北大自然地理学课件03大气环流与大洋环流

第3章大气环流与大洋环流引子：风与大气环流第1节大气运动的驱动力第2节大气环流的特征第3节表层大洋环流第4节深层大洋环流第5节海洋－大气相互作用一、风的表述与测量一、风的表述与测量二、大气环流二、大气环流引子：风与大气环流一、风的表述与测量一、风的表述与测量1.1.风的定义风的定义大气在水平方向上的运动称为风。大气在水平方向上的运动称为风。2.2.风向：风向：风吹来的方向。风吹来的方向。••风的风的1616方位方位••仪器测定：风向标仪器测定：风向标••设置高度：设置高度：1010mm风的观测风的观测旗形树旗形树3.3.风速：风速：通常以通常以kmkm··hh--11或或mm··ss--11为单位。为单位。仪器测定：风速表仪器测定：风速表目视测定：风力等级目视测定：风力等级二、大气环流（二、大气环流（atmosphericcirculationatmosphericcirculation））1.1.定义：定义：行星尺度的大气运动现象。行星尺度的大气运动现象。根据根据19781978年年99月月1414日卫星雷达散射仪测量日卫星雷达散射仪测量的太平洋表面风海流运动推测的风的分布。的太平洋表面风海流运动推测的风的分布。••低纬度地区为偏东风低纬度地区为偏东风••中纬度地区为东北风中纬度地区为东北风和东南风和东南风••中高纬地区为西风，中高纬地区为西风，并形成许多风的旋涡并形成许多风的旋涡2.2.本质：本质：地球上能量和物质传输的形式地球上能量和物质传输的形式••地表与大气之间能量和物质传输地表与大气之间能量和物质传输••低纬与高纬之间能量和物质传输低纬与高纬之间能量和物质传输••海洋和陆地之间能量和物质传输海洋和陆地之间能量和物质传输3.3.成因：成因：地表冷热源的不均匀分布地表冷热源的不均匀分布••地表是热源，大气是热汇地表是热源，大气是热汇••低纬地区是热源，高纬地区是热汇低纬地区是热源，高纬地区是热汇••海洋和陆地为季节性的热源和热汇海洋和陆地为季节性的热源和热汇4.4.作用作用••驱动海水运动，产生表层大洋环流驱动海水运动，产生表层大洋环流••影响大气中化学成分和污染物质的扩散影响大气中化学成分和污染物质的扩散••形成地球上水、热状况组合的空间分异形成地球上水、热状况组合的空间分异••影响陆地生物群落和自然景观的分布影响陆地生物群落和自然景观的分布••影响人类生活习惯和文化特征的形成影响人类生活习惯和文化特征的形成大气环流使地球上各个大陆和大洋中的大气环流使地球上各个大陆和大洋中的生物、人类与非生物环境联系成一个整体。生物、人类与非生物环境联系成一个整体。第1节大气运动的驱动力一、气压梯度力一、气压梯度力二、地转偏向力二、地转偏向力三、惯性离心力三、惯性离心力四、摩擦力四、摩擦力一、气压梯度力一、气压梯度力1.1.定义：定义：作用在单位质量空气上的净压力，分作用在单位质量空气上的净压力，分为垂直和水平分量。为垂直和水平分量。2.2.水平气压梯度力水平气压梯度力方向：垂直于等压线由高气压区指向低气压区方向：垂直于等压线由高气压区指向低气压区大小：与气压梯度成正比，与空气密度成反比大小：与气压梯度成正比，与空气密度成反比nPGn∂∂ρ1−=••作用：使空气沿着力的方向由高压向低压作作用：使空气沿着力的方向由高压向低压作加速运动，是形成风的原动力。加速运动，是形成风的原动力。气压梯度与风速的关系气压梯度与风速的关系3.3.单一气压梯度力作用下的空气运动单一气压梯度力作用下的空气运动••地面高压区，空气辐散，形成下降气流地面高压区，空气辐散，形成下降气流••地面低压区，空气辐合，形成上升气流地面低压区，空气辐合，形成上升气流4.4.