15第四章大气的运动4
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2012-11-19 2
yqun
大气环流形成的主要因素
（一）太阳辐射作用 （二）地球自转作用 （三）地表性质作用 （四）地面摩擦作用
2012-11-19
3
yqun
（一）太阳辐射作用
• 单一的环流圈假设 1、地球表面性质均一 ， 消除海陆及地形的影响 2、忽略地球自转产生的 地转偏向力的影响
北极
赤道
• 费尔环流它并不是热力性，而是一个动力性环流， 它是由于中纬度西风带中大气长波所进行的动量、 热量输送强迫所引起的环流圈。
2012-11-19 9
yqun
• 三圈环流理论不仅可以很好地说明了地球 表面附近的热带地区的信风、中纬度地区 的西风带和极地附近的东风带，而且它可 以很好地说明所观测的地面气压场的配置， 即热带地区的高压带，中纬度地区的低压 带与极区附近的高压带。
– 因此哈德莱握出的大气环流是一圈环流，这种环流一 般称哈德莱环流； – 并且哈德莱指出，在低层从北向南流的气流由于科里 奥利力的作用，它必须向西流，故出现东北风，而高 层由南向北流的气流由于科里奥利力的作用就出现偏 西风。
2012-11-19 5
yqun
（二）地球自转作用
• 地球自转产生的偏转力迫使运动空气的方向偏离 气压梯度力方向。北半球，气流向右偏转，结果 使直接热力环流圈中自极地低空流向赤道的气流 偏转成东风；同样，自赤道高空流向极地的气流， 随纬度增高，偏转程度增大，逐渐变成与纬圈相 平行的西风。
2012-11-19 30
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南亚季风环流圈
2012-11-19
1958年7月 75°－110°E经圈环流图
31
yqun
赤道附近地区的沃克环流
2012-11-19 32
yqun
---温带急流 ---副热带急流 ---热带东风急流
急 流
东风环流和西风环流 风速都不均匀。某些 区域出现风速30m/s 以上的狭窄强风带， 称为急流。急流带绕 地球自西向东婉延可 达几千千米，水平宽 度约上千千米，垂直 厚度可达几千米到十 几千米。
2012-11-19
18
yqun
A) Idealized winds generated by pressure gradient and Coriolis Force. B) Actual wind patterns owing to land mass distribution.
2012-11-19 19
2012-11-19 36
yqun
• 纬向环流指数又称西风指数，表示平均地转风速 中西风分量的一个指标，可以定量地表述纬向环 流的强弱。西风指数是所取范围各点上地转西风 分量的总平均值，一般在500hPa 等压面图上计算 。
冰岛低压
大西洋高压
2012-11-19
世界1月海平面平均气压图
24
yqun
2012-11-19
25
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亚速尔高压 印度低压
夏威夷高压 北美西南热低压
2012-11-19
世界7月海平面平均气压图
26
yqun
2012-11-19
27
yqun
冬、夏季在平均气压图上出现的大型高、低压系 统，称为大气活动中心。 其中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。 而陆地上的南亚低压、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。
赤道
南极
太阳辐射对大气系统加热不均是大气产 生大规模运动的根本原因， 大气在高低纬间的热量收支不平衡是产 生和维持大气环流的直接原动力。
2012-11-19 4
yqun
• 1735年哈德莱（Hadley）提出了一个最早的大气 环流模型。 • 模型说明了由于赤道地区太阳辐射加热的缘故， 导致赤道地区气流因加热而上升，而高纬地区因 冷却而盛行下沉气流，这样高层空气从赤道向极 地流，而低层空气由极地向赤道流。
