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1、1,Ch10、大气环流和海洋环流,全球纬向风分布, 热带辐合带, 哈德雷环流, 费雷尔环流, 季风, 风生洋流, 温盐环流, 海气耦合和沃克环流,2,本章参考书:,Meteorology Today, C.D. Ahrens (Chapter 9, 6th or 7th edition), Atmospheric Science: An Introductory Survey, John M. Wallace and P.V. Hobbs (Chapter 8), An Introduction to Dynamic Meteorology, J.R. Holton (Chapter 1 an
2、d 2, 3rd edition) Introduction to Circulating Atmosphere, Ian N. James, Cambridge University Press, 1994.,全球大气和海洋环流,在前面我们学习了龙卷、强风暴、台风和气旋等天气系统,这些从小到大的天气系统都是区域性的。 这一章我们学习空间尺度可以和地球的尺度相比较的大气运动系统,也称为行星尺度大气环流或全球大气环流。一般来说环流指的是闭合的流场,全球环流则指的是闭合环流圈的空间尺度很大,可以和行星的尺度相比较。 海洋大气是密切相关的。风驱动海洋流动形成风生环流,海洋环流也会反过来影响大气运动,
3、海洋和大气环流耦合在一起共同影响全球气候变化。所以,这一章我们除了学习大气环流,也将学习海洋环流。在下一章,我们将更详细地学习大气和海洋环流是如何影响全球气候的。,3,1、全球纬向风分布,纬向风指的是大气风场的纬向(东-西)分量,通常用u来表示。相应地,南北方向的分量称为经向风,用v来表示,垂直分量用w表示。 地面风场和高空风场的分布既相似,也不完全一样。,4,12-2和6-8月平均近地面风场,5,在北半球,我们通常用12-2月份的平均代表冬季、6-8月份的平均代表夏季。 右图所示的是近地面风的分布,箭头代表气流的方向。无论是冬季或夏季,中高纬度一般吹西风,热带吹东风。为什么?,DJF,JJA
4、,6,1和7月平均的500mb 等压面上高度场和流场,等值线为500 hpa等压面上的等高线,箭头表示气流方向。 热带为东风,中高纬度为西风。,平均的纬向风随高度和纬度的分布,如果我们对纬向风分量在纬圈上作平均,可以得到纬向风随高度和纬度的变化。在对流层,热带为东风,中高纬度为西风。在平流层,冬半球是西风,夏半球是东风。其中的粗实线是东风和西风的分界线。,7,纬向平均温度场分布,8,对流层大气吸收地球的长波辐射,赤道地区温度高,两极温度最低。 在平流层,臭氧吸收太阳紫外辐射,夏半球极地温度高,冬半球极地温度最低。 气压梯度力和科氏力的平衡造成平流层夏半球吹东风、冬半球吹西风。,热带地区为什么是
5、东风?,热带地区是东风意味着大气运动比地球自转慢,这是可以理解的。地球自转带动大气运动,所以,大气运动的速度最多只能等于地球的自转速度,也就是风速为零。 如果赤道地区是西风,说明大气运动的速度比地球旋转还要快,这需要其他物理过程提供能量才行。 在金星、木星和土星上,赤道地区确实是存在西风的。这种现象称为超级旋转,也就是比地球的自转还要快。,9,2、热带辐合带 (Inter-tropical convergence zone, ITCZ),10,热带东北信风和东南信风在赤道附近地区形成的辐合区。 右图所示的是太平洋地区近地面气流的流线,可以清楚地看出在赤道地区有一个辅合带。中高纬度地区有涡旋。,
6、ITCZ,从降水量看热带辐合带,上图,1月份降水;下图,7月份降水。 热带地区有一个带状的降水区,该降水带对应热带辐合带。在热带太平洋东部和大西洋,辐合带很窄。在西太平洋和印度洋,降水区由于季风的作用而相对宽阔。,11,3、哈德雷环流 (Hadley Circulation),在18世纪,航海已相当发达,根据多年航海的经验,人们已知道在赤道的北侧存在东北信风,赤道的南侧存在东南信风。 1875年,英国气候学家Hadley根据地面观测到的热带信风推测,由于热带地区较热,空气上升,在大气高层向两极流去,在极地变冷下沉,在地面向赤道流去,构成一个闭合的单圈环流。,12,单圈环流假想 (G. Hadl
