天气原理第4章--02-三圈环流的建立与大气环流的形成和维持(ppt文档).ppt

第二节第二节 控制大气环流的基本因子与控制大气环流的基本因子与 大气环流的基本模型大气环流的基本模型 2.1 2.1 热力驱动的环流热力驱动的环流-单圈环流单圈环流2.2 2.2 旋转地球上的环流旋转地球上的环流三圈环流三圈环流第四章第四章 大气环流大气环流 HalleyHalley（16871687）和和HadleyHadley（17201720），），提出赤道提出赤道和高纬度极地之间的热力差异是地球上大规模风和高纬度极地之间的热力差异是地球上大规模风系形成的根本原因。这就是著名的系形成的根本原因。这就是著名的HadleyHadley环流理环流理论论的基本思想。的基本思想。热力驱动了风热力驱动了风，即大气环流得以形成及维持，即大气环流得以形成及维持的最终原动力，来自于太阳辐射的热量分布不均的最终原动力，来自于太阳辐射的热量分布不均匀，是大气环流理论极为重要的基本观点。匀，是大气环流理论极为重要的基本观点。2.1 2.1 热力驱动的环流热力驱动的环流-单圈环流单圈环流 在低纬度地区有热量的净收入，而在高纬度地区在低纬度地区有热量的净收入，而在高纬度地区有热量的净支出，热量的净收支不均匀的分布是随纬有热量的净支出，热量的净收支不均匀的分布是随纬度变化的。因此大气温度的纬度分布必然取决于热量度变化的。因此大气温度的纬度分布必然取决于热量净收支随纬度变化的规律。净收支随纬度变化的规律。纯热力驱动的大气环流为纯热力驱动的大气环流为Hadley环流。环流。根据热力学第一定理，辐射加热的根据热力学第一定理，辐射加热的不均匀将产生大气温度的变化。不均匀将产生大气温度的变化。地一气系统的太阳短波辐射和长波辐射通量随纬度变化的情况地一气系统的太阳短波辐射和长波辐射通量随纬度变化的情况射入辐射射入辐射射出辐射射出辐射WinterWinterSummer1.200hPa以下（以下（12km），无论冬夏，平均温度梯度），无论冬夏，平均温度梯度由赤道指向两极；由赤道指向两极；2.冬季南北温差大于夏季；冬季南北温差大于夏季；3.夏季平流层温度梯度由极地指向赤道，冷中心位夏季平流层温度梯度由极地指向赤道，冷中心位于赤道；于赤道；4.无论冬夏，低纬地区对流层顶高于中高纬。无论冬夏，低纬地区对流层顶高于中高纬。热力驱动的环流的形成热力驱动的环流的形成 大气温度的变化表现为低纬度地区大气温度高于大气温度的变化表现为低纬度地区大气温度高于高纬度地区，高层大气温度低于低层大气。在地一气高纬度地区，高层大气温度低于低层大气。在地一气系统接收太阳辐射随纬度变化的分布状况下，系统接收太阳辐射随纬度变化的分布状况下，低纬低低纬低层大气为热源层大气为热源，高层和极地大气为热汇（冷源）高层和极地大气为热汇（冷源）。因。因此，流体为了平衡内部不平衡的热量分布，将自发产此，流体为了平衡内部不平衡的热量分布，将自发产生宏观的由南向北，由低向高的定向运动。这就是生宏观的由南向北，由低向高的定向运动。这就是HadleyHadley单圈环流的形成机制。单圈环流的形成机制。n（假设地球不旋转）：（假设地球不旋转）：n高层高层：极地位势高度低，而赤道位势高度高，由此产生由：极地位势高度低，而赤道位势高度高，由此产生由赤道指向极地的位势梯度，高层空气向极运动赤道指向极地的位势梯度，高层空气向极运动n低层低层：极地冷空气下沉，质量堆积，低层产生由极地指向：极地冷空气下沉，质量堆积，低层产生由极地指向赤道的气压梯度，低层空气向赤道运动赤道的气压梯度，低层空气向赤道运动n如此构成单圈环流：赤道上升，极地下沉，如此构成单圈环流：赤道上升，极地下沉，高层南风，低层北风高层南风，低层北风n直接热力环流直接热力环流：由大气加热不均匀产生的，加热区上升，：由大气加热不均匀产生的，加热区上升，冷却区下沉的环流冷却区下沉的环流温度梯度温度梯度 位势梯度力（高层）位势梯度力（高层）气压梯度力（低层）气压梯度力（低层）环流环流 这是理想的热力环流圈。这是理想的热力环流圈。这是理想的热力环流圈。这是理想的热力环流圈。单圈环流的形成说明单圈环流的形成说明单圈环流的形成说明单圈环流的形成说明了太阳辐射对大气系统的不均匀加热是大气产生大了太阳辐射对大气系统的不均匀加热是大气产生大了太阳辐射对大气系统的不均匀加热是大气产生大了太阳辐射对大气系统的不均匀加热是大气产生大规模运动的根本原因和条件，而大气在高低纬间的规模运动的根本原因和条件，而大气在高低纬间的规模运动的根本原因和条件，而大气在高低纬间的规模运动的根本原因和条件，而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热量收支不平衡是产生和维持大气环流的直接原动热量收支不平衡是产生和维持大气环流的直接原动热量收支不平衡是产生和维持大气环流的直接原动力。