兰大大气学院天气学原理教程三圈环流的建立与大气环流的形成和维持课件

§4.2控制大气环流的基本因子与

大气环流的基本模型§4.2.1热力驱动的环流----§4.2.2旋转地球上的环流—三圈环流Hadley(1720)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系形成的根本原因。这就是著名的Hadley环流理论的基本思想。热力驱动了风，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匀，是大气环流理论极为重要的基本观点。

§4.2.1热力驱动的环流----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净收支随纬度变化的规律。1.Hadley环流称纯热力驱动的大气环流为Hadley环流。辐射收支的纬度变化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。1200hPa以下（12km），无论冬夏，平均温度梯度由赤道指向两极2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，冷中心位于赤道4无论冬夏，低纬地区对流层顶高于中高纬2.温差造成的热力对流①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，低纬低层大气为热源，高层和极地大气为热汇（冷源）。②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云（或所谓的对流单体）沿海地区的海陆风城市热岛效应地球自转（三圈环流形成）净余辐射能沿纬度分布的不均匀，造成了赤道暖两极冷的温度场。赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的作用下向右偏转，在30ºN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Hadley环流Hadleycell东北信风（NEtradewind）：北半球Hadley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的风系。东南信风（SEtradewind）：南半球Hadley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的风系。赤道辐合带（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ITCZ(intertropicalconvergencezone)3Ferrel

环流的形成Hadley环流中在30ºN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，其中有一支向南运动。这样在Hadley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，为间接环流圈，也称Ferrel环流圈。（a）理论模型Ferrel环流圈极地Hadley环流圈热带Hadley环流圈极锋副热带锋极锋：极地环流圈中低层向南的东北风与Hadley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。副热带锋区：Hadley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。2、低层三风四带三风：极地东风（东北风)

中纬西风（西南风)

低纬东风（东北信风）

四带：极地高压带副极地低压带副热带高压带赤道低压带3、高空主要为西风带:

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

二条行星锋区：极锋和副热带锋（b）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）总结：三圈环流东北信风东南信风东北季风西南季风赤道辐合带极锋锋区副热带锋区1.大气环流形成和维持的原因太阳辐射地球自转（三圈环流-大气环流的基本模型）摩擦作用(大气运动的角动量平衡）地球表面的不均匀性

形成原因维持因子2、低层相对角动量

弱极地东风带——具有东风角动量

强（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 风角动量实际上：地球旋转为常数东、西风带长期维持——两者相互补偿，达到平衡，证明角动量 守恒Question角动量从东风带向西风带的输送通过什么机制完成？角动量的水平输送——扰动（三）角动量的两种输送方式

1、大气内部角动量水平输送

①.u角动量水平输送三种形式：

平均经向环流——三圈经向环流定常扰动——平均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（P158图4.14）

a）非定常扰动对角动量水平输送远大于定长扰动和平均经向环流

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③.槽脊输送角动量的方式（P159图4.15）

a对称槽槽前对u角动量向北输送槽后对u角动量向南输送两者相等无南北净输送

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角动量的垂直输送——经圈环流2，大气内部角动量的垂直输送（P160图4.16）

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

平均经圈环流对角动量的垂直输送是主要的②扰动的垂直运动是上升、下沉互补出现由于高层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，地球转动角动量速度是常数四、地球表面的不均匀性

（一）海陆分布对大气环流的影响

1海平面的气压场：“半永久性大气活动中心”、“季节性大气活动中心”是海陆温差结果

冬季海洋暖——阿留申低压，冰岛低压强大大陆冷——蒙古冷高压，北美冷高压， 格陵兰高压

夏季海洋冷——太平洋副高，大西洋副高强大大陆暖——亚洲热低压，北美热低压2高空的东亚大槽、北美大槽是海陆温差和高大山脉共同作用的结果

东亚大槽冬季——欧亚大陆东海岸温度低+青藏 高原背风坡动力作用夏季——大槽东移离开大陆东岸+青藏 高原背风坡动力作用北美大槽冬季——北美大陆东海岸温度低+洛矶 山脉背风坡动力作用夏季——大槽略东移离开东海岸+洛矶 山脉背风坡动力作用（二）地形影响——青藏高原

1，高原的动力作用①冬季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在 高原东侧形成“北脊南槽”高原北部脊区——我国北方晴天多孟加拉湾低槽——我国南方阴雨多②高原东侧形成特殊天气系统东亚大槽

500hpa长江中下游风场辐合线

700hpa江淮切变线

700hpa西南涡地形的影响大地形的动力作用，使气流发生明显的分支、绕流和汇合

上山和下山对槽脊的影响（绝对涡度守恒原理）H为气柱为至对流层定的高度气柱上山，H减小，辐散，f不变，则气旋性涡度减小，反气旋性涡度增大，气柱下山，气旋性涡度增大地形动力的影响（1）对流层中下层西风经过青藏高原时，分为两支，北支在400N以北甘肃一带形成高压或贝加尔湖高压脊。南支西风经高原南侧形成孟加拉湾低槽，槽前西南气流向北侵袭我国。两支气流在1100E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，即西南涡，西南涡东移到1100E以东时，成为诱导地面气旋生成的一个重要原因。（2）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。通常把这种高压称为兰州高压。这些高压是形成江淮切变线的天气系统之一。江淮切变线经常伴有地面静止锋，在条件合适时亦可能有地面气旋生成。B.热力影响冬季--相对冷源：使南支西风急流加速；夏季--热源：

a.对流层上层出现最强大的系统–南亚高压；

b.使高原南侧对流层上层出现地球上唯一东风急流；c.对流层低层出现最深厚的西南季风，该地区生成反hadley环流，气流在高原上升，在赤道地区下沉。青藏高原青藏高原五、能量收支（P164图4.19）

Q（太阳辐射）平均摩擦损耗维持纬向环流

Hardely环流（暖升冷降）

PMKM(纬向有效位能)Ferrel环流（冷升暖降）（纬向动能）发展槽脊南北热量输送斜槽对角动量的输送（反串级输送）

热力扰动环流（暖升冷降）

PE