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第三章大气的运动第一节气压带、风带的形成与移动 (1)第二节气压带、风带与气候 (13)第三节天气系统 (21)第一节气压带、风带的形成与移动必备知识一、大气的水平运动1．气压梯度：指同一水平面上产生气压差异，单位距离间的气压差。
2．作用力(1)水平气压梯度力：方向垂直于等压线，由高压指向低压，是大气产生水平运动的原动力，是形成风的直接原因。
(2)地转偏向力：方向与风向垂直，北半球向右偏转，南半球向左偏转。
(3)摩擦力：方向与风向相反，大小与距离地面高度成反比，高空可忽略不计。
3．风的受力状况与风向(以北半球为例)图示受力状况风向理想风向只受F(水平气压梯度力)影响垂直于等压线指向低压高空风向受F和P(地转偏向力)共同影响与等压线平行近地面风向受F、P和f(摩擦力)共同影响与等压线之间成一夹角[特别提醒]近地面摩擦力越大，风向与等压线之间的夹角愈大；反之，夹角愈小。
1．大气环流(1)概念：地球上大范围、有规律的大气运动。
(2)意义：大气环流把热量和水汽从某一地区输送到其他地区，调节了高低纬度之间、海陆之间的水热分布，对各地的天气和气候具有重要影响。
2．三圈环流及气压带、风带的形成和分布(1)形成原因：高低纬之间的受热不均和地转偏向力。
(2)三圈环流：①为低纬环流，②为中纬环流，③为高纬环流。
(3)七个气压带：A 为赤道低气压带(1个)，G 为极地高气压带(2个)，C 为副热带高气压带(2个)，E 为副极地低气压带(2个)。
(4)六个风带⎩⎪⎨⎪⎧低纬信风带⎩⎨⎧北半球：B 东北信风南半球：东南信风中纬西风带⎩⎨⎧北半球：D 西南风南半球：西北风极地东风带⎩⎨⎧北半球：F 东北风南半球：东南风[微思考] 为什么纬度60°附近容易形成降水？该处降水与赤道地区的降水成因是否相同？提示：纬度60°附近冷暖气流相遇，暖气流被冷气流抬升过程中温度下降而形成降水，属于锋面雨；赤道地区是因为空气膨胀上升过程中气温下降形成降水，属于对流雨。
引言：大洋环流与全球能量传输思考过程：1.净辐射的纬向差异的存在——热量从低纬向高纬输送2.气候模型模拟的结果只考虑大气环流的经向输送，高纬度气温比实测偏低20℃，中纬度海温偏低10℃。
3.结论：应有附加的经向热量输送。
北半球热量的经向输送4. 缺失项的估算在加入洋流热量输送的气候模拟中，低纬温度下降，高纬温度上升，温度接近实测结果。
5. 大洋环流的定义：海洋中具有相对稳定流速和流向的大规模海水运动现象。
第3节表层大洋环流(surface-ocean current)一、表层洋流的运动1.表层洋流运动与大气运动成因的差异太阳辐射对大气和海洋加热部位的不同；大气和海洋垂向运动趋势的不同；大气和海洋比热的不同，由于海洋温度的变化缓慢，而使得广大海域内的海水温度和密度的差异很小。
结论：大气和海水运动驱动力的不同，全球风场是产生表层大洋环流的主要驱动力。
2.风海流和简化表层洋流模式（1）风海流的定义(w ind-drift currents)风应力作用下形成的海水流动，厚度较薄。
（2）观测事实北半球的海水运动向风应力的右方偏离，南半球则向风应力的左方偏离；大洋涡旋(Ocean gyres)的存在：在北半球呈顺时针方向旋转，在南半球呈逆时针方向旋转。
平洋表面风海流运动推测的风的分布。
全球冬季表层大洋环流的分布简化的表层洋流模式3.实际表层洋流与简化模式的异同相似之处北半球副热带地区有一个顺时针方向的涡旋， 南半球副热带地区有一个逆时针方向的涡旋。
不同之处赤道逆流（补偿流）；环绕南极大陆的西风漂流（地形作用）；高纬气旋型涡旋在北大西洋更为明显；海水向涡旋的中部辐合，没有发生堆积。
可见，在风应力之外，还有其他的力作用于海水，形成表层洋流的运动特征。
