
H
L
S
低纬大气增温并形成向上的热对流，赤道上空大气向南北运动，地面形 成赤道低压（热低压）；南北极高空大气冷却并下沉，地面形成极地高 压（冷高压）。 不考虑地转偏向力，则赤道和极地间形成理想的热力环 流圈(Hadley环流) 。
单圈热力环流(Hadley环流)
许多研究表明，赤道东太平洋海表水
温异常事件同南方涛动指数（SOI） 之间有非常好的相关关系。 El Nino与 南方涛动二者又合称为
ENSO。
南方涛动对太平洋东西两岸 气候所造成的影响： 图 (a)：正常状态下，贸易 风将表层海水向西推送，暖 水在西侧积聚因此产生暖湿 空气，暖湿空气向上爬升因 而在太平洋西侧发展出低气 压系统或是暴风系统。在 太平洋东侧则正好相反，涌 升流促成冷海面，空气下沈 且干燥，天空晴朗高压盛行。 图(b)：当发生较强的El Nino现象时，贸易风减弱， 表层暖海水向东退回，因此 太平洋东侧堆积了暖海水， 促成当地富于暖湿且上升的 气团，故低压与暴风盛行， 反而是太平洋西侧变成苦旱
6.1 大气环流形成的主要因子 6.2 大气环流的平均状况 思考题
第6章 大气环流
6.1 大气环流形成的主要因子
6.1.1 太阳辐射因子
地表辐射差额在35º S~35º N间为正， 35º S以南、35º N以北为负， 形成赤道向两极的辐射梯度，进而形成了向极的温度梯度。这种经向 温度梯度构成了产生和维持大气环流的直接原动力。
象即为El Nino。 El Nino现象结束后， 次年太平洋东岸之海水温又往往会比 正常为低，西岸则往往偏高，此种颠 反之异常状态称为La Nina (The Little Girl)。
南方涛动（SO），用以描述热带东太
平洋地区与热带印度洋地区气压场反 相变化的跷跷板现象，通常以东南太 平洋（塔希提岛以东）和印度洋（澳 大利亚的达尔文站以西）之间的气压 差表示SOI。南方涛动影响到全球海 洋和大气状况
第6章 大气环流
大气环流是指整个地球上大范围的大气运动，即可是年或月平 均状态，也可是短时或瞬时状态。其水平范围达数千千米，垂直尺 度在10 千米以上，时间尺度在日、月或年。大气环流反映了大气运 动的基本状态，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不 同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。
N 60º N 30º N E
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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极锋
副热带锋
热带辐合带
第6章 大气环流
6.1 大气环流形成的主要因子
6.1.3 地表性质作用
• 海、陆热力差异对气流的影响。夏季，陆地为相对热源，海洋为相 对冷源；冬季则相反。这种冷热源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——大气活动中心。海、陆间的季节性热力差 异引起的气压梯度驱动着海陆间的大气流动，这种随季节而转换的环 流是季风形成的重要因素。 • 地形起伏对气流的影响。大范围的高原和高大山脉对大气环流的影 响非常显著，主要有两个方面。一是动力影响，高原或高山迎风坡空 气辐合，形成高压脊，而背风坡形成低压槽，如东亚大槽、北美大槽； 当地形过于高大或气流较浅薄，则在迎风坡气流发生绕流，背风坡气 流又汇合。二是热力影响，高原相对于四周大气而言，夏季为热源， 冬季则为冷源。
西伯利 阿留申 亚高压 低压
冬季 海平面气压场
印度 低压 北太平 洋高压 夏季 海平面气压场
冬季(1月)地面气压场和风场 ITCZ：热带辐合带
夏季(7月)地面气压场和风场 ITCZ：热带辐合带
2006年1月海平面气压场
2006年7月海平面气压场
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.4 急流
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.2 平均经向环流
• 概念：指沿经圈的垂直剖面上，由平均风速的北、南分量和垂直分 量构成的平均环流圈。 • 特点：在大气运动满足静力平衡和准地转平衡条件下，除低纬度以 外，上述风速的南北分量和垂直分量都很小，因而经圈环流同纬圈环 流相比要弱得多。 • 结构：北半球有三个经向环流圈，即①低纬环流圈，又称哈得莱 （Hadley）环流圈，为直接热力环流圈（正环流圈）；②中纬环流圈， 又称费雷尔（Ferrel）环流圈，为间接热力环流圈（逆环流圈） ；③高 纬环流圈，又称极地环流圈，也是直接热力环流圈（正环流圈） 。
地球自转作用下的理想三圈环流
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.3 实际平均水平环流
①对流层中、上层平均水平换流
纬向环流受到的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，其表现形式为槽、脊和高压、低压。 • 槽、脊主要出现于对流层高层。北半球，1 月份500hPa 等压面图上 西风带有三个平均槽，即东亚大槽、北美大槽、及欧洲浅槽。三槽之 间并列着三个脊，但强度比槽弱得多。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。
第6章 大气环流
6.1 大气环流形成的主要因子
6.1.2 地球自转作用
• 地转偏向力使南、北半球的气流分别向左、右偏转，结果赤道高 空向南、北极的气流，随纬度增高，逐渐变成与纬圈相平行的西风； 而地面自极地向赤道的气流偏转成东风。 • 纬向风带的出现，阻挡着经向气流的逾越，引起南、北纬副热带 上空空气质量的辐合，副极地上空空气质量辐散，从而地面形成动力 性的副热带高压带和副极地低压带，并且与热力性的赤道低压和南北 极高压形成高低气压带交错排列。 • 高低气压带间的气压梯度力及地转偏向力共同形成和维持了纬向 行星风带：东南/东北信风带、盛行西风带、 极地东风带，以及经向 三圈环流圈：低纬度环流圈、中纬度环流圈、极地环流圈。