yqun
大气环流平均状况
• 为了从随时间和空间不断变化的复杂环流状态中 找出大气环流的主要规律，通常采用对时间求平 均的方法，滤去所取时间内环流随时间的变化， 显现出大气环流中比较稳定的特征，对空间求平 均，滤去各经度间的环流差异，显现出各纬圈上 环流的基本特征。 • （一）平均纬向环流 • （二）平均水平环流 • （三）平均经圈环流 • （四）急流
2012-11-19 7
yqun
地球自转是全球大气环流形成和 维持的重要因子
2012-11-19
8
yqun
• 三圈环流与一圈环流最大差别是
– 在中纬度到副热带地区多了一个与哈德莱环流 相反的环流圈，它是较冷的空气从中纬度地区 辐合上升，而在副热带地区下沉，下沉由于绝 热升温，变成暖空气。 – 此环流一般称反环流，也称费雷尔环流。
2012-11-19 20
yqun
平均纬向环流
• 大气环流最基本 的状态是盛行着 以极地为中心的 旋转的纬向环流， 即东西风带。对 流层的中上层， 除赤道地区有东 风外，各纬度几 乎是一致的西风， 且跨越纬距随高 度扩大。
2012-11-19
“三风四带”
21
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北美大槽
Hale Waihona Puke Baidu平均水平环流
指纬向环流受 到扰动（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） 后发展起来的 槽、脊和高、 低压环流。
14
yqun
高压脊区 西风气流
低压槽区
2012-11-19
（四）地面摩擦作用
• 大气在自转地球上运动着，与地球表面产 生着相对运动。相对运动产生着摩擦作用， 而摩擦作用和山脉作用使空气与转动地球 之间产生了转动力矩（即角动量）。角动 量在风带中的产生、损耗以及在风带间的 输送、平衡，对大气环流的形成和维持具 有重要作用。
2012-11-19 35
yqun
大气环流的中短期变化由不同尺度的高空和低空天 气系统的发生、发展和消亡过程所引起。主要表现 为西风带纬向环流和经向环流的相互转换。 • 纬向环流型，即500hPa 西风带上环流比较平直， 且多小槽与小脊，很少有大槽与大脊。 • 经向环流型，即500hPa 西风带上发展出深槽大脊 ，能引起强烈冷暖空气活动。 • 纬向型和经向型环流经常交替出现，其交替周期 大约2~6 周。其演变规律一般用环流指数来表示 。环流指数分纬向环流指数和经向环流指数两种 。
– 由于三圈环流可以很好地说明实际观测的经圈 环流，因此，这个环流理论一直应用到今天， 并且，现代详细的观测资料所计算的经圈环流 也证实了在140多年前所提出的三圈环流是正 确的。
2012-11-19 10
yqun
（三）地表性质作用
1）海洋与陆地的热力性质 差异。
Winter
Land sea
Summer
冬季大陆东岸成为温度槽，大 陆西岸形成温度脊；夏季温度场相反。 根据热成风原理，与温度场相适应的高空气压场则是，冬 季大陆东岸出现低压槽，西岸出现高压脊，夏季相反。 可见，海陆东西相间分布对高空环流形势的建立和变化 有明显影响。
2012-11-19 11
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2）地形起伏，尤其是大范围的高原和高大山 脉对大气环流的影响非常显著，其影响包 括动力作用和热力作用两个方面。
气象学与气候学 第四章 大气的运动4
第三节 大气环流 地理系 乐群
yqun
第三节 大气环流
• 大气环流是指大范围的大气运动状态。指 大气中的气流对时间或空间的平均状况及 其随时间的演变。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1—2 日以上。 • 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。
2012-11-19 17
yqun