力。力。力。（a a）HadleyHadley环流理论模型环流理论模型 （b b）HadleyHadley环流观测事实（利用实际资料滤波分离出的实例）环流观测事实（利用实际资料滤波分离出的实例）（a）（b）实际大气中热力驱动的对流现象实际大气中热力驱动的对流现象夏日因热力强迫形成的对流夏日因热力强迫形成的对流云（或所谓的对流单体）云（或所谓的对流单体）沿海地区的海陆风沿海地区的海陆风城市热岛效应城市热岛效应山谷风山谷风海海陆陆风风的的形形成成岛屿或者沿海城镇午后容易产生岛屿或者沿海城镇午后容易产生雷阵雨的原因解释雷阵雨的原因解释n n山谷风山谷风山谷风山谷风由山谷热力差异造成的昼夜风由山谷热力差异造成的昼夜风由山谷热力差异造成的昼夜风由山谷热力差异造成的昼夜风 向相向相向相向相反的山谷环流；反的山谷环流；反的山谷环流；反的山谷环流；n n白天白天白天白天：风风风风从山谷吹向从山谷吹向从山谷吹向从山谷吹向山坡山坡山坡山坡，称，称，称，称“谷风谷风谷风谷风(valley(valley breeze)”breeze)”；n n夜晚夜晚夜晚夜晚：风从山坡吹向山谷，称：风从山坡吹向山谷，称：风从山坡吹向山谷，称：风从山坡吹向山谷，称“山风山风山风山风(mountain(mountain breeze)”breeze)”。谷风谷风山风山风2.2 2.2 旋转地球上的环流旋转地球上的环流 在在转转动动的的地地球球上上，大大气气由由于于受受到到地地球球重重力力的的作作用用，必必定定随随地地球球转转动动。事事实实上上，地地球球大大气气有有别别于于单单纯纯受受热热力力驱驱动动流流体体的的根根本本特特征征是是大大气气的的层层结结性性和和旋旋转转性性。地地球球上上的的实实际际大大气气是是重重力力层层结结、旋旋转转性性、热热力力共共同同作作用用的的结结果果，并并进进而而制制约约了了热热力力驱动的驱动的HadleyHadley环流。环流。一、大气一、大气环流形成和流形成和维持的持的原因原因n n太阳太阳太阳太阳辐辐射射射射n n地球自地球自地球自地球自转转 （三圈三圈三圈三圈环环流流流流-大气环流的基本模型大气环流的基本模型）n n摩擦作用摩擦作用摩擦作用摩擦作用 (大气运大气运大气运大气运动动的角的角的角的角动动量平衡）量平衡）量平衡）量平衡）n n地球表面的不均匀性地球表面的不均匀性地球表面的不均匀性地球表面的不均匀性 形形成成原原因因维持因子维持因子维持因子维持因子1.1.太阳太阳辐射射n n大气大气大气大气环环流形成与流形成与流形成与流形成与维维持的持的持的持的基本能源基本能源基本能源基本能源是太阳是太阳是太阳是太阳辐辐射能；射能；射能；射能；大气大气大气大气环环流的流的流的流的直接能源直接能源直接能源直接能源来自下来自下来自下来自下垫垫面的物理面的物理面的物理面的物理过过程。程。程。程。n n地表是地表是地表是地表是热热源，大气是源，大气是源，大气是源，大气是热汇热汇；热带热带是是是是热热源，高源，高源，高源，高纬纬和和和和极地是极地是极地是极地是热汇热汇。2.2.地球自地球自转（三圈三圈环流形成流形成）（1 1 1 1）HadleyHadleyHadleyHadley环流圈环流圈环流圈环流圈n n净净余余余余辐辐射能沿射能沿射能沿射能沿纬纬度分布的不均匀，造成了赤道暖两极度分布的不均匀，造成了赤道暖两极度分布的不均匀，造成了赤道暖两极度分布的不均匀，造成了赤道暖两极冷的温度冷的温度冷的温度冷的温度场场。赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的作用下向右偏转，在作用下向右偏转，在作用下向右偏转，在作用下向右偏转，在30303030 N N N N左右转为西风，并在此处辐左右转为西风，并在此处辐左右转为西风，并在此处辐左右转为西风，并在此处辐合，质量堆积，并且冷却下沉，地面气压升高，下沉合，质量堆积，并且冷却下沉，地面气压升高，下沉合，质量堆积，并且冷却下沉，地面气压升高，下沉合，质量堆积，并且冷却下沉，地面气压升高，下沉气流辐散，其中向南的一支在柯氏力影响下右偏，转气流辐散，其中向南的一支在柯氏力影响下右偏，转气流辐散，其中向南的一支在柯氏力影响下右偏，转气流辐散，其中向南的一支在柯氏力影响下右偏，转为东北风，此风系稳定，称为东北信风，在南半球为为东北风，此风系稳定，称为东北信风，在南半球为为东北风，此风系稳定，称为东北信风，在南半球为为东北风，此风系稳定，称为东北信风，在南半球为东南信风，两支信风在赤道汇合上升，从而构成直接东南信风，两支信风在赤道汇合上升，从而构成直接东南信风，两支信风在赤道汇合上升，从而构成直接东南信风，两支信风在赤道汇合上升，从而构成直接环流圈，称为环流圈，称为环流圈，称为环流圈，称为HadleyHadleyHadleyHadley环流圈。