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本章目录大气环流概论1经圈环流2极地环流3大气平均流场特征与季节转化4急流5东亚大气环流特征6我国大气环流概况和主要天气过程7中国气象局气象干部培训学院四川分院2.1大气环流概论一、大气环流的概念和尺度环流：空气沿一封闭的轨迹运动，或有沿着某一封闭轨迹循环运动的倾向。大气环流：将围绕地球的大气在全球范围展开的环流运动统称为大气环流。这种大范围的大气运动的基本状态，是各种不同尺度天气系统发生、发展和移动的背景条件。尺度：水平尺度：数千公里以上垂直尺度：10公里以上时间尺度：一至几天、一月、一季、半年、一年的直至多年平均的大气环流垂直方向上地球大气按照温度分层热层外逸层自上而下五层：对流层、平流层、中间层、热层和外逸层二、驱动大气环流的根本动力和控制因子大气运动的根本能源是太阳辐射能。地球自转和公转使得太阳辐射能在地球表面的非均匀分布，在地球表面产生温度差异，这是大气环流的原动力。•控制因子内部因子（大气本身）可压缩性连续性流动性水平尺度和垂直分布外部因子太阳辐射能地球表面摩擦作用海陆分布大地形三、热力环流原理由于下垫面受热不均，热的下垫面空气受热膨胀上升，冷处的下垫面空气收缩下沉，而形成的空气环流。高压高压低压低压热冷由于这种环流是因温度分布不均而产生的，所以称为热力环流2.2经圈环流一、极地赤道间的经向环流：一圈环流假设：①地表均一（不存在地形）；②地球不自转；③太阳直射赤道太阳辐射随地理纬度的增高而减少，造成了赤道地区温度高，极地地区温度低。低纬度大气因加热膨胀上升，在高空流向高纬和极地，形成极地高压带；高纬度大气因冷却收缩下沉，在低空流向低纬和赤道，形成赤道低压带。在极地赤道间就构成了南北向的闭合环流，称为一圈环流。二、极地赤道间的经向环流：三圈环流与一圈环流的不同点：在考虑了地球自转的条件下，一圈环流模式将不会存在，大气环流将变得更复杂。主要原因：在存在相对于地球运动的时候，产生地转偏向力。北半球指向右，南半球指向左。与一圈环流的相同点：假定地表是均匀，即不考虑地形对大气环流的影响。1、热带环流以北半球为例：当空气由赤道上空向极地流动时，它由于受到地转偏向力的作用逐渐向右偏。偏向力随纬度增高而加大，在纬度30°～35°处，气流与纬圈接近平行，空气在这里堆积下沉，导致地面气压升高，形成副热带高压带。地面气流分为两支，一支流向赤道，一支流向极地。流向赤道的一支形成闭合环流圈，称为热带环流。0°30°N30°S热带环流又称哈得来环流（HadleyCell），形成在赤道到30°~35°之间，是一个直接热力环流。热带环流又称信风一反信风环流。流向低层流向赤道的气流在地转偏向力的作用下，在北半球成为东北风，在南半球成为东南风，称为东北信风和东南信风。这两支信风到了赤道附近辐合上升，在高空北半球吹西南风，在南半球吹西北风，称为反信风，所以这样由信风反信风构成的热带环流又称为信风（低空）—反信风（高空）环流。2、极地环流极地环流形成在极地到60°~65°之间，是一个直接热力环流。极地空气极端寒冷，气柱收缩下沉，冷空气在极地低层堆积形成极地高压。下层空气由极地高压流向赤道方向，在地转偏向力的作用下，北半球吹东北风，南半球吹东南风。在极地高压与副热带高压之间60°～65°附近相对的形成一低压，称为副极地低压带。3、中纬度环流中纬度环流形成在30°～60°之间。低层由极地流向低纬的空气与副热带下沉流向极地的空气在副极地地区相遇而辐合上升，在高空一部分流向副热带上空与热带来的高空气流合并，一起下沉完成中纬度的间接环流。中纬度环流是由热带环流和极地环流强迫出来的间接环流。极锋急流副热带急流三圈环流动态图2.3极地环流极地特征地理位置：66.5°N以北为北极地区（北冰洋为主）66.5°S以南为南极地区（大陆为主）能量特征：大气在极地上空平均是净支出热量，所以极地是大气的冷源。