关于大气环流的入门学习

关于大气环流地学习特殊说明基于经向环流气压带与风带的形成理想分析极端理想推广有一点现实的极端理想赤道低气压带副热带高气压带信风带低纬环流圈哈得来环流圈极地高气压带极地东风带中纬度西风带副寒带低气压带中纬环流圈费雷尔环流圈极地环流圈补充说明气压带与风带性质纬向环流加以补充现象地转风定义及形成计算热成风纬向环流急流极涡定义借助大气环流分析南北极极涡稳定性差异罗斯贝波西风带波动低压槽和高压脊性质涡度知识点低压槽和高压脊存在性小节全球变暖却寒潮越发频繁现象解释关于一些额外需要思考的东西特殊说明1、这里描述区域的风带和气压带都是未加说明都是指近地面高空会特定说明。2、主要研究北半球南半球当然同样的方法分析。3、这里高空和低空的分界在于是否需要讨论与空气的摩擦力。基于经向环流气压带与风带的形成理想分析如果地球是平整的是地面热力性质相同只会在极地和赤道间形成非常稳定的一圈热力环流。极端理想推广有一点现实的极端理想赤道低气压带赤道区域受太阳辐射最多热空气上升形成近地面低压图中1 11。副热带高气压带赤道高空热气流北上在北半球高空形成偏西风图中2 22因为北半球地转偏向力向右忽略高空的空气摩擦阻力最终2 22会变为西风阻挡从赤道低气压带来的2 22根据科学家的观测南北纬[ 30 ° , 40 ° ] [30\degree,40\degree][30°,40°]左右2 22堆积下降图中3 33形成副热带高气压带。信风带由已经形成的1 112 223 33和大气环流推导易知近地面有一支由副热带高气压带吹向赤道低气压带图中4 44北半球受地转偏向力作用偏右即刮偏东风。这个风具古人记载非常稳定所以可信所以称之为信风。低纬环流圈哈得来环流圈由1 11,2 22,3 33,4 44构成。极地高气压带极地区域受太阳辐射最少冷空气下降形成近地面高压。极地东风带近地面由极地吹向相对较低纬度的地区受地转偏向力吹偏东风图中10 1010中纬度西风带副热带高气压带近地面高压近地气流继续北上吹偏西风图中5 55副寒带低气压带冷气流10 1010与 热气流5 55相遇因其两者密度差异形成极峰。热气流上升冷气流10 1010与北上的 热气流5 55相遇无法继续南下又无法继续北上在小范围空间尺度下受地转偏向力作用形成气旋北半球受地转偏向力作用逆时针旋转气旋中间处形成高压区被迫上升最终形成了副寒带低气压带。副寒带高空高压高空气流分为两支一支北上图中8 88一支南下 图中7 77。8 88在极地受冷下降图中9 99。中纬环流圈费雷尔环流圈由3 335 556 667 77构成。极地环流圈由6 66,8 88,9 99,10 1010构成。补充说明近地面的风是会受摩擦力的所以最终无法成为正西风或正东风气压带与风带性质气压带纬度范围特征气流竖直运动方向成因气候赤道低气压带0 − 5 ° 0 - 5\degree0−5°热低压上升热力作用湿热副热带高气压带30 ° 30\degree30°左右热高压下降动力作用干热副极地低气压带60 ° 60\degree60°左右冷低压上升动力作用冷湿极地高气压带极地附近冷高压下降热力作用干冷信风性质干燥中纬西风带性质湿润极地东风带性质干冷纬向环流加以补充现象中纬度高空实际并非偏东风主要刮偏西风与经向环流推导并不相符。这是因为地球纬向环流占比更大纬向环流我目前认为主要影响经向环流体系中的高空风因为地转风是定义在高空的。地转风定义及形成首先明确这个风是定义在高空的。地转风实际上就是高空上气压梯度力和地转偏向力投影到同一高度水平面拉扯出来的结果。地面受热不均就会导致等压面倾斜。ps: 这张图取得并不好900hPa并不算是高空不过只是为了说明等压面倾斜凑活着看吧。