所以说：大气中必有一种从东风带向西风带输送西 风角动量的过程存在。 角动量的输送包括水平和垂直输送。水平输送主 要通过平均纬向环流上叠加的大型涡旋和平均经向 风速来完成u角动量的输送。垂直输送主要靠平均经 圈环流来实现。 通过角动量输送过程保持了东、西风中角动量 平衡，使东风、西风带能够长期维持稳定状态。所 以，地面摩擦作用是大气环流中纬向环流与经圈环 流形成和维持的重要因素。
2012-11-19 15
yqun
角动量为空气质点旋转速度与它到旋转轴距 离的乘积。单位质量空气相对于地轴运动的角动 量公式为
M R cos uR cos
2 2
ω为地球自转角速度，R为地球半径，u为大气纬 为纬度。 向风速， 式中第一项表示当空气和地球一起以ω角速度 旋转时所具有的角动量，又称ω角动量。 第二项为大气相对于地球运动的角动量，又称u角 动量。
动力作用：迎风侧空气受阻，造成空气质量辐合，形成高压 脊；背风侧利于辐散，形成低压槽。如果地形过于高大或气 流比较浅薄，运动气流往往不能爬越高大地形，则在山地迎 风面发生绕或分支现象，在背风面气流汇合。比如东亚沿岸 和北美东岸冬半年经常存在高空大槽。 热力作用：比如青藏高原，夏季高原是热源，冬季为冷源， 这种热力效应对南亚和东亚季风环流的形成、发展和维持有 重要影响。
2012-11-19 12
yqun
3）夏季极冰的冷源作用使对流层大气的夏季 热源仍维持在低纬，冷源维持在高纬极区， 是影响大气环流运动的又一重要因素。
2012-11-19
13
yqun
青藏高原对我国气候的影响
• 青藏高原对西 风气流的分流 作用 • 青藏高原对天 气系统的阻挡 和屏障作用 • 青藏高原对大 气环流和气候 变化的热力作 用
2012-11-19
6
yqun
• 费雷尔（W.Ferrel）1856年提出一个更接近实际 的大气环流模型，即所谓三圈环流的大气环流模 型。 在赤道地区暖空气上升 到高空，在副热带地区 下沉；并且，在60°中 高纬度地区辐合上升的 气流在高空分成两支， 一支向北流向极地并在 极地下沉，另一支向南 流到副热带地区与从赤 道地区上空由南向北流 的气流辐合下沉。
2012-11-19 29
yqun
平均经圈环流是指在南北向沿经圈的垂直剖面上， 由风速的平均北、南分量和垂直分量构成的平均 环流圈。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。 经向环流圈都有季节性移动。在北半球，夏季时 向北移，冬季时向南移。环流强度也有变化（冬 季增强，夏季减弱），甚至经度上的瞬时经圈环 流也有差异。
欧洲浅槽
2012-11-19
东亚大槽
22
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北半球1月500hPa等压面图
平均水平环流
北美大槽位置未变
北半球7月 500hPa等压 面图
欧洲西岸出现浅槽
欧洲浅槽已不存在 变为脊
东亚大槽东移入海
贝加尔湖出现浅槽
2012-11-19 23
yqun
格陵兰高压 北美加拿大冷高压 西伯利亚冷高压 阿留申低压 太平洋高压
2012-11-19 16
yqun
大气中的角动量是守恒的，东、西风带由地球 获得或损耗的西风角动量是相等的。
大气圈整体运动的总角动量，主要受地面的摩擦和山脉 作用而发生变化。因摩擦力的方向和风向相反，在东风带里， 地面摩擦力给大气一个自西向东的力矩，使地球持续地给予 大气正的角动量，因此近地面层的东风逐渐减弱；在西风带 里，地面摩擦力给大气一个自东向西的力矩，地球持续地从 大气获取正的角动量，因此近地面层的西风也逐渐减弱。 总的说来，东风带为产生角动量的区域（即角动量源）， 西风带为消耗角动量的区域（即角动量汇），为了维持在大 气环流中东风带和西风带的定常状态，就必需将东风带取自 地球的正角动量输送到西风带去，还给地球。
33
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2012-11-19
Location in map view (left) and cross-sectional view (right) of the jet streams.
