6 大气环流解析

（1）冬季南北温度差明显大于夏季。
（2）对流层中赤道比极地暖，温度差从下往 上递减；
（3）平流层中，夏季极地的温度比赤道高。
３、温度分布不均匀必然产生热力环流 假定地球不旋转，地球表面性质都一样，那 么，在南北温度差的作用下，高层就产生了 从赤道指向极地的位势梯度。在气压梯度力 的作用下，高空为赤道吹向极地的南风，空 气在极地冷却下沉，质量堆积又造成对流层 下部有指向赤道的气压梯度力，也就产生了 低层为极地吹向赤道的北风，空气在低纬度 加热再上升——构成了一个南北向的直接热 力环流圈
§4.1 大气平均流场特征与季节转换
一、平均纬向风分量的经向分布
东
西
西
南半球
1月纬向平均西风分布 （西风为正，东风为负）
北半球
东
西
西
南半球
北半球
7月纬向平均西风分布
一、平均纬向风分量的经向分布特点
1、低纬度为东风带—— 30°N~ 30°S 最大东风风速中心在平流层 2、中高纬为西风带 北半球西风带冬强夏弱，冬南夏北 1月最大西风风速中心——40m/s,200hpa, 30°N 7月最大西风风速中心——16m/s,200hpa, 40°N 南半球西风中心强度冬夏变化不大，位置冬南夏北 3、极区近地面为弱东风带 冬季从对流层至平流层均为西风 夏季极区平流层为极地东风
12~2月
6~8月
3. 槽脊输送角动量的方式 a 对称槽脊 槽前对u角动量向北输送等于槽后对u角动 量向南输送——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 但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。
在每日天气图上，长波和短波同时存在，相互 迭加，还可相互转化。一般情况下，长波和短 波不容易分辨。如图所示，迭加后的长波槽就 变得极不明显，而长波脊则因为同位相迭加显 得很强。
（一）长波的辨认方法：
①
制作时间平均图
②
③
制作空间平均图
绘制平均高度廓线图
④
采用高层等压面图
（二）长波的移动
1） 长波波速公式推导 条件：正压，水平无辐散运动
第二节 控制大气环流的基本因子 与大气环流的基本模型
控制大气环流的基本因子主要有：太阳辐 射、地球自转、地球表面不均匀（海陆 和地形）和地面摩擦
一、太阳辐射作用
太阳辐射是大气环流最终的能量来源。太 阳辐射强度随纬度的变化及其年变化支 配着大气环流及其年变化 。
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。（T4.10） 低纬度（40°N~40°S）是太阳辐射能净 得区；中高纬（40°N~北极、40°S~南极） 是太阳辐射能净失区。 2、大气的平均温度场特征（T4.11）
2，青藏高原的热力作用
① 夏季起着强大的热源作用。具体表现有：
a夏季高原南侧西风减弱，甚至转为东风气 流，北侧西风加强。
b夏季，高原上空大气几乎在整个对流层内 都呈对流性不稳定，高温并高湿。
c夏季，高原近地面层为热低压，气流辐合 产生大规模的对流活动，高层产生辐散，形 成了具有上升气流的热力性青藏高压。
二、平均经向风分量的经向分布
北
南
南
北
北
南
北
南 北 南
二、平均经向风分量的经向分布特点
1、北半球冬季 30°N以南地区—高层南风，低层北风 40°N以北地区—高层北风，低层南风 2、北半球夏季 13°N~ 40°N——高层南风，低层北风 接近赤道的区域——高层北风，低层南风 3、经向风比纬向风小得多，说明地球上空 大气运动基本上是环绕纬圈的东西向运动， 但也有弱的南北向的气流交换，冬强夏弱。
二、地球自转作用
主要是产生地转偏向力，使空气质点运动 方向发生偏转。在太阳辐射和地球自转 的共同作用下，经圈方向可形成最简单 的三圈环流模式。
1，北半球三圈环流模式：
极地环流圈——强（正环流） 费雷尔环流圈——弱（逆环流） 哈德莱环流圈——强（正环流）
极地环 流圈 费雷 尔环 流圈
哈德莱 环流圈
b.波速C与波长L有关，长波移动的慢，短波 移动的快。
c.波速C与纬度有关（ 波动移动的快，低纬移速慢。
（四）大气内部角动量的垂直输送 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 ②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，地球转动角速度是常数。
