天气学原理和方法第四章大气环流
天气学原理与方法复习第四章大气环流
天气学原理与方法复习第四章大气环流1.大气环流的纬向特征是什么？⏹低纬：东风带⏹中高纬：西风带（北半球冬季最大风速40m/s,30ºN ,200hPa，夏季最大风速16m/s,40ºN ,200hPa）即西风带冬强夏弱，随季节南北位移⏹极区：北半球夏季近地面：弱东风对流层：西风平流层：东风⏹南半球的情况与北半球类似，随季节南北位移,但西风中心强度冬夏变化不大2.大气环流的经向特征是什么？⏹冬季：对流层低层30ºN以南：偏北风40ºN 以北：南风对流层高层：低纬30ºN以南：南风；高纬40ºN以北：北风对流层中层：经向分量很弱⏹夏季：13-40ºN之间：低层：北风；高层：南风；低纬（近赤道）：低层：南风；高层：北风。
3.对流层中、底部冬季、夏季的主要系统，季节转换的特点？（北半球）对流层底部：a)冬季：阿留申低压（与高空东亚大槽对应）、冰岛低压（与高空北美大槽对应）、西伯利亚高压、北美高压、格陵兰大陆高压、太平洋高压和大西洋高压。
b)夏季：亚洲低压、北美低压、阿留申低压、冰岛低压、太平洋副热带高压、大西洋副热带高压。
夏季与冬季最突出的差别是冬季大陆上的两个冷高压到夏季变成了两个热低压；阿留申低压、冰岛低压仍存在，但强度比冬季弱得多。
海上的两个副热带高压变得非常强大，而其冬季强度比较弱。
对流层中部（500hPa）：a)冬季：①极区：2个低涡中心（格陵兰西部、东西伯利亚)；②中高纬:冬季三个长波槽：东亚大槽—140°E在亚洲东岸;北美大槽—70°w位于北美东岸;欧洲浅槽—40°E由欧洲东北部海面向西南方向伸展；在三个槽之间有三个平均脊，分别位于阿拉斯加、西欧沿岸和青藏高原的北部。
③低纬度:副高弱—其范围在20°N以南。
b)夏季：①极区：1个低涡中心。
②中高纬:夏季四个长波槽：东亚大槽—160°-180°E；北美大槽—60°w；欧洲西海岸槽—0°-10°E；贝加尔湖西部槽—90°E沿岸和青藏高原的北部。
气象学与气候学第四章大气运动
第四章 大气的运动
第三节 大气的水平运动和垂直运动
一、力 气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、摩擦力
1、气压梯度力 G ：由气压差产生的、垂直于等压面且由高
压指向低压的“力”，大小与气压梯度的数值成正比、与等压
面间距和空气密度成反比；可据等压（高）线疏密程度判断
气压梯度大小
气压梯度
水平气压梯度通常为 1～3 hPa/赤道度 垂直气压梯度通常为 11100 hPa/赤道度
1、静力学方程 垂直气压梯度或单位高度气压差 （hPa/m）
单位气压高度差 （m/hPa）
dP ＝ dZ
gP Rd T
h ＝ Rd T
gP
气压 P 相同，气温 T 越高，单位气压高度差 h 大 气温 T 相同，气压 P 越高，单位气压高度差 h 小
第四章 大气的运动
第一节 气压随高度和时间的变化 一、气压随高度变化 2、压高方程 1）通用压高方程
2、压高方程
海拔高度 （m） 30000
气压 （hPa）
12
高度
16000 11000 5500 3000 1500
0
100 250 500 700 850 1000
气压
第四章 大气的运动
第一节 气压随高度和时间的变化 二、气压随时间的变化
1、气压随时间变化的原因 ➢ 水平气流的辐合与辐散：空气是可压缩流体，密度有变化 ➢ 不同密度气团的移动 ：平流运动导致 ➢ 空气的垂直运动 ：气柱内某高度上密度变化
风向
（百帕） 1000 1005
摩擦力 R 在近地表 大气作用 高空省略
1010
（北半球）
重 力
地转偏向力 A 在高纬或大 尺度空气运
动时作用
大气环流
EQ 30° 60° 90°
0.068 0.013 -0.079 -0.112
the zonally averaged radiative balance on Earth
