1、第第3章章 大气中的热量平衡大气中的热量平衡大气环流大气环流1 由于地气系统在各纬带间吸收太阳辐能射的差异，导由于地气系统在各纬带间吸收太阳辐能射的差异，导致在低纬度获得热能，而在高纬度失去热能。但就长致在低纬度获得热能，而在高纬度失去热能。但就长期平均而言，大气仍然维持着它自身的平均温度分布期平均而言，大气仍然维持着它自身的平均温度分布状态，这就说明必然状态，这就说明必然存在某种过程来实现将低纬度剩存在某种过程来实现将低纬度剩余热能输送到高纬度，以满足热量平衡的要求余热能输送到高纬度，以满足热量平衡的要求。 本章的内容就是要探讨大气中热能输送和平衡的基本本章的内容就是要探讨大气中热能输送和平
2、衡的基本过程。研究大气热量平衡的途径可以是多种的，可以过程。研究大气热量平衡的途径可以是多种的，可以采用不同的物理量，如总能量采用不同的物理量，如总能量、静静力力能等来讨论热量能等来讨论热量平衡过程。也可以直接从平衡过程。也可以直接从热力学方程热力学方程出发，来讨论大出发，来讨论大气的热平衡以及大气平均温度的维持问题。气的热平衡以及大气平均温度的维持问题。2 3.1 热力平衡方程热力平衡方程由热力学第一定律由热力学第一定律Q表示非绝热加热率，包括辐射加热、潜热释放、下垫面表示非绝热加热率，包括辐射加热、潜热释放、下垫面的感热作用、摩擦加热以及大气内部的湍流的感热作用、摩擦加热以及大气内部的湍流
3、热传热传导导。对对上上式式进行纬向平均和长期时间平均，并应用前面的通量进行纬向平均和长期时间平均，并应用前面的通量分解方法，可导出热平衡方程的分解分解方法，可导出热平衡方程的分解形式形式： （1） （2） （3） （4） （5） （6）方程右端（方程右端（1）、（）、（2）两项表示平均经圈环流水平和垂直）两项表示平均经圈环流水平和垂直方向的输送作用，第（方向的输送作用，第（3）、（）、（4）、（）、（5）三项表示常定和）三项表示常定和瞬变涡旋的输送作用，第（瞬变涡旋的输送作用，第（6）项代表非绝热加热作用）项代表非绝热加热作用。3.2 大气运动各分量对热量平衡的贡献大气运动各分量对热量平衡的贡
4、献1、经圈环流的水平输送（即第、经圈环流的水平输送（即第1项的作用）项的作用）环环 流流代表纬度代表纬度层层 次次平均经向平均经向风速风速v平均温度经平均温度经向向平流值平流值Hadley15N150 hPa1000 hPa164 km/d-181 km/d0.2C/纬距0.38C/纬距0.3C/d0.6C/dFerrel45N300 hPa1000 hPa-3.3 km/d58 km/d0.42C/纬距1.36C/纬距-0.15C/d0.68C/d表表1 1 北半球冬季经向平流的极大值估计北半球冬季经向平流的极大值估计52、对流项（、对流项（2）：）：Hadley环流上升支的冷却环流上升支的
5、冷却作用季节变化不大，但下作用季节变化不大，但下沉支的加热作用季节变化沉支的加热作用季节变化较大。较大。11.2 C/d。Ferrel环流上升支的冷却环流上升支的冷却作用冬季强、夏季弱，南作用冬季强、夏季弱，南半球变化不大。半球变化不大。63、涡旋经向热通量的南北辐合项涡旋经向热通量的南北辐合项 包括包括常常定涡旋和瞬变涡定涡旋和瞬变涡旋的热输送作用旋的热输送作用。 主要的分布特征：主要的分布特征：50附近上空高低层各有两个附近上空高低层各有两个向极地的通量极大中心，向极地的通量极大中心，其中低层的较强。主要是其中低层的较强。主要是移动性气旋、反气旋所造移动性气旋、反气旋所造成的热量南北交换。
6、高层成的热量南北交换。高层的与平流层底层的超长波、的与平流层底层的超长波、长波扰动相联系。有季节长波扰动相联系。有季节变化。变化。7常定涡旋输送和瞬变涡旋输送的相对重要性常定涡旋输送和瞬变涡旋输送的相对重要性瞬变涡旋经向热通量的分布（瞬变涡旋经向热通量的分布（.m/s.m/s）常定涡旋经向热通量的分布（常定涡旋经向热通量的分布（.m/s.m/s）8涡旋经向通量的辐合项（涡旋经向通量的辐合项（3）涡旋经向热通量的经向辐合作用对局地温度涡旋经向热通量的经向辐合作用对局地温度变化的贡献（变化的贡献（/d/d） 正值表示辐合、负值表正值表示辐合、负值表示辐散示辐散。 主要的分布特征：主要的分布特征：
7、在中纬度对流层都是辐在中纬度对流层都是辐散区，对温度变化的贡献散区，对温度变化的贡献约为约为-0.2或或0.4/d/d。 高纬高纬50向极地一侧是向极地一侧是辐合带，在辐合带，在6070间，间，对流层低层和平流层低层对流层低层和平流层低层各有一个极值（各有一个极值（0.6-0.8 /d /d ），其中北半球的），其中北半球的季节变化明显，冬强夏弱。季节变化明显，冬强夏弱。 这些辐散、辐合区的这些辐散、辐合区的分布与经圈环流的上升、分布与经圈环流的上升、下沉支相吻合，但作用与下沉支相吻合，但作用与绝热项相反，数值稍小一绝热项相反，数值稍小一些。些。122月9年平均瞬变涡旋对垂直平均向北感热输送的
