Ch10-lecture.ppt

1 Ch10 大气环流和海洋环流 全球纬向风分布 热带辐合带 哈德雷环流 费雷尔环流 季风 风生洋流 温盐环流 海气耦合和沃克环流 2 本章参考书 MeteorologyToday C D Ahrens Chapter9 6thor7thedition AtmosphericScience AnIntroductorySurvey JohnM WallaceandP V Hobbs Chapter8 AnIntroductiontoDynamicMeteorology J R Holton Chapter1and2 3rdedition IntroductiontoCirculatingAtmosphere IanN James CambridgeUniversityPress 1994 全球大气和海洋环流 在前面我们学习了龙卷 强风暴 台风和气旋等天气系统 这些从小到大的天气系统都是区域性的 这一章我们学习空间尺度可以和地球的尺度相比较的大气运动系统 也称为行星尺度大气环流或全球大气环流 一般来说环流指的是闭合的流场 全球环流则指的是闭合环流圈的空间尺度很大 可以和行星的尺度相比较 海洋大气是密切相关的 风驱动海洋流动形成风生环流 海洋环流也会反过来影响大气运动 海洋和大气环流耦合在一起共同影响全球气候变化 所以 这一章我们除了学习大气环流 也将学习海洋环流 在下一章 我们将更详细地学习大气和海洋环流是如何影响全球气候的 3 1 全球纬向风分布 纬向风指的是大气风场的纬向 东 西 分量 通常用u来表示 相应地 南北方向的分量称为经向风 用v来表示 垂直分量用w表示 地面风场和高空风场的分布既相似 也不完全一样 4 12 2和6 8月平均近地面风场 5 在北半球 我们通常用12 2月份的平均代表冬季 6 8月份的平均代表夏季 右图所示的是近地面风的分布 箭头代表气流的方向 无论是冬季或夏季 中高纬度一般吹西风 热带吹东风 为什么 DJF JJA 6 1和7月平均的500mb等压面上高度场和流场 等值线为500hpa等压面上的等高线 箭头表示气流方向 热带为东风 中高纬度为西风 平均的纬向风随高度和纬度的分布 如果我们对纬向风分量在纬圈上作平均 可以得到纬向风随高度和纬度的变化 在对流层 热带为东风 中高纬度为西风 在平流层 冬半球是西风 夏半球是东风 其中的粗实线是东风和西风的分界线 7 纬向平均温度场分布 8 对流层大气吸收地球的长波辐射 赤道地区温度高 两极温度最低 在平流层 臭氧吸收太阳紫外辐射 夏半球极地温度高 冬半球极地温度最低 气压梯度力和科氏力的平衡造成平流层夏半球吹东风 冬半球吹西风 热带地区为什么是东风 热带地区是东风意味着大气运动比地球自转慢 这是可以理解的 地球自转带动大气运动 所以 大气运动的速度最多只能等于地球的自转速度 也就是风速为零 如果赤道地区是西风 说明大气运动的速度比地球旋转还要快 这需要其他物理过程提供能量才行 在金星 木星和土星上 赤道地区确实是存在西风的 这种现象称为超级旋转 也就是比地球的自转还要快 9 2 热带辐合带 Inter tropicalconvergencezone ITCZ 10 热带东北信风和东南信风在赤道附近地区形成的辐合区 右图所示的是太平洋地区近地面气流的流线 可以清楚地看出在赤道地区有一个辅合带 中高纬度地区有涡旋 ITCZ 从降水量看热带辐合带 上图 1月份降水 下图 7月份降水 热带地区有一个带状的降水区 该降水带对应热带辐合带 在热带太平洋东部和大西洋 辐合带很窄 在西太平洋和印度洋 降水区由于季风的作用而相对宽阔 11 3 哈德雷环流 HadleyCirculation 在18世纪 航海已相当发达 根据多年航海的经验 人们已知道在赤道的北侧存在东北信风 赤道的南侧存在东南信风 