第二章大气环流与气候-大气科学基础培训班课件

气候学概论第二章大气环流与气候本章重点掌握三圈环流的形成三风四带冬、夏季大气活动中心的转换地形因子对大气环流的作用了解1月和7月纬向平均西风的分布特征对流层中高层的平均环流特征水分的大循环、小循环第二章大气环流与气候2.1大气环流的基本概念2.2

大气环流形成的基本因子2.3

大气环流的平均纬向特征和经向特征2.4实际大气环流的平均特征及其季节性的转换2.5大气环流异常对气候产生的影响第二章大气环流与气候2.1大气环流的基本概念2.2

大气环流形成的基本因子2.3

大气环流的平均纬向特征和经向特征2.4实际大气环流的平均特征及其季节性的转换2.5大气环流异常对气候产生的影响环流是大气的基本特征，它是气候形成基本因子之一。大气中动量、热量和水分等物理量的输送和平衡都与大气环流有关。在全球和区域性的气候形成和气候变化的研究中，凡是涉及到动力学和热力学过程的，都离不开大气环流。本章主要讨论一般大气环流形成机制及其对气候形成的影响。大气环流：大气中各种气流的综合。大气环流按其空间尺度可分为三级：一级环流、二级环流和三级环流。一级环流的水平尺度达到几千千米，垂直尺度在10km以上，如行星风带；二级环流是那些生命期较短的天气学环流，其中有一些外形的变化比其位置变化要大，但它们对全球平均环流的贡献巨大，如季风、气旋、反气旋等；三级环流是由于风速、风向受局地影响而产生的一些小尺度涡旋，它们大都与下垫面状况、地形起伏、水陆分布和城市结构有关，如海陆风、山谷风等。这里主要讨论一级环流及其对气候造成的影响。一级环流、二级环流和三级环流一级环流是指：平均状况下地球大气在全球范围内的一般流动状况。反映了大气运动的基本状态，制约较小规模的气流运动，是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件第二章大气环流与气候2.1大气环流的基本概念2.2

大气环流形成的基本因子2.3

大气环流的平均纬向特征和经向特征2.4实际大气环流的平均特征及其季节性的转换2.5大气环流异常对气候产生的影响大气环流形成的基本因子太阳辐射因子地球自转作用地表性质的影响

大气环流形成和维持的基本能源来自于太阳辐射的变化。大气吸收太阳辐射、地面辐射和地球给予的其他能量，同时大气也向外放射长波辐射。但是大气吸收和向外辐射的能量差额的分布与维度有关。地气系统来说：35ºS-35ºN吸收辐射大于射出辐射，有辐射盈余，大于35º的高纬则辐射净亏损。地表辐射收支：南北纬40º之间是辐射净收入区，在40º以外的高纬为辐射净支出区。低纬：辐射源高纬：辐射汇一、太阳辐射因子辐射汇辐射汇

辐射汇

辐射源

温度梯度温度梯度上升GD下沉DG气压梯度气压梯度

一圈（单圈）环流模式EquatorNSHADLEYCELLISATHERMALLY-DIRECTCIRCULATION环流使得高低纬间不同的温度的空气得以交换，并把低纬度的热量向高纬输送，来补充高纬热量的净支出，维持各纬度间的能量平衡。因此，太阳辐射分布不均是大气产生大规模运动的根本原因，大气在高低纬度间热量收支不平衡的产生是维持大气环流的直接原动力。二、地球自转作用

由于地球不停地自西向东自转，大规模的空气运动必然受到地转偏向力的作用，从而迫使空气运动的方向偏离原来气压梯度力的方向，那么单圈环流不能维持。

地转偏向力的特点大小：赤道为零，随纬度升高而增大，到两极最大，与纬度的正弦（sinΦ）成正比。方向：北半球背对风的来向向右，南半球背对风的来向向左。哈得莱环流圈(

Hadleycell)