二、洋流运动的机理（一）埃克曼输送1.实地观测：南森的北冰洋漂流2.理论推导：埃克曼的数学解释边界条件：持续强风，无限和均匀的海洋，无其他作用力。
假设：水的运动表现为许多相互独立的薄水层的运动。
第3章大气环流与大洋环流
思考题
1．大气运动的驱动力有哪些？在它们的作用下，大气是如何运动的？
2．什么叫地转风？它是如何形成的？怎样判断地转风的方向和高、低压位置？3．简述低层和高层大气平均水平环流的气压场与流场特征。
4．简述平均纬向环流和平均经圈环流的特征。
5．叙述对流层大气环流形成的机理和过程。
6．季风的定义是什么？东亚季风和南亚季风的主要差别表现在哪些方面？7．什么叫自然天气季节？它与天文季节有什么本质区别？简述我国东部各自然天气季节的大型环流与盛行天气过程。
8．地面风场对于表层洋流的产生有什么影响？为什么表层洋流的运动方向与风向不同？
9．解释埃克曼输送的形成及其对大洋中水体辐合与辐散的影响。
10．海水的垂直升降流与水体的辐合和辐散之间存在什么关系？上升流通常发生在什么地方？它对海洋中的养分循环和海洋渔业有什么影响？
11．什么是地转流？它是怎样形成的？
12．解释大洋涡旋西部边界海流和东部边界海流不对称特征的成因。
13．海水中的盐分来源于哪里？海水盐分含量维持基本稳定的原因是什么？14．大洋在垂直方向上可以分成几层？密跃层与盐跃层和温跃层之间存在什么关系？
15．大洋底层水是怎样形成的？它对于深层大洋环流的形成有什么影响？
16．温盐输送带的运动路线是怎样的？它对于海洋中的物质循环有何重要意义？
17．简述洋流在调节全球温度分布方面的作用。
18．什么叫厄尔尼诺和拉尼娜？它们的发生与南方涛动之间有什么关系？19．简述正常情况和厄尔尼诺与拉尼娜发生时赤道太平洋大气和海水运动的特征及其机理。
大洋环流和海气相互作用的数值模拟 前言!刘海龙（lhl@）!主讲教师： 张学洪(zxh@) 俞永强(yyq@) 周天军(zhoutj@) 刘海龙(lhl@) • 大气圈2－4周以上的长时间尺度变率都与下垫面的相互作用有关； 15km，2.5m，4mm，30mm • 海洋和大气是地球系统中最为活跃、关系最为密切的两个圈层； 日、天气、季节、季节内、年际、年代际 动量、热量、淡水、物质 • 圈层相互作用和学科交叉已成为地球科学发展趋势。
数值模拟是针对所研究的复杂性科学问题，建立数学模型，利用高性能计算机进行大规模科学计算的研究手段。
数值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一门“可实验”的科学。
什么是数值模拟？模式与观测、理论的关系 (From Stewart, 2004)核心 终极目标 相互验证 相互补充 • 解释大洋环流和海气相互作用的基本概念和理论 • 介绍模式设计的 初步知识 • 分析气候模拟的 典型问题 课程设计思路第三部分 典型问题模拟 第十章 ENSO的数值模拟 第十一章 印度尼西亚贯穿流的模拟 第十二章 全球变暖的事实、原因及其模拟 第二部分 模式介绍 第七章 大洋环流模式设计初步 第八章 海洋模式中的参数化过程 第九章 海冰及其数值模拟 第一部分 基础知识 第一章 热带太平洋SST，赤道流系，温跃层和海表高度 第二章 风生环流的Sverdrup理论 第三章 风应力，热通量，淡水通量 第四章 云对海气相互作用的影响 第五章 中高纬度海气相互作用 第六章 大洋热盐环流 ？ 共40学时，13次课 讲义和课件 • 讲义是我们自己撰写，课件基本是根据讲义准备。
讲义和课件都在不断改进中，因此有些章节二者并不完全一致。
• 本学期将统一印刷讲义，并免费提供给正式选课的同学（LASG科研经费），课件提供电子版。
发现讲义或可将中的问题请Email反馈给我们。
考点专练：4.4 海—气相互作用一、选择题大气环流和大洋环流源源不断地从低纬度向高纬度输送热量。
