第3章 大气环流

第三章大气环流

目录

3.1 大气环流的基本概念 (2)

大气环流的基本概念 (2)

3.1.1 当代大气环流研究 (2)

3.1.2 大气环流尺度分解 (7)

3.2 热力驱动的环流 (14)

热力驱动的环流 (14)

3.2.1 Hadley环流 (14)

3.2.2 大气平均热量场 (23)

3.2.3 海洋对大气环流的影响 (30)

3.2.4 “温室”气体对大气环流的影响 (32)

3.3 旋转地球上的环流 (33)

旋转地球上的环流 (33)

3.3.1 大气环流的运动特征 (33)

3.3.2 三圈环流 (35)

3.3.3 摩擦作用下的环流 (41)

3.3.4 地形影响 (45)

3.4 实际大气环流的平均特征 (48)

实际大气环流的平均特征 (48)

3.4.1 平均环流 (49)

3.4.2 平均环流的季节特征 (59)

卫星探测图片 (61)

习题 (61)

参考文献 (62)

引言

大气环流这个名词在气象学科的各个领域都有所提及,对其的理解也不尽相同。从其一般意义而言，大气环流强调的是空气的运动，它包括大气中一切以运动形式存在的总体。本章主要讨论全球范围、长时间平均[1]的大气运动及其变化。各种短期天气现象和过程必定以其相关的平均大气环流过程为背景。而平均大气环流的异常变化必会导致天气、气候的异常。天气学家每天要分析高空和地面天气图，天气图上的形势常有一些以全球尺度环流为背景的短期的槽脊、涡旋的演变，如台风;有一些环流系统呈现明显的年、季变化，如副热带高压;还有些系统是定常存在的，天天出现在天气图上，例如西风带。这些环流系统大小不一，移速快慢有别，强度变化不定。它们为什么定常、周期性或间隙性地存在?这些环流是怎样形成的? 为什么有我们现在所观测到的结构?这是本章所要回答的问题。[1] 所谓长时间平均，是一个相对时间尺度概念，即时间足够长，使得我们可以不考虑个别的天气系统的演变；同时时间足够短，使得其月、季变化必须得以完整体现出来。

3.1 大气环流的基本概念

大气环流的基本概念

大气环流指的是在全球范围内,其水平尺度横跨数千公里，垂直尺度延伸数十公里以上，时间尺度在秒以上的平均运动。所谓环流，指的是空气沿一封闭的轨迹移动，或有沿着某一封闭轨迹循环运动的倾向。显然，气流沿经圈方向运动称为经圈（向）环流、沿纬圈方向移动称为纬圈（向）环流。

3.1.1 当代大气环流研究

在二十世纪，大气环流的研究获得了长足的发展。当代大气环流研究的一个最显著的特点，或者说与传统大气环流研究的分野，在于人们认识到决定大气环流变化的基本因子不单是大气内部的种种过程，还决定于发生在大气上边界和下边界处的各种物理和化学过程（如图3.1所示）。

图3.1大气—海洋—冰—陆地和生态圈所组成的复杂系统示意图

了解加热、摩擦、地形、海陆分布、光化过程等外部强迫作用对各种天气环流型的不同贡献，有助于对大气环流的基本事实、基本规律的深入理解，并将进一步揭示大气内部不同尺度运动的相互联系与作用。这对确定全球性和区域性天气分布和气候类型的成因及演变规律，达到改善长、中、短期天气预报的目的具有重要意义。这就是说，大气环流的演变不仅仅是大气内部的状态和行为的反映，而且是与大气密切相关的太阳辐射、海洋、冰雪、陆地和生态圈所组成的复杂系统的总体行为。当体现这种总体行为的时间尺度需以年代为标尺，那就进入了气候和气候变化所研究的领域；而全球范围内大气环流的时间尺度则需以年和季节度量（详见表3.1），这正是本章讨论的重点。当时间尺度需以天为标尺，空间尺度局限于个别天气系统的区域范围，则正是天气学研究的范畴。对本书所论述的各种天气尺度现象而言，大气环流是造成有利于或不利于某个天气系统盛行于某地的“环流背景”。另一方面，现代的大气环流研究领域正深入到气候学的传统研究领域，例如埃尔尼诺现象、温室气体效应、臭氧层效应和大气环流的相互影响等等。近代关于大气非线性动力学理论的发展把大气环流和气候学两者更紧密地联系起来。大气环流的基本状况决定着气候系统未来的变化趋势，特别是对大气环流的演变规律的深入理解与否，不仅决定常规天气预报的成败，也同样影响月、季的气候预报准确率。而这种短期的气候预报则是现代气候学的研究重点和难点。