当赤道上空空气在气压梯度力的作用下，流向极地时，受地转偏向力的影响气流逐渐具有西风成分，到南北30°左右，气流变为与纬圈平行，由于上空不断有空气流来，空气堆积下沉，使地面气压升高，形成深厚的副热带高压带。低层从副热带高压带流向赤道的气流，在地转偏向力的作用下，北半球偏为东北风，称为东北信风；南半球变成东南风，称为东南信风。

东北信风与东南信风在赤道地区辐合上升，到高空又南北分流向高纬。这样在南北半球低纬地区各形成一个经向环流圈，称为信风环流圈，也称热带环流圈或低纬度环流圈。由于是英国学者哈得莱1735年首先提出用以解释信风的经向环流，故又称哈得莱环流圈。中纬度环流（FerrelCell）

中纬度环流形成在30°～60°之间。低层由极地流向低纬的空气与副热带下沉流向极地的空气在副极地地区相遇而辐合上升，而在高空一部分流向副热带上空与热带来的高空气流合并，一起下沉完成中纬度的间接环流。极地环流（PolarCell）

极地环流形成在极地到60°～65°之间。极地空气极端寒冷，堆积形成极地下层的极地高压。下层空气由极地高压流向赤道方向，在地转偏向力的作用下，北半球吹东北风，南半球吹东南风。在极地高压与副热带高压之间60°～65°附近相对的形成一低压，称为副极地低压带。来自副热带高压带和极地高压带的南、北两股气流在副极地低压带处辐合上升，其中一股由高空返回极地，在地转偏向力的作用下形成与低层相反的气流，从而形成了极地与60°～65°间的闭合环流，称为极地环流。三风四带HadleycellFerrelcellpolarcell在地表性质均匀和自转的地球上，在地转偏向力的作用下形成的大气环流模式可归结为具有三个闭合环流圈的所谓的三圈大气环流模式。在地转偏向力的作用下，形成了几乎遍及全球（赤道除外）的纬向环流。在近地面形成的三个风带，即低纬信风带、盛行西风带、极地东风带常称为行星风带。此外，赤道称为赤道无风带。全球海平面气压分布在热力和动力因子的作用下呈现出规则的高、低气压带交互排列的纬向气压带。这些呈纬向排列的气压带（四个气压带）：赤道低压带、副热带高压带、副极地低压带、极地高压带，这些气压带称为行星气压带。气压带的形成和维持是经圈环流形成的必要条件。可见，地球自转是全球大气环流形成和维持的重要条件。三、地表性质的影响在地表均匀的假定下，全球平均纬向环流都具有环绕纬圈的带状分布特征。实际上，地表性质的不均匀性会使沿纬圈环流的带状特征受到很大的破坏，从而导致全球大气环流更为复杂。对大气环流影响最大的是海陆间的热力差异和高大地形的作用。1海陆分布

海洋和陆地的热力性质差异很大。夏季，陆地形成相对热源，海洋形成相对冷源；冬季则相反。这种冷热源分布直接影响海陆间的气压分布。具体表现为：海陆分布对大气活动中心（在低层）的影响海陆分布对西风带高空环流形势（在高层）的影响海陆分布对大气活动中心的影响

由于海陆差异的作用，平均海平面气压场环流分布表现为沿着纬圈方向的不均匀性，即气压分布的带状分布遭到破坏，而且呈现出一个个巨大的闭合性高、低压系统（冬季：大陆生成高压，海洋生成低压；夏季：大陆生成低压，海洋生成高压），统称为大气活动中心（分为：永久性的活动中心和半永久性的活动中心）。