环流圈。环流圈。环流圈。Hadley cellHadley cell东北信风东北信风东北信风东北信风（NE trade windNE trade windNE trade windNE trade wind）：北半球）：北半球）：北半球）：北半球HadleyHadleyHadleyHadley环流圈中低环流圈中低环流圈中低环流圈中低层向南的气流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支稳定层向南的气流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支稳定层向南的气流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支稳定层向南的气流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支稳定的风系。的风系。的风系。的风系。东南信风东南信风东南信风东南信风（SE trade windSE trade windSE trade windSE trade wind）：南半球）：南半球）：南半球）：南半球HadleyHadleyHadleyHadley环流圈中低环流圈中低环流圈中低环流圈中低层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支稳定层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支稳定层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支稳定层向北的气流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支稳定的风系。的风系。的风系。的风系。赤道辐合带赤道辐合带赤道辐合带赤道辐合带（热带辐合带）：赤道附近东北信风和东南信（热带辐合带）：赤道附近东北信风和东南信（热带辐合带）：赤道附近东北信风和东南信（热带辐合带）：赤道附近东北信风和东南信风汇合的地带，简称风汇合的地带，简称风汇合的地带，简称风汇合的地带，简称ITCZ(intertropicalITCZ(intertropicalITCZ(intertropicalITCZ(intertropical convergence convergence convergence convergence zone)zone)zone)zone)（2 2 2 2）极地环流圈极地环流圈极地环流圈极地环流圈 极地能量亏损，温度低，密度大，从而使气极地能量亏损，温度低，密度大，从而使气极地能量亏损，温度低，密度大，从而使气极地能量亏损，温度低，密度大，从而使气压随高度递减增大，高空有较低纬度指向极地的压随高度递减增大，高空有较低纬度指向极地的压随高度递减增大，高空有较低纬度指向极地的压随高度递减增大，高空有较低纬度指向极地的气压梯度，而低层有极地指向较低纬度的气压梯气压梯度，而低层有极地指向较低纬度的气压梯气压梯度，而低层有极地指向较低纬度的气压梯气压梯度，而低层有极地指向较低纬度的气压梯度。则度。则度。则度。则低层低层低层低层空气有指向较低纬度运动，在柯氏力空气有指向较低纬度运动，在柯氏力空气有指向较低纬度运动，在柯氏力空气有指向较低纬度运动，在柯氏力作用下右偏成为作用下右偏成为作用下右偏成为作用下右偏成为东北风东北风东北风东北风，高层南风在柯氏力作用，高层南风在柯氏力作用，高层南风在柯氏力作用，高层南风在柯氏力作用下右偏成为西南风，构成极地环流圈。下右偏成为西南风，构成极地环流圈。下右偏成为西南风，构成极地环流圈。下右偏成为西南风，构成极地环流圈。