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1、大气环流讲稿,研究生课程,大气环流课程观测事实部分,序言 一、什么是大气环流？-包围地球的大气在全球规模进行的环行运动称为大气环流。特点在于全球范围（或大范围），一般指月以上的平均运动。-地球大气对太阳短波辐射的动力及热力反应的表现。二、大气环流的主要研究对象 在全球范围或其他较大尺度上，分析大气各种气象参数的统计特征，并相对集中于探讨时间和经度取平均的流场、温度场以及湿度场的统计特征及其形成和维持的原因。,三、大气环流学科的发展简史 对大气环流的研究是从最早尝试解释信风形成的原因开始，至今约有300多年的历史，并大致可划分为四个阶段：1、形成了Hadley单圈环流的假说 1735年由Hadl
2、ey提出的“单圈环流”模型，又称为Hadley环流模型或直接环流模型。主要依据太阳辐射在不同纬度非均匀加热的结果。单圈环流模型是不完全的。首先它与观测不符；其次，低层大气全是偏东风，必然造成大气给地球一个向西的力，由此使地球自转减慢，这与地球自转角速度基本恒定的事实是相反的。,2、三圈环流假说的发展“三圈环流”是1856年由Ferrel首先提出：即低纬与高纬之间由三个环流圈组成，低纬和高纬各是一个直接环流圈，而中纬度为一间接环流圈，称Ferrel环流圈。“三圈环流”的直接原因仍是太阳辐射随纬度的非均匀加热造成的。实际的观测表明：三圈环流模型中，间接环流相对较弱。3、对大型涡旋（热量、动量的输送
3、）在大气物理量输送和平衡过程中的作用问题的研究（19世纪后期到20世纪上半叶）建立大气长波理论（由以Rossby为首的芝加哥学派创立）。为了说明大气环流的三圈环流现象，Helmhotz（1888）提出涡旋概念气流与纬向平均气流的偏差，并不是现代天气学上的高、低压，这种涡旋在维持大气环流方面起了重要作用，这为后来的大气环流波动学说奠定了理论基础。,4、大气环流观测事实和机理研究的发展，转盘模拟实验及数值试验1）大气环流观测事实的分析研究*大气中急流的发现（二战中，空袭日本的美国空军B29轰炸机在日本上空遇到强西风，这是发现急流（中纬度西风带）的一个开端）*大气物理量的计算（角动量、热量）*平流层
4、大气环流的研究：发现了平流层爆发性增温的现象（Stratospheric sudden warming）,2）关于大气环流机理的研究关于有效位能的提出：Lorenz（1955）从大气运动的能量平衡来解释大气环流的演变，特别是提出有效位能的概念，指出了大气温度在空间分布的不均匀性是引起大气运动的根本原因。关于Hadley环流在维持大气环流的作用：对于全球角动量的平衡起到重要的作用。关于大气环流转换的突变性：叶和陶（1958）在分析了东亚大气环流演变的事实后，提出了东亚大气环流季节转换是突变性的，这个看法比在80年代国际上许多学者特别是Charney提出大气环流的非线性突变要早20年。大气运动的地
5、转适应理论,3）气环流数值试验研究的发展（主要是数值模式的发展）4）新的观测事实的发现 从60年代起，由于观测技术的发展，特别是卫星遥感探测技术，使得热带及平流层观测资料大大增加，从而发现一些新的观测事实：a）热带大气波动的发现：赤道平流层纬向平均风向存在着准二年周期振荡（QBO）现象；从理论及观测事实发现了在热带存在着Rossby-重力混合波、Kelvin波。b）热带低频振荡的发现：30-60天周期的振荡（1971、1972）c）大气环流异常遥相关的发现：如PNA型等。,四、新世纪初大气环流与大尺度动力学的发展展望：*大气环流动力学将向气候系统动力学发展*大气环流和气候年际和年代际变化的研究
6、将得到重视*将更加重视全球加速增温对各区域大气环流与气候影响的研究。五、参考书：1、大气环流基础，卜玉康编，气象出版社，1994；2、大气环流基础，谢安、江剑民编，气象出版社，1994；3、气候物理学，Jose P.Peixoto and Abraham H.Oort著，吴国雄、刘辉等译，气象出版社，1995；4、气候动力学，倪允琪 编著，气象出版社，1993；5、大气中的大尺度动力过程，B.Hoskins,R.Pearce 编著，孙照渤等译，气象出版社，1987。6、现代气候学研究进展王绍武 主编,气象出版社,2001.，,六、讲授内容：1）大气环流的基本观测事实 2）大气中的水分平衡 3)
