《天气学原理》第3章大气环流1.ppt

三圈环流的建立 3、地面摩擦 大气在自转地球上运动着，与地球表面产生着相对运动。相对运动产生着摩擦作用，而摩擦作用使空气与转动地球之间产生了转动力矩（即角动量）。 角动量在风带中的产生、损耗以及在风带间的输送、平衡，对大气环流的形成和维持具有重要作用。 (山脉也有类似作用) 地球上的气流基本上呈纬向流动着，在中高纬度主要是西风带，低纬度是广阔东风带。 在西风带，地球通过摩擦作用给大气一个自东向西的转动力矩，所以西风带中大气将损耗西风角动量，而地球将获得西风角动量。 在东风带，地球通过摩擦作用给大气一个自西向东的转动力矩，所以在东风带中大气获得地球给予的西风角动量，而地球将支出西风角动量。 照此下去，西风带因不断损耗西风角动量，近地层西风要减弱；东风带因不断获得西风角动量，近地层东风也要减弱。 然而长期观测事实证明，东、西风带的平均风速没有发生明显变化，地球自转速度也没有发生变化。 大气中的角动量是守恒的，东、西风带由地球获得或损耗的西风角动量是相等的。 大气中必有一种从东风带向西风带输送西风角动量的过程存在。 单位质量空气在纬度? 处的绝对角动量 其中?为地球自转角速度，a为地球半径，u为西风风速。 相对角动量也叫西风角动量，一般相对角动量小于?角动量。 相对角动量 ?角动量 ?角动量向西风角动量的转变 对于一个初始位于赤道相对于地球静止的质点，其绝对角动量为M=?a2，当它向极地运动到纬度φ，为保持绝对角动量守恒，必然获得纬向速度u， M=?a2cos2φ + uacosφ 向极运动将?角动量 转变为西风角动量 角动量的输送 垂直输送：主要通过平均经圈环流来实现。 水平输送：主要由两种运动形式来完成， 平均经圈环流 纬向环流上的大型涡旋运动 ?角动量随纬度有变化，纬度愈低， ?角动量愈大。在Hadley环流圈中，赤道上升气流向上携带的?角动量大于纬度30°附近下沉气流向下携带的?角动量，因而有净余的?角动量向上输送。在绝对角动量守恒条件下，向上输送的净余?角动量自地面东风带输送到低纬高空西风带。 垂直输送 赤道 副热带 同理，中高纬Ferrel环流圈中靠极一侧上升气流向上携带较小?角动量，而靠低纬一侧下沉气流向下携带较大?角动量，结果有净余?角动量向下输送，然后在低空向北运动中转化为西风角动量，补充地面西风带的损耗。 副极地 副热带 通过角动量输送过程保持了东、西风带中角动量平衡，使东、西风带能够长期维持稳定状态。 地面摩擦作用是大气环流中纬向环流 与经圈环流形成和维持的重要因素。 水平输送 在中高纬度地区，角动量输送主要靠大型涡旋运动的输送。 在低纬度地区，Hadley环流很强，它的输送同涡旋输送同等重要。 西北-东南向槽 向南输送角动量 东北-西南向槽 向北输送角动量 中低纬度 高纬度 在低纬度地区，Hadley环流的上升气流把东风带的角动量净输送到高空，再由平均经向环流和大型涡旋向北水平输送； 在中纬度和高纬度地区则主要依靠大型涡旋输送。 在北半球，水平输送量最大的地区在30o～35oN的对流层顶附近。为了完成角动量净向北输送，高空大型扰动的槽线必须是从东北向西南倾斜，而且南部比北部斜度大。 向北输送的角动量到达中纬度和高纬度地区之后，主要通过铅直方向的湍流，顺着西风速率的铅直梯度方向由高层输送到低层，以补充地面西风带角动量的消耗，使地面西风带维持定常状态。 角动量输送小结 图3.22 恒定温差条件下不同旋转速率的试验流型 （Hide 和Mason，1975） 旋转圆筒试验 轴对称　　　　　　　2波 3波　　　　　　　　 5波 　　　　　　　　　不规则 实际的大气环流流型 4、地表不均匀（海陆、大地形） 地球表面是一个性质不均匀的复杂的下垫面 广阔的海洋、大片的陆地， 陆地上又有高山峻岭、低地平原、广大沙漠以及极地冷源 对大气环流的影响 热力作用：海陆间的热力差异 动力作用：山脉的机械阻滞作用 热力作用 海洋与陆地的热力性质有很大差异。 夏季，陆地上形成相对热源，海洋上成为相对冷源； 冬季，陆地成为相对冷源，海洋却成为相对热源。 北半球陆地辽阔，海陆东西相间分布，在冬季，大陆是冷源，纬向西风气流流经大陆时，气流温度逐渐降低，直到大陆东岸降到最低，气流东流入海后，因海洋是热源，气温不断升温，直到海洋东缘温度升到最高，即大陆东岸成为温度槽，大陆西岸形成温度脊。夏季时，温度场相反，大陆东岸为温度脊，大陆西岸为温度槽。 根据热成风原理，冬季大陆 东岸出现低压槽，西岸出现 高压脊，夏季时相反。可见， 海陆东西相间分布对高空环 流形势的建立和