北半球冬季：亚洲大陆冷高压（亦可称为蒙古冷高压或西伯利亚冷高压）北美冷高压太平洋副热带高压百慕大高压（北大西洋）阿留申群岛低压

冰岛低压大气活动中心JanuaryJuly北半球夏季：太平洋副热带高压大西洋副热带高压

亚洲低压（印度热低压）北美低压冰岛低压没消失海平面平均气压场特征1）无论1月或7月，赤道附近是低压带。气压按纬圈呈带状分布，南半球比北半球明显，特别是7月，南半球副热带高压呈带状分布更为显。2）1月北半球大陆上有两个高压：蒙古高压（欧亚大陆）、北美高压（北美大陆）；海洋上有两个低压：阿留申低压（北太平洋）、冰岛低压（北大西洋）。四个中心纬度偏北（高纬）。南半球副热带分裂为南太平洋副高、南大西洋副高和印度洋高压3）7月，北半球大陆低压：印度低压（亚欧非大陆）、北美低压；海洋高压：亚速尔高压（北大西洋副高）、北太平洋副高。四个中心纬度偏南（低纬）。南半球高纬度，由于海洋影响，40S以南地区等压线几乎与纬圈平行，带状明显；在其北侧仍为南太平洋副高、南大西洋副高、印度洋高压。4）各个活动中心和气压带的位置随季节不但有南北移动（冬南移、夏北移），而且整个环流还有明显的增强和减弱的现象。如冬季高、低纬间，海、陆间水平温度梯度大，气压梯度也大（等压线密集），环流强；夏季相反。那些终年维持着的大气活动中心称永久性的活动中心。大多在海洋上，一年中表现较稳定，没有强烈的季节变化。如亚速尔高压、北太平洋副高，冬季强度小，位置偏东南，夏季强度大，位置偏西北。冰岛低压、阿留申低压，冬季强度大，范围广，位置偏南，夏季强度弱，范围缩小，位置北移，尤其是阿留申低压，夏季强度大大减弱，在平均图上几乎消失。仅在某些季节经常出现的大气活动中心称为半永久性的活动中心。大多出现在大陆，是大陆上的季节性气候区，冬季出现高压，夏季出现低压。如亚洲大陆上，冬季蒙古高压，夏季印度低压。北美大陆上，冬季出现北美高压，夏季出现北美低压。海陆分布对西风带高空环流形势的影响

北半球的海陆都是东西相间分布，大洋西岸（大陆东岸）和大洋东岸（大陆西岸）的气温和环流形势在中纬西风带的影响下分布是完全不同的。（使平直的西风带出现了行星波尺度的槽脊，并且冬夏大陆东西岸出现不同的槽脊

）

大陆东岸大陆西岸冷热冷温度槽温度脊低压槽高压脊冬季大陆东岸大陆西岸热冷热温度脊温度槽高压脊低压槽夏季可见：海陆东西相间分布对高空环流形势的建立和变化有明显作用！冬季：大陆东岸（大洋西岸）出现低压槽，大陆西岸（大洋东岸）出现高压脊。夏季：大陆东岸（大洋西岸）出现高压脊，大陆西岸（大洋东岸）出现低压槽。

2、地形因子的影响-青藏高原等大地形的作用

地形起伏对大气环流的影响是相当显著的，尤其是高大山脉和大高原的影响更加明显。其影响包括：

动力作用热力作用动力作用

动力作用使得气流到达高大山脉和大高原时产生绕行、分支或者爬越，同时使气流的速度发生变化，在迎风坡和背风坡形成弱风区。好比西风气流在青藏高原大地形的作用下绕行形成北脊（新疆脊）南槽（孟加拉湾低槽）。热力作用

大地形对大气环流有着明显的热力作用。例如，青藏高原在夏季是一个热源，由于加热作用在底层形成一个热低压，产生较强的上升气流，从而在对流层上层形成一个暖高压（南亚高压），形成一个向南的气压梯度，使得高空气流从青藏高原向南流向赤道地区，在低纬地区上空下沉，下沉气流在低空又由南向北流向青藏高原，从而形成一个闭合的经圈环流，称为南亚季风环流，它与Hadley环流相反。冬季相反。