对太阳辐射能量的吸收情况
1月
对流层中下层冬季南北 温度差明显大于夏季。 在对流层中赤道比极地 暖，温度差从下往上递 减。（赤道与极地的差 异在低层大） 在平流层中，夏季极地 比赤道暖。
季节性大气活动中心： 亚洲高压（蒙古高压或西伯利亚高压）， 亚洲热低压，北美冷高压，北美热低压 季节性系统，在一定季节中经常存在。 季节性大气活动中心出现在陆地上。
四. 大气环流的季节转换 6月和10月突变（陶诗言等） 冬季和夏季的槽脊位置基本上是稳定或是 渐变，它们占去全年相当长的时间，而两个 过渡季节是短促的，在短促的时间中完成环 流的季节转换常称为突变，一次发生在6 月，另一次发生在10月，这种突变是半球范 围乃至全球范围的现象。但以亚洲最为明显。
3、地球表面的不均匀性 (1)海陆分布对大气环流的影响(p.161)
(a)白天吹海风
(b)晚上吹陆风
海、陆风示意图
a、形成“季风”环流
季风 ：季风是一种与年循环相联系的 现象，是大气环流季节变化的一种最典 型表现。所谓典型： （1）冬，夏盛行风向相反； 夏季：地面低层从凉的海洋吹向热的 大陆 冬季：从冷大陆吹向暖的海洋； （2）夏季风必须潮湿，冬季风必须干燥。
副热带锋区
低层—地面：西风带 高层：本应为东风，（由于此环流很弱，高层仍为 带状西风气流，多扰动） 30°N/S 副热带锋区
（3）极锋与副热带锋有何不同？ a b 极锋定义：来自极地和高纬的低层东北气流，一般比较 干冷，与来自低纬的暖湿西南气流相遇形成的锋区。 副热带锋区：在对流层中上部哈德莱环流中，来自赤道 的暖湿气流与间接环流高空的较干冷北风气流之间形成的 锋区。 区别 1. 2. 3. 极锋 60°N 中低层 低层-地面有锋或锋线 副热带锋 30°N 高层 低层-地面无锋或锋线
天气学原理和方法(1-5)
天气学原理和方法第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。
第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析一、旋转坐标系中运动方程1.（绝对速度）与（相对速度）假设t时刻一空气质点位于P点，经t 时间，质块移到Pa点，地球上的固定点P移到了Pe位置位移0为R，质块相对固定地点的位移为R，图1.1 旋转坐标系显然当 0位移很小时单位时间内的位移为由此得此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和2．与的关系地球自转角速度为则于是由此可得微分算子将微分算子用于则有再将代入上式右端得（*）式中为地转偏向力加速度，即柯氏加速度为向心力加速度3．牛顿第二定律单位质量的空气块所受到的力在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有+：地心引力F：摩擦力将此式代入（*）式：二、作用力分析1．气压梯度力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力②表达式G=-(1.1)③推导：图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量x方向：B面 PA面：-（P+净压力：-同理y方向：z方向：净空气总压力④讨论：大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向2．地心引力① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力② 表达式(1.2)K：万有引力常量M：地球质量a：到地心的距离③ 推导：图1.1.3 地心引力受力分析图④ 讨论：大小：不变，常数方向：指向地球心3．惯性离心力① 定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力。