表3.1大气环流的尺度特征

在研究方法上，当代大气环流研究和传统大气环流也有明显的不同。经典大气环流研究中的统计方法和定性描述尽管仍然有着重要的应用，现代的大气环流研究却更注重推理及定量观测和分析，并对大气环流的形成和变化进行理论和数值模拟。现代大气环流研究离不开现代化的定量观测手段和方式，特别是卫星观测的应用，使得人类首次拥有了对全球大气环流进行全方位、多角度、多层次的观测手段。从图3.2可以看到气象观测站的地理分布是不均匀的，尤其是在早期，测站主要集中在北半球中纬度地带，而热带、极地和南半球几乎是空白。特别是在广阔的海洋和人迹罕至的内陆观测则更为稀疏。这种观测网覆盖不完全所带来的问题有时会造成事实的虚假观测，例如，如果气象观测网站的分布保持在1850—1870年代的原貌，那么北半球在二十世纪40年代平均气温的估计大约比用当代观测网所估算的平均气温低。这是因为在十九世纪50—70年代气象观测网站的分布集中在欧洲，而欧洲在二十世纪40年代平均气温很低。

图3.2全球正规气象观测网的发展状况。（Lamb,1982）

事实上，现代气象学的发展历程与气象观测手段和方式发展的历史紧密相伴。二十世纪60年代开始的卫星气象观测解决了大气环流研究所要求的观测网全球均匀覆盖的问题。它不仅提供了大气环流的演变实况（如图3.3所示），也解决了大气环流研究所必需的太阳辐射、海洋、冰雪、陆地和环境生态观测资料。另外在大气环流和气候研究领域里，国际气象界还经常组织一些国际性观测实验，例如“热带海洋和全球大气”计划（简称TOGA）、

“世界海洋环流实验”（WOGE）、“海冰预测国际气候实验”（ISCCP）等等，此外还有种类繁多的区域性观测实验，或为研究某些特殊过程的专门观测实验，例如我国的南海季风实验等四大气象观测实验。组织如此众多的的全球或区域规模的观测，并充分利用卫星、雷达、飞机、船舶等观测手段，是现代大气环流和气候研究的重要特点。

图3.3. 1981.12.4 卫星红外云图显示的250hPa 风场(选自Rao, et al.(1990))

随着计算机技术及应用的飞速发展，现代大气环流乃至整个气象学的一个显著进展是自二十世纪四十年代以来流体力学原始方程组数值预报模式的问世与发展。它已成为各种尺度天气预报、气候模拟、预测以及地球流体动力学研究的有力工具。我们通过第二章的学习已经了解到，描述大气运动的是一组非线性的偏微分方程，无法求得理论解析解。只有借助电子计算机和数值离散方法，才可以求得大气运动方程组的离散形式（称大气模式）和相应的数值解。举例而言，如果大气模式中的变量（又称预报量）的时间变化也是离散化的，给定预报量在某一时刻的值，利用大气模式按一定时间步长外推，就能求得它在任意时刻的预报量。如果这样的模式应用于大气环流研究，就是所谓的大气环流模式（简称GCM）。大气环流模式有许多种类，简单的如能量平衡模式，它只考虑大气热力过程；复杂的如考虑热力、动力学及太阳辐射、海洋、冰雪、陆地和生态圈等作用的流体力学方程模式。事实上，一些先进的大气环流模式的数值解与实际观测值是如此接近（图3.4），以至于在实际天气预报中，它作为天气学家必不可少的预报工具。

图3.4 大气模式的数值解和观测值的比较

平均纬向环流场（数值解，单位： m/s）

平均纬向环流场（观测值，单位： m/s）

平均纬向温度场（数值解，单位： k）

平均纬向温度场（观测值，单位： k）

（数值解选自Holton(1992); 观测值选自Fleming(1988)）

大气模式除应用于预报外，还可以用来对复杂的大气系统的各种热力学、动力学包括物理、化学过程进行理论模拟和诊断。在利用大气模式进行理论模拟和诊断时，我们不妨将大气模式看成是建立在计算机上的大气实验室，通过改变和简化影响大气运动的作用因子，或施加作用因子来分析、诊断、模拟在不同条件下大气运动的状态和机制。图3.5就是这样一个绝佳的模拟东亚季风例子。众所周知，季风是指在一个地区冬夏之间盛行风有显著季节性变化的现象。图中显示的是在有\无地形情况下模拟东亚季风随季节变化的结果。通过比较分别施加或消除地形两种不同情况，不难发现在地形作用情况下，夏季风在六月，而冬季风在十月突然建立。这与季风爆发长期的观测事实相吻合。这个模拟实验反过来告诉我们，季风环流突变的触发机制是地形；东亚地形，特别是青藏高原的存在是东亚季风回异于世界其他地区季风的根本原因。在第六章中，我们将详细讨论季风环流。

图3.5 季风环流突变的数值模拟

（上部为加热的年变化，可代表四季的差异；中部为有地形作用；下部为无地形作用）（选自朱抱真，赵景霞(1987)）

除了所述的统计、理论分析诊断，数值模拟方法外，在第二章我们还讨论过尺度和量纲分析。这些方法在本章中都有重要的应用。例如，统计和尺度分析可以用来揭示大气环流的基本事实和基本状态，理论分析诊断和数值模式可以帮助了解大气环流形成、维持、演变的基本规律。