7、大气中的热量平衡 4)大气中的能量平衡 5）大气环流的理论研究 6）大气中的低频变化和遥相关,第一章 大气环流的基本观测事实,1 大气环流中物理量及其通量的分解 为了讨论大气不同尺度的运动及其在有关物理量输送和平衡过程中的不同作用，可采用多种不同的尺度分解计算方法，大致有三种：1）平均和扰动分解方法（*）2）谐波分解方法3）时间、空间的滤波方法,一、物理量的分解设有物理量A（，p，t），可分解为对时间T的平均和距平：类似地，也可分解为空间平均和偏差两部分，一般是对纬圈的平均：综合时间和空间的分解，则任一气象要素可表示为：各项的物理含义：-长期的纬圈平均值，称为纬向平均环流。如信风带。,-表示纬
8、偏值的时间平均图，称为常定涡旋（stationary eddies）。主要反映大气活动中心、高空的平均槽脊以及季风等特征。-瞬时的纬圈平均对其多年平均值的偏差，也称瞬变纬圈平均项。就逐年、逐月平均相对多年平均而言，可反映年际和季节变化。-瞬时纬偏值，称为瞬变涡旋项（transient eddies）。主要反映天气尺度系统。,二、物理量通量的分解通量-大气运动所引起的某物理量的输送率。如某物理量A的经向通量，用Av表示，它的纬圈和时间平均可分解为：其中：-平均经向环流通量（反映平均经圈环流的输送作用）-常定涡旋通量（反映大气活动中心、平均槽脊、海陆分布及地形影响）-瞬变经向环流通量-瞬变涡旋通量
9、（斜压不稳定作用）,2 大气环流的平均状况 影响大气环流的主要因子：太阳辐射能随纬度的不平均分布、地球自转，海陆和大地形的分布、基本气流的不稳定性、地表面的摩擦以及太阳活动等。前三个因子在我们研究大气环流的时间长度内是相对稳定的因子，其共同作用形成了大气环流的多年平均状况。其它因子随时间有较大的变化。一、大气平均温度场1、纬向平均大气温度的分布由图可得出如下特点：,1）在极地平流层有明显的季节变化；2）在所有季节，赤道对流层顶附近存在一强的极小值；3）在冬半球（尤其在北半球冬季），中纬对流层顶以上存在一极大值；4）对流层的季节变化相对要小；5）中纬存在强的经向温度梯度。,2平均温度的水平分布,
10、图为1月及7月平均地面温度分布，特点：（1）北半球冬季大陆区域，极地至赤道间的温度梯度达最大值；（从不同的季节比较）（2）各半球中，最大的温度水平梯度位于南、北半球的中纬地区；（3）海陆分布、陆地表面的特征和地表面地形对温度的分布有非常显著的影响、（如海岸线和山脉地区附近艾温线的形状和很强的梯度）（4）最冷的地区在北半球冬季期间的（欧亚大陆北部）西伯利亚和加拿大的东部和全年中的南极洲。（5）在赤道地区，温度因为太阳辐射变化不大而年变化很小；海洋腹地温度的变化也很小。（因为1海洋的热容量大；2海洋边界层的混合作用很强，使得海洋的热惯性较大。）（6）最大温度变化位于冬冷、夏热的陆地，即西伯利亚中部
11、（DT=-50）和加拿大北部（DT=-40）；另一极值位于撒哈拉沙漠（DT=-20）。在南半球，中纬最大的温度变化要小许多（10-15），并且中心位于大陆南部；南、北极的温度变化的绝对值大约为35。,地表温度的分布是否会影响到中高层大气？1000-300hPa厚度场的特征：1）北半球1月亚洲东岸是平均的温度槽，北大西洋、北太平洋的东部是平均温度脊；2）7月相反，两大洋上为温度槽，两大陆上为温度脊；极赤温差减少；青藏高原上空强大的暖中心说明它在夏季变成大气的热源；3）南半球中纬度的等厚度线基本与纬圈平行，只在夏季低纬度三个大陆上才有较明显的暖脊波动。,二、大气的平均环流1、平均纬向环流（U分量）
12、由纬向平均的纬向风分量的纬度-高度剖面图，可得纬向平均的纬向风环流的分布特征及其季节变化：1）在地面附近，低纬和高纬存在东风，而中纬存在西风；2）在平流层冬季极地附近存在西风急流（极夜急流）；3）在平流层有大的季节变化（冬半球为西风，夏半球为东风）；4）在对流层上部（200hPa附近），南北半球各有一个西风极大值；冬季：30o，30-40 m/s；夏季：45o，15-20 m/s。,1）在地面附近，低纬和高纬存在东风，而中纬存在西风；2）在平流层冬季极地附近存在西风急流（极夜急流）；3）在平流层有大的季节变化（冬半球为西风，夏半球为东风）；4）在对流层上部（200hPa附近），南北半球各有一个
13、西风极大值；冬季：30o，30-40 m/s；夏季：45o，15-20 m/s。,2、平均经圈环流,V风分布：（1）主要中心位于冬半球低纬度的低层和对流层上部，符号相反；（2）两半球的中纬度和高纬度也有上、下层符号相反，成对分布的弱中心；低层分别与中纬度西风带和高纬度东风带相对应。,Omega垂直剖面：冬季：20S-10N，上升；10-35N，下沉夏季：20N-10S，上升；10-40S，下沉南北半球的分布在冬、夏基本上是对称的，只是符号正好相反，极大值位于400-500hPa之间。,通常用流函数来表示平均经圈环流：由连续方程对上式做时间和纬圈平均，可得：定义流函数：,流函数的分布特点：1）年