气象学中的大气环流现象分析
气象学中的大气环流现象分析气象学是研究大气现象和气象要素变化规律的学科，大气环流是指大气中在水平和垂直方向上的气流运动。
在气象学中，对于大气环流的研究至关重要，不仅有助于预测天气变化，还能帮助我们了解地球气候系统。
一、全球大气环流系统全球大气环流是指地球表面到对流层顶部的运动规律。
它包括了赤道低压带、副热带高压带、副极地低压带和极地高压带四个环流区。
赤道低压带是位于赤道附近的一个区域，由于太阳辐射带来的强热量，导致气流上升形成低气压带。
副热带高压带位于赤道低压带的北部和南部，这个区域的地表风向是向地转流动，受到科里奥利力和地转偏向力的影响，形成时有风一般吹东风。
副极地低压带位于副热带高压带的北部和南部，与副热带高压带相邻，冷空气沿地面流向副极地区域，导致低气压带的形成。
极地高压带位于地球两极地区，冷空气下沉形成高气压。
以上四个环流区形成了全球大气环流系统，同时也影响着地球上的天气和气候变化。
二、季风环流季风环流是指由于地球自转和地形的影响，形成的一种明显的季节性气候现象。
季风环流可以分为夏季季风和冬季季风两种类型。
夏季季风是指在夏季，由于亚洲大陆上的高温，形成了亚洲季风低压带，而印度洋上面形成了一个相对较强的副高压带。
这种气压差引起了季风风向的变化，从而导致了季风雨季。
冬季季风是指在冬季，由于亚洲大陆的辐射冷却，产生了亚洲季风高压带，而印度洋上面形成了季风低压带。
这种气压差引起了季风风向的变化，导致气流从陆地向海洋吹向亚洲内陆地区，造成干燥和寒冷的天气。
季风环流在亚洲地区有着重要的地理和气候影响，对农业、水资源和人类社会有着深远的影响。
三、锋面和气旋在气象学中，锋面指的是两种不同性质气团之间的接触面，常常伴随着天气的明显变化。
锋面可以分为冷锋、暖锋和伪冷锋。
冷锋是一种冷空气和暖空气接触的边界。
在冷锋通过后，通常会出现天气的变化，例如气温下降、风力增强和降水的出现。
暖锋是一种暖空气和冷空气接触的边界。
第气候学——四章 大气环流的长期变化
（4）平流层和中间层，冬夏风系几乎完全相反，冬季从平 流层到热层下部几乎全是西风，夏季平流层到中间岑顶全部转 为东风，仅在热层保持西风。
2、平均经向环流
三圈环流
3、平均水平环流
(1)海平面气压分场和风场 大气活动中心
永久性活动中心：一年四季都存在，只是强弱程度有所变 化的大气活动中心称之。
半永久性活动中心（季节性活动中心）：只在冬半年或夏 半年存在的活动中心。
每个大气活动中心均有季节变化，重要的是有明显的年际 变化，而这些年际变化，即成为广大地区气候变化的原因。
北半球大气活动中心
一月 七月
一月 七月
大洋
大陆
（永久性活动中心）（季节性活动中心）
决定大气环流的主要因子是：（1）太阳辐射能量随纬 度的不均匀分布；（2）地球自转；（3）海陆和大地形式的 分布；（4）基本环流的不稳定性；（5）地表的摩擦；（6） 太阳活动。
二、大气的平均环流
1、平均纬向环流
（1）平均纬向风场与经向温度分布的基本特征一致。
（2）无论冬夏在对流层中高纬度都是西风带，但冬季西风 急流中心强度比夏季大一倍。急流轴均在对流层顶附近，但其 纬度有明显的季节变化
阿留申低压
蒙古高压
）
冰岛低压
北美高压
北大西洋高压
北美低压
（大西洋）
（北美大陆）
一月海平面气压图
七月海平面气压图
（2）对流层中高层的平均水平环流 极涡：无论冬夏在极区都是一个气旋式涡旋，
但极涡中心不在极地，且冬季强于夏季。 中高纬是平均槽脊：冬季为三槽三脊，平均
气候学 第四章 大气环流的长期变化
天气学原理和方法