2012-11-19 34
yqun
大气环流的变化
• 大气环流的基本状态决定于地表热力分布 的特征，而地表热力状况在一年中具有明 显的季节性变化，进而引起大气环流的季 节交替。 • 大气环流的年变化主要表现在两个方面， 一方面西风带上槽脊的数量、结构的季节 性变化，另一方面是高空急流的季节性变 化。
2012-11-19
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yqun
平均经圈环流
Simple, single cell atmospheric convection Idealized, three cell atmospheric in a non-rotating Earth. "Single cell” convection in a rotating Earth. "Three cell”
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大气环流形成的主要因素
（一）太阳辐射作用 （二）地球自转作用 （三）地表性质作用 （四）地面摩擦作用
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（一）太阳辐射作用
• 单一的环流圈假设 1、地球表面性质均一 ， 消除海陆及地形的影响 2、忽略地球自转产生的 地转偏向力的影响
北极
赤道
• 费尔环流它并不是热力性，而是一个动力性环流， 它是由于中纬度西风带中大气长波所进行的动量、 热量输送强迫所引起的环流圈。
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• 三圈环流理论不仅可以很好地说明了地球 表面附近的热带地区的信风、中纬度地区 的西风带和极地附近的东风带，而且它可 以很好地说明所观测的地面气压场的配置， 即热带地区的高压带，中纬度地区的低压 带与极区附近的高压带。
– 因此哈德莱握出的大气环流是一圈环流，这种环流一 般称哈德莱环流； – 并且哈德莱指出，在低层从北向南流的气流由于科里 奥利力的作用，它必须向西流，故出现东北风，而高 层由南向北流的气流由于科里奥利力的作用就出现偏 西风。
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（二）地球自转作用
• 地球自转产生的偏转力迫使运动空气的方向偏离 气压梯度力方向。北半球，气流向右偏转，结果 使直接热力环流圈中自极地低空流向赤道的气流 偏转成东风；同样，自赤道高空流向极地的气流， 随纬度增高，偏转程度增大，逐渐变成与纬圈相 平行的西风。
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南亚季风环流圈
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1958年7月 75°－110°E经圈环流图
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赤道附近地区的沃克环流
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---温带急流 ---副热带急流 ---热带东风急流
急 流
东风环流和西风环流 风速都不均匀。某些 区域出现风速30m/s 以上的狭窄强风带， 称为急流。急流带绕 地球自西向东婉延可 达几千千米，水平宽 度约上千千米，垂直 厚度可达几千米到十 几千米。
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A) Idealized winds generated by pressure gradient and Coriolis Force. B) Actual wind patterns owing to land mass distribution.
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• 纬向环流指数又称西风指数，表示平均地转风速 中西风分量的一个指标，可以定量地表述纬向环 流的强弱。西风指数是所取范围各点上地转西风 分量的总平均值，一般在500hPa 等压面图上计算 。
冰岛低压
大西洋高压
2012-11-19
世界1月海平面平均气压图
24
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亚速尔高压 印度低压
夏威夷高压 北美西南热低压
2012-11-19
世界7月海平面平均气压图
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冬、夏季在平均气压图上出现的大型高、低压系 统，称为大气活动中心。 其中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。 而陆地上的南亚低压、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。
赤道
南极
太阳辐射对大气系统加热不均是大气产 生大规模运动的根本原因， 大气在高低纬间的热量收支不平衡是产 生和维持大气环流的直接原动力。
2012-11-19 4