下图表示北半球向北的热量输送随纬度的变化。
完成第1～2题。
1.引起大气环流和大洋环流输送热量的根本原因是()A.海陆热力性质差异B.太阳辐射和地球运动C.气压带季节性移动D.海陆分布和地球运动2.曲线①②③代表的热量输送分别是()A.海洋输送、总热量输送、大气输送B.大气输送、总热量输送、海洋输送C.大气输送、海洋输送、总热量输送D.海洋输送、大气输送、总热量输送(2021年辽宁锦州期末)读下图，完成第3～4题。
3.“海—气”的物质与能量交换不包括()A.海洋是大气中水汽的最主要来源B.海洋是地球上太阳能的重要存储器C.大气主要通过风向海洋传递动能D．海底板块的扩张和碰撞4.下列海域“海—气”物质与能量交换最突出的是()A.波罗的海B.加勒比海C.渤海D.红海(2021年江苏扬州月考)2019年为厄尔尼诺年，厄尔尼诺是指赤道附近的信风减弱，使太平洋中东部的水温异常增温的现象。
读南太平洋赤道附近正常年份和厄尔尼诺年的海水垂直运动示意图，完成第5～7题。
5.从图可以看出()A.正常年份太平洋东部海区气温较高B.正常年份澳大利亚东海岸气温较低C.厄尔尼诺年太平洋西部海区气流下沉D.厄尔尼诺年南美洲东部海区气流下沉6.在厄尔尼诺年，下列事件发生可能性较大的是()A.南赤道暖流势力加强B.澳大利亚东部降水增多C.南美洲西部干旱区出现“绿洲”D.全球范围内冰川储存量增加7.厄尔尼诺现象对气候的影响主要有()①使所经过区域的气温多低于年平均值②向所经过区域的大气输送大量热量③扰乱了常规海流模式，使气候反常④使全球降水总量异常增多A.①②B.②③C.③④D.②④(2021年广东珠海模拟)茎柔鱼亦称“美洲大鱿鱼”，属喜冷水鱼类，对海水温度敏感而易发生迁徙，广泛分布于东太平洋海域，是秘鲁最重要的水产资源之一。
下图为东太平洋强厄尔尼诺年表层海水距平等温线分布示意图。
第一节常见天气系统知识点1：锋与天气1．气团(1)概念：水平方向上温度、湿度等物理性质比较均匀，垂直方向上物理性质也很相似的大范围空气。
(2)分类及天气①分类：温度比移经地区气温高的气团叫暖气团，比移经地区气温低的气团叫冷气团。
①天气：单一冷气团或暖气团控制的区域，天气现象单一，多晴朗天气。
2．锋面(1)概念：当冷、暖两种性质不同的气团接触时，它们之间就会出现一个交界面，叫作锋面，如图中B。
锋面与地面相交而成的线，叫作锋线，如图中C。
一般把锋面和锋线统称为锋。
(2)天气特征锋面两侧的温度、湿度、气压差别很大，锋面附近常伴有云、大风、降水等天气现象。
知识点2：锋的类型根据锋面两侧冷、暖气团的移动方向，可把锋分为冷锋、暖锋、准静止锋等。
冷锋暖锋准静止锋概念冷气团主动向暖气团方向移动的锋暖气团主动向冷气团方向移动的锋冷、暖气团势力相当，使锋面移动幅度很小的锋符号剖面示意图气团位置冷气团密度大，在锋面下；暖气团密度小，在锋面上锋面坡度较大较小很小雨区位置天气特征过境前单一暖气团控制，温暖晴朗单一冷气团控制，低温晴朗单一气团控制，天气晴朗Chapter 3第三章大气的运动知识点1.低气压(气旋)（1）低气压：在等压线分布图上，凡等压线闭合，中心气压低于四周气压的区域，叫作低气压，简称低压。
（2）气旋：在水平气压梯度力的作用下，低压的气流由四周向中心流动，受地转偏向力影响，低压的气流在北半球向右偏转，按逆时针方向流动(南半球相反)，大气的这种流动叫气旋。
（3）天气：低压中心形成上升气流，常出现阴雨天气。
2.高气压(反气旋)（1）高气压：在等压线分布图上，凡等压线闭合，中心气压高于四周气压的区域，叫作高气压，简称高压。
（2）反气旋：高压气流由中心向外流出，在北半球按顺时针方向旋转流出(南半球相反)，这种环流系统与气旋相反，叫反气旋。
（3）天气：高压中心形成下沉气流，天气晴朗。
一、我国东部锋面雨带的推移规律(1)锋面类型北进过程主要是暖锋，南退过程主要是冷锋，6月江淮流域主要是准静止锋。
