大气环流课件：大气中的热量平衡

1、第3章 大气中的热量平衡,大气环流,1,由于地气系统在各纬带间吸收太阳辐能射的差异，导致在低纬度获得热能，而在高纬度失去热能。但就长期平均而言，大气仍然维持着它自身的平均温度分布状态，这就说明必然存在某种过程来实现将低纬度剩余热能输送到高纬度，以满足热量平衡的要求。 本章的内容就是要探讨大气中热能输送和平衡的基本过程。研究大气热量平衡的途径可以是多种的，可以采用不同的物理量，如总能量、静力能等来讨论热量平衡过程。也可以直接从热力学方程出发，来讨论大气的热平衡以及大气平均温度的维持问题。,2,3.1 热力平衡方程,由热力学第一定律, =, + + =,Q表示非绝热加热率，包括辐射加热、潜热释放、

2、下垫面的感热作用、摩擦加热以及大气内部的湍流热传导。 对上式进行纬向平均和长期时间平均，并应用前面的通量分解方法，可导出热平衡方程的分解形式：, T t = v a T T p R C p P T 1 acos T v + T v cos, p T + T + R C p P T + T + Q C p,（1） （2） （3）,（4） （5） （6）,方程右端（1）、（2）两项表示平均经圈环流水平和垂直方向的输送作用，第（3）、（4）、（5）三项表示常定和瞬变涡旋的输送作用，第（6）项代表非绝热加热作用。 3.2 大气运动各分量对热量平衡的贡献 1、经圈环流的水平输送（即第1项的作用）,表1

3、北半球冬季经向平流的极大值估计,5,2、对流项（2）：, T p R C p P T = ln ,Hadley环流上升支的冷却作用季节变化不大，但下沉支的加热作用季节变化较大。11.2C/d。 Ferrel环流上升支的冷却作用冬季强、夏季弱，南半球变化不大。,6,3、涡旋经向热通量的南北辐合项,包括常定涡旋和瞬变涡旋的热输送作用。 主要的分布特征：50附近上空高低层各有两个向极地的通量极大中心，其中低层的较强。主要是移动性气旋、反气旋所造成的热量南北交换。高层的与平流层底层的超长波、长波扰动相联系。有季节变化。,7,常定涡旋输送和瞬变涡旋输送的相对重要性,瞬变涡旋经向热通量的分布（.m/s）,

4、常定涡旋经向热通量的分布（.m/s）,8,涡旋经向通量的辐合项（3）,涡旋经向热通量的经向辐合作用对局地温度变化的贡献（/d）,正值表示辐合、负值表示辐散。 主要的分布特征： 在中纬度对流层都是辐散区，对温度变化的贡献约为-0.2或0.4/d。 高纬50向极地一侧是辐合带，在6070间，对流层低层和平流层低层各有一个极值（0.6-0.8 /d ），其中北半球的季节变化明显，冬强夏弱。 这些辐散、辐合区的分布与经圈环流的上升、下沉支相吻合，但作用与绝热项相反，数值稍小一些。,122月,9,年平均瞬变涡旋对垂直平均向北感热输送的全球分布（ .m /s）(引自Oort and Peixoto, 19

5、83),两半球瞬变涡旋通量具有显著的向极输送特征，最大值出现在中纬度。在南半球中纬度，强的向极热通量非常均匀，但在北半球，北美和东亚上空有显著的极大值，很明显，它们与极锋区的斜压扰动相联系。在纬度70附近的一些经度上，也存在着从极区向外输送的大值区。这些通量存在季节变化。,10,所有运动（a）、瞬变涡旋（b）、常定涡旋（c）和平均经圈环流（d）的垂直和纬圈平均的向北感热通量输送的经圈廓线图。（ .m /s）(引自Oort and Peixoto, 1983) 北半球定常涡旋通量有很大的季节变化。在冬季，它们的输送作用可以超过瞬变涡旋的输送作用。 平均经圈环流的输送在热带有显著的季节变化，这与冬

6、夏Hadley环流的移动相联系。,11,4、涡旋垂直热通量及其辐散、辐合作用,瞬变涡旋垂直热通量分布（104.hPa/s）,常定涡旋垂直热通量分布（104.hPa/s）,122月,12,涡旋垂直热通量分布（103.hPa/s） （包括瞬变和常定涡旋通量：19791984，ECMWF资料吴国雄）,涡旋垂直热通量的垂直辐散项分布 （1010kw;图中16.78相当于1 /d ） （包括瞬变和常定涡旋通量：19791984，ECMWF资料吴国雄）,热量向上输送（斜压不稳定波的作用温度槽落后高度槽）,13,3.3 非绝热过程的影响,1、辐射加热作用QR、潜热释放QL和边界层加热QBL,12-2月大气净

7、辐射加热、潜热释放和边界层中的感热（引自Newell,1970）,14,辐射加热作用对 局地气温变化的 贡献（ /d ）,DJF,JJA,15,12-2月大气总的非绝热加热率（ /d ）（引自Newell,1970）,16,辐射、潜热、边界层加热作用对 局地气温变化的净贡献（ /d ）,17,小 结（一）,1、对季节平均而言，非绝热加热项（6）、绝热项（2）及涡旋水平通量辐合项（3）对温度的影响具有1 /d 左右的数值，其余各项贡献较小。 2、对流层赤道附近，主要是非绝热加热作用与Hadley环流上升支的绝热冷却作用近乎相互平衡。涡旋水平通量的贡献很小。 3、在对流层副热带，主要是下沉支的绝热加热与非绝热冷却及涡旋水平通量辐散的冷却作用相平衡。 4、在对流层中高纬，主要是涡旋水平通量辐合的加热作用与非绝热冷却及Ferrel环流上升支的绝热冷却作用相平衡。 5、在对流层极区，主要是极地正环流的下沉加热作用以及涡旋水平通量的辐合加热作用与那里的辐射冷却作用相平衡。 6、夏半