三、角动量交换（摩擦和山脉作用）
在自转的地球上相对于地球表面运动的空气，由 于摩擦和山脉作用，空气与转动地球之间就产 生了转动力矩（即角动量）。角动量等于转动 惯量与角速度的乘积 ：
M J mr mvr
2
因此，单位质量的空气绕地轴旋转的绝对角动量 可以用下式表示
地球角动量
相对角动量
③ 短 波——几百~3000km，由锋区中的 短波扰动所引起。
2.长、短波结构与特征分析 长波波长长（50~120个经距），振幅大 （10~20纬距），移动缓慢（平均移速在10经 距/天以下 ，有时静止或西退），维持时间长 （3~5天），温压场近于对称（冷槽暖脊）， 强度随高度增加，属于深厚系统（可伸展到对 流层顶）。 长波槽前对应大范围的上升运动和云雨区； 长波槽后对应大范围的下沉运动和晴好区； 短波的波长和振幅均较小，移动快，生命史也 短，多数仅出现在对流层的中下部，属于浅薄 系统。
——①
用小扰动法将方程线性化： 假设：
则： 代入①式得到 其中 上式为一个二阶线性偏微分方程 ——波动方程 设其解： —— ③ 即将长波视为在基本的西风气流上迭加的经向正（余） 弦波
—— ②
将③带入②式有
所以有
——④
上式即为长波波速公式——Rossby波速公式（槽 线方程）
2）讨论：
a.波速C与西风风速有关，风速越大，移动越 快；反之， 移动越慢。当槽脊向东时，槽脊 移动的速度总是小于西风风速。
（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
极地东风带——具有东风角动量
中纬西风带——具有西风角动量
弱
强
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 地球旋转为常数 东、西风带长期维持 说明整个地球和大气的闭合系统中绝对角动量 是守恒的。 但实际上：
三、平均的水平环流
1、北半球500hpa平均环流特征
极区为极地低压（极涡）控制—冬强夏弱 冬季2个中心：格陵兰西部、东西伯利亚 夏季1个中心：极区 低纬度为副热带高压控制—冬弱夏强，随 季节南北位移 冬季副高弱—其范围在20°N以南 夏季副高强—其范围在40°N以南
中高纬是以极涡为中心的环绕纬圈的西风环流 冬强夏弱，冬南夏北，西风带中有尺度很大的平 均长波槽， “冬三夏四” 冬季三个长波槽：东亚大槽—140°E 北美大槽— 70°w 欧洲浅槽— 40°E 夏季四个长波槽：东亚大槽— 160°-180°E 北美大槽— 60°w 欧洲西海岸槽—0°-10°E 贝加尔湖西部槽—90°E 冬季中低纬有5个西风带槽： 东亚、北美、孟加拉湾、地中海、东太平洋
② 冬季起冷源作用
低层高压； 高原南侧西风加强
第五节 西风带大型扰动
一、环流指数与指数循环 1.西风带波动的两种基本状态 纬向环流（平直西风环流）——波状流型大致和 纬圈平行的环流状态。 经向环流——波状流型具有较大的南北向气流， 甚至出现大型的闭合暖高压和冷低压的环流状 态。 2.西风指数 ——35°~55°之间的平均地转西风或两个纬度 带间的平均位势高度差。用来表示西风强弱。
（二）地形影响 1、青藏高原的动力作用 ① 冬季高大突起的高原使500百帕以下西风 环流明显分支、绕流和汇合，从而使得高 原迎风坡和背风坡形成弱风的“死水区”。 ② 西风绕流作用形成北脊和南槽，导致我国 北方晴天多，南方阴雨多。 ③ 西风绕流对南北两支西风起稳定作用。 ④ 我国西南地区处于孟加拉湾地形槽前，加 上侧向摩擦影响，低涡活动特别多。 ⑤ 西风气流在高原东侧下坡，有利于东亚大 槽的形成。
2、与三圈环流模式对应的地面流场和气压场 （不考虑海陆分布的影响） 三个风带： 极地东风带（东北风） 中纬西风带（西南风） 低纬东风带（东北信风） 四个气压带： 极地高压带 副极地低压带 副热带高压带 赤道低压带
3、与三圈环流模式对应的高空流场 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 4、与三圈环流模式对应的二条行星锋区： 极锋锋区——出现在高纬（60°N附近），高 度较低，近地面水平气流辐合，有锋面存在； 副热带锋区——出现在低纬（ 30°N附近）， 高度较高，近地面水平气流辐散，无锋面存在； 但在对流层上部锋区特征明显。