7、ey, 1735),单圈环流是哈德雷根据热力作用的结果提出来的,并没有考虑地球的自转作用。 如果没有地球自转,大气在经圈方向的环流并是单圈的。 但由于地球自转,经圈环流并不是单圈的。,13,三圈环流,由于地球的自转,当大气自赤道流向高纬度时,科氏力的作用使得气流逐渐偏向东,再加上辐射形成的南北温度梯度的限制,哈德雷环流只能在大约南北纬30度的地方下沉。 在20世纪20年代人们提出了旋转地球上三圈环流的理论模型:,14,4、费雷尔环流 (Ferrel Circulation),与哈德雷环流相反,费雷尔环流在较冷的地方上升(大约南北纬60度的地方),在较热的地方下沉(大约南北纬30度的地方),这说
8、明费雷尔环流并不是由热力因素驱动的。,15,费雷尔环流,在第8章,我们学习了锋面和气旋,我们知道冷锋是由于冷气团南下推动暖气团上升形成的。 平均来说,锋面和气旋的多发区是在大约南北纬60度的地方。在那里由于锋面的作用,南边来的暖气团平均来说呈上升运动。所以,费雷尔环流是动力驱动的。,16,费雷尔环流和锋面气旋关系示意图,17,锋面气旋附近暖空气上升。,极区环流,和哈德雷环流一样,极区环流在较暖的地方上升,在较冷的地方下沉,也是由于热力驱动的环流。,18,根据观测资料计算出的三圈环流 (来自李大玮),19,20,经圈环流模型的历史演变,从哈德雷的单圈环流到现在的三圈环流经历了一个漫长的过程。 1
9、735年,Hadley提出了单圈环流的假说。但是,在随后的近半个世纪里,人们并不知道它的存在。 Immaneul Kant(1756)和John Dalton(1793)又分别提出了类似的环流模型和解释。很久之后,Dalton才发现并指出他的环流模型在半个世纪前已经由Hadley提出了。,1837年, Heindrich Wilhelm Dove提出了不同版本的单圈环流,21,Dove注意到了在中纬度,地面风并不总是偏北风,所以,Hadley环流不可能延伸到极地,他提出Hadley环流只能到达副热带,但他没有关注中高纬度的经向环流。,22,1855年,Matthew Maury提出了一个两圈环
10、流的模型,1855年,海军军官Matthew Maury提出了一个两圈环流的模型。他的Hadley环流基本是对的,但没有极区环流。 他也没能解释为什么。,23,1856年,Ferrel提出了一个接近现代的模型,1856年,中学教师费雷尔提出了一个接近现代的三圈环流模型。正是因为这一点,中纬度地区的环流被称为费雷尔环流。 他也是第一个应用科氏力、气压梯度力和摩擦力之间的平衡来解释中纬度地区地面的偏南风。,24,1857和1892年,Thomson提出了一个不同的模型,James Thomson的经圈环流模型包括一个单圈环流和一个浅薄的反向环流在中高纬度低层。,25,1859年,Ferrel提出了
11、他的第二个版本,1959年,Ferrel 改变了了他本人先前提出的模型。这个模型结合了他先前的模型以及Thomson的。但与正确的模型距离更远了。,26,1921年,Vilhelm Bjerknes提出了一个接近正确的模型,但极区有两个环流圈,27,1928年,Bergeron的模型大约接近于我们现在认可的,但完整的理论解释是由Held和Hou在1980年提出的。,28,经圈环流造成的气压,风,雨随纬度的带状分布,不同纬度的带状气候分布,29,哈德雷环流和副热带干旱区,30,5、季风环流,季风是由于海陆温差对比随季节的变化引起的。 我国是受季风影响最大的地区之一,我国的夏季降水在很大程度上是受
12、季风系统控制的。,31,季风,32,亚洲大陆和海洋分布形成宣明的南北对比,它们之间温差随季节的变化,使得该地区成为最典型的季风区。 夏季,陆地相对海洋较暖,气压较低,风自海洋吹向陆地,带来水汽和降水。冬季,陆地相对海洋较冷,气压较高,风自陆地吹向海洋,气候寒冷干燥。,季风和海陆风形成的原理相似,季风和海陆风形成的原理相似,但空间尺度和时间尺度均大得多。 夏季像白天,冬季向晚上。,33,青藏高原对季风环流的影响,青藏高原的热力作用加强了该地区的季风环流。 高原的热力作用就像山谷风的原理一样,但空间和时间尺度较大。夏季像白天,冬季像晚上。,34,6、风生洋流,大气运动作用在海洋表面上,通过摩擦力(
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