天氣學(xué)第四章丁

第四章大氣環(huán)流§4.1大氣平均流場(chǎng)特征與季節(jié)轉(zhuǎn)換§4.2控制大氣環(huán)流的基本因子與大氣環(huán)流的基本模型§4.5西風(fēng)帶大型擾動(dòng)本章重點(diǎn)：控制大氣環(huán)流的基本因子與大氣環(huán)流的基本模型基本概念環(huán)流：空氣沿一個(gè)封閉的軌跡運(yùn)動(dòng)，或沿著某一封閉軌跡循環(huán)運(yùn)動(dòng)的傾向。經(jīng)向環(huán)流：氣流沿經(jīng)圈方向運(yùn)動(dòng)（南北向）緯向環(huán)流：氣流沿緯圈方向運(yùn)動(dòng)（東西向）大氣環(huán)流：指全球范圍的大尺度大氣運(yùn)行的基本狀況，水平尺度在數(shù)千公里以上，垂直尺度在10公里以上，時(shí)間尺度在1-2日以上。是各種不同尺度的天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展和移動(dòng)的背景條件?！?.1大氣平均流場(chǎng)特征與季節(jié)轉(zhuǎn)換一、平均緯向風(fēng)分量的經(jīng)向分布見(jiàn)圖4.1低緯：東風(fēng)帶中高緯：西風(fēng)帶（北半球冬季最大風(fēng)速40m/s,30oN,200hPa夏季最大風(fēng)速16m/s,40oN,200hPa）極區(qū)：北半球夏季近地面：弱東風(fēng)對(duì)流層：西風(fēng)平流層：東風(fēng)南半球的情況與北半球類(lèi)似，但也有差別。

冬季夏季二、平均經(jīng)向風(fēng)分量的經(jīng)向分布冬季：對(duì)流層低層30oN以南：偏北風(fēng)40oN以北：南風(fēng)）(圖4.2)對(duì)流層高層：低緯30oN以南：南風(fēng)高緯40oN以北：北風(fēng)對(duì)流層中層：經(jīng)向分量很弱夏季：13-40oN之間：低層北風(fēng)高層南風(fēng)(圖4.3)低緯（近赤道）：低層南風(fēng)高層北風(fēng)平均緯向風(fēng)與平均經(jīng)向風(fēng)的比較：平均緯向風(fēng)分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)向風(fēng)經(jīng)向風(fēng)存在的重要性：v分量雖然很小，但依然存在，說(shuō)明大氣中存在空氣的南北交換和熱量輸送重要地區(qū)的認(rèn)識(shí)三、平均水平環(huán)流中緯低緯1對(duì)流層中部（500hPa，圖4.4）冬季三槽：亞洲東岸北美東部歐洲東部三脊：阿拉斯加西歐沿岸青藏高原北部槽：北美東亞地中海孟加拉灣東太平洋副熱帶高壓：海上夏季:(圖4.5)極區(qū)：極渦中緯：繞極西風(fēng)四槽：勘察加半島北美東部歐洲西海岸貝加爾湖到青藏高原減弱脊：減弱不清楚低緯：副熱帶高壓大大加強(qiáng)：北太平洋北大西洋非洲大陸西部出現(xiàn)閉合2對(duì)流層底部（海平面氣壓場(chǎng)）冬季一月份海平面氣壓場(chǎng)(圖4.6)阿留申低壓冰島低壓亞洲冷高壓北美冷高壓格陵蘭高壓太平洋副熱帶高壓（夏威夷高壓）大西洋副熱帶高壓（亞速爾高壓）一月份海平面氣壓場(chǎng)七月份海平面氣壓場(chǎng)(圖4.7)冰島低壓亞洲大陸低壓北美大陸低壓格陵蘭高壓太平洋副熱帶高壓（夏威夷高壓）大西洋副熱帶高壓（亞速爾高壓）七月份海平面氣壓場(chǎng)半永久性大氣活動(dòng)中心阿留申低壓冰島低壓太平洋副熱帶高壓大西洋副熱帶高壓格陵蘭高壓季節(jié)性大氣活動(dòng)中心亞洲冷高壓亞洲大陸低壓北美冷高壓北美熱低壓四、大氣環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換6月10月突變（圖4.8）§4.2控制大氣環(huán)流的基本因子與大氣環(huán)流的基本模型控制大氣環(huán)流的基本因子：太陽(yáng)輻射地球自轉(zhuǎn)地球表面不均勻性地面摩擦一、太陽(yáng)輻射作用thezonallyaveragedradiativebalanceonEarth圖4.11分析：