高、低气压区的形成与海陆热力环流高、低气压区的形成与海陆热力环流（（11）成因）成因••地面对空气的加热不均（热力原因）地面对空气的加热不均（热力原因）••空气的运动（动力原因）空气的运动（动力原因）（a白天，b夜晚，横线示等压面）地面暖区地面暖区空气横向膨胀空气纵向膨胀地面气压低于邻区周围空气向低压区辐合上升高压区空气向周围辐散空气密度减小上空等压面下凹等压面间距增大高空气压高于邻区（2）机理地面暖区地面冷区空气横向收缩空气纵向收缩地面气压高于邻区高压区空气向周围辐散下沉周围空气向低压区辐合空气密度增大上空等压面上凸等压面间距减小高空气压低于邻区二、地转偏向力二、地转偏向力1.1.定义：定义：由于地球自转而产生的使相对于地由于地球自转而产生的使相对于地面运动的空气偏离气压梯度力方向的力。面运动的空气偏离气压梯度力方向的力。2.2.本质：本质：它是人们利用时刻在变化着的地球它是人们利用时刻在变化着的地球坐标系去衡量沿宇宙空间方向运动的物体时坐标系去衡量沿宇宙空间方向运动的物体时所产生的视偏差所产生的视偏差。。3.3.方向：方向：在北半球，垂直于运动方向向右偏在北半球，垂直于运动方向向右偏离；在南半球，垂直于运动方向向左偏离。离；在南半球，垂直于运动方向向左偏离。4.4.量值量值••随纬度的升高而增大，在赤道为随纬度的升高而增大，在赤道为00，在极，在极地最大。地最大。••随物体运动速度的增大而增大。随物体运动速度的增大而增大。••单位质量物体的水平地转偏向力为：单位质量物体的水平地转偏向力为：ϕωsin2vA=地球上地转偏向力的分布地球上地转偏向力的分布5.5.地转风的形成地转风的形成在自由大气中，当水平在自由大气中，当水平气压梯度力和水平地转偏气压梯度力和水平地转偏向力达到平衡时，空气沿向力达到平衡时，空气沿着等压线做匀速直线运着等压线做匀速直线运动，称为地转风。动，称为地转风。在北半球，背风而立，在北半球，背风而立，高压在右，低压在左。高压在右，低压在左。行星尺度的大气环流具行星尺度的大气环流具有准地转风的性质。有准地转风的性质。气压梯度力和地转偏向力作用下地转风的形成气压梯度力和地转偏向力作用下地转风的形成三、惯性离心力三、惯性离心力1.1.定义：定义：当风作曲线运动时，受到的离心力。当风作曲线运动时，受到的离心力。2.2.方向：方向：与空气运动方向垂直，由曲率中心指与空气运动方向垂直，由曲率中心指向曲线外缘。向曲线外缘。3.3.大小：大小：与风速的平方成正比，与曲率半径成与风速的平方成正比，与曲率半径成反比。反比。rvC2=4.4.梯度风的形成梯度风的形成在自由大气中的圆形闭合气压场的条件下，在自由大气中的圆形闭合气压场的条件下，当水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离当水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力达到平衡时，形成梯度风。心力达到平衡时，形成梯度风。在北半球，低气压中的梯度风为逆时针方在北半球，低气压中的梯度风为逆时针方向，高气压中的梯度风为顺时针方向；在南半向，高气压中的梯度风为顺时针方向；在南半球梯度风的方向与北半球正好相反。球梯度风的方向与北半球正好相反。四、摩擦力四、摩擦力1.1.定义：定义：近地表运动的空气与地面之间产生近地表运动的空气与地面之间产生的阻碍空气运动的力。的阻碍空气运动的力。2.2.方向：方向：与运动方向相反。与运动方向相反。3.3.大小：大小：与空气运动速度和摩擦系数（与地与空气运动速度和摩擦系数（与地面的粗糙程度有关）成正比，作用随高度的面的粗糙程度有关）成正比，作用随高度的上升而减弱。上升而减弱。kvR−=4.4.气旋和反气旋气旋和反气旋摩擦力降低近地面层的风速，削弱水平摩擦力降低近地面层的风速，削弱水平地转偏向力的作用，使风向与等压线成一地转偏向力的作用，使风向与等压线成一定的交角。定的交角。在北半球，从高压区流出的空气呈顺时在北半球，从高压区流出的空气呈顺时针方向旋转，形成反气旋；向低压区流入针方向旋转，形成反气旋；向低压区流入的空气呈逆时针方向旋转，形成气旋。的空气呈逆时针方向旋转，形成气旋。在南半球正好相反，反气旋呈逆时针方在南半球正好相反，反气旋呈逆时针方向旋转，气旋呈顺时针方向旋转。