研究意义：中、低纬度的热量通过平均经圈环流和大型涡旋不断向极地输送，大气在极地冷源上丧失热量形成冷空气，然后向南侵袭，影响中、低纬度的环流和天气，所以研究极地环流很有意义。极地涡旋断裂为两个闭合中心，一个在格陵兰西侧与加拿大之间，另外一个在亚洲的东北部。极地是一个槽区（低压区）。一、1月份极地环流特征二、7月份极地环流特征7月份气压系统明显减弱，低中心在极点附近，低压中心的轴线几乎垂直。极地地区，地面图上多年平均气压是高压。1月（左图）和7月（右图）北极多年平均气压（百帕）三、极地边缘锋面气旋活跃北极的气旋活动，冬季主要发生在极地边缘，在大西洋和太平洋的北部边缘获得最大发展，因为这里北冰洋的北极气团与中纬度较暖的海洋气团之间存在巨大的温度差异，因此气旋活动也就频繁起来。但是就整个北半球而言，气旋活动最频繁的地带冬季平均在47ºN，夏季约在62ºN附近，由冬到夏移动15个纬度。四、极地气温分布地面温度：冬季~-30°C以下；夏季~0°C近地层：两公里以下为强逆温，因为冰雪面上强烈辐射极地对流层顶是全球最低——平均位于300hPa五、极地环流异常若极地上空有暖性的反气旋侵入，并持续较长时间（几~十几天），则极涡中心南移——造成中高纬度强冷空气的侵入，暴发寒潮。据统计，在10个冬半年影响我国的171次寒潮中，有102次都在亚洲上空出现持久的极涡，特别是其中最强的6次寒潮过程，极涡就在亚洲上空，位置明显偏南。在强寒潮发生前，亚洲上空早已有一个稳定的强大极涡系统，并且一直维持到寒潮爆发以后。2.4大气平均流场特征与季节转换风的基本概念•风是空气的流动现象，气象学中常指空气相对于地面的水平运动。•风是矢量，用风向和风速表示。其中，风向是指风的来向（如东风是指从东面吹来的风）。风速基本单位m/s。•除实际风之外，根据各种定义，还有地转风、梯度风、季风等。•东西方向上的风称为纬向风，南北方向上的风称为经向风。规定：西风为正，东风为负；南风为正，北风为负一、平均纬向风分量的经向分布低纬地区：东风，大值中心在平流层；夏季北半球近地面有小范围弱西风）；垂直向上，冬窄夏宽。中高纬地区：西风，最大风速中心在200hPa高度附近，冬强（30N）夏弱（40N），整个东西风风带随季节有南北移动。极区：近地面为弱东风；冬季从对流层到平流层均为西风；夏季对流层为西风，平流层为东风。冬季夏季二、平均经向风分量的经向分布•30°N以南的对流层低层，有较强的平均偏北风，约最大3.5米/秒，200~300hPa之间有明显南风分量中心，最大平均风速为2.5米/秒。•40°N以北低层平均为南风，高层平均为北风，但是平均风速都不足1米/秒。图2.12北半球冬季平均经向风分量（负值为北风）北半球冬季二、平均经向风分量的经向分布•赤道区域，底层平均南风分量达2.5米/秒，高空为2米/秒以下的北风分量。•13°~40°N，底层盛行1米/秒以下的北风分量，高空深厚的气层里都是较弱的南风。图2.13北半球夏季平均经向风分量（负值为北风）北半球夏季小结纬向风比经向风大得多说明地球上空大气运动基本上是环绕着纬圈自东向西（东风）或自西向东（西风）运动的。南北向的空气交换冬强夏弱，经向风量级虽小，但作用大。经向风的分布反映出三圈环流赤道辐合带冬季位于赤道以南夏季位于赤道以北三、平均水平环流1、大气活动中心（海平面气压场）•分析多年平均海平面气压图，可知，全球经常有7~8个巨大的高、低压区，一般称之为大气活动中心。•大气活动中心的形成与下垫面有很大关系。北半球海陆交错，大气冷热源有季节变化，大气活动中心随季节也有很大变化。南半球的海陆分布较均匀，大气活动中心则较为稳定。多年平均海平面气压图（1月）•北半球有西伯利亚高压、阿留申低压、冰岛低压、北美高压四个大气活动中心。•南半球有赤道低压，位于印尼到澳大利亚的西太平洋。另外，东南太平洋，南印度洋及南大西洋各有一个高压，其中东南太平洋高压较强，印度洋高压最弱。多年平均海平面气压图（7月）•北半球大气活动中心只有以下三个大气活动中心：印度低压、太平洋副热带高压、大西洋副热带高压。