大气环流课程讲义

通常用流函数来表示平均经圈环流：由连续 方程
1 u v cos ( ) 0 a cos p
1 [v ] cos [ ] 0 a cos p
对上式做时间和纬圈平均，可得：
定义流函数：
g [v ] 2a cos p
g [ ] 2 2a cos
三、大气环流学科的发展简史
对大气环流的研究是从最早尝试解释信风形成的原 因开始，至今约有300多年的历史，并大致可划分为四 个阶段： 1、形成了Hadley单圈环流的假说
1735年由Hadley提出的“单圈环流”模型，又称 为Hadley环流模型或直接环流模型。主要依据太阳辐 射在不同纬度非均匀加热的结果。单圈环流模型是不 完全的。首先它与观测不符；其次，低层大气全是偏 东风，必然造成大气给地球一个向西的力，由此使地 球自转减慢，这与地球自转角速度基本恒定的事实是 相反的。
六、 讲授内容： 1）大气环流的基本观测事实 2）大气中的水分平衡 3) 大气中的热量平衡 4) 大气中的能量平衡 5）大气环流的理论研究 6）大气中的低频变化和遥相关
第一章 大气环流的基本观测事实
§1 大气环流中物理量及其通量的分解 为了讨论大气不同尺度的运动及其在有 关物理量输送和平衡过程中的不同作用， 可采用多种不同的尺度分解计算方法，大 致有三种： 1）平均和扰动分解方法（**） 2）谐波分解方法 3）时间、空间的滤波方法
1）平均海平面气压场和风场
北半球冬季：6个大气活动中心：阿留申低压；冰岛低压；蒙古高压；加 拿大高压；夏威夷和亚速尔高压（副热带暖性高压） 。南半球：三个副高 中心：南太平洋、南大西洋和印度洋副高。
北半球夏季：5个大气活动中心：冰岛低压（减弱）；南亚热低压；北美南 部低压；夏威夷和亚速尔副高（北太平洋副高与大西洋副高。）低纬赤道 附近的低压带称——赤道槽：1月偏在南半球；7月移向北半球。
一、物理量的分解
设有物理量A（λ，φ，p，t），可分解为对时间T的平均和距平：
A A A 类似地，也可分解为空间平均和偏差两部分，一般是对纬圈的 平均：
综合时间和空间的分解，则任一气象要素可表示为：
A [ A] A
*
各项的物理含义：
---长期的纬圈平均值，称为纬向平均环流。如信风带。
3 、对大型涡旋（热量、动量的输送）在大气物理量 输送和平衡过程中的作用问题的研究（19世纪后期到 20世纪上半叶）
建立大气长波理论（由以Rossby为首的芝加哥学派创立）。 为了说明大气环流的三圈环流现象，Helmhotz（1888）提出涡 旋概念—气流与纬向平均气流的偏差，并不是现代天气学上的 高、低压，这种涡旋在维持大气环流方面起了重要作用，这为 后来的大气环流波动学说奠定了理论基础。
流函数的分布特点： 1）年平均情形，南北半球各有三环流圈：Hadley环流，Ferrel环流及极地环流圈
2）冬半球的Hadley环流十分强大，而夏半球的Hadley环流几乎完全消失
3）Hadley环流比中纬度Ferrel环流反环流强得多。
吴国雄等利用ECMWF5年的资料和新的算法算得的经圈环流
3 平均水平环流
2）对流层中部的平均水平环流
北半球冬季： 极涡有两个中心， 副热带高压所在 的纬高偏南在 20º 15º N之间。西风 带上出现三对平 均槽脊波动：
槽：亚洲东岸； 美州东岸和乌拉 尔山以西的欧洲 上空。 脊：阿拉斯加， 西欧沿岸以及贝 加尔湖。
北半球夏季： 极涡减弱，只 有一个中心。 副高北移到 20º N北侧，强 度加强，西风 强度明显减弱， 四个平均波动： 槽：北美大槽； 东亚大槽东移 20º ；欧洲西 岸槽，乌拉尔 山东侧上空槽 （弱）。
二、物理量通量的分解 通量----大气运动所引起的某物理量的输送率。 如某物理量 A 的经向通量，用 Av 表示，它的纬圈 和时间平均可分解为：
[ Av] [ A][v ] [ A][v] [ A* v* ] [ A*v* ]
其中：[ A ][v ] ---平均经向环流通量（反映平均经圈 环流的输送作用）
一、大气平均温度场
1、纬向平均大气温度的分布
由图可得出如下特点：
1）在极地平流层 有明显的季节变 化；
2）在所有季节， 赤道对流层顶附 近存在一强的极 小值； 3）在冬半球（尤 其在北半球冬 季），中纬对流 层顶以上存在一 极大值；
4）对流层的季节 变化相对要小；
5）中纬存在强的 经向温度梯度。
2．平均温度的水平分布
《大气环流》课程—观测事实部分
《大气环流》讲稿
序言
一、什么是大气环流？ -----包围地球的大气在全球规模进行的环行运动称为 大气环流。特点在于全球范围（或大范围），一般 指月以上的平均运动。 -----地球大气对太阳短波辐射的动力及热力反应的表 现。 二、大气环流的主要研究对象
在全球范围或其他较大尺度上，分析大气各种 气象参数的统计特征，并相对集中于探讨时间和经 度取平均的流场、温度场以及湿度场的统计特征及 其形成和维持的原因。
二、大气的平均环流