解释一下这张图为了方便起见这里说方向前后左右同一高度下热面气压大于冷面气压生成气压梯度力方向沿着该高度水平面向左风向初始该高度水平面向左由地转偏向力公式F ⃗ 2 m ( ω ⃗ × v ⃗ ) \vec{F}2m(\vec{\omega}\times \vec{v})F2m(ω×v)可知地转偏向力在该高度水平面投影始终和风向垂直最终地转风风向会向该高度水平面后方向地转偏向力在该高度水平面投影向量方向与气压梯度力反向。计算这是deepseek总结出来的计算目前看来过于深奥。显而易见地在假设等压面非常整齐均匀下根据公式很显然高空上海拔越高ρ \rhoρ越小V g V_gVg​越大。热成风定义可以简单理解为地转风随高度的变化。纬向环流纬向环流其实本质就是热成风主要作用的目前是这么认为的。将刚才分析的冷热区域换成北半球上的南北即可分析出中纬度纬向环流为偏西风。急流基于之前经向环流地分析中纬度纬向环流为偏西风地球大气环流以纬向环流为主北上的5 55和南下的10 1010随着高度的上升收到纬向环流的作用最终呈现高空中纬西风。因为其风速 30 m / s 30m/s30m/s形成了两支西风急流南支西风急流副热带急流北支西风急流极锋急流极涡定义高空西风环绕着极地低气压中心构成极涡借助大气环流分析南北极极涡稳定性差异明确极涡由高空西风带构成而高空西风带由因为热成风形成。现在讨论南北半球中纬高空西风带稳定性南半球比北半球温差更大热成风更大故西风带风速更大。南半球陆地面积少于北半球受海陆热力性差异导致等压线、等温线波动相对更小。综上分析南半球中纬高空西风带构成的极涡更稳定。罗斯贝波西风带波动正因为北半球受海陆热力性差异导致等压线、等温线较大所以西风带会波动形成低压槽和高压脊。低压槽和高压脊性质高空西风带本质是由热成风导致形成的热成风本质又是由地转风随高度变化形成的地转风又是由地面热力性质差异形成的。因此高空西风带可以视为N NN条高空的等温线。因为低压槽在“等温线”北侧所以高空冷低压高压脊在“等温线”南侧所以高空热高压。涡度知识点行星涡度f 2 ω sin ⁡ ϕ f2\omega \sin\phif2ωsinϕ其中ϕ \phiϕ表示纬度。相对涡度ζ \zetaζ绝对涡度f ζ f\zetafζ相对涡度北半球情况ζ ↑ \zeta \uparrowζ↑倾向逆时针旋转反之ζ ↓ \zeta \downarrowζ↓倾向顺时针旋转。绝对涡度守恒d ( f ζ ) d t 0 \frac{d(f\zeta)}{dt}0dtd(fζ)​0即在满足正压、水平无辐散和无摩擦的条件下绝对涡度地转涡度与相对涡度之和在垂直方向上不随时间变化。低压槽和高压脊存在性若走向低压槽ϕ ↓ \phi\downarrowϕ↓则f ↓ f\downarrowf↓则ζ ↑ \zeta \uparrowζ↑则倾向逆时针旋转逐渐向北若走向高压脊ϕ ↑ \phi\uparrowϕ↑则f ↑ f\uparrowf↑则ζ ↓ \zeta \downarrowζ↓则倾向顺时针旋转逐渐向南小节这样的环流存在[ 3 , 7 ] [3,7][3,7]个波波长在[ 3000 , 10000 ] k m [3000,10000]km[3000,10000]km这种行星尺度下的长波被称为“行星波”也被成为“罗斯贝波”。全球变暖却寒潮越发频繁现象解释全球变暖导致极地温度升高南北温差减小地转风风速降低热成风风速降低高空西风带波动来自北方的冷空气沿着通往低压槽的方向南下。同时若波动程度过于大在罗斯贝波波谷附近出现高空西风带断裂形成小型高空低压中心——“冷涡”。关于一些额外需要思考的东西对于2 22的堆积貌似也有角动量守恒的说法但不太会角动量守恒等待学习思考对于地转风和热成风认识非常的基础空间向量叉积一概不通关于涡度目前只知道有这么个东西并不会推导。