课件第八章大气与海洋.docx
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课件第八章大气与海洋
第八章大气与海洋
§8.1 地球大气的平均状态
一、大气的垂直结构
如上图所示,大气从低往上可分为:
对流层、平流层、中层、热成层和逸散层。
1、对流层:
高度北半球中、高纬度12到15公里;南半球中、高纬度8到9公里,赤道附近18到19公里;由于地面辐射,温度随高度升高而降低,每100米降低0.65k,层顶温度为-60度,主要现象为日常天气;
2、平流层:
平均高度50km,因在20到25公里高处有臭氧层吸收紫外线,增温,温度随高度升高,层顶温度大约0度,无天气现象;
3、中层:
高度为80到90公里,温度随高度降低很快,最冷层,层顶温度可达-90度,水气极少,空气稀薄,可见夜光云;
4、热成层,又叫暖层、电离层,温度可升高到1000k,高纬极光多发生在这一层;
5、逸散层:
过渡
二、大气成分
1、定常成分:
氮气、氧气、氩气和微量惰性气体;
2、可变成分:
水蒸气;二氧化碳;臭氧,C、S、N化合物;主要造成空气污染和温室效应;
三、三大全球问题
1、臭氧空洞:
2、温室效应:
3、酸雨:
PH小于5.6,酸性成分主要是硫酸,也有硝酸和盐酸等。
§8.2大气环流
一、准备知识
1、气温:
空气分子平均动能大小的表现,表征大气的冷热程度;全球气温基本呈纬向分布。
2、气压:
从观测高度到大气上界单位面积上的垂直空气柱的质量。
海压为0表示气压为1013.25hPa;
气压场:
等压线越密,风速越大。
3、风:
空气相对于地面作水平运动;
4、湿度:
表征空气中水汽含量的物理量;
5、尺度:
大气大、中尺度运动受科氏力影响,满足地转平衡关系,近似为地转风,沿水平面上等压线吹。
(分类见P242表8-1)
二、气压带和风带
1、没有转动地球上的风场分布:
热力环流(Hadley环流):
无旋转地球上的Hadley环流
2、转动地球上的风场分布:
哈德雷环流、费瑞尔环流、极地环流;
其近地面部分分别形成:
赤道信风带(贸易风);西风带和极地东风带;
而在南北纬高、中、低纬度由于气流辐合辐散形成了地面气压场,对海洋最重要的为副热带高压:
三、季风
1、定义:
大范围盛行风向随季节有显著变化的风系;
2、特点:
随季节反向;源起气团性质迥异;造成明显的旱、雨季;
3、全球三大季风区:
印度季风区,东亚季风区,西非季风区
主要季风区
印度夏季风
印度冬季风
4、成因
a、海陆热机:
(小型形成海陆风)
海陆风
b、行星风系移动
c、青藏高原大地形的影响(小型形成山谷风,焚风)
§8.2 海洋上的天气系统
一、锋面
1、气团:
低层大气中存在的物理属性相对均匀的大规模空气集团。
按温度分为冷、暖气团;
2、锋面:
不同性质气团的交面;锋区、锋面、锋线。
冷锋(上图):
冷气团推动暖气团。
冷锋天气:
在槽前锋后易出现连续降水;夏季在槽后或附近可产生短时间强对流降水;冬季锋附近多连续降雨,锋后伴大风。
暖锋(上图):
暖气团推动冷气团。
暖气团爬升,锋前多降雨。
二、气旋
1、气旋:
从流场角度,气旋为低压系统,北半球气流呈逆时针运动。
2、温带气旋:
多为锋面气旋,附近有冷心,一般不重合,带有云雨天气。
锋面气旋为冷低压;寒潮为冷高压;副高是暖高压;台风是暖低压。
3、热带气旋
1)分类(称谓)
东太、大西洋(美国两岸) 飓风(Hurricanes)
印度洋 热带风暴
南半球 热带气旋
我国按国际惯例,依据中心最大风力分:
最大风速
<8级(17.2m/s) 热带低压
8~9级(17.2~24.4m/s) 热带风暴
10~11级(24.5~32.6m/s) 强热带风暴
〉/=12级(〉32.7m/s) 台风
2)台风结构
眼区:
晴空少云
眼壁:
高大对流云
螺旋云雨带:
对流活动旺盛,有显著上升运动
强气旋性环流,低层流入,高层流出,极强上升运动
