丁一汇高等天气学热带大气的动力学特征与辐散环流课件

第七讲热带大气的动力学特征与辐散环流丁一汇国家气候中心高等天气学系列讲座单元三：热带大气环流和天气系统1精选课件热带一般是指南北半球副热带高压脊线之间的区域，而副热带高压脊线也是地面东风带和西风带之间的分界线。这个分界线平均位于30º纬度左右。热带几乎占全球面积的一半。它之所以重要主要有三个方面：第一，热带是整个大气的水汽、热量和角动量源。第一章已一般的说明了正是在热带大气从地面得到角动量，并在热带大气所获得的热量超过了向外辐射所损耗的热能，这种盈得的动量和热量向极地方向输送以补偿中高纬的大气角动量和热量的损失；第二方面是由于热带大气和扰动与中高纬的大气和扰动有明显的相互作用，这使得人们不能把这两个地区的环流看作是完全孤立的，其中任一地区的预报都必须考虑来自另一地区的影响；第三，热带地区是地球上主要的海洋区，海气相互作用以及遥相关显著，这是影响全球天气与气候形成和异常的一个主要原因。2精选课件图7.1平均纬向风的纬向剖面。左：12～2月平均；右：6～8月平均根据1971～2000年NCEP再分析资料制作单位：m·s-1（王慧提供，2004）3精选课件7.1热带大气的动力学特征4精选课件5精选课件6精选课件7精选课件8精选课件由于热带天气尺度系统的无辐散性，所以过去一些人认为这种系统的发展与来自中纬度的侧向强迫作用有关。实际上这种机制并不是必要的。热带天气尺度扰动的发展完全有可能从热带行星尺度运动系统取得能量。例如可以注意到，对流性天气尺度的扰动（包括热带气旋）常在特定的地理区域形成，这些区域正好对应于行星尺度流型的上升区，如西太平洋，西大西洋地区等。9精选课件（3）存在着不同类型大尺度低频变化的流型或波动。用经典的潮汐理论不少人对行星尺度、缓慢变化的热带大气进行了研究。在不同的环境条件和强迫作用下（如不同的非绝热加热）得到了一些不同类型的大尺度流型或波动。这些流型与观测十分相近。例如对于纬向波数1的情况，人们发现在热带存在着向西和向东传播的重力波、向东传播的凯尔文波、向西传播的混合Rossby波（或者叫MY波，因是由Maruyama和Yanai发现）以及斜压和正压的Rossby波。其中开尔文波与混合Rossby波尤其重要，这在第二章作了详细讨论。在东风基本气流情况下。只有开尔文波具有很慢的速度，以致可以看作是定常解。对于西风基本气流，可以激发出一系列的Rossby波。对于潮汐波在实际纬向风速条件下总是瞬变的。10精选课件11精选课件图7.2赤道大气Kelvin波的气压场和风场水平分布（取自Matsumo,1966）12精选课件图7.3赤道大气混合Rossby—重力波的气压场和风场水平分布（取自Matsumo,1966）13精选课件混合Rossby—重力波的流场相对于赤道是一个对称涡旋，而气压场不与赤道呈对称分布，高低压中心分别位于赤道的两侧。风压场的关系在相对高纬的地区近似于地转关系，而在近赤道地区非地转分量很大，在赤道上纬向速度，但是经向速度v达到最大，并且几乎与等压线相垂直。经向速度v的大小沿y方向相对于赤道而言呈Gauss分布，离开赤道地区波动迅速减弱。14精选课件15精选课件16精选课件图7.4沙特阿拉伯（左图）阿拉伯海（中图）和孟加拉湾（右图）上空大气非绝热加热分量的垂直分布。QR：净辐射；QC：凝结加热；QW：感热加热；FM（E—W）是东西方向的热通量，FM（N—S）是南北方向的热通量。单位：Kd-117精选课件18精选课件19精选课件20精选课件7.2辐散环流21精选课件图7.5200hPa北半球夏季（6～8月）多年平均（1968～1980）的辐散环流分布。箭头代表辐散风分量，箭头长度代表辐散风速。实线代表速度势等值线，单位：5×105m2·s-1；D：高空辐散，C：高空辐合22精选课件全球辐散环流如下，在北半球冬季（尤其在1979年1月）（图7.6a）主要哈得莱环流的上升支在5ºS附近，下沉支在30ºN附近，造成这支哈得莱环流圈的因子主要是亚洲冬季风。另一个哈得莱环流是在5ºS上升，30ºS下沉、与澳大利亚季风有关的环流圈，因而澳大利亚季风是北半球冬季南半球哈得莱环流圈的一个有机组成部分。澳大利亚北部的降水变率与印尼－澳大利亚北部辐散环流上升支的周期性经向移动有关。澳大利亚大部分地区的辐散风属于南半球这支次要哈得莱环流圈的。了解这支环流圈的特征和演变对于全面了解澳大利亚季风是非常重要的。与南大西洋和东南太平洋下沉支有关的辐散环流也值得进一步研究。23精选课件夏季辐散环流的主要特征是（图7.6b）：（1）如前面指出，亚洲夏季风影响的范围很广。上升区位于阿萨姆－孟加拉地区，相应有三个下沉气流：太平洋的东西或瓦克环流的下沉支，西南印度洋的季风下沉区和地中海及沙漠热低压的下沉区。（2）与非洲季风有关的辐散环流比较局地性，在西非5ºN附近为上升支，东南太平洋15ºS附近为下沉支。这个下沉区也与中美洲附近的强上升区密切有关；（3）邻近中美洲（10ºN附近）的东太平洋地区对流活动很强。在这个暖海面每年有20～25个热带气旋形成。主要上升运动区就位于此处。这支辐散环流的下沉支在南太平洋和南大西洋，它们是哈得莱环流和东西环流的重要部分，对南半球副热带急流的强度和变化有重要作用。24精选课件图7.6全球辐散环流的三维分布概略图。根据FGGE资料作出。