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• 1735年哈德莱（Hadley）提出了一个最早的大气 环流模型。 • 模型说明了由于赤道地区太阳辐射加热的缘故， 导致赤道地区气流因加热而上升，而高纬地区因 冷却而盛行下沉气流，这样高层空气从赤道向极 地流，而低层空气由极地向赤道流。
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大气环流平均状况
• 为了从随时间和空间不断变化的复杂环流状态中 找出大气环流的主要规律，通常采用对时间求平 均的方法，滤去所取时间内环流随时间的变化， 显现出大气环流中比较稳定的特征，对空间求平 均，滤去各经度间的环流差异，显现出各纬圈上 环流的基本特征。 • （一）平均纬向环流 • （二）平均水平环流 • （三）平均经圈环流 • （四）急流
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地球自转是全球大气环流形成和 维持的重要因子
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• 三圈环流与一圈环流最大差别是
– 在中纬度到副热带地区多了一个与哈德莱环流 相反的环流圈，它是较冷的空气从中纬度地区 辐合上升，而在副热带地区下沉，下沉由于绝 热升温，变成暖空气。 – 此环流一般称反环流，也称费雷尔环流。
2012-11-19 20
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平均纬向环流
• 大气环流最基本 的状态是盛行着 以极地为中心的 旋转的纬向环流， 即东西风带。对 流层的中上层， 除赤道地区有东 风外，各纬度几 乎是一致的西风， 且跨越纬距随高 度扩大。
2012-11-19
“三风四带”
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北美大槽
Hale Waihona Puke Baidu平均水平环流
指纬向环流受 到扰动（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） 后发展起来的 槽、脊和高、 低压环流。
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高压脊区 西风气流
低压槽区
2012-11-19
（四）地面摩擦作用
• 大气在自转地球上运动着，与地球表面产 生着相对运动。相对运动产生着摩擦作用， 而摩擦作用和山脉作用使空气与转动地球 之间产生了转动力矩（即角动量）。角动 量在风带中的产生、损耗以及在风带间的 输送、平衡，对大气环流的形成和维持具 有重要作用。
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大气环流的中短期变化由不同尺度的高空和低空天 气系统的发生、发展和消亡过程所引起。主要表现 为西风带纬向环流和经向环流的相互转换。 • 纬向环流型，即500hPa 西风带上环流比较平直， 且多小槽与小脊，很少有大槽与大脊。 • 经向环流型，即500hPa 西风带上发展出深槽大脊 ，能引起强烈冷暖空气活动。 • 纬向型和经向型环流经常交替出现，其交替周期 大约2~6 周。其演变规律一般用环流指数来表示 。环流指数分纬向环流指数和经向环流指数两种 。
– 由于三圈环流可以很好地说明实际观测的经圈 环流，因此，这个环流理论一直应用到今天， 并且，现代详细的观测资料所计算的经圈环流 也证实了在140多年前所提出的三圈环流是正 确的。
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（三）地表性质作用
1）海洋与陆地的热力性质 差异。
Winter
Land sea
Summer
冬季大陆东岸成为温度槽，大 陆西岸形成温度脊；夏季温度场相反。 根据热成风原理，与温度场相适应的高空气压场则是，冬 季大陆东岸出现低压槽，西岸出现高压脊，夏季相反。 可见，海陆东西相间分布对高空环流形势的建立和变化 有明显影响。
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2）地形起伏，尤其是大范围的高原和高大山 脉对大气环流的影响非常显著，其影响包 括动力作用和热力作用两个方面。
气象学与气候学 第四章 大气的运动4
第三节 大气环流 地理系 乐群
yqun
第三节 大气环流
• 大气环流是指大范围的大气运动状态。指 大气中的气流对时间或空间的平均状况及 其随时间的演变。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1—2 日以上。 • 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。
2012-11-19 17
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所以说：大气中必有一种从东风带向西风带输送西 风角动量的过程存在。 角动量的输送包括水平和垂直输送。水平输送主 要通过平均纬向环流上叠加的大型涡旋和平均经向 风速来完成u角动量的输送。垂直输送主要靠平均经 圈环流来实现。 通过角动量输送过程保持了东、西风中角动量 平衡，使东风、西风带能够长期维持稳定状态。所 以，地面摩擦作用是大气环流中纬向环流与经圈环 流形成和维持的重要因素。