•南半球正是隆冬，大洋上三个高压强度增强，澳大利亚大陆区也为高压区，所以有四个高压中心。三、平均水平环流2、对流层平均水平环流（500hPa气压场）图2.15北半球500hPa平均等高线(a)1月(b)7月1、对流层中部中高纬冬季三槽：亚洲东岸、北美东部、欧洲东部三脊：阿拉斯加、西欧沿岸、青藏高原北部夏季四槽：北美东岸、西欧、亚洲中部及西太平洋夏季槽强度大大减弱，脊不清楚2、对流层中部低纬度：副高夏季加强北移位于太平洋、大西洋和北非大陆三、平均水平环流——平流层平均水平环流平流层指100~1hPa层的大气，100~10hPa为平流层低层，10~1hPa为平流层高层。图2.16北半球100hPa平均等高线1月极涡强大，中高纬三个大槽还很清楚。7月极涡减弱，范围收缩，而副热带高压非常明显，亚非大陆为强大的高压所控制。图2.17北半球10hPa平均等高线1月份：对流层的三槽结构越往上越不明显，到了10百帕近似于两槽结构，一个在美洲大陆，另一个在亚洲大陆。极涡是冷性的，越往上越明显，强度越强。极涡中心四周，约在50~70ºN有一强风速区，称为极夜急流。对流层低层阿留申低压所在地区，平流层低层为暖性高压，越往上越强，即是阿留申高压。7月份：平流层高层极区中心为一个近似同心圆的暖性高压所控制，整个半球盛行东风环流，这时水平温度梯度已反转过来，变为极地暖而赤道冷。辐射能尤其是太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源。一年中整个地球可以由太阳获得5.44×l024J的辐射能量。地面和大气一方面吸收太阳辐射能(短波），另一方面又不断地放出辐射能（长波），辐射热交换是决定热状况的热量交换方式之一。净辐射能=吸收太阳辐射能-放出辐射能4、大气中的辐射收支情况低纬度能量有盈余，而高纬度能量亏欠为了维持大气的能量平衡，需要有向极地的能量输送，从而使赤道与极地间的温差减小。5、大气中温度场的情况a.平均温度场大气内部直接获得的短波辐射很少，大气内部的能量获得主要还是通过下垫面的能量输送，而且海洋下垫面的热量输送更为重要。因此我们需要了解反映全球平均加热场特征的平均温度的基本特征。冬季(a)和夏季(b)海平面平均温度（℃）平均温度场的基本特征是纬向分布的，温度从赤道向极地减小，这反映辐射能量净实际收支的分布决定了温度随纬度的变化。但是由于海陆分布的热力差异，形成不同经度上的温度槽脊，这在北半球最显著。冬季北半球有两个冷中心分别位于西伯利亚东北部和格陵兰。暖洋流使得高纬地区的温度比单纯太阳辐射影响确定的温度要高；冷洋流使得低纬地区的温度减小。冬季南北温度差明显地大于夏季。对流层：赤道比极地暖，温度差从下往上递减。平流层：夏极地的温度比赤道高。5、大气中温度场的情况b.大气温度随纬度分布的垂直剖面图2.5急流急流是围绕地球的强而窄的强风带。高空急流是指一股强而窄的气流带，急流中心最大风速在对流层的上部必须大于或等于30米/秒，它的风速水平切变量级为每百公里5米/秒，垂直切变量级为每公里5~10米/秒。急流水平长度达上万公里，环绕地球，宽度约几百公里，厚度约几公里。在一定纬度上，急流中心最大风速值愈强，水平宽度愈宽，长度愈长。同一风速值的急流带低纬比高纬长些。1、急流的概念、尺度和分类急流中心长轴就是急流轴，急流轴线上可能有多个风速极大值中心，急流轴在三维空间中呈准水平，多数轴线呈东西走向。急流的宽度是指急流中心两侧风速等于最大风速一半的两点间的距离。对流层上部的急流是弯弯曲曲环绕着地球的，某些地区强些，另一些地区弱些，甚至在某些地区中断（风速小于30米/秒），有时出现分支，有时两支急流汇合起来。急流的入口区气流辐合；急流的出口区气流是辐散。急流轴的左侧风速具有气旋性切变，右侧风速具有反气旋性切变。涡度梯度在急流轴附近最大。急流的基本特点600百帕以下出现的强而窄的气流称为低空急流。中心最大风速、水平切变和垂直切变均达不到高空急流的标准，尺度也比对流层上层的急流的尺度小得多，但它与暴雨、飑线、龙