14、平均情形，南北半球各有三环流圈：Hadley环流，Ferrel环流及极地环流圈2）冬半球的Hadley环流十分强大，而夏半球的Hadley环流几乎完全消失3）Hadley环流比中纬度Ferrel环流反环流强得多。,吴国雄等利用ECMWF5年的资料和新的算法算得的经圈环流,3 平均水平环流1）平均海平面气压场和风场,北半球冬季：6个大气活动中心：阿留申低压；冰岛低压；蒙古高压；加拿大高压；夏威夷和亚速尔高压（副热带暖性高压）。南半球：三个副高中心：南太平洋、南大西洋和印度洋副高。,北半球夏季：5个大气活动中心：冰岛低压（减弱）；南亚热低压；北美南部低压；夏威夷和亚速尔副高（北太平洋副高与大西洋副
15、高。）低纬赤道附近的低压带称赤道槽：1月偏在南半球；7月移向北半球。,2）对流层中部的平均水平环流,北半球冬季：极涡有两个中心，副热带高压所在的纬高偏南在20-15N之间。西风带上出现三对平均槽脊波动：槽：亚洲东岸；美州东岸和乌拉尔山以西的欧洲上空。脊：阿拉斯加，西欧沿岸以及贝加尔湖。,北半球夏季：极涡减弱，只有一个中心。副高北移到20N北侧，强度加强，西风强度明显减弱，四个平均波动：槽：北美大槽；东亚大槽东移20；欧洲西岸槽，乌拉尔山东侧上空槽（弱）。,1.3 高层大气的观测事实高层指平流层（12-50km）及中层大气（50-80km）。在这些高空领域，大型环流靠50km附近的臭氧层吸收的太
16、阳紫外线和O3，CO2，H2O射出的红外辐射形成的加热和冷却量分布来驱动。,1、净辐射加热和冷却分布有明显的季节变化。夏半球极地附近为最大的加热区，在冬半球极地附近有最大的冷却区。这种加热和冷却的分布可以产生平均经向环流。并在科氏力的影响下，夏半球高空有纬向东风，冬半球高空有纬向西风。,2、纬向平均温度场分布 30-60km：从冬半球极地-夏半球极地均匀增温 60km以上：从夏半球极地-冬半球极地均匀增温,3、纬向风分布 1）夏半球的偏东风可进入到冬半球 2）冬半球平流层和中间层的西风急流位于45N，在平流层的下部大约位于60N（极夜急流）,3）在赤道地区纬向风的半年变化非常显著，在春分和秋分
17、后 出现偏西风，在夏至和冬至后出现偏东风,QBO位相周期性交替下传最大风速极值出现在2030hPa下传到约70hPa之后振幅明显减小,赤道上纬圈平均u风的气压时间剖面,小波分析结果表明QBO周期约28个月,赤道上纬圈平均u风的小波分析,QBO特征：1）周期基本上为准两年；2）由30km下传，振幅基本不变化，但到23km以下振幅迅速削弱；3）向下传播速度约为每月1km；4）振荡现象对于赤道程对称；,平流层爆发性增温：在冬末春初，平流层大气的温度在某些地方可以发生急剧的增温，几天之中可以增温50。这种急剧的增温现象称为平流层爆发性增温（stratospheric sudden warming）.,
18、一般可以认为平流层爆发性增温带有三个特征：1）平流层极地涡旋变形甚至崩溃；2）极区空气爆发性增暖；3）随着极夜西风急流的减弱消失，围绕极区将出现东风气流。理论解释：在平流层中，增温之前已有行星波的异常发展，而这种异常的发展主要是由对流层提供能量。对流层行星波的重直传播可以在平流层引起强迫扰动，在这种强迫扰动的发展过程中，由于波动结构的变化，同时造成平流层爆发性增温现象。,4 地气系统的辐射收支平衡及辐射差额的不平均分布一地气系统的辐射收支平衡。入射太阳辐射100 1）大气中H2O，CO2和O3直接吸收去16%，云吸收4%；2）空气分子散射、云顶反射和地面直接反射回太空占30%；3）其余50%被
19、地面吸收。并以其他能量形式供给大气：大气的长波辐射加热占14%，潜热释放加热占24%，感热占6%。另外，6%以长波辐射的形式返回太空。4）大气中的水汽、云等又以长波辐射形式（64%）返回太空。可见，大气的热源主要来自下垫面，而大气又以长波辐射的形式返回太空。,二、地-气系统辐射收支的经向分布特点：1）两半球中纬度地区年平均辐射收支大体平衡，高纬度辐射差额为负，低纬度辐射差额为正。2）各纬度带辐射平衡条件下的年平均温度与实际温度的对比：辐射平衡：极地赤道的温差为-83；实际情况：极地赤道的温差为-43极赤温差的减小是大气中的大型涡旋和海洋中的洋流将低纬的热量向高纬输送的结果。,思考题1、试说明地-气系统总辐射平衡特征。2、北半球冬、夏季大气低层的活动中心，并指出其中的永久性活动中心。3、西伯利亚地表温度的年变化是最大的，试给出几个原因。4、试用Rossby驻波公式解释北半球对流层中层环流的季节性长波调整。,