（a）1月；（b）7月（a）1月（b）7月25精选课件7.3主要热带天气系统这里主要只一般性讨论赤道辐合带和热带波。赤道辐合带是热带环流中十分重要的行星尺度系统。它在海洋上可以产生很长的热带云带。根据最近20多年的研究，从观测方面关于赤道辐合带得到了以下一些主要结果：（1）辐合带一般不在赤道上，常位于离赤道一定纬度的地方。从图7.7可以看到，在亚洲季风区和西太平洋赤道辐合带是弯曲的，1月位于17°S～18°N范围，7月在2°N～27°N之间，在东半球辐合带的位置变化最大，这是由于北半球南亚和北非的夏季风和南半球夏季南非和澳大利亚的季风造成。（2）辐合带在海洋地区纬向位置的季节变化比在大陆上要小。在海洋上大约为10°～15°，而在大陆上为20°～25°。在大洋的东部辐合带位置变化较小。26精选课件（3）在北太平洋，辐合带位于赤道与15°N之间，在9～10月其位置最北。在北大西洋，辐合带位于赤道与10°N之间，其最北位置也是出现在9～10月。在南太平洋，虽然可以观测到一条持续性云带，从热带（印尼地区）一直伸展到南半球副热带（约35°S），但通常不把这条云条看作赤道辐合带。在印度洋，赤道辐合带位于10°S～10°N之间。有时在赤道每一侧各存在一条辐合带，即双赤道辐合带现象，目前这种现象被看作是一种主要的气候的特征。（4）陆地上的辐合带一般与太阳加热的季节进程一致。在西非，1～2月位于～5°N，8～9月位于22°N。在印度，当季风中断时辐合带位于25°N，即在喜马拉雅山山麓。辐合带的这种显著北移与西藏高原的热源作用有关。（5）海洋上的辐合带一般出现在暖SST（海表温度）区域。27精选课件图7.71月（a）和7月（b）亚洲季风区和热带太平洋850hPa平均流场和OLR图。该图由1971~2000NCEP资料制作（柳艳菊提供，2004年）28精选课件图7.8Meanstreamlineat850hPaforsummer(July-September),(a)formonthswithmanytyphoons,and(b)formonthswithfewtyphoons.Blackcircledenotesthelocationoffirstdetectionoftyphoons.29精选课件图7.10Mean850hPastreamlinefieldsforJuly(a),August(b),September(c),andOctober(d),averagedfor1979-1999.TheboldsolidlinesdenotethepositionoftheITCZmonsoontroughs.Shadedareasrepresentweakwindverticalshear,withV200-V80030精选课件辐合带中所有变量分布对辐合带几乎时对称的，并且季节变化不明现。这表明辐合带的作用全年不变。气压在辐合带槽线处最低，经向风是吹向槽内的，相应出现辐合。气流的稳定度很小。辐合带的暖心结构是很明显的，最暖的层次在对流层上部。与温度距平一致，比湿距平表现为明显的湿区。由于上述温湿分布特征，高压应位于赤道辐合带上部，低压位于对流层下部。上部应对于流出层，下部对应于流入层，其间的无辐散层在500hPa左右赤道辐合带中。湿静力能量（cpT++Lq）的垂直分布表明（图7.10），在对流层中部有最小值（～700hPa）。在700hPa以下为位势不稳定层。这种分布表明，不能用一般的扩散概念来说明辐合带的向上热输送，因为在这种情况下整层湿静力能量分布应向上减小。这时应引用“负粘性”的概念也即涡旋输送或对流输送的概念。31精选课件图7.10赤道槽内和离槽20°纬距处湿静力能量（cpT++Lq）的垂直分布。单位：cal·g-1（1cal＝4.1868J）32精选课件热带大气中的扰动有许多种类，对于天气尺度的扰动主要有热带波、高空冷涡、热带气旋、季风低压等。他们的尺度一般在1000～2000km左右。这里主要以热带波动为例讨论热带扰动的结构，更详细的讨论可参看。热带波在有利环境条件下可以发展成台风或飓风，太平洋和大西洋上的台风和飓风很大部分是由这种热带波发展而来的，因而其作用十分重要。由于热带地区尤其是海洋地区资料缺乏，目前除个别地区或个别时段外（专门的热带试验），大多用各种不同的综合法来得到热带扰动的结构。其中最有名的是Reed和Recker和Gray的综合法。下面给出的非洲热带波结构的结果即是根据Reed等的综合法分析得到的（图7.11）。33精选课件波的经向风最大值在650hPa，强度为5m·s-1。纬向风结构表明，槽前为东风，槽后为西风。相对涡度在650也有最大值，在200hPa存在着反气旋涡度最大值，这表明综合热带波是非常深厚的，几乎达整个对流层。在地面槽线前方有大的辐合，而最大的水平质量辐散位于同一地区的200hPa层上。在中间层，水平辐散的分布较乱。最大垂直速度在700hPa，约5hPa·h-1（1～2cm·s-1）。最大上升运动恰位于槽线之前方，但卫星云图有时表明云系主要分布在槽线处，这于Riehl的经典东风波模式（由位涡守恒解释）也不同。这点值得进一步研究。温度场分布表明，700hPa以上是冷心，300～400hPa层中是暖心，再高层又是冷区。干区一般与北风同时出现，而湿区位于槽后南风区。在高层，分布恰与低层分布相反，这种原因