（3 3）FerrelFerrel 环流圈环流圈环流圈环流圈 Hadley Hadley环流中在环流中在环流中在环流中在3030NN下沉辐散的气流中，向北流动下沉辐散的气流中，向北流动下沉辐散的气流中，向北流动下沉辐散的气流中，向北流动的气流，与极地环流圈中上升支汇合，在高空辐散，的气流，与极地环流圈中上升支汇合，在高空辐散，的气流，与极地环流圈中上升支汇合，在高空辐散，的气流，与极地环流圈中上升支汇合，在高空辐散，其中有一支向南运动。这样在其中有一支向南运动。这样在其中有一支向南运动。这样在其中有一支向南运动。这样在HadleyHadley环流圈和极地环环流圈和极地环环流圈和极地环环流圈和极地环流圈之间存在一个与直接环流圈相反的环流，为间接流圈之间存在一个与直接环流圈相反的环流，为间接流圈之间存在一个与直接环流圈相反的环流，为间接流圈之间存在一个与直接环流圈相反的环流，为间接环流圈，也称环流圈，也称环流圈，也称环流圈，也称FerrelFerrel环流圈。环流圈。环流圈。环流圈。（a a）理论模型理论模型FerrelFerrel环流圈环流圈极地极地HadleyHadley环流圈环流圈热带热带HadleyHadley环流圈环流圈极锋极锋副热副热带锋带锋n极锋：极锋：极地环流圈中低层向南的东北风与极地环流圈中低层向南的东北风与HadleyHadley环流圈中下沉辐散而向北运动的西南风相遇，干环流圈中下沉辐散而向北运动的西南风相遇，干冷与暖湿气流相遇而形成的锋区。冷与暖湿气流相遇而形成的锋区。n副热带锋区：副热带锋区：HadleyHadley环流圈中高层向北运动的暖环流圈中高层向北运动的暖湿气流与极地环流圈中上升辐散向南的一支气流湿气流与极地环流圈中上升辐散向南的一支气流相遇而形成锋区。在对流层上部明显，有副热带相遇而形成锋区。在对流层上部明显，有副热带急流与之对应急流与之对应。低层低层低层低层三风：三风：三风：三风：极地东风（东北风极地东风（东北风极地东风（东北风极地东风（东北风)中纬西风（西南风中纬西风（西南风中纬西风（西南风中纬西风（西南风)低纬东风（东北信风）低纬东风（东北信风）低纬东风（东北信风）低纬东风（东北信风）四带：四带：四带：四带：极地高压带极地高压带极地高压带极地高压带 副极地低压带副极地低压带副极地低压带副极地低压带 副热带高压带副热带高压带副热带高压带副热带高压带 赤道低压带赤道低压带赤道低压带赤道低压带总总 结结高空高空高空高空 高纬西风带高纬西风带高纬西风带高纬西风带极锋西风急流极锋西风急流极锋西风急流极锋西风急流 中纬东风中纬东风中纬东风中纬东风带带带带弱弱弱弱 主要为西风带主要为西风带主要为西风带主要为西风带 低纬西风带低纬西风带低纬西风带低纬西风带副热带西风急流副热带西风急流副热带西风急流副热带西风急流 二条行星锋区：极锋和副热带锋二条行星锋区：极锋和副热带锋二条行星锋区：极锋和副热带锋二条行星锋区：极锋和副热带锋三圈环流观测事实三圈环流观测事实（利用实际资料分离出的实例，箭头代表流线方向）（利用实际资料分离出的实例，箭头代表流线方向）n n地面摩擦和大气中的内摩擦地面摩擦和大气中的内摩擦地面摩擦和大气中的内摩擦地面摩擦和大气中的内摩擦时时刻都在消耗大气的刻都在消耗大气的刻都在消耗大气的刻都在消耗大气的动动能，阻能，阻能，阻能，阻滞大气的运滞大气的运滞大气的运滞大气的运动动。由于摩擦和山脉的作用，空气与。由于摩擦和山脉的作用，空气与。由于摩擦和山脉的作用，空气与。由于摩擦和山脉的作用，空气与转动转动地球地球地球地球之之之之间产间产生了生了生了生了转动转动力矩（即角力矩（即角力矩（即角力矩（即角动动量）。量）。量）。量）。3.3.摩擦作用摩擦作用(大气运动的大气运动的角动量平衡角动量平衡)n n 单位质量空气绕地轴旋转的绝对角动量为：单位质量空气绕地轴旋转的绝对角动量为：单位质量空气绕地轴旋转的绝对角动量为：单位质量空气绕地轴旋转的绝对角动量为：相对角动量相对角动量地转角动量地转角动量（1 1）地球大气系统中绝对角动量分布状态）地球大气系统中绝对角动量分布状态 地球角动量地球角动量 为西风角动量，其大小随纬度增高而减小，赤为西风角动量，其大小随纬度增高而减小，赤道最大，极地最小。道最大，极地最小。低层相对角动量低层相对角动量 弱弱 极地东风带极地东风带具有东风角动量具有东风角动量 强强 （2 2 2 2）地球大气系统中绝对角动量守恒地球大气系统中绝对角动量守恒地球大气系统中绝对角动量守恒地球大气系统中绝对角动量守恒n低纬东风带低纬东风带：风在地面所受到的摩擦阻力是向东的，地球：风在地面所受到的摩擦阻力是向东的，地球通过摩擦作用给其上面的大气施加一个向东的转动力矩，通过摩擦作用给其上面的大气施加一个向东的转动力矩，或说东风带的大气获得了地球给予的西风角动量。