大气环流是指全球范围的大尺度大
气运行的基本状况

水平尺度——数千公里以上 垂直尺度——10公里以上 时间尺度——1~2日以上
教学内容和要求


§4.1 大气平均流场特征与季节转换 §4.2 控制大气环流的基本因子与大气 环流的基本模型 §4.5 西风带大型扰动 §4.6 急流 §4.7 东亚环流基本特征 本章重点掌握：大气环流的平均概况； 控制大气环流的基本因子；我国冬夏 环流基本特征。
2、北半球海平面平均气压场特征
①５个半永久性的大气活动中心——海洋系统 太平洋副高和大西洋副高：冬弱夏强，冬 南夏北 阿留申低压和冰岛低压：冬强夏弱 格陵兰高压 ②４个季节性大气活动中心——大陆系统 冬季：亚洲冷高压和北美冷高压 夏季：亚洲热低压和北美热低压
四、大气环流的季节转换
1、北半球大气环流的季节特点 ① 11月～５月为冬季环流型： 西风带三个长波槽，西风急流强，位置偏 南，东亚存在南北两支西风急流 ② ７月～９月为夏季环流型： 西风带四个长波槽，西风急流弱，位置偏 北，东亚一支西风急流 ２、两次季节突变 ①6月突变——冬季环流型转为夏季环流型 ②10月突变——夏季环流型转为冬季环流型
——南北风绝对值沿纬圈的平均。用来表征南 北交换的程度。 1 n
M
H n
i 1
n
二、西风带长波 1、西风带波动分为三类：
① 超长波——波长>10000km，北半球2~3 个波，由地形和海陆分布的强迫振动引起
② 长 波——波长3000~10000km，相当于 50~120经距，北半球3~7个波，由行星锋区 长波扰动所引起
（三）大气内部角动量的水平输送 1. u角动量水平输送的三种长波槽脊 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
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（尤其在北半球夏 季） 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 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
I H 35 H 55


1 36 1 36 1 36 H 35 H 55 H 36 1 36 1 36 1
高指数：Ｉ值大——西风强，纬向环流为主
低指数：Ｉ值小——西风弱，经向环流为主
3.指数循环 ——西风环流的中期变化主要表现为高低指 数交替、循环的变化过程。 4.经向度
四、地球表面的不均匀性
（一）海陆分布对大气环流的影响 1. 海陆分布对近地面层的气压系统有直接影响。
冬季，海上为低压区，陆地上为高压区；
夏季，海上低压减弱，陆地上转为热低压。 2. 海陆分布对于对流层中部西风带平均槽脊的形 成有重要作用。 冬季大陆东海岸温度低+背风坡动力作用，高空 形成冷性低槽；大陆西岸则出现高压脊。