大气环流的基本问题课件

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1、 大气风暴大气风暴:主要讲授了三种主要讲授了三种典型的大气风暴典型的大气风暴1.最大的风暴最大的风暴温带气旋温带气旋 其 突 出 特 点 是其 突 出 特 点 是温带气旋形成于温带气旋形成于一条锋面上一条锋面上，在，在这里相邻两气团这里相邻两气团之间绝大部分温之间绝大部分温度对比集中形成度对比集中形成一条狭窄的过渡一条狭窄的过渡层，按天气图尺层，按天气图尺度来度来看，实际上看，实际上相当于一条温度相当于一条温度或密度的不连续或密度的不连续线。线。温带气旋的温带气旋的经典模型经典模型Bjerknes 1919提出并经他和提出并经他和 Solberg（1921，1926）稍加修改过的气旋基本模式稍

2、加修改过的气旋基本模式Next page锋面气旋锋面气旋 的空间结构的空间结构 2、中等强度的风暴、中等强度的风暴台风台风或或飓风飓风3、最强的风暴、最强的风暴龙卷风龙卷风Hardtner,Ks.June 2,1929.Photo 1997 Kansas State Historical Society.A classic cyclone was captured on film(left)as it struck the town of Hardtner.Folks remembered a light shower that fell mid-afternoon on Sunday,Jun

3、e 2,1929.The mist made way for a giant tornado that twisted a combine beyond recognition and burned the beards off wheat.Credit to Kansas State Historical Society.Wichita,KS April 26,1991.Photo by Keith Lathrum24 May 1973,looking NW.Zoom view during the tornados mature phase,showing a well-developed

4、 debris fan.The main precipitation area is to the right and middle rear;and the south edge of the well-developed wall cloud can be seen at extreme left.Films of this stage show scud tags near cloud base moving rapidly from left to right as the circulation approached town.Many tornadoes veer leftward

5、 in their fading moments as their parent circulations become deeply occluded.This one,however,made a broadly curving right turn(southeastward)along with the entire thunderstorm.Union CityOKNear El Dorado,KS May 26,1991.Photo by Tim Marshall 第一章第一章 大气环流大气环流 高空环流云系特征高空环流云系特征 低空东、西风带低空东、西风带（1 1）定义定义 大气

6、环流指的是在全球范围内，水平尺度横跨数大气环流指的是在全球范围内，水平尺度横跨数千公里，垂直尺度延伸数十公里以上，时间尺度在千公里，垂直尺度延伸数十公里以上，时间尺度在 105 S以上大气的平均运动。以上大气的平均运动。所谓环流，指的是空气沿一封闭的轨迹移动，或有所谓环流，指的是空气沿一封闭的轨迹移动，或有沿着某一封闭轨迹循环运动的倾向。沿着某一封闭轨迹循环运动的倾向。显然，气流沿经圈方向的运动称为经圈（向）环流，显然，气流沿经圈方向的运动称为经圈（向）环流，沿纬圈方向移动称为纬圈（向）环流。沿纬圈方向移动称为纬圈（向）环流。一般说来，大气环流的异常变化必然会导致天气、一般说来，大气环流的异常

7、变化必然会导致天气、气候的异常。气候的异常。4.1 4.1 大气环流的基本概念大气环流的基本概念（2 2）控制大气环流的基本因子）控制大气环流的基本因子太阳辐射太阳辐射 大气环流形成与维持的基本能源是太阳辐射能大气环流形成与维持的基本能源是太阳辐射能地球自转地球自转 地球自转产生地转偏向力，会影响大气以及其它物地球自转产生地转偏向力，会影响大气以及其它物 体运动的方向；体运动的方向；摩擦作用摩擦作用 消耗大气中的动能，增加大气与地球之间的能量消耗大气中的动能，增加大气与地球之间的能量 交换；交换；地球表面的不均匀性地球表面的不均匀性 对季风的形成与维持起着至关重要的作用。对季风的形成与维持起着