均一地表假定下的行星风带
海陆分布影响下的行星风带
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.1 平均纬向环流
大气环流的基本状态是以南、北极为中心的纬向环流，即东、西 风带。对流层的中上层，除赤道地区外，各纬度均为西风，这是由低 纬指向高纬的经向温度梯度所决定的。平均纬向环流基本结构如下： • ①高纬地区：极地东风带。主要分布在北大西洋低压和北太平洋低 压的向极一侧，其厚度、强度都是冬季大于夏季。 • ②中纬地区：盛行西风带。纬向宽度、风速随高度而增大，北半球 冬季西风风速大于夏季。 • ③低纬地区：热带东风带或信风带。它是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（几乎占全球的一半） 的风带。
极锋 N 60º N 30º N
H
SPL STH 副热 带锋
0º
EL
S 平均经向环流圈
①温带急流 N 60º N 30º N
H
SPL STH
③副热带东风 急流? ②副热带急流
0º
EL
S 平均经向环流圈与急流
急流示意图
参考材料：大气环流的异常事件
正常年份
ENSO年份
赤道东太平洋海表水温异常升高的现
概念：指对流层中上层风速30m/s 以上的狭窄强纬向风带，其位置 通常与水平温度经向梯度很大的锋区相对应。
①温带急流：又称极锋急流，多见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； ②副热带急流：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。 ③副热带东风急流：在夏季北半球亚洲、非洲副热带对流层顶附近 （100~150hPa）处的一支急流。
北半球1月500hPa平均等高线
槽线
北半球7月500hPa平均等高线
槽线
第6章 大气环流
6.2 大气环流的平均状况
6.2.3 实际平均水平环流
②对流层低层平均水平换流
对流层低层受海、陆热力差异的影响最大。夏季，陆地为相对热源， 海洋为相对冷源；冬季则相反。这种冷热源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——大气活动中心。 • 北半球海洋上的太平洋高压、大西洋高压、阿留申低压、冰岛低压 常年存在，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（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，称为季节性活动中心。
El Nino conditions
• SO (Southern Oscillation)- decrease in the pressure gradient across the southern equatorial Pacific; • Trades weaken; • Countercurrent strengthens- warm water across the equatorial region; • Decreased upwelling-warm low nutrient waters off Peru; • Storm pattern shifts toward the east; • During El Nino, the trade winds relax in the central and western Pacific leading to a depression of the thermocline in the eastern Pacific, and an elevation of the thermocline in the west. • The observations at 110W show, for example, that during 1982-1983, the 17-degree isotherm dropped to about 150m depth. • This reduced the efficiency of upwelling to cool the surface and cut off the supply of nutrient rich thermocline water to the euphotic zone. • The result was a rise in sea surface temperature and a drastic decline in primary productivity, the latter of which adversely affected higher trophic levels of the food chain, including commercial fisheries in this region. • Rainfall follows the warm water eastward, with associated flooding in Peru and drought in Indonesia and Australia. • The eastward displacement of the atmospheric heat source overlaying the warmest water results in large changes in the global atmospheric circulation, which in turn force changes in weather in regions far removed from the tropical Pacific.