眼区中心气压极地,多到960hPa左右。
台风气流行进图示
3)台风分布:
全球海域,在赤道两侧南北纬5—10度内,只有东南太平洋、南大西洋没有台风发生
4)台风形成条件:
a、纬度大于5度,因台风起始时刻空气具有一定的水平旋转,有利于气旋性涡旋的发生,所以必须具有足够大的科氏力才行;
b、水温大于26.5度,必须热带洋面,水气凝结潜热释放以维持台风暖心结构,这样在低层有高温高湿的大气,有充沛的水量与热量供给;
c、弱的垂直切变:
切变大,通风效果好,积雨云释放的凝结潜热迅速离开扰动区上空向四周扩散,热量无法集中。
切变小,对流层上下相对运动小,凝结释放的潜热始终加热同一气柱而很快形成暖心;积雨云对流联系台风上下流场,把洋面或底层得到的能量源源不断的传输给高空;
d、初始扰动:
东风波为初始扰动的一种形式,另外赤道辐合带(ITCZ),高空冷涡诱生低压和斜压场也可诱发台风。
5)热带气旋发生的频率:
西北太平洋:
全球大于1/3的台风集中在此地,每年平均有30个。
各月发生数:
呈单峰分布,极值为8月,6~10月占全年的3/4以上,如下图:
印度洋(南亚)台风呈双峰分布:
8月谷值,6月与9、10月为双峰
6)台风移动路径
主要有三条:
西行、西北行、转向行
美国飓风
三、副热带高压
1、副热带高压为全球性、有海陆分布而被切断的永久性高压,是大范围的、高压环流系统。
垂直范围一般延伸到整个对流层;东西向扁平,长轴:
副热带高压脊线,也是东风西风分界线;
垂直分层,可从地面图、1000hPa,中层500hPa,高层200hPa图上看出。
其中中层588线随季节南北移动,冬季最南。
2、副高的两次北跳与三次稳定对应我国的三大雨带
稳定 位置 雨季
第一次稳定 北纬15度左右 华南前汛期
第一次北跳 5、6月
第二次稳定 北纬25度左右 江南梅雨期
第二次北跳 7月
第三次稳定 北纬30度左右 华北暴雨
3、北跳与台风路径
大多数台风路径与副高南部、西部的流场一致(引导气流)
经验:
台风发生地常为:
跳跃前副高南部的辐合区,时间在跳跃后1、2天,因为副高北跳后明显减压
四、ITCZ(热带辐合带)
在北纬5~10度左右偏东信风辐合,形成对流云带。
如图
对流云
§8.3海-气相互作用
一、气候系统的组成:
由五个主要分量构成的综合系统,这五个相互联系和相互作用的分量是:
大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈。
气候系统既包括大气和海洋等子系统内部的各种过程,又反映了各个子系统间的相互作用。
天文因素(主要是太阳活动)是影响气候系统的主要外部因素。
大气运动及气候的状态和变化同太阳辐射有重要的关系。
太阳辐射为大气和海洋的运动以至生物活动提供了最基本的能源。
太阳活动引起的太阳辐射的改变也必然对地球气候及其变化发生重要影响。
2.气候系统的性质:
1)各子系统是开放的非孤立系统。
从能量角度看是非孤立系统,其内部是串级系统;从物质交换角度看则是准孤立系统,内部是一个准封闭的串级系统。
物理过程包括穿越边界的能量、动量和物质输送,且生成了大量反馈机制。
2)各分量是非均匀的热力学——动力学系统。
他们可以用化学组成,热力学及力学状态加以描述。
3)各不同分量的估计时间尺度在不同子系统之间变化很大,甚至在同一个子系统内变化也很大。
研究时可依序考虑内部系统和外部系统。
4)气候系统主要由两个外强迫来制约全球行为。
即太阳辐射和重力。
太阳辐射是主要因子,提供了驱动气候系统的几乎所有能量。
二、海洋在气候系统中的地位
1、海洋是地球气候系统的最重要组成部分。
1)全球海洋吸收的Qs占进入大气顶的总Qs的70%左右。
因此海洋,尤其是热带海洋,是大气运动的重要能源。
2)海洋有着极大的热容量。
相对大气运动,海洋比较稳定,运动和变化比较缓慢。
3)海洋是地球大气系统总CO2最大的汇。
2、海洋对大气系统热力平衡的影响