1200hPa以下（12km），無(wú)論冬夏，平均溫度梯度由赤道指向兩極2冬季南北溫差大于夏季3夏季平流層溫度梯度由極地指向赤道，冷中心位于赤道4無(wú)論冬夏，低緯地區(qū)對(duì)流層頂高于中高緯，兩者間有明顯斷裂如上的溫度分布可導(dǎo)致（假設(shè)地球不旋轉(zhuǎn)）：高層：極地位勢(shì)高度低，而赤道位勢(shì)高度高，由此產(chǎn)生由赤道指向極地的位勢(shì)梯度，高層空氣向極運(yùn)動(dòng)低層：極地冷空氣下沉，質(zhì)量堆積，低層產(chǎn)生由極地指向赤道的氣壓梯度，低層空氣向赤道運(yùn)動(dòng)如此構(gòu)成單圈環(huán)流：赤道上升，極地下沉，高層南風(fēng)，低層北風(fēng)直接熱力環(huán)流：由大氣加熱不均勻產(chǎn)生的，加熱區(qū)上升，冷卻區(qū)下沉的環(huán)流二、地球自轉(zhuǎn)單圈環(huán)流不考慮地球自轉(zhuǎn)，但地球自轉(zhuǎn)的情況下，空氣受到柯氏力的作用，在北半球向右偏在南半球向左偏，形成經(jīng)圈方向的三圈環(huán)流1Hadley環(huán)流的形成赤道上空向北流動(dòng)的氣流，在柯氏力的作用下向右偏轉(zhuǎn)，在30oN左右轉(zhuǎn)為西風(fēng)，并在此處輻合下沉，質(zhì)量堆積，地面氣壓升高，下沉氣流輻散，其中向南的一支在柯氏力影響下右偏，轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，此風(fēng)系穩(wěn)定，稱(chēng)為東北信風(fēng)，在南半球?yàn)闁|南信風(fēng)，兩支信風(fēng)在赤道匯合上升，從而構(gòu)成直接環(huán)流圈，稱(chēng)為Hadley環(huán)流Hadleycell東北信風(fēng)（NEtradewind）：北半球Hadley環(huán)流圈中低層向南的氣流，在柯氏力作用下向右偏而形成的一支穩(wěn)定的風(fēng)系。東南信風(fēng)（SEtradewind）：南半球Hadley環(huán)流圈中低層向北的氣流，在柯氏力作用下向左偏而形成的一支穩(wěn)定的風(fēng)系。赤道輻合帶（熱帶輻合帶）：赤道附近東北信風(fēng)和東南信風(fēng)匯合的地帶，簡(jiǎn)稱(chēng)ITCZ(intertropicalconvergencezone)2極地環(huán)流圈的形成極地能量虧損，溫度低，密度大，從而使氣壓隨高度遞減增大，高空有較低緯度指向極地的氣壓梯度，而低層有極地指向較低緯度的氣壓梯度。則低層空氣有指向較低緯度運(yùn)動(dòng)，在柯氏力作用下右偏成為東北風(fēng)，高層南風(fēng)在柯氏力作用下右偏成為西南風(fēng)，構(gòu)成極地環(huán)流圈3