向旋转，气旋呈顺时针方向旋转。气压梯度力、地转偏向力和摩擦力作用下气压梯度力、地转偏向力和摩擦力作用下的地面风的形成的地面风的形成一、平均水平环流一、平均水平环流二、平均纬向环流二、平均纬向环流三、平均经圈环流三、平均经圈环流四、大气环流的形成机理四、大气环流的形成机理五、季风环流五、季风环流六、自然天气季节六、自然天气季节第2节大气环流的特征为什么通常用气压场表示大气环流状况？为什么通常用气压场表示大气环流状况？••大气环流基本上呈准水平运动；大气环流基本上呈准水平运动；••具有准地转风的性质具有准地转风的性质————与等压线平行。与等压线平行。观察大气环流的视角观察大气环流的视角••同一水平面上的大气运动状况同一水平面上的大气运动状况••大致沿东西方向运动的纬向环流状况大致沿东西方向运动的纬向环流状况••大致沿南北方向运动的经圈环流状况大致沿南北方向运动的经圈环流状况一、平均水平环流一、平均水平环流（一）低层水平环流（海平面）（一）低层水平环流（海平面）1.1.气压场总体特征气压场总体特征„„气压沿纬向呈带状或单体状分布气压沿纬向呈带状或单体状分布赤道低压带（热力成因，永久性）赤道低压带（热力成因，永久性）副热带高压带（动力成因，永久性）副热带高压带（动力成因，永久性）副极地低压带（动力成因，永久性）副极地低压带（动力成因，永久性）极地高压带（热力成因，永久性）极地高压带（热力成因，永久性）„„从从11月至月至77月，南、北半球的气压带向北移月，南、北半球的气压带向北移动，反之，向南移动。动，反之，向南移动。2.2.一月气压场特征一月气压场特征（（11）低纬：赤道附近为低压区）低纬：赤道附近为低压区（（22）中纬：）中纬：••北半球两个副热带高压单体，停留在海洋上北半球两个副热带高压单体，停留在海洋上大西洋：亚速尔高压大西洋：亚速尔高压太平洋：夏威夷高压太平洋：夏威夷高压••北半球大陆上为热力成因的冷高压（半永久）北半球大陆上为热力成因的冷高压（半永久）欧亚大陆：蒙古高压欧亚大陆：蒙古高压北美大陆：北美高压北美大陆：北美高压••南半球三个副热带高压单体：南半球三个副热带高压单体：南太平洋高压，南大西洋高压，印度洋高压南太平洋高压，南大西洋高压，印度洋高压（（33）中高纬：）中高纬：••北半球两个副极地低压单体，位于海洋上北半球两个副极地低压单体，位于海洋上大西洋：冰岛低压大西洋：冰岛低压太平洋：阿留申低压太平洋：阿留申低压••南半球形成环绕纬圈的副极地低压带南半球形成环绕纬圈的副极地低压带（（44）高纬：）高纬：••南北极地高压南北极地高压北半球：格陵兰、加拿大和西伯利亚北部北半球：格陵兰、加拿大和西伯利亚北部南半球：南极大陆南半球：南极大陆3.3.七月气压场特征七月气压场特征（（11）低纬：赤道附近为低压区）低纬：赤道附近为低压区（2）中纬：•北半球两个副热带高压单体强度和范围增大•北半球大陆上为热力成因的热低压（半永久）亚洲南部：印度低压北美西南部：北美低压•南半球形成副热带高压带（3）中高纬：•北半球两个副极地低压单体强度和范围减小•南半球形成环绕纬圈的副极地低压带（4）高纬：•南北极地高压4.4.流场总体特征流场总体特征••赤道辐合带（无风带）：空气受热辐合上赤道辐合带（无风带）：空气受热辐合上升，形成云带和大量降水，内部为静风区。升，形成云带和大量降水，内部为静风区。••南北信风带：从副热带高压南侧流向赤南北信风带：从副热带高压南侧流向赤道的空气，在道的空气，在GnGn，，AA和和RR的作用下形成东的作用下形成东北和东南信风，天气稳定。北和东南信风，天气稳定。••西风带：在副热带高压北侧形成西风。西风带：在副热带高压北侧形成西风。••极地东风带：从极地高压单体中流出的极地东风带：从极地高压单体中流出的干冷空气呈反气旋运动，其南侧为比较干冷空气呈反气旋运动，其南侧为比较弱的偏东风。弱的偏东风。••副极地低压内冷暖空气交汇形成极锋，副极地低压内冷暖空气交汇形成极锋，地面为气旋性流场，形成冬季北美和欧地面为气旋性流场，形成冬季北美和欧洲