第3章大气环流与大洋环流引言
第1节大气运动的驱动力
第2节大气环流的特征
第3节表层大洋环流
第4节深层大洋环流
第5节海洋－大气相互作用
引言
（一）风与大气的运动
1.风的定义
大气在水平方向上的运动称为风。
2.风的产生
不同地点之间气压的差别产生风。
3.风的尺度
局地尺度的大气运动——地方性的风 海陆尺度的大气运动——季风环流 行星尺度的大气运动——大气环流
（二）风的表述与测量1.风向：风吹来的方向。
风的16方位
仪器测定：风向标
设置高度：10m
2.风速：通常以km·h-1
或m·s-1为单位。
仪器测定：风速表
目视测定：风力等级
风的观测旗形树
（三）大气环流（atmospheric circulation）1.全球风的分布
根据1978年9月14日卫星雷达散射仪测量的太平洋表面风海流运动推测的风的分布。
低纬度地区为偏东风
中纬度地区为东北风和东南风
中高纬地区为西风，并形成许多风的旋涡
2.本质：地球上能量和物质传输的形式 地表与大气之间能量和物质传输； 低纬与高纬之间能量和物质传输； 海洋和陆地之间能量和物质传输。
3.根本原因：地表冷热源的不均匀分布 地表是热源，大气是热汇；
低纬地区是热源，高纬地区是热汇； 海洋和陆地为季节性的热源和热汇。
4.作用
驱动海水运动，产生表层大洋环流；
影响大气中化学成分和污染物质的扩散； 形成地球上水、热状况组合的空间分异; 影响陆地生物群落和自然景观的分布； 影响人类生活习惯和文化特征的形成。
大气圈通过大气环流使地球上各个大陆和大洋中的生物、人类与非生物环境联系成一个整体——地球表层系统。
作用：使空气沿着力的方向由高压向低压作加速运动，是形成风的原动力。
气压梯度与风速的关系
3.单一气压梯度力作用下的空气运动
地面高压区，空气辐散，形成下降气流；
地面低压区，空气辐合，形成上升气流。
4.高、低气压区的形成与海陆热力环流（1）成因
地面对空气的加热不均（热力原因） 空气的运动（动力原因）
（a白天，b夜晚，横线示等压面）
（二）地转偏向力
1.定义：由于地球自转而产生的使相对于地面运动的空气偏离气压梯度力方向的力。
2.本质：它是人们利用时刻在变化着的地球坐标系去衡量沿宇宙空间方向运动的物体时所产生的视偏差。
3.方向：在北半球，垂直于运动方向向右偏离；在南半球，垂直于运动方向向左偏离。
4.量值
随纬度的升高而增大，在赤道为0，在极地最大。
随物体运动速度的增大而增大。
单位质量物体的水平地转偏向力为：
ϕ
ωsin
A=
2v
地球上地转偏向力的分布
5.地转风的形成
在自由大气中，当水平气压梯度力和水平地转偏向力达到平衡时，空气沿着等压线做匀速直线运动，称为地转风。
在北半球，背风而立，高压在右，低压在左。
行星尺度的大气环流具有准地转风的性质。
4.梯度风的形成
在自由大气中的圆形闭合气压场的条件下，当水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力达到平衡时，形成梯度风。
在北半球，低气压中的梯度风是沿闭合等压线按反时针方向吹的，高气压中的梯度风则是沿闭合等压线按顺时针方向吹的；在南半球，低气压和高气压中梯度风的方向与北半球正好相反。
（四）摩擦力
1.定义
近地表运动的空气与地面之间产生的阻碍空气运动的力。
2.方向：与运动方向相反。
3.大小：与空气运动速度和摩擦系数（与地面的粗糙程度有关）成正比，作用随高度的上升而减弱。
=
kv
R−
4.气旋和反气旋
摩擦力降低近地面层的风速，削弱水平地转偏向力的作用，使风向与等压线成一定的交角。
在北半球，从高压区流出的空气呈顺时针方向旋转，形成反气旋；向低压区流入的空气呈逆时针方向旋转，形成气旋。
在南半球正好相反，反气旋呈逆时针方向旋转，气旋呈顺时针方向旋转。
第2节大气环流的特征
为什么通常用气压场表示大气环流状况？ 大气环流基本上呈准水平运动；
