大气环流和全球气候系统.pptx
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大气环流和气候变化,黄乾13770602553,2,一、大气环流概论,1.概念:
围绕地球的大气在全球范围展开的环流运动统称为大气环流,即地球大气对太阳辐射响应的综合结果,即大气环流就是大范围的大气运动状态。
一般大气环流指全球范围内,水平尺度横跨数千公里,垂直尺度达数十公里以上,时间尺度在105s(1.5天)以上的平均运动。
3,环流:
空气沿一封闭的轨迹运动,或有沿着某一封闭轨迹循环运动的倾向。
气流沿经圈方向运动称为经圈(向)环流,沿纬圈方向移动称为纬圈(向)环流。
第一节大气环流模式,大气环流定义:
大范围(全球范围)的大尺度大气运动的基本(平均)状况及其随时间和空间的变化过程。
影响因子:
太阳辐射地球自转地球表面的不均匀性,一、单圈环流模式,假定条件:
仅考虑太阳辐射(英国的哈德莱Hadley)地-气系统的年辐射差额:
40N40S正40负,热力环流,经圈环流,单圈环流(半球),上升,上升,下沉,下沉,单圈环流模式,二、三圈环流模式假定条件:
考虑太阳辐射和地球自转(美国罗斯贝Rossby)水平地转偏向力sin,热力环流,水平地转偏向力,三圈环流(半球),太阳辐射,三圈环流模式,赤道,30N,60N,北极,哈德莱环流,极地环流,费雷尔环流,极锋,(高纬环流)直接环流(强),(中纬度环流)间接环流(弱),(低纬度环流、热带环流、信风环流)直接环流(强),气压带,赤道,30N,赤道低压带,副热带高压带,60N副极地低压带,北极极地高压带,行星风带,赤道,30N,60N,北极,东南信风带,(盛行)西风带,极地东风带,赤道辐合带(赤道无风带),副热带无风带东北信风带(贸易风带),11,Globalatmosphericcirculation,急流,温带急流(极锋急流),副热带西风急流(南支西风急流)热带东风急流,三、急流(高空急流),强而窄的气流带,其中心最大风速在对流层上部必须30ms,四、大气活动中心,太阳辐射、地球自转、地球表面的不均匀性海陆分布的不均匀加热相对于海洋,陆地夏季温度高,形成热低压;冬季温度低,形成冷高压。
永久性的活动中心、半永久性的活动中心、季节性活动中心。
海平面平均气压场(1月)(单位:
hpa),海平面平均气压场(7月)(单位:
hpa),第二节季风,一、季风的概念定义:
大范围地区盛行风向明显的季节变化。
大范围地区盛行风向和气压系统明显的季节变化,并且天气、气候也随之发生明显的变化。
存在冬、夏风向的季节性反转和干、湿期的季节性交替。
特点:
盛行风向随着季节变化而有很大差异,甚至接近相反;两种季风各有不同的源地,其气团的性质有根本的不同;能给天气现象造成明显不同的季节性差异。
类型:
赤道季风、热带季风、东亚季风(副热带季风、温带季风)赤道季风地理位置:
赤道非洲、印度南部、斯里兰卡、印度尼西亚、马来西亚一带,纬度很低,接近赤道。
气候特点:
有明显的雨季和旱季,全年炎热。
热带季风地理位置:
南亚和东南亚(北回归线以南)。
差别,但不,气候特点:
有明显的雨季和旱季,冬夏已有明显的温度大。
夏季受来自南半球的西南季风的直接影响。
东亚季风(副热带季风区和温带季风区)地理位置:
亚洲东部。
气候特点:
冬夏温度差异明显,最冷月和最热月平均温差至少20度以上,有明显的雨季,雨季主要是由于东南季风和冬季风相互作用造成的。
副热带季风区雨季主要在初夏和秋季,即夏季风在进退过程中前沿经过该区域。
最冷月平均气温在210,气温年较差为2028,年降水量约大于800mm。
温带季风区雨季主要在盛夏,即夏季风的鼎盛时期。
温度比副热带季风区更低,年较差更大,年降水量少于800mm。
中国的季风分布状况,热带季风区:
东区:
两广、江西南部、福建西区:
西藏南部、云南副热带季风区:
东区:
湖南(北)、安徽、江苏、上海、浙江,西区:
青海南部、四川大部、陕南、甘肃南部,温带季风区:
甘肃中西部地区、陕西中部和北部、东北三省、内蒙东部、华北,印度季风与中国东部季风的差异印度冬季风弱于夏季风,中国东部季风区则相反;印度降水集中在夏季风最强的季节,中国东部季风区降水集中在夏季风最盛之前。
二、东亚季风,成因:
海陆冬夏热力差异(主要成因)、青藏高原的影响,陆地(相对于海洋),冬季温度低冷高压夏季温度高热低压,D,G,冬季,夏季,陆地,陆地,24,Monsoonalcirculation(summer),季风环流,25,Monsoonalcirculation(Winter),东南信风,东北信风,赤道赤道辐合带,南亚季风区,冬季(东北信风),赤道辐合带,东南信风,东北信风,南亚季风区,夏季(西南季风),西南季风,二、南亚季风,成因:
行星风带的季节性移动,第三节地方性风,一、海陆风(出现在沿海地区或岛屿上)成因:
海陆昼夜热力差异。
强,弱,28,山谷风,谷风,山风,29,焚风,焚风定义:
暖空气越过高山下沉,而在局地吹起的干燥的热风。
焚风效应过山前:
当气流经过山脉时,沿迎风坡上升冷却,在所含水汽达饱和之前按干绝热过程降温;达饱和后,按湿绝热直减率降温,并因发生降水而减少水分。
过山后:
空气沿背风坡下沉,按干绝热直减率增温。
故气流过山后的温度比山前同高度上的温度高得多,湿度也显著减少。
30,布拉风,布拉风(borascura):
是一种从山地或高原经过低矮隘道向下倾落的寒冷暴风。
出现于山地或高地边缘的冷而强的风。
它是由强而寒冷的空气在山前或高地前聚集,达到一定厚度后从山顶或高地边缘沿坡倾泻而下的下吹风。
这种风因为在不太高的寒冷高原上的严寒空气,受暖海面上暖低气流的吸引倾泻而下的一种极严寒的地方性风。
它还曾吹翻火车,冻死不耐寒的亚热带植物,破坏建筑物等造成重大经济损失。
但达到灾难性程度的次数一般并不很多。
Sea海洋,布拉风的直接原因是气压差,四、峡谷风,当空气由开阔地区进入狭窄谷口时,气流的横截面积减小,由于空气质量不可能在这里堆积,于是气流加速前进,从而形成强风,称为峡谷风或“穿堂风”,水圈循环及洋流,水圈由所有的液态地表和地下水组成,既包括淡水(如江河,湖以及岩层中的水)也包括海洋的咸水。
这些水都通过复杂的水圈相互联系在一起(图3)。
海洋和陆面的水通过蒸发或蒸散,以水汽的形成进入大气中,尤其是海洋中的水汽大量的被大气环流输送到陆地上空,在那里形成云、雨。
降水的一部分又以地表径流(主要是在河流中)的形式流入海洋,影响着海洋的盐分和环流。
另一部分渗透入地下变成地下径流和地下水。
前者又可回流到海洋,后者则储存于地下补充那里不断被采取的地下水量。
上述水圈循环周而复始,为地球的各种系统提供必需的水源。
图3:
全球变暖将影响整个水循环过程,Bengtson,1998,在水圈中对气候影响最大的是海洋。
海洋占地球面积的70%左右,它一方面可以储存与输送大量的能量,同时还可以溶解与储存大量的CO2,是全球碳循环中非常重要的部分。
根据最近的估计海洋每年可以吸收17亿吨碳,占化石燃料燃烧和工业生产排放总量的27%。
海洋的环流比大气环流要慢得多,它是由盐分与温度梯度产生的密度差(即温盐环流)驱动的。
北大西洋温盐环流是对气候影响最显著的一种温盐环流。
气候的突变与这种环流的突然减弱或关闭有关(图3)。
图4全球温盐环流输送带示意图,海洋有很大的热惯性,这主要是由于海水的热容量很大,它一方面可以阻尼或减缓巨大的强温度变化,起到了地球气候调节器的作用,另一方面,由于它有较长的记忆力(尤其是在热带海洋),可以长时期内通过海气相互作用影响大气的变化,成为自然气候变率的源。
这就是为什么在目前设计的各种复杂气候模式与碳循环模式中必须把海洋包括在内。
在赤道东太平洋中发生的厄尔尼诺和拉尼娜现象(即该区域海表温度迅速升高或减少的现象)是由海洋产生的最显著的自然变率,它已成为目前各国进行年际预报和季节预报的最重要气候强信号。
图6海表和低层大气相互作用图,排放,气溶胶,降雨,感热潜热交换径流,干湿沉降,H调节,氧化化学,冰,辐射,海盐质点,气体交换,营养物,浮游植物细菌,浮游动物病菌,光化学,溶解有机物,图7海气界面与碳循环三种主要海洋碳泵制约着自然的大气CO2变化:
溶解泵,生物碳泵和碳酸钙反泵。
海洋对人类CO2的吸收由海表无机碳的吸收与人类碳从海表到深海的吸收决定。
如海洋环流不变,因为营养循环不变,生物泵不受太大影响。
如果海洋环流减慢,人类碳的吸收由无机缓冲过程和物理输送决定。
但如果其下沉速度不变,海洋颗粒物通量可达到深海。
三、洋流和信风,洋流是海洋表层的水,常年比较稳定地沿着一定的方向作大规模的流动,洋流又称为海流(Oceancurrent)。
洋流是海洋水体运动的主要形式。
大规模的洋流的形成与大气环流直接相关。
表层洋流分布规律,北美的暴雨和洪水,印尼的森林大火,1997年8月印尼加里曼丹岛和苏门答腊岛的森林大火,1998年长江流域发生特大洪涝灾害,江大堤决口达123小时之久,引起全国上下关注。
世界天气、气候异常的三大因子,1997年1998年由于“天灾”给全世界造成了百多亿美元以上的经济损失和7000多人的死亡。
“老天爷”为何狂躁不安?