Ferrel環(huán)流的形成Hadley環(huán)流中在30oN下沉輻散的氣流中，向北流動(dòng)的氣流，與極地環(huán)流圈中上升支匯合，在高空輻散，其中有一支向南運(yùn)動(dòng)。這樣在Hadley環(huán)流圈和極地環(huán)流圈之間存在一個(gè)與直接環(huán)流圈相反的環(huán)流，為間接環(huán)流圈，也稱(chēng)Ferrel環(huán)流圈。極鋒：極地環(huán)流圈中低層向南的東北風(fēng)與Hadley環(huán)流圈中下沉輻散而向北運(yùn)動(dòng)的西南風(fēng)相遇，干冷與暖濕氣流相遇而形成的鋒區(qū)。副熱帶鋒區(qū)：Hadley環(huán)流圈中高層向北運(yùn)動(dòng)的暖濕氣流與極地環(huán)流圈中上升輻散向南的一支氣流相遇而形成鋒區(qū)。在對(duì)流層上部明顯，有副熱帶急流與之對(duì)應(yīng)。4地面和高空流場(chǎng)分布：低緯地面極地中緯西風(fēng)帶低緯高空高緯中緯西風(fēng)帶東風(fēng)帶西風(fēng)帶氣壓場(chǎng)分布

季風(fēng)：隨季節(jié)而改變風(fēng)向的風(fēng)，主要由海陸熱力差異造成。高空急流：在300hPa以上，>=30m/s的風(fēng)速帶。總結(jié)：三圈環(huán)流東北信風(fēng)東南信風(fēng)赤道輻合帶極鋒鋒區(qū)副熱帶鋒區(qū)三、角動(dòng)量交換角動(dòng)量：在自轉(zhuǎn)的地球上相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)的單位質(zhì)量的空氣，由于摩擦和山脈的作用空氣與轉(zhuǎn)動(dòng)地球之間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩即角動(dòng)量絕對(duì)角動(dòng)量：M=(a+z)cosφ(u+Ω(a+z)cosφ)相對(duì)角動(dòng)量:u(a+z)cosφ地轉(zhuǎn)角動(dòng)量：Ω(a+z)2cos2

φ由于地面摩擦和山脈作用，極地和熱帶東風(fēng)帶得到西風(fēng)角動(dòng)量，中高緯西風(fēng)帶損耗西風(fēng)角動(dòng)量補(bǔ)充來(lái)源：大氣內(nèi)部通過(guò)非定常擾動(dòng)以及Hadley環(huán)流和Ferrel環(huán)流輸送角動(dòng)量給大氣，使得東風(fēng)帶和西風(fēng)帶得以長(zhǎng)期存在四、地球表面的不均勻性海陸分布對(duì)大氣環(huán)流的影響海陸熱力差異造成冬季大陸東岸有大槽西岸有脊形成地形的影響大地形的動(dòng)力作用，使氣流發(fā)生明顯的分支、繞流和匯合

上山和下山對(duì)槽脊的影響（絕對(duì)渦度守恒原理）H為氣柱為至對(duì)流層頂?shù)母叨?/p>

將上述關(guān)系代入（3.16）得到即位勢(shì)渦度守恒氣柱上山，H減小，輻散，f不變，則氣旋性渦度減小，反氣旋性渦度增大，氣柱下山，氣旋性渦度增大五、能量收支兩極是能匯，赤道和低緯是能源§4.5西風(fēng)帶大型擾動(dòng)概述1.

中高緯度對(duì)流層環(huán)流特征：中高緯度的平均經(jīng)向環(huán)流（費(fèi)雷爾環(huán)流）很弱，平均水平環(huán)流在對(duì)流層盛行西風(fēng)稱(chēng)為西風(fēng)帶。

2.西風(fēng)帶環(huán)流變化的主要特征：①主要特征：緯向環(huán)流<======>經(jīng)向環(huán)流②原因：

一.

環(huán)流指數(shù)與指數(shù)循環(huán)

1.