8、至关重要的作用。（1 1）风场的产生）风场的产生 风：空气的水平运动；风：空气的水平运动；根据状态方程，温度变化会产生温度梯度，由此根据状态方程，温度变化会产生温度梯度，由此引起气压场变化，气压梯度增大，气压场变化导引起气压场变化，气压梯度增大，气压场变化导致风场变化。后两者遵循风压定律。致风场变化。后两者遵循风压定律。4.4.2 2大气运动的基本特性及其成因大气运动的基本特性及其成因温度场变化温度场变化气压场变化气压场变化产生风场产生风场（2 2）几种不同类型的风）几种不同类型的风 季风季风由海陆热力差异的季节变化造成由海陆热力差异的季节变化造成 的风的风(也有动力作用也有动力作用)；海陆风

9、海陆风海洋与陆地的热力差异造成的海洋与陆地的热力差异造成的 昼夜风向相反的风；昼夜风向相反的风；山谷风山谷风由山谷热力差异造成的昼夜风向由山谷热力差异造成的昼夜风向相反的山谷环流；相反的山谷环流；焚风焚风地形造成的一种典型的干热风；地形造成的一种典型的干热风；布拉风布拉风地形造成的一种典型的干冷风。地形造成的一种典型的干冷风。海风海风 （Daytime Sea Breeze）海陆风海陆风陆风陆风 （Nighttime Land Breeze）海陆风的形成机理海陆风的形成机理岛屿或者沿海城镇午后容易产生雷阵雨的原因解释岛屿或者沿海城镇午后容易产生雷阵雨的原因解释4.4.3 3全球范围大气环流的基

10、本特征及其成因全球范围大气环流的基本特征及其成因 NS夏至夏至冬至冬至太太阳阳太太阳阳（1）地一气系统的太阳短波射入辐射和地一气系统的太阳短波射入辐射和长波辐射通量随纬度变化的情况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 由由 ECMWF 分 析分 析资料计资料计算的大算的大气温度气温度随纬度随纬度变化的变化的情况情况（0C）纬度纬度 summerwinter（2）气压梯度和温度梯度的南北配置气压梯度和温度梯度的南北配置-等压面；等压面；等温面等温面；空气运动的环流轨空气运动的环流轨迹迹(3)环流的形成环流的形成（4）Hadley环流理论模型环流理论模型，1735年年单圈环

11、流单圈环流 （5）三圈环流三圈环流三圈环流的建立三圈环流的建立 热带热带 Hadley 环流圈环流圈-直接环流圈；直接环流圈；Ferrel 环流圈（中纬度环流圈）环流圈（中纬度环流圈）-接环流圈接环流圈 极地极地 Hadley 环流圈环流圈-直接环流圈直接环流圈（a）理论模型理论模型罗斯贝罗斯贝(RossbyRossby）经向三圈环流模式图）经向三圈环流模式图（6）（7）Idealized Circulation for Rotating Earth 极地环流圈极地环流圈 费雷尔环流圈费雷尔环流圈 哈得莱环流圈哈得莱环流圈赤赤道道极极地地（8）三圈环流观测事实（利用实际资料）三圈环流观测事实（

12、利用实际资料分离出的实例，箭头代表流线方向）分离出的实例，箭头代表流线方向）（9）经向三圈环流以及与其相关的天气系统）经向三圈环流以及与其相关的天气系统（10）低空辐合、辐散带与气旋、）低空辐合、辐散带与气旋、反气旋之间的关系反气旋之间的关系温带气旋温带气旋发源地发源地热带气旋热带气旋发源地发源地副热带高压副热带高压发源地发源地左：68月平均；右：122月平均根据19712000年NCEP再分析资料制作 单位：ms-1（王慧提供，2004）平均纬向风（东西风）的经向分布剖面图平均纬向风（东西风）的经向分布剖面图对流层冬季平均环流对流层冬季平均环流 500 hPa对流层中层平均高度场（对流层中层

13、平均高度场（1 1月）月）（a）极涡极涡 无论冬夏季，都存在围绕极地地区的低压中心，称极涡（极地涡旋）极涡（极地涡旋）。环绕极涡的等高线，由地转风关系，表示了气流气旋性的运动方向。这种以极地地区为中心的沿纬圈的西风带呈现波动状。但极涡中心并不正好在南北极。在冬季北半球冬季北半球，存在两个极涡中心，其中一个较强的位于格陵兰西部格陵兰西部，另一个较弱的在东西伯利亚东西伯利亚的北冰洋沿岸的北冰洋沿岸。在夏季夏季北半球，只有一个极涡中心位于加拿大极区加拿大极区。北半球冬季对流层以极地为中心的沿纬圈的西风带上有行星北半球冬季对流层以极地为中心的沿纬圈的西风带上有行星尺度的平均槽、脊系统。其中有尺度的平均