专家们比较一致的看法由于赤道东南太平洋地区形成了近几百年来持续时间最长的一次厄尔尼诺现象,由此而引起了世界天气、气候异常。
世界气象组织(WorldMeteorologicalOrganization,WMO)已把它提升为影响当今世界天气和气候异常的三大因子之首(其余两个因子是人类活动造成的大气温室效应和森林破坏)。
一、什么是厄尔尼诺现象?
厄尔尼诺(ElNio)现象,又称圣婴现象,是指赤道中东太平洋附近的海表温度持续异常增暖现象。
ElNio在西班牙语中意为“圣婴”,也可译作“上帝之子”,因为这种赤道中东太平洋持续异常增暖事件通常在圣诞节前后开始发生。
厄尔尼诺厄尔尼诺(ElNio)是西班牙语“圣婴”音译(上帝之子),原指每年圣诞节前后,沿厄瓜多尔和秘鲁沿岸出现一股弱暖洋流,取代了沿岸原有冷海水的现象。
暖水向东回流到东太平洋,秘鲁渔场消失鱼鸟大量死亡,厄尔尼诺期间(1997年12月),正常状态,(1990年12月),厄尔尼诺盛期(1997.12-1998.2)热带太平洋海表面温度距平(红色为异常偏暖区,蓝色为异常偏冷区)。
图中赤道东太平洋甚至偏高4以上。
拉尼娜现象,因东风强盛,涌升流强劲使东赤道太平洋海水温度比长期平均值低。
拉尼娜盛期(1988.12-1989.2)热带太平洋海表面温度距平(红色为异常偏暖区,蓝色为异常偏冷区)。
图中赤道中东太平洋甚至偏低约23之间。
英国数学家沃克爵士(Sir.GilbertWalker)气压跷跷板:
热带东太平洋与热带东印度洋气压场反相变化的跷跷板现象(南方涛动现象)。
南方涛动SouthernOscillation,塔希提岛,达尔文岛,南方涛动(SouthOscillation,达尔文与塔希提岛的气压负相关(图中数值),当南方涛动指数较高时,东、西太平洋气压差值增大,赤道地区盛行偏东风;当该指数较低时,则东风较弱,在西太平洋地区甚至会出现西风。
厄尔尼诺期间,东南太平洋气压明显减弱,印度尼西亚和澳大利亚的气压升高。
拉尼娜期间的情况正好相反。
气象学家沃克发现:
正常状况,1.高压(H)东北信风、东南信风2.低压(L)西风3.在赤道120E处汇集幅合上升4.印尼、新几内亚地区热带雨林气候对流旺,盛,一、ENSO形成机制,太平洋东侧,太平洋西侧,厄尔尼诺发生时:
信风减弱,东赤道太平洋地区强烈的冷海水上翻,使得其海洋表层温度与西赤道太平洋地区的“暖池”之间形成强烈的对比。
在东赤道太平洋冷水域的上空大气强烈下沉,西赤道太平洋印度尼西亚海洋大陆上空大气对流强烈,大气以上升为主,这样就形成一个闭合的东西向环流圈,称为沃克环流。
二、沃克环流(WalkerCirculation),沃克环流图,沃克环流把南方涛动和赤道太平洋的海表温度
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