1)吸收Qs的70%的绝大部分(85%)储存于海洋表层(混合层)中。
这些能量将以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气,驱动大气的运动。
2)海洋环流在大气系统能量输送和平衡中的重要作用。
30%的经向能量输送由海洋承担。
3、海洋对水汽循环的影响
大气中水汽量的86%由海洋提供。
尤其低纬度海洋,是大气水汽的主要源地。
4、海洋对大气运动的调谐作用
海洋的运动和变化具有明显的缓慢性和持续性。
一是将大气环流变化信息存于海洋中,再对大气产生作用。
二是海洋的热惯性使海洋状况的变化有滞后效应。
5、海洋对温室效应的缓解作用
海洋环流减小了低纬大气的增热,使高纬大气加热,降水量亦相应改变。
而且大气对某些因素变化的敏感性降低。
减少大气中二氧化碳含量。
三、海气作用特征
在相互制约的海-气系统中,海洋对大气的作用主要是热力的,大气对海洋的作用主要是动力的。
1.海洋对大气的热力作用:
海洋,特别是热带海洋,是驱动大气系统运动的重要能量来源。
提供热量方式有潜热和感热两种,主要是潜热,要求水汽辐合上升,即相应的大气环流条件。
大洋环流影响海洋热含量的分布及向大气的热量输送过程。
是全球尺度特征。
2.大气对海洋的风应力强迫:
大洋环流与风应力强迫有密切关系。
3.海洋上混合层(UML,简称海洋混合层):
对气候和大气环流变化,海洋混合层十分重要。
混合层的辐合、辐散过程通过Ekman抽吸效应影响深层海洋环流;深层海洋环流通过改变混合层的状况对大气运动影响。
太阳辐射能通过影响混合层而成为驱动整个海洋运动的重要原动力。
四、ENSO
1、ENSO是厄尔尼诺(El~Nino)和南方涛动(SouthernOscillation)的合称。
厄尔尼诺El~Nino:
圣诞前后,沿厄瓜多尔和秘鲁沿岸,出现一弱的洋流,代替了通常对应的冷水。
近年指一种更大尺度的海洋异常现象,整个赤道东太平洋表现振幅达几摄氏度的增暖。
与此相联系,海洋和大气环流发生很大的异常。
南方涛动(SouthernOscillation):
热带东太平洋与热带中太平洋气压场反相变化的跷跷板现象。
2、ENSO成因:
正常年:
副高靠赤道一侧的东风带常年由太平洋东岸往西岸吹,上次暖海水被东风带到东岸,在西岸堆积,而东岸底层冷海水上涌,形成东太赤道附近海水较冷。
东风拖拽东太赤道附近表层海水西行在西岸堆积后,西太的海平面比东太高,下层冷海水不易上升,加上阳光加热,使得西太成为全球海面温度最高的地区。
海面大气受热上升,大气密度变小形成低压,并成云降雨,造成印尼和新几内亚地区潮湿多雨的雨林气候。
赤道西太的气流上升到高空后向外辐散,向东的一支吹向东太副热带,然后下沉,使得此区气压增高,加上海面温度偏低,大气层结稳定,而东太赤道附近称谓全球最干燥的地区之一。
然后气流再向西吹回西太,如此形成一个环流系统:
沃克环流。
沃克环流
ENSO年:
每隔几年,东太副高会突然减弱,导致热带东风减弱,加上赤道西太西风突然增强,热带东风到中太一代甚至会发生逆转现象。
ENSO未爆发前,赤道太平洋海平面是西高东低,要保持如此状态,唯有靠强盛的东风来维持。
而一旦东风减弱甚至反转,西风增强,迟到西太温暖的海水会受到西风与重力的牵引流向东太,造成东太海平面升高,使得上升流减弱,导致赤道东太还问升高。
反之,赤道西太表层海水受西风牵引往西,海平面降低,上升流涌升,导致海面温度降低。
当东太水温上升,海洋上方的空气受热上升,更使东太副高气压进一步减弱,东西气压差缩小,底层环流不再从东太经温暖洋面往西太流动。
赤道西太地区由于海温下降,大气更为稳定,不易积云成雨,使得驱动沃克环流的机制消失,甚至反向。
从而原本的雨林气候变得干燥而诱发森林大火,而原本上升流形成的渔场因水温升高而渔业减产。
正常年与ENSO年的气流与海流状况
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