1875年 英国气候学家Hadley根据地面观测到的热带信风推测 由于热带地区较热 空气上升 在大气高层向两极流去 在极地变冷下沉 在地面向赤道流去 构成一个闭合的单圈环流 12 单圈环流假想 G Hadley 1735 单圈环流是哈德雷根据热力作用的结果提出来的 并没有考虑地球的自转作用 如果没有地球自转 大气在经圈方向的环流并是单圈的 但由于地球自转 经圈环流并不是单圈的 13 三圈环流 由于地球的自转 当大气自赤道流向高纬度时 科氏力的作用使得气流逐渐偏向东 再加上辐射形成的南北温度梯度的限制 哈德雷环流只能在大约南北纬30度的地方下沉 在20世纪20年代人们提出了旋转地球上三圈环流的理论模型 14 4 费雷尔环流 FerrelCirculation 与哈德雷环流相反 费雷尔环流在较冷的地方上升 大约南北纬60度的地方 在较热的地方下沉 大约南北纬30度的地方 这说明费雷尔环流并不是由热力因素驱动的 15 费雷尔环流 在第8章 我们学习了锋面和气旋 我们知道冷锋是由于冷气团南下推动暖气团上升形成的 平均来说 锋面和气旋的多发区是在大约南北纬60度的地方 在那里由于锋面的作用 南边来的暖气团平均来说呈上升运动 所以 费雷尔环流是动力驱动的 16 费雷尔环流和锋面气旋关系示意图 17 锋面气旋附近暖空气上升 极区环流 和哈德雷环流一样 极区环流在较暖的地方上升 在较冷的地方下沉 也是由于热力驱动的环流 18 根据观测资料计算出的三圈环流 来自李大玮 19 20 经圈环流模型的历史演变 从哈德雷的单圈环流到现在的三圈环流经历了一个漫长的过程 1735年 Hadley提出了单圈环流的假说 但是 在随后的近半个世纪里 人们并不知道它的存在 ImmaneulKant 1756 和JohnDalton 1793 又分别提出了类似的环流模型和解释 很久之后 Dalton才发现并指出他的环流模型在半个世纪前已经由Hadley提出了 1837年 HeindrichWilhelmDove提出了不同版本的单圈环流 21 Dove注意到了在中纬度 地面风并不总是偏北风 所以 Hadley环流不可能延伸到极地 他提出Hadley环流只能到达副热带 但他没有关注中高纬度的经向环流 22 1855年 MatthewMaury提出了一个两圈环流的模型 1855年 海军军官MatthewMaury提出了一个两圈环流的模型 他的Hadley环流基本是对的 但没有极区环流 他也没能解释为什么 23 1856年 Ferrel提出了一个接近现代的模型 1856年 中学教师费雷尔提出了一个接近现代的三圈环流模型 正是因为这一点 中纬度地区的环流被称为费雷尔环流 他也是第一个应用科氏力 气压梯度力和摩擦力之间的平衡来解释中纬度地区地面的偏南风 24 1857和1892年 Thomson提出了一个不同的模型 JamesThomson的经圈环流模型包括一个单圈环流和一个浅薄的反向环流在中高纬度低层 25 1859年 Ferrel提出了他的第二个版本 1959年 Ferrel改变了了他本人先前提出的模型 这个模型结合了他先前的模型以及Thomson的 但与正确的模型距离更远了 26 1921年 VilhelmBjerknes提出了一个接近正确的模型 但极区有两个环流圈 27 1928年 Bergeron的模型大约接近于我们现在认可的 但完整的理论解释是由Held和Hou在1980年提出的 28 经圈环流造成的气压 风 雨随纬度的带状分布 不同纬度的带状气候分布 29 哈德雷环流和副热带干旱区 30 5 季风环流 季风是由于海陆温差对比随季节的变化引起的 我国是受季风影响最大的地区之一 我国的夏季降水在很大程度上是受季风系统控制的 31 季风 32 亚洲大陆和海洋分布形成宣明的南北对比 它们之间温差随季节的变化 使得该地区成为最典型的季风区 