環(huán)流指數(shù)（西風(fēng)指數(shù)）Rossby把３５°～５５°之間的平均地轉(zhuǎn)西風(fēng)定義為西風(fēng)指數(shù)實(shí)際工作中把兩個(gè)緯度帶之間的平均位勢(shì)高度差（一般指500hPa）作為西風(fēng)指數(shù)Ｉ西風(fēng)指數(shù)Ｉ：

高指數(shù)→緯向環(huán)流低指數(shù)→經(jīng)向環(huán)流２.指數(shù)循環(huán)

西風(fēng)環(huán)流的中期變化主要表現(xiàn)為高低指數(shù)交替循環(huán)的變化過(guò)程，稱(chēng)為指數(shù)循環(huán)。二.西風(fēng)帶長(zhǎng)波1.長(zhǎng)波的概述①超長(zhǎng)波：波長(zhǎng)在一萬(wàn)公里以上，繞地球一圈可有１～３個(gè)波，生命史１０天以上,屬于中長(zhǎng)期天氣過(guò)程。②長(zhǎng)波：也稱(chēng)羅斯貝波，行星波。波長(zhǎng)３０００～１００００公里，全緯圈約為３～７個(gè)波，振幅１０～２０緯距，平均移速１０個(gè)經(jīng)距／日以下，有時(shí)很慢，呈準(zhǔn)靜止，甚至向西倒退。③短波：波長(zhǎng)和振幅均較小，移動(dòng)快，平均移速為１０～２０經(jīng)度／日，生命史也短，多數(shù)僅出現(xiàn)在對(duì)流層的中下部，往往迭加在長(zhǎng)波之上。（見(jiàn)圖4.30p175）2.長(zhǎng)波辨認(rèn)方法①制作時(shí)間平均圖（圖4.31a）②制作空間平均圖(圖4.31b、c)③繪制平均高度廓線(xiàn)圖(緯度40-60,圖4.31d)④分析長(zhǎng)波的結(jié)構(gòu)和特性長(zhǎng)波所處的位置：700hPa-平流層下部波長(zhǎng)：50-120經(jīng)距移速：緩慢可靜止和倒退熱力結(jié)構(gòu)：暖性脊，冷性槽辨認(rèn)長(zhǎng)波的簡(jiǎn)單的方法：看200-300hPa等壓面圖3.長(zhǎng)波波速公式

①.公式推導(dǎo)：假定大氣運(yùn)動(dòng)是正壓和水平無(wú)輻散的，流型具有正弦波形式且寬度很大，南北無(wú)變異，根據(jù)絕對(duì)渦度守恒原理，應(yīng)用小擾動(dòng)方法，可以求得波動(dòng)移速。由絕對(duì)渦度守恒

展開(kāi)上式，得：（4.14）

利用小擾動(dòng)法，令

（4.15）

其中：緯向基本氣流速度，為常數(shù)為經(jīng)向擾動(dòng)速度，是擾動(dòng)量經(jīng)向平均速度為零，緯向擾動(dòng)數(shù)度為零。（4.16）

(4.18)

(4.17)

流線(xiàn)方程：長(zhǎng)波波速波動(dòng)解：二階線(xiàn)性偏微分方程：在t=0時(shí),通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)(X=0,Y=0)的流線(xiàn)為：流線(xiàn)方程：波形的移速和波長(zhǎng)與流線(xiàn)波形的移速和波長(zhǎng)是一致的，只是位相差。利用t=0時(shí)的流線(xiàn)方程和V’方程可繪出以下曲線(xiàn)②.波速公式的討論a.b.c.波靜止？臨界緯向風(fēng)速？波后退？③.波速公式的物理意義：

相對(duì)渦度平流的作用地轉(zhuǎn)渦度平流的作用：

在不同緯度、不同波長(zhǎng)情況下臨界緯向風(fēng)速值表4.1臨界緯向風(fēng)速平均緯向風(fēng)速越大，緯度越高，長(zhǎng)波波速越快；平均緯向風(fēng)速越小，緯度越低，長(zhǎng)波波速越慢。d.當(dāng)

時(shí)，C=0,波靜止；Ls為臨界波長(zhǎng).