14、槽、脊系统。其中有三个明显的槽三个明显的槽：一是在：一是在140E的亚洲东岸（由鄂霍次克海向较低纬度的日本及中国东海倾的亚洲东岸（由鄂霍次克海向较低纬度的日本及中国东海倾斜），称为斜），称为东亚大槽东亚大槽；二是位于；二是位于80W的北美大陆东岸（自大的北美大陆东岸（自大湖区向较低纬度的西南方倾斜），称为湖区向较低纬度的西南方倾斜），称为北美大槽北美大槽；三是在；三是在1060E之间，乌拉尔山以西，由欧州北海向西南方向伸展的较之间，乌拉尔山以西，由欧州北海向西南方向伸展的较弱的弱的欧洲浅槽欧洲浅槽，是三个槽中最弱的一个。在三个槽之间有，是三个槽中最弱的一个。在三个槽之间有三三个平均脊个平均脊，

15、分别位于，分别位于阿拉斯加阿拉斯加、西欧沿岸西欧沿岸和和贝加尔湖地区贝加尔湖地区，脊，脊的强度要比槽弱得多。的强度要比槽弱得多。（b）槽脊系统槽脊系统冬季冬季500 hPa对流层中层平均高度场（对流层中层平均高度场（7 7月）月）槽脊系统槽脊系统对对流流层层夏夏季季平平均均环环流流 夏季北半球对流层中部的环流与冬季相比有显著的不同。中夏季北半球对流层中部的环流与冬季相比有显著的不同。中高纬度的西风带上由三槽三脊转变为高纬度的西风带上由三槽三脊转变为四槽四脊四槽四脊。等高线变稀疏，。等高线变稀疏，其强度比冬季显著减弱。北美大槽的位置由冬至夏没有明显变其强度比冬季显著减弱。北美大槽的位置由冬至夏没

16、有明显变化，而化，而东亚大槽即向东移东亚大槽即向东移20个经度个经度，到了勘察加半岛以东附近，到了勘察加半岛以东附近，而而乌拉尔山以西的浅槽到夏季已不存在乌拉尔山以西的浅槽到夏季已不存在。北美大槽和东亚大槽。北美大槽和东亚大槽之间的距离加长，引起季节性的长波调整，形成两个相对较弱之间的距离加长，引起季节性的长波调整，形成两个相对较弱的波动，在的波动，在欧洲西岸欧洲西岸 和和乌拉尔山以东乌拉尔山以东附近附近地区各出现一个弱的地区各出现一个弱的浅槽，从而构成了浅槽，从而构成了夏季四槽的形势夏季四槽的形势。总体而言，。总体而言，北半球对流层北半球对流层中部的环流可以归纳为中部的环流可以归纳为“冬三夏

17、四冬三夏四”环环流形势。流形势。夏季夏季(c)海洋表面主要的洋流海洋表面主要的洋流太太 平平 洋洋瓦克瓦克环流环流4.4.4 4 海洋上的海洋上的El Nino 现象现象(1)(d)海海洋上的洋上的Elnino 现象现象(2)Elnino海洋上的海洋上的Elnino 现象：开始阶段现象：开始阶段海洋上的海洋上的Elnino 现象：发展阶段现象：发展阶段ElninoThe image below displays the Sea Surface Temperature(SST)Anomalies in degrees Celsius for the middle of September,199

18、7.By this time,the classic El Nio pattern has almost fully ripened,with maxima above+4 degrees Celsius.Example：1997-1998 El Nio The most recent El Nio event began in the spring months of 1997.Instrumentation placed on Buoys in the Pacific Ocean after the 1982-1983 El Nio began recording abnormally h

19、igh temperatures off the coast of Peru.Over the next couple of months,these strength of these anomalies grew.The anomalies grew so large by October 1997 that this El Nio had already become the strongest in the 50+years of accurate data gathering.城区城区气温高气温高郊区郊区气温低气温低郊区郊区气温低气温低城市城市“热岛效应热岛效应”城市风城市风Thank you!