另一方面，造成实际大气环流形成、维持、演变过程的复杂性在于：①地球大气流体的层结性和旋转性；②各种尺度的运动及其相互作用。为了便于分析和实际预报，有必要首先理解简化的大气环流流型。这种理想的大气环流模型建立在分别考虑单纯化了的大气热力、动力学过程上，例如我们可以分步骤考虑大气流体的热力层结性、旋转性以及摩擦、地形、海陆分布等影响大气环流的因子，这种由表及里、由浅入深，分层次地讨论可以使我们深刻了解大气环流形成和演变的规律。

3.1.2 大气环流尺度分解

实际大气运动千变万化，包罗万象。造成这种复杂性的一个根本原因在于实际大气包含各种尺度的运动及其相互作用，同时这种复杂性也必然会反映在大气的观测上。因此首先需要从其大气运动复杂形态中分离出全球尺度的大气环流。尽管存在多种不同的尺度分解方法，但最简便的方法还是在大气环流特征尺度上计算实际观测值的平均，用来表征大气平均环流，然后再从实际观测值减去平均值，即得到大气平均环流的距平值。图3.6是求算实测风沿纬圈（事实上大气环流的空间特征尺度可以用部分或整个纬圈的长度表示）的平均值和距平值的示意图。

图3.6纬圈上实测风的平均值和距平值

大气环流研究的一个基本出发点，就是将大气环流看成是相对较小尺度流体运动的平均背景场，而较小尺度运动则是大气平均环流场上迭加的扰动流场。例如，天气尺度涡旋和中小尺度局地环流，相对于全球尺度的大气环流，均被认为是平均环流背景场上迭加的次尺度涡动（扰动）部分。所谓涡动，即距平[1]，或在平均值附近的有限振荡。

图3.7北半球中纬度地区的风暴轴和位势高度的瞬变扰动

[1]距平：对平均值的偏差（按字面直接理解就行，即对平均值的距）。距平=要素值-平均值

举例：南京7月的平均温度是

year Centigrade

1980 25

1981 30

1982 29

1983 32

1984 29

那么，这五年的平均值是：（25+30+29+32+29）/5 = 29

于是，距平序列为：-4，1，0，3，0

也可以这么理解,就相当于把横坐标轴做了平移,从y=0移到y=average去了

距平英文：anomaly

3.2 热力驱动的环流

热力驱动的环流

风是人们能够在日常生活中直接感受到的大气运动形式。大气环流就是研究风的科学，其核心内容就是揭示风的形成、维持和消亡的变化规律，并利用此规律分析风的各种表现形式，从而能够预测它的演变。然而，大气流体运动的复杂多变，人类至今还不能完全掌握它的演变规律。著名气象学家John A. Dutton曾经感叹到风的无常、风的神秘，并将其撰写的大气动力学著作冠名为“永动的风”（The Ceaseless Wind）。千百年来，人类孜孜以求，探索着大气运动的奥秘。Halley(1687) 和Hadley(1720), 通过对信风(发生在邻近赤道地区的稳定的偏东风风系)现象的研究，提出了赤道和高纬度极地之间的热力差异是地球上的大规模风系形成的根本原因。Hadley指出，在炎热的赤道上空，空气受热上升，而在寒冷的极地空气遇冷下沉。因此赤道上空源源而来的空气向极地流动，并在极地产生下沉，然后再从低空折向赤道运动。这就是著名的Hadley环流理论的基本思想。今天看来，Hadley环流理论是太过简单，但其基本观点——即热力驱动了风，大气环流得以形成及维持最终的原动力来自太阳辐射的热量分布不均匀却是大气环流理论极为重要的基本概念。

3.2.1 Hadley环流

本节主要讨论热力作用所产生的大气环流，这种单纯的热力环流，当然是对实际大气环流的高度简化，但它却有助于我们深刻了解大气环流形成的原理，习惯上称这种理想的纯热力驱动的大气环流流型为Hadley环流。

辐射收支的纬度变化人们在长期的天文、气象观测中发现并归纳出，地一气系统沿纬圈的太阳辐射能量的净收支是不均匀分布的。赤道地区获得的净辐射热量要远多于极地地区。当代卫星观测资料也证明了这一点：图3.8显示了地一气系统所吸收的太阳短波射入辐射随纬度变化的情况，辐射的最大值在赤道，并向极地减少；与此同时，地一气系统所发射的长波辐射随纬度变化要平缓的多。图3.1清楚地表明收支相抵后，在低纬度地区有热量的净收入，而在低纬度地区有热量的净支出。因此热量的净收支不均匀的分布是随纬度变化的。图3.8地一气系统的太阳短波射入辐射和长波辐射通量随纬度变化的情况（单位：w/m2, 选自Benoit C-R, 1994）

图3.9由ECMWF分析资料计算的大气温度随纬度变化的情况（o C ）。(选自朱乾根等，1992)

图3.10 热力对流的Benard实验(选自Brown,1996)

图3.11 气压梯度和温度梯度的南北配置