夏季 陆地相对海洋较暖 气压较低 风自海洋吹向陆地 带来水汽和降水 冬季 陆地相对海洋较冷 气压较高 风自陆地吹向海洋 气候寒冷干燥 季风和海陆风形成的原理相似 季风和海陆风形成的原理相似 但空间尺度和时间尺度均大得多 夏季像白天 冬季向晚上 33 青藏高原对季风环流的影响 青藏高原的热力作用加强了该地区的季风环流 高原的热力作用就像山谷风的原理一样 但空间和时间尺度较大 夏季像白天 冬季像晚上 34 6 风生洋流 大气运动作用在海洋表面上 通过摩擦力 风应力 带动海水运动 形成风生 驱动 洋流 主要的风生洋流有 北大西洋的湾流 GulfStream 北太平洋的黑潮 Karoshio 南极绕极洋流 Antarcticcircumpolarcurrent ACC 等 35 风驱动海水运动的原理 风应力作用在海面 带动海水沿风吹的方向运动 在科氏力的作用下 表面海水逐渐向右偏转形成与风向45度的夹角 随着海水深度的加深 运动方向逐渐向右偏转 另外 由于摩擦力的作用 海水运动速度逐渐减弱 一般来说 风生洋流只达到100 300米深 36 近洋面层风场情况 上图 12 2月份的平均近地面风矢量 下图 6 8月份的平均近地面风矢量 热带吹东风 中高纬度吹西风 37 北大西洋或北太平洋的风生洋流 中高纬度的西风驱动海水向东运动并逐步向南偏转 热带东风驱动海水向西运动并逐步向被偏转 它们构成了一个闭合的环流 但需要注意的是西岸向北的洋流窄而且流速大 东岸向南的洋流宽 但缓慢 详细的讨论超出了本课程的范围 38 中纬度 赤道 海岸 海岸 风向 风向 洋流方向 全球风生洋流的分布 39 红色箭头代表暖海水的运动方向 蓝色箭头代表冷海水的运动方向 南北太平洋和大西洋各有一个闭合的环流 几乎是对称的 南极大陆外围有一个绕极环流 ACC 墨西哥湾流 狭窄但流速很快的湾流把热带海水输送到高纬度地区 使得北大西洋沿岸的温度比同纬度其它地区要高 而且比较湿润 在台湾和日本东侧的洋面也有类似湾流的洋流 也就是黑潮 但由于东亚大陆海岸不太规则 该洋流没有湾流那么明显 40 温暖的湾流 湾流携带的热量对热带与高纬度的热量交换起着非常重要的作用 右图所示的是卫星遥感得到的海水温度 41 湾流不稳定产生的涡旋 42 分离出的涡旋有着较高的稳定性 能够维持相当长的时间 湾流的流场矢量 43 实验室模拟的湾流 J Marshal MIT 44 南极绕极洋流示意图 图中的几个椭圆形区域分别表示了冷和暖的海水区域 45 南极绕极洋流矢量流场 箭头表示海水运动的方向 背景的蓝色代表洋流运动最强的地方 46 北冰洋洋流 合适的风生北冰洋洋流能够把海冰输送出北冰洋 相反 不合适的风生洋流不利于北冰洋海冰向北大西洋输送 这对气候变化有什么样的影响 47 7 温盐环流 thermohalinecirculation 前面我们提到了风生洋流之达到100 300米的深度 海水运动还受其层结稳定性的影响 就像大气层结不稳定时 大气会产生垂直对流运动 海水也会层结不稳定而产生对流运动 决定海水层结稳定性的要素除了温度 还有盐度 盐度越高 海水越重 热带海水由于温度高 蒸发大 盐度较高 高纬度温度低 蒸发少 海水盐度低 48 温盐环流 当热带温度和盐度较高的海水向高纬度运动时 随着温度的降低 盐度变化相对较小 海水密度逐渐变大 产生下沉运动 在海底流向赤道 构成闭合的环流 这一环流是由于温度和盐度的变化共同造成的 所以 称为温盐环流 49 温盐环流 如右图所示的湾流把热带大西洋高盐度海水输送到北大西洋 在格陵兰岛附近便会产生下沉运动 构成著名的北大西洋温盐环流 50 全球温盐环流示意图 51 红色箭头表示表层海水的运动方向 蓝色箭头表示底部海水的运动方向 几处阴影区表示海水的下沉区 全球大洋环流 globaloceanconveyorbelt 