L>Ls,波后退；L<Ls,波前進(jìn)。不同西風(fēng)強(qiáng)度和緯度的情況下可計(jì)算所得到靜止波的波長(zhǎng)Ls值：

表4.2靜止波波長(zhǎng)與西風(fēng)風(fēng)速,緯度的關(guān)系e.其他因子由于假定水平無(wú)輻散，因此只適應(yīng)于600hPa，一般用于500hPa上下層的風(fēng)速不一樣，各層波的移速也不一樣。各緯度風(fēng)速不一樣，也可導(dǎo)致移速不同f.地形影響

阻擋g.預(yù)報(bào)長(zhǎng)波移動(dòng)的定性經(jīng)驗(yàn)：

i．預(yù)報(bào)上游槽的移動(dòng)時(shí)，要看它下游一個(gè)波長(zhǎng)和兩個(gè)波長(zhǎng)處的兩個(gè)槽的情況：如下游槽變慢，上游槽也將變慢；下游槽發(fā)展，上游槽也要變慢。

ii．長(zhǎng)波數(shù)目不變且比較穩(wěn)定時(shí)，如上游長(zhǎng)波槽突然移動(dòng)，則下游長(zhǎng)波槽也將依次移動(dòng)。

iii．當(dāng)長(zhǎng)波槽位于平均槽位置時(shí)（如冬半年我國(guó)東海岸上空），盡管上游槽移來(lái)，下游槽也將不動(dòng)，只有當(dāng)形勢(shì)有大變動(dòng)（長(zhǎng)波調(diào)整）時(shí)，它才明顯變化4.長(zhǎng)波調(diào)整①含義：長(zhǎng)波調(diào)整：長(zhǎng)波位置的變化和長(zhǎng)波波數(shù)的變化一般僅把長(zhǎng)波波數(shù)的變化及長(zhǎng)波的更替稱(chēng)為長(zhǎng)波調(diào)整。長(zhǎng)波調(diào)整是與長(zhǎng)波穩(wěn)定相對(duì)立的概念，長(zhǎng)波穩(wěn)定時(shí)，大型環(huán)流很少變動(dòng)。②預(yù)報(bào)長(zhǎng)波調(diào)整應(yīng)注意的幾個(gè)方面:a.長(zhǎng)波本身的溫壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征及地形影響b.不同緯度帶內(nèi)系統(tǒng)的相互影響(同位相疊加)c.緊鄰槽脊的相互影響（圖4.33）d.上下游效應(yīng)定義：大范圍上、下游系統(tǒng)環(huán)流變化的聯(lián)系，稱(chēng)為上下游效應(yīng)。上游效應(yīng):上游某地區(qū)長(zhǎng)波系統(tǒng)發(fā)生某種顯著變化之后，接著就以相當(dāng)快的速度影響下游系統(tǒng)也發(fā)生變化。下游效應(yīng):當(dāng)下游某地區(qū)長(zhǎng)波發(fā)生顯著變化后也會(huì)影響上游環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生變化。波群速：各種不同波長(zhǎng)的正弦波（綜合波）振幅最大值的移動(dòng)速度。上下游效應(yīng)與波群速有關(guān)三、阻塞高壓與切斷低壓阻塞高壓：在西風(fēng)帶長(zhǎng)波槽脊的發(fā)展演變過(guò)程中，脊不斷北伸，其南部與南方暖空氣的聯(lián)系會(huì)被冷空氣所切斷，在脊的北邊出現(xiàn)閉合環(huán)流，形成暖高壓中心，叫做阻塞高壓。切斷低壓：在槽不斷向南加深時(shí)，高空冷槽與北方冷空氣的聯(lián)系會(huì)被暖空氣切斷，在槽的南邊形成一個(gè)孤立的閉合冷性低壓中心，叫切斷低壓。（一）阻塞高壓概述1基本概念阻塞高壓與切斷低壓經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)。阻塞形勢(shì)：阻塞高壓出現(xiàn)后的大范圍環(huán)流形勢(shì)，一般發(fā)生在北緯50度以北。阻塞形勢(shì)的基本特征：有阻塞高壓存在并且形勢(shì)穩(wěn)定。是經(jīng)向環(huán)流。阻塞高壓與天氣：阻塞高壓的建立、崩潰、后退常常伴隨著一次大范圍（甚至是整個(gè)半球范圍）的環(huán)流形勢(shì)的強(qiáng)烈轉(zhuǎn)變。它的長(zhǎng)久維持會(huì)使大范圍地區(qū)的天氣反常.2阻塞高壓具備的條件①中高緯度（一般在５０°N以北）高空有閉合暖高壓中心存在。②暖高至少要維持三天以上，但它維持時(shí)期內(nèi),一般呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，有時(shí)可以向西倒退，偶爾即使向東移動(dòng)時(shí)，其速度也不超過(guò)７～８經(jīng)度／天。③在阻塞高壓區(qū)域內(nèi)，西風(fēng)急流主流顯著減弱,同時(shí)急流自高壓西側(cè)分為南北兩支，繞過(guò)高壓后再會(huì)合起來(lái)，其分支點(diǎn)與會(huì)合點(diǎn)間的范圍一般大于４０～５０個(gè)經(jīng)度。