1、平均纬向环流（U分量） 由纬向平均的纬向风分量的纬度 - 高度剖面图，可得纬向平均 的纬向风环流的分布特征及其季节变化： 1）在地面附近，低纬和高纬存在东风，而中纬存在西风； 2）在平流层冬季极地附近存在西风急流（极夜急流）； 3 ）在平流层有大的季节变化（冬半球为西风，夏半球为东 风）； 4）在对流层上部（200hPa附近），南北半球各有一个西风极 大值；冬季：30o，30-40 m/s ；夏季：45o， 15-20大气？
1000-300hPa厚度场的特征： 1）北半球1月亚洲东岸是平均的温度槽，北大 西洋、北太平洋的东部是平均温度脊； 2 ） 7 月相反，两大洋上为温度槽，两大陆上 为温度脊；极赤温差减少；青藏高原上空强大的 暖中心说明它在夏季变成大气的热源； 3 ）南半球中纬度的等厚度线基本与纬圈平行， 只在夏季低纬度三个大陆上才有较明显的暖脊波 动。
c）大气环流异常遥相关的发现：如PNA型等。
四、新世纪初大气环流与大尺度动力学的发展展望： * 大气环流动力学将向气候系统动力学发展 * 大气环流和气候年际和年代际变化的研究将得到重视
*将更加重视全球加速增温对各区域大气环流与气候影响的 研究。
五、 参考书：
1、《大气环流基础》，卜玉康编，气象出版社，1994；
2、平均经圈环流
V风分布： （ 1 ）主要中心 位于冬半球低纬 度的低层和对流 层上部，符号相 反；
（2）两半球的 中纬度和高纬度 也有上、下层符 号相反，成对分 布的弱中心；低 层分别与中纬度 西风带和高纬度 东风带相对应。
Omega 垂 直 剖 面 ： 冬 季 ： 20S-10N ， 上 升 ； 10-35N ， 下沉 夏 季 ： 20N-10S ， 上升； 10-40S ，下 沉 南北半球的分布在 冬、夏基本上是对 称的，只是符号正 好相反，极大值位 于 400-500hPa 之 间。
4、大气环流观测事实和机理研究的发展，转盘模拟实 验及数值试验
1）大气环流观测事实的分析研究
* 大气中急流的发现（二战中，空袭日本的美国空军 B29轰炸机在日本上空遇到强西风，这是发现急流（中 纬度西风带）的一个开端）
*大气物理量的计算（角动量、热量） *平流层大气环流的研究：发现了平流层爆发性增温的 现象（Stratospheric sudden warming）
1 ）在地面附近 ，低纬 和高纬存在东风，而中 纬存在西风；
2 ）在平流层冬季极地 附近存在西风急流（极 夜急流）；
3 ）在平流层有大的季 节变化（冬半球为西风， 夏半球为东风）； 4）在对流层上部 （200hPa附近），南北 半球各有一个西风极大 值；冬季：30o，30-40 m/s ；夏季：45o， 1520 m/s。
2、《大气环流基础》，谢安、江剑民编，气象出版社，1994； 3、《气候物理学》，Jose P. Peixoto and Abraham H. Oort著，吴国雄、刘辉 等译，气象出版社，1995； 4、《气候动力学》，倪允琪 编著，气象出版社，1993； 5、《大气中的大尺度动力过程》，B. Hoskins, R. Pearce 编著，孙照渤等译， 气象出版社，1987。 6、《现代气候学研究进展》王绍武 主编, 气象出版社, 2001.，
[ A* v * ] ---常定涡旋通量（反映大气活动中心 、平均槽脊、海陆分布及地形影响） [ A][v] ----瞬变经向环流通量 ---瞬变涡旋通量（斜压不稳定作用） * *
[ A v ]
§2 大气环流的平均状况
影响大气环流的主要因子：太阳辐射能随纬度的不平 均分布、地球自转，海陆和大地形的分布、基本气流的不 稳定性、地表面的摩擦以及太阳活动等。前三个因子在我 们研究大气环流的时间长度内是相对稳定的因子，其共同 作用形成了大气环流的多年平均状况。其它因子随时间有 较大的变化。
2、三圈环流假说的发展
“三圈环流”是 1856年由 Ferrel 首先提出：即低纬与高纬 之间由三个环流圈组成，低纬和高纬各是一个直接环流圈，而 中纬度为一间接环流圈，称Ferrel环流圈。 “三圈环流”的直接原因仍是太阳辐射随纬度的非均匀加热造 成的。实际的观测表明：三圈环流模型中，间接环流相对较弱。
[ A]
A*
---表示纬偏值的时间平均图，称为常定涡旋（stationary eddies ）。主要反映大气活动中心、高空的平均槽脊以 及季风等特征。 圈平均项。就逐年、逐月平均相对多年平均而言，可反 映年际和季节变化。
[ A]---瞬时的纬圈平均对其多年平均值的偏差，也称瞬变纬
A
*

---瞬时纬偏值，称为瞬变涡旋项（transient eddies）。主 要反映天气尺度系统。
2） 关于大气环流机理的研究
•关于有效位能的提出：Lorenz（1955）从大气运动 的能量平衡来解释大气环流的演变，特别是提出有 效位能的概念，指出了大气温度在空间分布的不均 匀性是引起大气运动的根本原因。 •关于Hadley环流在维持大气环流的作用：对于全球 角动量的平衡起到重要的作用。 •关于大气环流转换的突变性：叶和陶（1958）在分 析了东亚大气环流演变的事实后，提出了东亚大气 环流季节转换是突变性的，这个看法比在 80 年代国 际上许多学者特别是Charney提出大气环流的非线性 突变要早20年。 •大气运动的地转适应理论