海陆和地形的共同作用，不仅使低层大气环流变得复杂，而且也使中高层的大气环流又在特定地区出现平均槽、脊的趋势！青藏高原夏季为热源

通过这小节可以看出：

太阳辐射是大气环流的能源。由于辐射南北分布不均，使气流自赤道附近上升并在高层向南向北流动，流动的空气在地转偏向力的作用下产生偏转，从而形成三圈环流和三风四带。由于海陆的热力差异和大地形的共同作用，使得大气环流趋于复杂，沿纬向分裂成一个个闭合的大气活动中心，促成了季风的形成。

第二章大气环流与气候2.1大气环流的基本概念2.2

大气环流形成的基本因子2.3

大气环流的平均纬向特征和经向特征2.4实际大气环流的平均特征及其季节性的转换2.5大气环流异常对气候产生的影响

大气运动是复杂多变的，并且在时刻不停的变化。但是，它的变化随着时间和空间具有一定的规律性。通常来说，我们将大气环流在不同的季节进行相当长时间的空间和时间的平均，就其分布特征研究大气环流的规律和基本特征。大气环流的平均特征：1平均纬向环流特征2平均经向环流特征大气环流的平均纬向特征和经向特征1平均纬向环流特征

大气环流最基本的状态是盛行以极地为中心旋转的纬向环流，也就是东、西风带，即纬向环流在整个大气里占主导地位。1）在极地地区近地面层，无论冬、夏都是浅薄的弱东风层，其厚度和强度都是冬大于夏，东风风速冬季2米/秒（北半球），夏季为1米/秒。2）在中纬度地区，从地面到高空都是西风，西风占据的范围（纬距）随高度增宽，且风速随高度而增大，在对流层顶附近是一个强西风中心，风速达极大值。这支强西风气流叫急流。

北半球冬季平均西风急流中心位于27N的200毫巴上，中心风速大于为40米/秒；夏季西风急流位置北移，高度少有降低，强度减弱，即位于42N的200-300毫巴间，风速大约为15米/秒。3）在赤道及其附近地区，无论冬、夏均为很厚的东风层。从冬到夏，东风带向北移动，范围扩大，强度增强。东风与西风的界限，即零等风速线，在对流层中、下层随高度向赤道方向偏斜，也就是说，东风层占据的纬距宽度随高度而缩小。极地东风带高纬地区冬夏季都是一层很浅薄的东风带，主要分布在北大西洋低压和太平洋低压向极地的一侧，厚度和强度都是冬季大于夏季。中纬西风带无论冬、夏，中纬度地区从地面向上都是西风，称为盛行西风带；西风带跨越的纬度随着高度而增大；西风风速自地面到对流层顶都是增加的，在中纬度对流层顶形成个强西风中心；每个半球西风极大值都在30º附近，夏半球西风极大值向高纬偏至45º-50º间；冬季西风比夏季强；北半球西风的季节变化比南半球更大，北半球西风夏季较弱，而南半球夏季西风较强稳定。

平均纬向风速分布剖面图（单位：米/秒）

对流层顶夏季冬季热带东风带（信风带）

主要位于低纬地区，自地面到高空都是东风。信风是纬向风中最为稳定、风速较大、活动范围广阔的风带。在北半球表现为东北信风，南半球则为东南信风。北半球夏季信风带北移，强度和范围增大。此外，信风冬南移，夏北移，移动中会越过赤道。南半球的东南信风越过转变为西南风；北半球冬季则相反，在南半球低纬地区形成西风系统（西北风），低纬地区的这种西风系统称为赤道西风带。2平均经向环流特征经圈环流是指沿经圈和垂直方向上，由风速的平均南北分量和垂直分量构成的平均环流圈。在南北半球上主要表现为经典的三圈环流。北半球冬季（上）和夏季（下）平均经向风速分量（米/秒）