3.阻塞高壓結(jié)構(gòu)：①它出現(xiàn)在對(duì)流層中上層，是深厚的暖性高壓系統(tǒng)，在它的東西兩側(cè)盛行南北氣流，其南側(cè)有明顯的偏東風(fēng)。②暖高凌駕于地面變性冷高之上，地面圖上高壓的東西兩側(cè)都有氣旋活動(dòng)，常以西側(cè)更為活躍。③暖高壓對(duì)應(yīng)著冷的對(duì)流層頂，２００ｈＰａ圖上高壓中心附近為冷中心。4.出現(xiàn)的地區(qū)、時(shí)間(亞洲)阻塞高壓經(jīng)常出現(xiàn)在烏拉爾山及鄂霍次克海地區(qū)；在亞洲維持平均則為８天，最短為３～５天；亞洲以５、６、７三個(gè)月出現(xiàn)最多；以在５５°～５９°N緯度帶內(nèi)出現(xiàn)的最多，而在４０°～５０°N緯度帶內(nèi)出現(xiàn)的最少。（二）阻塞高壓的建立第一型：阻高建立前環(huán)流由緯向型轉(zhuǎn)為經(jīng)向型b第二階段C第三階段第二型阻高形成1．在阻塞高壓形成的上游地區(qū)，有較強(qiáng)的冷空氣向南爆發(fā)，與冷空氣聯(lián)系的低槽明顯加深，致使槽前出現(xiàn)較強(qiáng)的暖平流與明顯的暖舌。于是暖平流與負(fù)的熱成風(fēng)渦度平流輸入前面的高脊，使高脊不斷發(fā)展。2．在高脊西側(cè)有槽向東南伸展，成為西北－東南走向的槽，高脊東側(cè)的槽向西南伸展，成為東北－西南走向的槽，使高壓脊斷開(kāi)，成為阻塞中心。這種槽的斜伸，常與冷平流造成的負(fù)變高相聯(lián)系。阻高形成的共同點(diǎn)：3從圖４．３８看來(lái)，在平流層下部２００ｈＰａ的脊線(xiàn)上和脊線(xiàn)以西，為冷平流。而在５００ｈＰａ的脊線(xiàn)上和脊線(xiàn)以西為暖平流，這種冷暖平流隨高度的分布有利于高壓脊的發(fā)展。㈢．阻高重建及連續(xù)和不連續(xù)后退1阻塞高壓重建阻高在某地建立相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間又趨于消失