52 大洋环流的变化会对全球气候产生很大影响 全球大洋环流 globaloceanconveyorbelt 53 8 海气耦合和沃克环流 海洋和大气是密切藕合在一起的 大气运动驱动海洋运动 海洋运动导致大气下垫面温度不均匀 又导致大气运动 本章 我们以沃克环流为例说明海气之间的耦合 下一章 我们再回到沃克环流学习该环流于气候变化之间的关系 54 信风的作用使得热带东太平洋冷 西太平洋暖 信风作用在洋面上 热带东太平洋表层的暖海水被吹向热带西太平洋 导致东太平洋下层冷海水上翻 所以海面温度较低 暖海水在热带西太平洋堆积的结果造成西太平洋海面温度较高 55 年平均海面温度 56 沃克环流 热带西太平洋海面温度较高 空气上升 热带东太平洋海面温度较低 空气下沉 高层西风 海面吹东风 构成沃克环流 海洋和大气之间的耦合不仅表现在动量 也表现在水汽和热量 57 沃克环流三维示意图 58 沃克环流三维示意图 59 60 9 厄尔尼诺和南方涛动 在南美洲太平洋沿岸 尤其是秘鲁沿岸 上升运动把含丰富营养的海水带到海面 丰富的营养导致鱼类和鸟类的大量繁殖 但是 每年圣诞节前后 信风减弱 赤道附近的含营养差的暖海水向南流动并取代秘鲁沿岸的冷水 从而导致鱼类和鸟类的大量死亡 当地人把这一现象称为ElNino 在西班牙语里 ElNino是男孩 boychild 的意思 人们把这一现象称为圣诞男孩 Christchild 61 厄尔尼诺和南方涛动 这种秘鲁沿岸海水在每年圣诞节前后变暖通常只持续一个月左右 之后 海水变冷 鱼类繁殖恢复正常 可是每隔2 7年 这种海水变暖的现象便会非常地强 持续时间也1 2年 覆盖的面积也非常大 现在 人们通常把这种南美洲东太平洋沿岸强的海水变暖现象称为厄尔尼诺 ElNi o 与ElNi o相反的情况是异常强劲的信风把暖的海水吹向西太平洋 这样一来 暖的海水主要集中在西太平洋 中部和东太平洋的表面海水较冷 人们把这种现象称为拉尼娜 LaNi a 在西班牙语中 LaNi a是女孩的意思 在ElNi o期间 东太平洋上空的空气较同常的轻 而西太平洋上空的空气较通常情况下的空气重 所以 东太平洋的海平面气压较通常的低 而西太平洋的海平面气压较通常的高 这种东西太平洋海平面气压每隔几年的交互变化的现象被称为南方涛动 SouthernOscillation 人们通常把厄尔尼诺和南方涛动一起简称为ENSO 62 ElNi o LaNi a和正常情况下的海面温度 大气 海洋的环流状况 63 正常年的海水温度和环流 正常年份 东太平洋的海水温度22 西太平洋的海水温度25 64 ElNi o年海温和海洋大气环流 东太平洋和中太平洋偏暖 降水偏多 65 LaNi a年 东太平洋和中太平洋偏冷 降水偏少 66 ElNi o和LaNi a年的海水温度 67 动画显示的南方涛动 热带太平洋海水变化 68 动画显示的南方涛动 热带太平洋海平面气压变化 69 历史上的ElNi o和LaNi a 70 ElNi o年和LaNi a年 ElNi oYears1902 19031905 19061911 19121914 19151918 19191923 19241925 19261930 19311932 19331939 19401941 19421951 19521953 19541957 19581965 19661969 19701972 19731976 19771982 19831986 19871991 19921994 19951997 1998 LaNi aYears1904 19051909 19101910 19111915 19161917 19181924 19251928 19291938 19391950 19511955 19561956 19571964 19651970