或说东风带的大气获得了地球给予的西风角动量。n中高纬西风带中高纬西风带：地球通过摩擦作用给大气一个向西的转动：地球通过摩擦作用给大气一个向西的转动力矩，大气本身损耗了西风角动量。力矩，大气本身损耗了西风角动量。实际上：实际上：实际上：实际上：地球旋转为常数地球旋转为常数地球旋转为常数地球旋转为常数 东、西风带长期维持东、西风带长期维持东、西风带长期维持东、西风带长期维持 两者相互补偿，达到平衡，证明角动量守恒两者相互补偿，达到平衡，证明角动量守恒两者相互补偿，达到平衡，证明角动量守恒两者相互补偿，达到平衡，证明角动量守恒 Question Question 角动量从东风带向西风带的输送通过什么角动量从东风带向西风带的输送通过什么机制完成？机制完成？（3 3 3 3）角动量的两种输送方式）角动量的两种输送方式）角动量的两种输送方式）角动量的两种输送方式 大气内部角动量水平输送大气内部角动量水平输送大气内部角动量水平输送大气内部角动量水平输送平均经圈环流平均经圈环流的角动量输送的角动量输送 =0=0平均平均经向经向风的风的输送输送定常扰动定常扰动的相对角的相对角动量输送动量输送非定常扰非定常扰动的相对动的相对角动量输角动量输送送 .u u角动量水平输送三种形式角动量水平输送三种形式：平均经向环流平均经向环流平均经向环流平均经向环流 三圈经向环流三圈经向环流三圈经向环流三圈经向环流 定常扰动定常扰动定常扰动定常扰动 平均长波槽脊平均长波槽脊平均长波槽脊平均长波槽脊 非定常扰动非定常扰动非定常扰动非定常扰动 天气尺度的槽脊、（反）气旋天气尺度的槽脊、（反）气旋天气尺度的槽脊、（反）气旋天气尺度的槽脊、（反）气旋.角动量水平输送的特征角动量水平输送的特征角动量水平输送的特征角动量水平输送的特征（P158 P158 图图图图4.144.14）a a）非定常扰动对角动量水平输送远大于定常扰动和平均非定常扰动对角动量水平输送远大于定常扰动和平均非定常扰动对角动量水平输送远大于定常扰动和平均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；经向环流；经向环流；经向环流；b b）非定常扰动对角动量水平输送最大值出现在非定常扰动对角动量水平输送最大值出现在非定常扰动对角动量水平输送最大值出现在非定常扰动对角动量水平输送最大值出现在3030度纬度度纬度度纬度度纬度 附近；附近；附近；附近；c c）冬季哈得莱环流较强对角动量输送显著；冬季哈得莱环流较强对角动量输送显著；冬季哈得莱环流较强对角动量输送显著；冬季哈得莱环流较强对角动量输送显著；d d）费雷尔环流较弱，但水平输送方向与哈得莱环流相费雷尔环流较弱，但水平输送方向与哈得莱环流相费雷尔环流较弱，但水平输送方向与哈得莱环流相费雷尔环流较弱，但水平输送方向与哈得莱环流相 反。反。反。反。.槽脊输送角动量的方式槽脊输送角动量的方式槽脊输送角动量的方式槽脊输送角动量的方式（P159 P159 图图图图4.154.15）a a 对称槽对称槽对称槽对称槽 槽前对槽前对槽前对槽前对u u角动量向北输送角动量向北输送角动量向北输送角动量向北输送 槽后对槽后对槽后对槽后对u u角动量向南输送角动量向南输送角动量向南输送角动量向南输送 两者相等两者相等两者相等两者相等 无南北净输送无南北净输送无南北净输送无南北净输送b b 东北东北东北东北-西南向的倾斜槽西南向的倾斜槽西南向的倾斜槽西南向的倾斜槽 槽前对槽前对槽前对槽前对u u角动量向北输送大于槽后对角动量向北输送大于槽后对角动量向北输送大于槽后对角动量向北输送大于槽后对u u角动量向南输送角动量向南输送角动量向南输送角动量向南输送 有有有有u u角动量向北净输送角动量向北净输送角动量向北净输送角动量向北净输送 c c 西北西北西北西北-东南向的倾斜槽东南向的倾斜槽东南向的倾斜槽东南向的倾斜槽 有有有有u u角动量向南净输送角动量向南净输送角动量向南净输送角动量向南净输送 实际大气在中低纬地区多为东北西南向槽脊，所以中纬度实际大气在中低纬地区多为东北西南向槽脊，所以中纬度实际大气在中低纬地区多为东北西南向槽脊，所以中纬度实际大气在中低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。的扰动水平输送主要是向北输送西风角动量。的扰动水平输送主要是向北输送西风角动量。的扰动水平输送主要是向北输送西风角动量。