具有准地转风的性质——与等压线平行。
观察大气环流的视角
同一水平面上的大气运动状况
大致沿东西方向运动的纬向环流状况
大致沿南北方向运动的经圈环流状况
一、平均水平环流
（一）低层大气水平环流（海平面）1.气压场总体特征
气压沿纬向呈带状或单体状分布
赤道低压带（热力成因，永久性）
副热带高压带（动力成因，永久性）
副极地低压带（动力成因，永久性）
极地高压带（热力成因，永久性）
从冬季（1月）至夏季（7月），南、北半球的气压带向北移动，反之，向南移动。
2. 1月气压场特征
赤道附近为低压区
北半球两个副热带高压单体，停留在海洋上
大西洋：亚速尔高压
太平洋：夏威夷高压
大陆上为热力成因的冷高压（半永久性）欧亚大陆：蒙古高压
北美大陆：北美高压
北半球两个副极地低压单体，位于海洋上
大西洋：冰岛低压
太平洋：阿留申低压
南半球三个副热带高压单体
南太平洋高压，南大西洋高压，印度洋高压
南半球形成环绕纬圈的副极地低压带
3. 7月气压场特征
北半球两个副热带高压单体强度和范围增大
北半球大陆上为热力成因的热低压（半永久性）
亚洲南部：印度低压
北美西南部：北美低压
北半球两个副极地低压单体强度和范围减小
南半球形成副热带高压带
南半球形成环绕纬圈的副极地低压带
4.流场总体特征
赤道辐合带（无风带）：空气受热辐合上升，形成云带和大量降水，内部为静风区。
南北信风带：从副热带高压南侧流向赤道的空气，在Gn，A和R的作用下形成东北和东南信风，天气稳定。
西风带：在副热带高压北侧形成西风，它与北方冷空气交汇产生降水带。
极地东风带：从极地高压单体中流出的干冷空气呈反气旋运动，其南侧为比较弱的偏东风。
副极地低压内冷暖空气交汇形成极锋，地面为气旋性流场，形成冬季北美和欧洲的降水，以及冷湿的气候。
（二）高层水平环流
1.等压面与等压面图
（1）等压面：空间气压值相等的各点所组
成的面，通常是个曲面，高值的等压面在下，低值的等压面在上。
同一等压面高起的地方，对应它所在的
水平面上的高气压区；等压面低陷的地方，对应它所在的水平面上的低气压区。
（2）等压面图
将三维的等压面转化成两维的等高线。
求出某一等压面在各地上空距海平面的高度，然后在平面图上绘制出等高线图，即为等压面图。
2.北半球500 hPa等压面形势
在极地上空，冬、夏季都为极地低压所占据，冬强于夏。
1月两个中心：格陵兰西部极区（较强）和西伯利亚北冰洋沿岸（较弱）；
7月一个中心：格陵兰西北部。
在低纬地区上空，冬、夏季都有高压存在；高压中心在太平洋、大西洋和非洲北部，夏强于冬。
3.流场总体特征
水平环流也以纬向环流为主；
在中、高纬地区上空全年盛行西风，有巨大的槽脊波动，称为西风波；
低纬地区上空为偏东风。
西风波的发展
二、平均纬向环流
1.北半球平均纬向风速的经向垂直剖面
赤道及其附近地区，冬、夏季均为深厚的东风，从冬季到夏季，东风带向北移动，范围扩展，强度增大。
中纬度地区，冬、夏季均为深厚的西风所占据，范围和强度均随高度增大，西风急流位于200～300 hPa上空，冬强于夏。
极地的近地面层，冬、夏季为浅薄的弱东风，其厚度和强度都是冬季大于夏季。
2.纬向风带划分
近地面层的纬向风带可分为低纬度信风带
中纬度西风带
极地东风带
高空的纬向风带可分为
低纬东风带
中高纬西风带
三、平均经圈环流
1.北半球冬、夏都存在3个平均环流圈
哈得莱环流圈：最强
费雷尔环流圈：最弱（西风急流）
高纬环流圈：次强
2.季节变化
环流圈的强度和范围都是冬季比夏季大； 位置从冬到夏向高纬移动约10个纬度。
四、大气环流的形成机理
1.温压场的纬向分异
由赤道指向两极的温度水平梯度；
在地面，从极地（极地热力高压）指向赤道（赤道热力低压）的水平气压梯度； 在对流层的中、上部则产生从赤道指向极地的水平气压梯度。
2.纬向和经圈环流的形成
3.图解模型。