冬夏低纬度环流圈最强，高纬度环流圈最弱，冬半年最明显。经向型环流圈都有季节性移动，冬季南移，夏季北移。环流强度也有季节性变化，冬季增强，夏季减弱。风速的南北分量和垂直分量都较小，经向环流比纬向环流弱的多。大气环流基本上以东西向的纬向环流为主，但由于经向环流的存在，空气得以南北交换。第二章大气环流与气候2.1大气环流的基本概念2.2

大气环流形成的基本因子2.3

大气环流的平均纬向特征和经向特征2.4实际大气环流的平均特征及其季节性的转换2.5大气环流异常对气候产生的影响

实际大气环流的平均水平环流特征及其季节性的转换本节主要介绍大气环流的基本特征和它的平均运行情况，通过了解大气中的气压场和风场的平均特征，初步建立实际的大气环流的三维图像。

了解不同等压面上的平均水平环流的重要性在于它不仅仅反映了环流随纬度的平均分布，还反映了不同高度、不同经度上的纬度偏差分布特点，例如在对流层下部的大气活动中心以及在对流层中上部的高空平均槽脊等。这里，我们着重讨论北半球的环流情况。平均低层环流

对流层平均环流

大气环流的季节性转换平均低层环流（对流层低层、近地面层）在对流层低层，由于海陆热力差异和地表起伏不平所引起的热力、动力变化使环流沿纬向的不均匀性更加显著，在平均海平面气压场上表现为一个个巨大的高、低压系统。

冬、夏北半球不同的主要大气活动中心

对流层平均环流（对流层中、高层）

极涡槽脊系统a极涡：无论冬夏季，都存在围绕极地地区的低压中心，称为极涡。冬季两个（强：格陵兰西部，夏季一个。位置是变动的）

b

槽脊系统（北半球：冬三夏四）一月平均500hPa高度场和温度场东亚大槽北美大槽欧洲浅槽阿拉斯加西欧沿岸贝加尔湖冬七月平均500hPa高度场和温度场北美大槽东亚大槽欧洲西岸乌拉尔山以东夏对流层中、高层环流特征1）无论冬夏，都有围绕极地的低压中心，称为极涡。环绕极涡的等高线，由于地转关系，表示了气流气旋性运动方向，即围绕极地的西风带。这种西风带呈现波动状。

极涡并不正好在在南、北极，冬半年北半球存在两个极涡中心（强的:格陵兰西部，弱的：东西北利亚的北冰洋沿岸），下半年一个（加拿大极区）。

极涡的位置是变动的，其位置变动与我国中长期天气变化有一定联系。特别是对全国范围的寒潮天气爆发的预报具有重要的指示意义。寒潮是一种大规模的强冷空气向南运动并导致大范围极具降温的天气过程。影响我国的冷空气源自北冰洋及其附近地区。在东亚大陆出现寒潮天气过程时，亚洲上空已形成并维持了强大的极涡系统。如果极涡位置南压到西贝利亚北部，将促进冷空气南下，我国大范围持续降温。2）在中、高纬度地区上空全年都盛行着以极地为中心的纬向西方气流，并且有行星尺度的槽脊波动，从冬到夏西风强度和位置都有明显的季节变化。

环绕极涡的等高线1月比7月密集的多，这表示1月比7月西风风速强。

在西风带上的平均槽脊，冬季为三槽三脊：东亚大槽、北美大槽、欧洲浅槽；三槽之间三个平均脊：阿拉斯加、西欧沿岸、贝加尔湖，脊比槽弱得多。

夏季的四槽四脊：东亚大槽（东移到勘察加半岛以东）、北美大槽（位置不变）、欧洲西岸、乌拉尔山以东（原来欧洲浅槽消失，长波调整，在东亚和北美大槽间生成两个槽。槽之间是脊。北半球对流层中部的环流可归纳为“冬三夏四”环流形势。3）在低纬度上空全年都有高压存在。副高1月表现微弱，位于20N以南；7月强度增大，且位置偏北。4）整个环流仍然具有冬季南移，夏季北移的特点。