角动量的角动量的垂直垂直输送输送经圈环流经圈环流涡动引起的垂直角动量输送涡动引起的垂直角动量输送大气内部角动量的垂直输送（大气内部角动量的垂直输送（大气内部角动量的垂直输送（大气内部角动量的垂直输送（P160 P160 P160 P160 图图图图4.164.164.164.16）.平均经圈环流对平均经圈环流对平均经圈环流对平均经圈环流对角动量的垂直输送是主要的角动量的垂直输送是主要的角动量的垂直输送是主要的角动量的垂直输送是主要的 哈得莱环流有净余的哈得莱环流有净余的哈得莱环流有净余的哈得莱环流有净余的角动量向上输送角动量向上输送角动量向上输送角动量向上输送 补偿了高空西风带补偿了高空西风带补偿了高空西风带补偿了高空西风带 费雷尔环流有净余的费雷尔环流有净余的费雷尔环流有净余的费雷尔环流有净余的角动量向下输送角动量向下输送角动量向下输送角动量向下输送 补偿了低层西风带补偿了低层西风带补偿了低层西风带补偿了低层西风带 由于高层由于高层由于高层由于高层u u u u角动量大于低层角动量大于低层角动量大于低层角动量大于低层u u u u角动量，所以扰动的垂角动量，所以扰动的垂角动量，所以扰动的垂角动量，所以扰动的垂直运动总是向下净输送直运动总是向下净输送直运动总是向下净输送直运动总是向下净输送u u u u角动量角动量角动量角动量.计算表明，向上、向下对角动量的垂直输送平衡计算表明，向上、向下对角动量的垂直输送平衡计算表明，向上、向下对角动量的垂直输送平衡计算表明，向上、向下对角动量的垂直输送平衡.扰动的垂直运动是上升、下沉互补出现扰动的垂直运动是上升、下沉互补出现扰动的垂直运动是上升、下沉互补出现扰动的垂直运动是上升、下沉互补出现 水平输送与垂直输送共同作用，大气角动量收支水平输送与垂直输送共同作用，大气角动量收支水平输送与垂直输送共同作用，大气角动量收支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，地平衡，东西风带长期维持，地球角动量收支平衡，地平衡，东西风带长期维持，地球角动量收支平衡，地平衡，东西风带长期维持，地球角动量收支平衡，地球转动角动量速度是常数。球转动角动量速度是常数。球转动角动量速度是常数。球转动角动量速度是常数。4.4.地球表面的不均匀性地球表面的不均匀性（1 1）海）海陆分布分布对大气大气环流的影响流的影响 冬季冬季冬季冬季，大，大，大，大陆陆是冷源，海洋是是冷源，海洋是是冷源，海洋是是冷源，海洋是热热源；源；源；源；夏季夏季夏季夏季，大，大，大，大陆陆是是是是热热源，海洋是冷源。源，海洋是冷源。源，海洋是冷源。源，海洋是冷源。海海海海陆陆分布影响近地面的气分布影响近地面的气分布影响近地面的气分布影响近地面的气压压系系系系统统，同，同，同，同时对时对对对流流流流层层西西西西风带风带槽脊的形成也有重要作用。槽脊的形成也有重要作用。槽脊的形成也有重要作用。槽脊的形成也有重要作用。海平面气压场海平面气压场海平面气压场海平面气压场“半永久性大气活动中心半永久性大气活动中心半永久性大气活动中心半永久性大气活动中心”、“季节性大气活动中心季节性大气活动中心季节性大气活动中心季节性大气活动中心”是海陆是海陆是海陆是海陆温差结果温差结果温差结果温差结果 冬季冬季冬季冬季 海洋暖海洋暖海洋暖海洋暖阿留申低压，冰岛低压强大阿留申低压，冰岛低压强大阿留申低压，冰岛低压强大阿留申低压，冰岛低压强大 大陆冷大陆冷大陆冷大陆冷蒙古冷高压，北美冷高压，格陵兰高压蒙古冷高压，北美冷高压，格陵兰高压蒙古冷高压，北美冷高压，格陵兰高压蒙古冷高压，北美冷高压，格陵兰高压 夏季夏季夏季夏季 海洋冷海洋冷海洋冷海洋冷太平洋副高，大西洋副高强大太平洋副高，大西洋副高强大太平洋副高，大西洋副高强大太平洋副高，大西洋副高强大 大陆暖大陆暖大陆暖大陆暖亚洲热低压，北美热低压亚洲热低压，北美热低压亚洲热低压，北美热低压亚洲热低压，北美热低压 对流层西风带槽脊的形成对流层西风带槽脊的形成对流层西风带槽脊的形成对流层西风带槽脊的形成 东亚大槽东亚大槽东亚大槽东亚大槽 冬季冬季冬季冬季欧亚大陆东海岸温度低欧亚大陆东海岸温度低欧亚大陆东海岸温度低欧亚大陆东海岸温度低+青藏高原背风坡青藏高原背风坡青藏高原背风坡青藏高原背风坡 动力作用动力作用动力作用动力作用 夏季夏季夏季夏季大槽东移离开大陆东岸大槽东移离开大陆东岸大槽东移离开大陆东岸大槽东移离开大陆东岸+青藏高原背风坡青藏高原背风坡青藏高原背风坡青藏高原背风坡 动力作用动力作用动力作用动力作用北美大槽北美大槽北美大槽北美大槽 冬季冬季冬季冬季北美大陆东海岸温度低北美大陆东海岸温度低北美大陆东海岸温度低北美大陆东海岸温度低+洛矶山脉背风坡洛矶山脉背风坡洛矶山脉背风坡洛矶山脉背风坡 动力作用动力作用动力作用动力作用 夏季夏季夏季夏季大槽略东移离开东海岸大槽略东移离开东海岸大槽略东移离开东海岸大槽略东移离开东海岸+洛矶山脉背风坡洛矶山脉背风坡洛矶山脉背风坡洛矶山脉背风坡 动力作用动力作用动力作用动力作用对流层西风带槽脊的形成受海陆温差和地形动力作用的共同影响对流层西风带槽脊的形成受海陆温差和地形动力作用的共同影响对流层西风带槽脊的形成受海陆温差和地形动力作用的共同影响对流层西风带槽脊的形成受海陆温差和地形动力作用的共同影响A.A.