2012-11-19 15
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角动量为空气质点旋转速度与它到旋转轴距 离的乘积。单位质量空气相对于地轴运动的角动 量公式为
M R cos uR cos
2 2
ω为地球自转角速度，R为地球半径，u为大气纬 为纬度。 向风速， 式中第一项表示当空气和地球一起以ω角速度 旋转时所具有的角动量，又称ω角动量。 第二项为大气相对于地球运动的角动量，又称u角 动量。
动力作用：迎风侧空气受阻，造成空气质量辐合，形成高压 脊；背风侧利于辐散，形成低压槽。如果地形过于高大或气 流比较浅薄，运动气流往往不能爬越高大地形，则在山地迎 风面发生绕或分支现象，在背风面气流汇合。比如东亚沿岸 和北美东岸冬半年经常存在高空大槽。 热力作用：比如青藏高原，夏季高原是热源，冬季为冷源， 这种热力效应对南亚和东亚季风环流的形成、发展和维持有 重要影响。
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3）夏季极冰的冷源作用使对流层大气的夏季 热源仍维持在低纬，冷源维持在高纬极区， 是影响大气环流运动的又一重要因素。
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青藏高原对我国气候的影响
• 青藏高原对西 风气流的分流 作用 • 青藏高原对天 气系统的阻挡 和屏障作用 • 青藏高原对大 气环流和气候 变化的热力作 用
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• 费雷尔（W.Ferrel）1856年提出一个更接近实际 的大气环流模型，即所谓三圈环流的大气环流模 型。 在赤道地区暖空气上升 到高空，在副热带地区 下沉；并且，在60°中 高纬度地区辐合上升的 气流在高空分成两支， 一支向北流向极地并在 极地下沉，另一支向南 流到副热带地区与从赤 道地区上空由南向北流 的气流辐合下沉。
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平均经圈环流是指在南北向沿经圈的垂直剖面上， 由风速的平均北、南分量和垂直分量构成的平均 环流圈。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。 经向环流圈都有季节性移动。在北半球，夏季时 向北移，冬季时向南移。环流强度也有变化（冬 季增强，夏季减弱），甚至经度上的瞬时经圈环 流也有差异。
欧洲浅槽
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东亚大槽
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北半球1月500hPa等压面图
平均水平环流
北美大槽位置未变
北半球7月 500hPa等压 面图
欧洲西岸出现浅槽
欧洲浅槽已不存在 变为脊
东亚大槽东移入海
贝加尔湖出现浅槽
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格陵兰高压 北美加拿大冷高压 西伯利亚冷高压 阿留申低压 太平洋高压
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大气中的角动量是守恒的，东、西风带由地球 获得或损耗的西风角动量是相等的。
大气圈整体运动的总角动量，主要受地面的摩擦和山脉 作用而发生变化。因摩擦力的方向和风向相反，在东风带里， 地面摩擦力给大气一个自西向东的力矩，使地球持续地给予 大气正的角动量，因此近地面层的东风逐渐减弱；在西风带 里，地面摩擦力给大气一个自东向西的力矩，地球持续地从 大气获取正的角动量，因此近地面层的西风也逐渐减弱。 总的说来，东风带为产生角动量的区域（即角动量源）， 西风带为消耗角动量的区域（即角动量汇），为了维持在大 气环流中东风带和西风带的定常状态，就必需将东风带取自 地球的正角动量输送到西风带去，还给地球。
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2012-11-19
Location in map view (left) and cross-sectional view (right) of the jet streams.
2012-11-19 34
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大气环流的变化
• 大气环流的基本状态决定于地表热力分布 的特征，而地表热力状况在一年中具有明 显的季节性变化，进而引起大气环流的季 节交替。 • 大气环流的年变化主要表现在两个方面， 一方面西风带上槽脊的数量、结构的季节 性变化，另一方面是高空急流的季节性变 化。
2012-11-19
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平均经圈环流
Simple, single cell atmospheric convection Idealized, three cell atmospheric in a non-rotating Earth. "Single cell” convection in a rotating Earth. "Three cell”