8、全球分布年平均瞬变涡旋对垂直平均向北感热输送的全球分布（ .m /s.m /s）(引自引自Oort and Peixoto, 1983)两半球瞬变涡旋通量具有显著的向极输送特征，最大值出现在中纬度。在南半球两半球瞬变涡旋通量具有显著的向极输送特征，最大值出现在中纬度。在南半球中纬度，强的向极热通量非常均匀，但在北半球，北美和东亚上空有显著的极大中纬度，强的向极热通量非常均匀，但在北半球，北美和东亚上空有显著的极大值，很明显，它们与极锋区的斜压扰动相联系。在纬度值，很明显，它们与极锋区的斜压扰动相联系。在纬度70附近的一些经度上，也附近的一些经度上，也存在着从极区向外输送的大值区。这些通量存在季
9、节变化。存在着从极区向外输送的大值区。这些通量存在季节变化。10 所有运动（所有运动（a）、）、瞬变涡旋（瞬变涡旋（b）、常定）、常定涡旋（涡旋（c）和平均经圈）和平均经圈环流（环流（d）的垂直和纬）的垂直和纬圈平均的向北感热通圈平均的向北感热通量输送的经圈廓线图。量输送的经圈廓线图。（ .m /s）(引自引自Oort and Peixoto, 1983) 北半球定常涡旋通北半球定常涡旋通量有很大的季节变化。量有很大的季节变化。在冬季，它们的输送在冬季，它们的输送作用可以超过瞬变涡作用可以超过瞬变涡旋的输送作用。旋的输送作用。 平均经圈环流的输平均经圈环流的输送在热带有显著的季送在热带有显著的
10、季节 变 化 ， 这 与 冬 夏节 变 化 ， 这 与 冬 夏Hadley环流的移动相环流的移动相联系。联系。 114、涡旋垂直热通量及其辐散、辐合作用、涡旋垂直热通量及其辐散、辐合作用瞬变涡旋垂直热通量分布（瞬变涡旋垂直热通量分布（104. .hPahPa/s/s）常定涡旋垂直热通量分布（常定涡旋垂直热通量分布（104. .hPahPa/s/s）122月12涡旋垂直热通量分布（涡旋垂直热通量分布（103. .hPahPa/s/s）（包括瞬变和常定涡旋通量：（包括瞬变和常定涡旋通量：19791984，ECMWF资料吴国雄）资料吴国雄）涡旋垂直热通量的垂直辐散项分布涡旋垂直热通量的垂直辐散项分布
11、（1010kw;图中图中16.78相当于相当于1 /d /d ）（包括瞬变和常定涡旋通量：（包括瞬变和常定涡旋通量：19791984，ECMWF资料吴国雄）资料吴国雄）热量向上输送（斜压不稳定波的作用温度槽落后高度槽）热量向上输送（斜压不稳定波的作用温度槽落后高度槽）133.3 非绝热过程的影响非绝热过程的影响1、辐射加热作用、辐射加热作用QR、潜热释放潜热释放QL和边界层加热和边界层加热QBL12-2月大气净辐射加热、潜热释放和边界层中的感热（引自月大气净辐射加热、潜热释放和边界层中的感热（引自Newell,1970）14辐射加热作用对辐射加热作用对局地气温变化的局地气温变化的贡献（贡献（
12、/d /d ）DJFJJA1512-2月大气总的非绝热加热率（月大气总的非绝热加热率（ /d /d ）（引自）（引自Newell,1970）16辐射、潜热、边辐射、潜热、边界层加热作用对界层加热作用对局地气温变化的局地气温变化的净贡献（净贡献（ /d /d ）17小小 结（一）结（一）1、对季节平均而言，非绝热加热项（对季节平均而言，非绝热加热项（6）、绝热项（）、绝热项（2）及涡旋水平通量）及涡旋水平通量辐合项（辐合项（3）对温度的影响具有）对温度的影响具有1 /d/d 左右的数值，其余各项贡献较小。左右的数值，其余各项贡献较小。2 2、对流层赤道附近，主要是非绝热加热作用与、对流层赤道附近
13、，主要是非绝热加热作用与HadleyHadley环流上升支的绝热环流上升支的绝热冷却作用近乎相互平衡。涡旋水平通量的贡献很小。冷却作用近乎相互平衡。涡旋水平通量的贡献很小。3 3、在对流层副热带，主要是下沉支的绝热加热与非绝热冷却及涡旋水平、在对流层副热带，主要是下沉支的绝热加热与非绝热冷却及涡旋水平通量辐散的冷却作用相平衡。通量辐散的冷却作用相平衡。4 4、在对流层中高纬，主要是涡旋水平通量辐合的加热作用与非绝热冷却、在对流层中高纬，主要是涡旋水平通量辐合的加热作用与非绝热冷却及及FerrelFerrel环流上升支的绝热冷却作用相平衡。环流上升支的绝热冷却作用相平衡。5 5、在对流层极区，主
14、要是极地正环流的下沉加热作用以及涡旋水平通量、在对流层极区，主要是极地正环流的下沉加热作用以及涡旋水平通量的辐合加热作用与那里的辐射冷却作用相平衡。的辐合加热作用与那里的辐射冷却作用相平衡。6 6、夏半球涡旋水平通量辐合（散）项的作用显著减弱。、夏半球涡旋水平通量辐合（散）项的作用显著减弱。18小小 结（二）结（二）7、比较对流层上、下层，可见对流层低层（比较对流层上、下层，可见对流层低层（700hPa）有热量剩余，而）有热量剩余，而高层（高层（400和和200hPa）有热量亏损）有热量亏损。这种上、下层的热量平衡主要由涡。这种上、下层的热量平衡主要由涡旋热通量的垂直输送过程来完成。旋热通量的垂直输送过程来完成。