地形的动力影响地形的动力影响a.a.大地形的动力作用，使气流发生明显的分支、大地形的动力作用，使气流发生明显的分支、绕流和汇合绕流和汇合b.b.上山和下山对槽脊的影响（绝对位涡守恒原上山和下山对槽脊的影响（绝对位涡守恒原理）理）H H为气柱为至对流层定的高度为气柱为至对流层定的高度（2 2）地形影响）地形影响青藏高原青藏高原高原的高原的动力作用动力作用 .冬季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在冬季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在冬季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在冬季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在高原东高原东高原东高原东 侧形成侧形成侧形成侧形成“北脊南槽北脊南槽北脊南槽北脊南槽”（地形的绕流作用地形的绕流作用地形的绕流作用地形的绕流作用）高原北部脊区高原北部脊区高原北部脊区高原北部脊区我国北方晴天多我国北方晴天多我国北方晴天多我国北方晴天多 孟加拉湾低槽孟加拉湾低槽孟加拉湾低槽孟加拉湾低槽我国南方阴雨多我国南方阴雨多我国南方阴雨多我国南方阴雨多.高原东侧形成特殊天气系统（高原东侧形成特殊天气系统（高原东侧形成特殊天气系统（高原东侧形成特殊天气系统（山脉的背风面山脉的背风面山脉的背风面山脉的背风面）东亚大槽东亚大槽东亚大槽东亚大槽 500hPa 500hPa 长江中下游风场辐合线长江中下游风场辐合线长江中下游风场辐合线长江中下游风场辐合线 700hPa 700hPa 江淮切变线江淮切变线江淮切变线江淮切变线 700hPa 700hPa 西南涡西南涡西南涡西南涡 地形动力作用地形动力作用7878E103E103E E2828N38N38N N 虚线：虚线：切变线切变线气柱上山，气柱上山，H减小，辐散，减小，辐散，f不变，则气旋性涡度减小，不变，则气旋性涡度减小，反气旋性涡度增大，气柱下山，气旋性涡度增大反气旋性涡度增大，气柱下山，气旋性涡度增大（1 1）对流层中下层西风经过青藏高原时，分为两支，）对流层中下层西风经过青藏高原时，分为两支，北支在北支在40N40N以北甘肃一带或贝加尔湖以北甘肃一带或贝加尔湖形成形成高压脊高压脊。南支西风经高原南南支西风经高原南侧形成孟加拉湾低槽侧形成孟加拉湾低槽，槽前西南气流向北侵袭我国。两支气，槽前西南气流向北侵袭我国。两支气流在流在110E110E以东汇合。在南支气流的北侧，我国的西南地区，以东汇合。在南支气流的北侧，我国的西南地区，低层常形成一个个低涡，即低层常形成一个个低涡，即西南涡西南涡，西南涡东移到，西南涡东移到110E110E以东以东时，成为诱导地面气旋生成的一个重要原因。时，成为诱导地面气旋生成的一个重要原因。（2 2）对流层低层、高原北边缘有时接连出现由西往东偏南方）对流层低层、高原北边缘有时接连出现由西往东偏南方向移动的闭合小高压，其直径约为几百到一千公里。通常把向移动的闭合小高压，其直径约为几百到一千公里。通常把这种高压称为这种高压称为兰州高压兰州高压。这些高压是形成江淮切变线的天气。这些高压是形成江淮切变线的天气系统之一。系统之一。江淮切变线江淮切变线经常伴有地面静止锋，在条件合适时经常伴有地面静止锋，在条件合适时亦可能有地面气旋波生成。亦可能有地面气旋波生成。B.B.热热力影响力影响力影响力影响n n冬季冬季冬季冬季相相相相对对冷源冷源冷源冷源：使南支西使南支西使南支西使南支西风风急流加速；急流加速；急流加速；急流加速；n n夏季夏季夏季夏季-热热源源源源：a.a.对对流流流流层层上上上上层层出出出出现现最最最最强强大的系大的系大的系大的系统统 南南南南亚亚高高高高压压；b.b.高原南高原南高原南高原南侧侧对对流流流流层层上上上上层层出出出出现现地球上唯一地球上唯一地球上唯一地球上唯一东风东风急流急流急流急流；c.c.