大气环流的季节性转换

从上述可以看出，大气环流特征在冬季和夏季有规律的转换。以中纬度对流层500毫巴平均高度廓线的各月演变为例，它表示出中高纬地区500毫巴平均槽、脊的位置和强度的季节变化特征。

冬季或者夏季期间槽脊位置基本是稳定或者渐变的，他们占去全年的相当长的时间，但是转化时的过渡季节则是短促的，在这个短促的时间里完成环流的季节转化则称为突变，一次发生在在6月，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。（稳定渐变时间长，转变时间短）季节转换示意图突变突变第二章大气环流与气候2.1大气环流的基本概念2.2

大气环流形成的基本因子2.3

大气环流的平均纬向特征和经向特征2.4实际大气环流的平均特征及其季节性的转换2.5大气环流异常对气候产生的影响大气环流异常对气候产生的影响大气环流是气候形成的重要因子，它的变化对于气候的变化有重要的影响，它主要体现在热量传输、水分传输以及不同纬带对当地天气气候的影响上。(大气环流直接作用于气候上)

大气环流对热量传输的作用大气环流对水分传输的作用“三风四带”对当地气候形成的作用辐射能量在低纬有盈余，在高纬有亏损，长期观测却未见低纬逐渐升温，也未见高纬逐渐降温，这是由于大气环流、洋流将热量由低纬向高纬输送的结果。据估计在环流的经向热量输送中，洋流的作用占33%，大气环流的作用占67%。在赤道到30ºN洋流的输送超过大气环流的输送，在30ºN以北，大气环流的输送超过洋流的输送。这种海洋-大气的“接力式”的经向热量输送是维持高低纬度能量平衡的主要机制。大气环流对热量传输的作用由赤道到极地的热量随纬度和季节而异。就年平均而言，热赤道在5°N。其中显热输送从热赤道分别向南北输送，潜热输送在回归线附近分别向高、低纬输送。从季节来说，冬季南北温差大，环流强输送热量大，夏季输送小。大气环流对水分传输的作用

水分循环的过程是通过蒸发、大气中的水汽输送、降水和径流四者来实现的。大循环：海陆之间的水分交换小循环：海、陆内部的水分交换大循环和小循环，大气环流都起着重要的作用水分大循环：由于太阳能的输入，从海洋表面蒸发到空中的水分，被气流输送到大陆上空，通过一定过程凝结成云而降水，地面的雨水又通过地表江河和渗透到地下的水流，再回到海洋。蒸发、大气水分输送、降水、径流四个过程。水分内循环：水分从海洋表面蒸发，被气流带到空中凝结，然后以降水的形式落回海洋。或者水分从陆地表面的水体、湿地以及植物蒸腾到空中凝结，再降落到陆地表面。C大气环流携带水汽以副热带为中心，向南（信风）向北（西风）输送

降水蒸发和大气水输送随纬度分布图a:3个峰区和2个谷区：赤道带和两个副极地带多雨两个副热带少雨b副热带蒸发大于降水，赤道和中高纬蒸发小于降水在北纬13-37度和南纬7-40度蒸发量大于降水量，水分有剩余；在赤道和中高纬降水量大于蒸发量，水汽有亏损。大气径流将水汽从盈余地区输送到亏损地区：以副热带为中心，通过信风和盛行西风将水汽向南向北输送。全球的水汽输送，在低纬度，哈得来环流起的作用很大，在中、高纬度主要通过大型涡旋运动进行水汽输送。

蒸发、降水、大气中的水分循环的平均经向分布：降水：两个高峰，一个低谷。高峰：赤道低压带（对流雨，最强）、中纬度西风带（极锋，气旋活动频繁）。低谷：副热带高压带气流下沉，海洋也少）。蒸发：高峰：海洋上北纬15-20度和南纬10-20度信风带上（风大稳定，又来自副热带）。低值：赤道(风小、云多）“三风四带”对北半球气候的影响地球表面从北极到南极共有7个气压带，除赤道低压带外，南北半球各