《大气环流讲义》PPT课件.ppt

大气环流大气环流讲稿讲稿研究生课程大气环流课程观测事实部分序言序言一、什么是大气环流？一、什么是大气环流？-包包围围地地球球的的大大气气在在全全球球规规模模进进行行的的环环行行运运动动称称为为大大气气环环流流。特特点点在在于于全全球球范范围围（或或大大范范围围），一一般般指指月以上的平均运动。月以上的平均运动。-地地球球大大气气对对太太阳阳短短波波辐辐射射的的动动力力及及热热力力反反应应的的表表现。现。二、大气环流的主要研究对象二、大气环流的主要研究对象在在全全球球范范围围或或其其他他较较大大尺尺度度上上，分分析析大大气气各各种种气气象象参参数数的的统统计计特特征征，并并相相对对集集中中于于探探讨讨时时间间和和经经度度取取平平均均的的流流场场、温温度度场场以以及及湿湿度度场场的的统统计计特特征征及及其其形形成成和维持的原因。和维持的原因。三、大气环流学科的发展简史三、大气环流学科的发展简史对对大大气气环环流流的的研研究究是是从从最最早早尝尝试试解解释释信信风风形形成成的的原原因因开开始始，至至今今约约有有300多多年年的的历历史史，并并大大致致可可划划分分为为四四个阶段个阶段：1、形成了、形成了Hadley单圈环流的假说单圈环流的假说1735年由年由Hadley提出的提出的“单圈环流单圈环流”模型，又称模型，又称为为Hadley环流模型或直接环流模型。主要依据太阳辐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。相反的。2、三圈环流假说的发展、三圈环流假说的发展“三三圈圈环环流流”是是1856年年由由Ferrel首首先先提提出出：即即低低纬纬与与高高纬纬之之间间由由三三个个环环流流圈圈组组成成，低低纬纬和和高高纬纬各各是是一一个个直直接接环环流流圈圈，而而中中纬度为一间接环流圈，称纬度为一间接环流圈，称Ferrel环流圈。环流圈。“三三圈圈环环流流”的的直直接接原原因因仍仍是是太太阳阳辐辐射射随随纬纬度度的的非非均均匀匀加加热热造造成的。实际的观测表明：三圈环流模型中，间接环流相对较弱。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、对对大大型型涡涡旋旋（热热量量、动动量量的的输输送送）在在大大气气物物理理量量输输送送和和平平衡衡过过程程中中的的作作用用问问题题的的研研究究（19世世纪纪后后期期到到20世纪上半叶）世纪上半叶）建建立立大大气气长长波波理理论论（由由以以Rossby为为首首的的芝芝加加哥哥学学派派创创立立）。为为了了说说明明大大气气环环流流的的三三圈圈环环流流现现象象，Helmhotz（1888）提提出出涡涡旋旋概概念念气气流流与与纬纬向向平平均均气气流流的的偏偏差差，并并不不是是现现代代天天气气学学上上的的高高、低低压压，这这种种涡涡旋旋在在维维持持大大气气环环流流方方面面起起了了重重要要作作用用，这这为为后来的大气环流波动学说奠定了理论基础。后来的大气环流波动学说奠定了理论基础。4、大大气气环环流流观观测测事事实实和和机机理理研研究究的的发发展展，转转盘盘模模拟拟实实验及数值试验验及数值试验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）*平流层大气环流的研究：发现了平流层爆发性增温的现象（Stratosphericsuddenwarming）2）关于大气环流机理的研究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。大气运动的地转适应理论3）气气环环流流数数值值试试验验研研究究的的发发展展（主主要要是是数数值值模模式式的发展）的发展）4）新的观测事实的发现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，JoseP.PeixotoandAbrahamH.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、六、讲授内容：讲授内容：1）大气环流的基本观测事实）大气环流的基本观测事实2）大气中的水分平衡）大气中的水分平衡3)大气中的热量平衡大气中的热量平衡4)大气中的能量平衡大气中的能量平衡5）大气环流的理论研究）大气环流的理论研究6）大气中的低频变化和遥）大气中的低频变化和遥相关相关第一章第一章大气环流的基本观测事实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大气环流中物理量及其通量的分解为为了了讨讨论论大大气气不不同同尺尺度度的的运运动动及及其其在在有有关关物物理理量量输输送送和和平平衡衡过过程程中中的的不不同同作作用用，可可采采用用多多种种不不同同的的尺尺度度分分解解计计算算方方法法，大大致有三种：致有三种：1）平均和扰动分解方法（）平均和扰动分解方法（*）2）谐波分解方法）谐波分解方法3）时间、空间的滤波方法）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。-表示纬偏值的时间平均图，称为常定涡旋（stationaryeddies）。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（transienteddies）。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（斜压不稳定作用）2大气环流的平均状况大气环流的平均状况影影响响大大气气环环流流的的主主要要因因子子：太太阳阳辐辐射射能能随随纬纬度度的的不不平平均均分分布布、地地球球自自转转，海海陆陆和和大大地地形形的的分分布布、基基本本气气流流的的不不稳稳定定性性、地地表表面面的的摩摩擦擦以以及及太太阳阳活活动动等等。前前三三个个因因子子在在我我们们研研究究大大气气环环流流的的时时间间长长度度内内是是相相对对稳稳定定的的因因子子，其其共共同同作作用用形形成成了了大大气气环环流流的的多多年年平平均均状状况况。其其它它因因子子随随时时间间有有较大的变化。较大的变化。一、大气平均温度场一、大气平均温度场1、纬向平均大气温度的分布、纬向平均大气温度的分布由图可得出如下特点：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平均温度的水平分布图为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（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）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，30-40m/s；夏季：45o，15-20m/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），南北半球各有一个西风极大值；冬季：30o，30-40m/s；夏季：45o，15-20m/s。2、平均经圈环流、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 3 平均水平环流平均水平环流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赤道上纬圈平均u风的气压时间剖面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赤道上纬圈平均u风的小波分析风的小波分析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 suddenwarming）.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1001）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。