对对流流流流层层低低低低层层出出出出现现最深厚的西南季最深厚的西南季最深厚的西南季最深厚的西南季风风，该该地区生成地区生成地区生成地区生成反反反反hadleyhadley 环环流流流流，气流在高原上升，在赤道地区下沉。，气流在高原上升，在赤道地区下沉。，气流在高原上升，在赤道地区下沉。，气流在高原上升，在赤道地区下沉。青藏高原青藏高原青藏高原青藏高原75E-110E，夏季经圈环流夏季经圈环流思考：思考：1.1.大地形的作用大地形的作用 在全球变暖的背景下，不同海拔高度的温度对在全球变暖的背景下，不同海拔高度的温度对其相应的规律如何？其相应的规律如何？11姚檀栋姚檀栋,刘晓东刘晓东,王宁练王宁练.青藏高原地区的气候变化幅度问青藏高原地区的气候变化幅度问题题J.J.科学通报科学通报,2000,45(l):98-106.,2000,45(l):98-106.22刘晓东刘晓东,侯萍侯萍.青藏高原及其邻近地区近青藏高原及其邻近地区近3030年气候变暖与年气候变暖与海拔高度的关系海拔高度的关系J.J.高原气象高原气象,1998,17(3):245-249.,1998,17(3):245-249.二、能量收支（二、能量收支（P164 图图4.19）QQ（太阳辐射）太阳辐射）平均摩擦损耗平均摩擦损耗 维持纬向环流维持纬向环流 HardelyHardely环流环流（暖升冷降）（暖升冷降）PM M KMM (纬向有效位能纬向有效位能)FerrelFerrel环流环流 （冷升暖降）（冷升暖降）（纬向动能）（纬向动能）发展槽脊南发展槽脊南 北热量输送北热量输送 斜槽对角动量斜槽对角动量 的输送的输送 （反串级反串级反串级反串级 输送输送输送输送）热力扰动环流热力扰动环流（暖升冷降）（暖升冷降）PE E KE E (涡动有效位能涡动有效位能)（涡动动能）（涡动动能）扰动摩擦损耗扰动摩擦损耗扰动摩擦损耗扰动摩擦损耗中纬度大尺度大气运动的能量循环过程中纬度大尺度大气运动的能量循环过程中纬度大尺度大气运动的能量循环过程中纬度大尺度大气运动的能量循环过程1 1 由于太阳辐射的纬度差异，通过热带加热，极地冷却产生平均全由于太阳辐射的纬度差异，通过热带加热，极地冷却产生平均全由于太阳辐射的纬度差异，通过热带加热，极地冷却产生平均全由于太阳辐射的纬度差异，通过热带加热，极地冷却产生平均全位能（纬向位能）位能（纬向位能）位能（纬向位能）位能（纬向位能）Q PQ PMM2 2 通过中纬度斜压扰动（斜压不稳定长波）对感热的输送使其基本通过中纬度斜压扰动（斜压不稳定长波）对感热的输送使其基本通过中纬度斜压扰动（斜压不稳定长波）对感热的输送使其基本通过中纬度斜压扰动（斜压不稳定长波）对感热的输送使其基本气流的有效位能转化为涡动有效位能气流的有效位能转化为涡动有效位能气流的有效位能转化为涡动有效位能气流的有效位能转化为涡动有效位能 P PM M P PE E3 3 通过中纬度斜压经向扰动形成的暖升冷降，使涡动有效位能转化通过中纬度斜压经向扰动形成的暖升冷降，使涡动有效位能转化通过中纬度斜压经向扰动形成的暖升冷降，使涡动有效位能转化通过中纬度斜压经向扰动形成的暖升冷降，使涡动有效位能转化为涡动动能。涡动动能一部分由于摩擦而损耗为涡动动能。涡动动能一部分由于摩擦而损耗为涡动动能。涡动动能一部分由于摩擦而损耗为涡动动能。涡动动能一部分由于摩擦而损耗 P PE E KKE E4 4 通过中纬度大型扰动对角动量的输送，使涡动动能转化为基本气通过中纬度大型扰动对角动量的输送，使涡动动能转化为基本气通过中纬度大型扰动对角动量的输送，使涡动动能转化为基本气通过中纬度大型扰动对角动量的输送，使涡动动能转化为基本气流的动能（纬向动能）流的动能（纬向动能）流的动能（纬向动能）流的动能（纬向动能）KKE E KKMM5 5 平均经圈环流的净作用使基本气流的有效位能转化为基本气流的平均经圈环流的净作用使基本气流的有效位能转化为基本气流的平均经圈环流的净作用使基本气流的有效位能转化为基本气流的平均经圈环流的净作用使基本气流的有效位能转化为基本气流的动能（纬向动能）动能（纬向动能）动能（纬向动能）动能（纬向动能）P PM M KKMM6 6 纬向动能维持大气平均环流（处于稳定、平衡转态），并由于摩纬向动能维持大气平均环流（处于稳定、平衡转态），并由于摩纬向动能维持大气平均环流（处于稳定、平衡转态），并由于摩纬向动能维持大气平均环流（处于稳定、平衡转态），并由于摩擦而有一定损耗擦而有一定损耗擦而有一定损耗擦而有一定损耗