天⽓学原理和⽅法天⽓学原理和⽅法⽬录第⼀章⼤⽓运动的基本特征 (3)第⼀节影响⼤⽓运动的作⽤⼒ (3)第⼆节控制⼤⽓运动的基本定律 (4)第三节⼤尺度运动系统的控制⽅程 (4)第四节“P”坐标系中的基本⽅程组 (5)第五节风场和⽓压场的关系 (6)第⼆章⽓团与锋 (8)第⼀节⽓团与锋 (8)第⼆节锋的概念与封⾯坡度 (9)第三节⾄第五节 (10)第三章⽓旋与反⽓旋 (12)第⼀节⽓旋、反⽓旋的特征和分类 (12)第⼆节涡度与涡度⽅程 (12)第三节位势倾向⽅程和⽅程 (14)第三节温带⽓旋与反⽓旋 (15)第五节东亚⽓旋和反⽓旋 (16)第四章⼤⽓环流 (18)第⼀节⼤⽓平均流场特征与季节转换 (18)第五章天⽓形势及天⽓要素的预报 (22)第六章寒潮天⽓过程 (26)第七章⼤型降⽔天⽓过程 (28)第⼀节降⽔的形成与诊断 (28)第⼆节⼤范围降⽔的环流特征 (34)第三节降⽔的天⽓尺度系统 (39)第四节暴⾬中尺度系统 (44)第五节不同⾼度急流对暴⾬⽣成的作⽤ (46)第⼋章对流性天⽓过程 (47)第⼀节雷暴的结构及雷暴天⽓成因 (47)第⼆节中⼩尺度天⽓系统 (49)第三节对流性天⽓预报的物理基础 (50)第四节对流性天⽓的预报 (52)雷达原理与业务应⽤ (53)第九章低纬度和⾼原环流系统 (59)第⼗章东亚季风环流 (71)第⼗⼀章天⽓诊断分析 (77)第⼀章⼤⽓运动的基本特征第⼀节影响⼤⽓运动的作⽤⼒1.⼤⽓运动受什么定律⽀配？质量守衡、动量守衡和能量守衡定律2.影响⼤⽓运动的真实⼒有哪⼏种？⽓压梯度⼒、地⼼引⼒、摩擦⼒。
3.影响⼤⽓运动的视⽰⼒（外观⼒）有哪⼏种？惯性离⼼⼒、地转偏向⼒。
4.⽓压梯度⼒的⽅向？⽓压梯度⼒的⼤⼩与⽓压梯度和空⽓密度有什么关系？⽅向指向—▽P 的⽅向，即由⾼压指向低压的⽅向；⽓压梯度⼒的⼤⼩与⽓压梯度成正⽐，与空⽓密度成反⽐。
5.地⼼引⼒6.惯性离⼼⼒7.地转偏向⼒8.地转偏向⼒的⼏个重要特点？1）地转偏向⼒A 与Ω相垂直，⽽Ω与⾚道平⾯垂直，所以A 在纬圈平⾯内2）地转偏向⼒A 与V 相垂直，因⽽地转偏向⼒对运动⽓块不作功，它只能改变⽓块的运动⽅向，⽽不能改变其速度⼤⼩。
天气学第四章
大气环流：指全球范围的大尺度大气运行的基本 状况，水平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10 公里以上，时间尺度在1-2日以上。是各种不同 尺度的天气系统发生发展和移动的背景条件。
§4.1 大气平均流场特征与季节转换 一、平均纬向风分量的经向分布
见图4.1
冬季
夏季
二、地球自转
单圈环流不考虑地球自转，但地 球自转的情况下，空气受到柯氏 力的作用，在北半球向右偏在南 半球向左偏，形成经圈方向的三 圈环流
1 Hadley 环流的形成
赤道上空向北流动的气流，在柯氏力的作 用下向右偏转，在30ºN左右转为西风， 并在此处辐合下沉，质量堆积，地面气 压升高，下沉气流辐散，其中向南的一 支在柯氏力影响下右偏，转为东北风， 此风系稳定，称为东北信风，在南半球 为东南信风，两支信风在赤道汇合上升， 从而构成直接环流圈，称为Hadley环流
加尔湖到青藏高原 减弱 脊：减弱不清楚 低纬： 副热带高压大大加强：北太平洋 北大西洋非
洲大陆西部出现闭合
2 对流层底部（海平面气压场） 冬季
一月份海平面气压场(图4.6) 阿留申低压 冰岛低压 亚洲冷高压 北美冷高压 格陵兰高压 太平洋副热带高压 （夏威夷高压） 大西洋副热带高压（亚速尔高压）
第四章 大气环流
§4.1 大气平均流场特征与季节转换 §4.2控制大气环流的基本因子与大气 环流的基本模型 §4.5西风带大型扰动
本章重点：控制大气环流的基本因子 与大气环流的基本模型
基本概念
环流：空气沿一个封闭的轨迹运动，或沿 着某一封闭轨迹循环运动的倾向。
经向环流：气流沿经圈方向运动（南北向）
Hadley环流中在30ºN下沉辐散的气流中， 向北流动的气流，与极地环流圈中上升 支汇合，在高空辐散，其中有一支向南 运动。这样在Hadley环流圈和极地环流 圈之间存在一个与直接环流圈相反的环 流，为间接环流圈，也称Ferrel 环流 圈。