Normal, non-El Nino conditions
• Low pressure over Indonesia (large pressure gradient) ; • Strong trades; • Weak counter current; • Upwelling off Peru (and California)- cold nutrient-rich waters; • Warm water to west- cooler water to east- Peru high productivity; • Storms concentrated in the west over warm water; • In normal, non-El Nino conditions, the trade winds blow towards the west across the tropical Pacific. These winds pile up warm surface water in the west Pacific, so that the sea surface is about 1/2 meter higher at Indonesia than at Ecuador. • The sea surface temperature is about 8°C higher in the west, with cool temperatures off South America, due to an upwelling of cold water from deeper levels. • This cold water is nutrient-rich, supporting high levels of primary productivity, diverse marine ecosystems, and major fisheries. • Rainfall is found in rising air over the warmest water, and the east Pacific is relatively dry.
N 60º N
H
30º N
0 30º S 60º S
H
L
S
低纬大气增温并形成向上的热对流，赤道上空大气向南北运动，地面形 成赤道低压（热低压）；南北极高空大气冷却并下沉，地面形成极地高 压（冷高压）。 不考虑地转偏向力，则赤道和极地间形成理想的热力环 流圈(Hadley环流) 。
单圈热力环流(Hadley环流)
许多研究表明，赤道东太平洋海表水
温异常事件同南方涛动指数（SOI） 之间有非常好的相关关系。 El Nino与 南方涛动二者又合称为
ENSO。
南方涛动对太平洋东西两岸 气候所造成的影响： 图 (a)：正常状态下，贸易 风将表层海水向西推送，暖 水在西侧积聚因此产生暖湿 空气，暖湿空气向上爬升因 而在太平洋西侧发展出低气 压系统或是暴风系统。在 太平洋东侧则正好相反，涌 升流促成冷海面，空气下沈 且干燥，天空晴朗高压盛行。 图(b)：当发生较强的El Nino现象时，贸易风减弱， 表层暖海水向东退回，因此 太平洋东侧堆积了暖海水， 促成当地富于暖湿且上升的 气团，故低压与暴风盛行， 反而是太平洋西侧变成苦旱
6.1 大气环流形成的主要因子 6.2 大气环流的平均状况 思考题
第6章 大气环流
6.1 大气环流形成的主要因子
6.1.1 太阳辐射因子
地表辐射差额在35º S~35º N间为正， 35º S以南、35º N以北为负， 形成赤道向两极的辐射梯度，进而形成了向极的温度梯度。这种经向 温度梯度构成了产生和维持大气环流的直接原动力。
象即为El Nino。 El Nino现象结束后， 次年太平洋东岸之海水温又往往会比 正常为低，西岸则往往偏高，此种颠 反之异常状态称为La Nina (The Little Girl)。
南方涛动（SO），用以描述热带东太
平洋地区与热带印度洋地区气压场反 相变化的跷跷板现象，通常以东南太 平洋（塔希提岛以东）和印度洋（澳 大利亚的达尔文站以西）之间的气压 差表示SOI。南方涛动影响到全球海 洋和大气状况