1、第七講 熱帶大氣的動力學特征與輻散環(huán)流,丁一匯 國家氣候中心,高等天氣學系列講座 單元三：熱帶大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng),熱帶一般是指南北半球副熱帶高壓脊線之間的區(qū)域，而副熱帶高壓脊線也是地面東風帶和西風帶之間的分界線。這個分界線平均位于30緯度左右。熱帶幾乎占全球面積的一半。它之所以重要主要有三個方面：第一，熱帶是整個大氣的水汽、熱量和角動量源。第一章已一般的說明了正是在熱帶大氣從地面得到角動量，并在熱帶大氣所獲得的熱量超過了向外輻射所損耗的熱能，這種盈得的動量和熱量向極地方向輸送以補償中高緯的大氣角動量和熱量的損失；第二方面是由于熱帶大氣和擾動與中高緯的大氣和擾動有明顯的相互作用，這使得人們不能把

2、這兩個地區(qū)的環(huán)流看作是完全孤立的，其中任一地區(qū)的預報都必須考慮來自另一地區(qū)的影響；第三，熱帶地區(qū)是地球上主要的海洋區(qū)，海氣相互作用以及遙相關顯著，這是影響全球天氣與氣候形成和異常的一個主要原因。,圖7.1平均緯向風的緯向剖面。 左：122月平均；右：68月平均 根據(jù)19712000年NCEP再分析資料制作 單位：ms-1 （王慧提供，2004）,7.1 熱帶大氣的動力學特征,由于熱帶天氣尺度系統(tǒng)的無輻散性，所以過去一些人認為這種系統(tǒng)的發(fā)展與來自中緯度的側向強迫作用有關。實際上這種機制并不是必要的。熱帶天氣尺度擾動的發(fā)展完全有可能從熱帶行星尺度運動系統(tǒng)取得能量。例如可以注意到，對流性天氣尺度的擾

3、動（包括熱帶氣旋）常在特定的地理區(qū)域形成，這些區(qū)域正好對應于行星尺度流型的上升區(qū)，如西太平洋，西大西洋地區(qū)等。,（3）存在著不同類型大尺度低頻變化的流型或波動。用經典的潮汐理論不少人對行星尺度、緩慢變化的熱帶大氣進行了研究。在不同的環(huán)境條件和強迫作用下（如不同的非絕熱加熱）得到了一些不同類型的大尺度流型或波動。這些流型與觀測十分相近。例如對于緯向波數(shù)1的情況，人們發(fā)現(xiàn)在熱帶存在著向西和向東傳播的重力波、向東傳播的凱爾文波、向西傳播的混合Rossby波（或者叫MY波，因是由Maruyama和Yanai發(fā)現(xiàn)）以及斜壓和正壓的Rossby波。其中開爾文波與混合Rossby波尤其重要，這在第二章作了詳

4、細討論。在東風基本氣流情況下。只有開爾文波具有很慢的速度，以致可以看作是定常解。對于西風基本氣流，可以激發(fā)出一系列的Rossby波。對于潮汐波在實際緯向風速條件下總是瞬變的。,圖7.2 赤道大氣Kelvin波的氣壓場和風場水平分布 （取自Matsumo, 1966）,圖7.3 赤道大氣混合Rossby重力波的氣壓場和風場水平分布（取自Matsumo, 1966）,混合Rossby重力波的流場相對于赤道是一個對稱渦旋，而氣壓場不與赤道呈對稱分布，高低壓中心分別位于赤道的兩側。風壓場的關系在相對高緯的地區(qū)近似于地轉關系，而在近赤道地區(qū)非地轉分量很大，在赤道上緯向速度 ，但是經向速度v達到最大，并且

5、幾乎與等壓線相垂直。經向速度v的大小沿y方向相對于赤道而言呈Gauss分布，離開赤道地區(qū)波動迅速減弱。,圖7.4 沙特阿拉伯（左圖）阿拉伯海（中圖）和孟加拉灣（右圖）上空大氣非絕熱加熱分量的垂直分布。QR：凈輻射；QC：凝結加熱；QW：感熱加熱；FM（EW）是東西方向的熱通量，F(xiàn)M（NS）是南北方向的熱通量。單位：K d-1,7.2 輻散環(huán)流,圖7.5 200hPa北半球夏季（68月）多年平均（19681980）的輻散環(huán)流分布。箭頭代表輻散風分量，箭頭長度代表輻散風速。實線代表速度勢等值線，單位：5105m2s-1；D：高空輻散，C：高空輻合,全球輻散環(huán)流如下，在北半球冬季（尤其在1979年1

6、月）（圖7.6a）主要哈得萊環(huán)流的上升支在5S附近，下沉支在30N附近，造成這支哈得萊環(huán)流圈的因子主要是亞洲冬季風。另一個哈得萊環(huán)流是在5S上升，30S下沉、與澳大利亞季風有關的環(huán)流圈，因而澳大利亞季風是北半球冬季南半球哈得萊環(huán)流圈的一個有機組成部分。澳大利亞北部的降水變率與印尼澳大利亞北部輻散環(huán)流上升支的周期性經向移動有關。澳大利亞大部分地區(qū)的輻散風屬于南半球這支次要哈得萊環(huán)流圈的。了解這支環(huán)流圈的特征和演變對于全面了解澳大利亞季風是非常重要的。與南大西洋和東南太平洋下沉支有關的輻散環(huán)流也值得進一步研究。,夏季輻散環(huán)流的主要特征是（圖7.6b）：（1）如前面指出，亞洲夏季風影響的范圍很廣。上

7、升區(qū)位于阿薩姆孟加拉地區(qū)，相應有三個下沉氣流：太平洋的東西或瓦克環(huán)流的下沉支，西南印度洋的季風下沉區(qū)和地中海及沙漠熱低壓的下沉區(qū)。（2）與非洲季風有關的輻散環(huán)流比較局地性，在西非5N附近為上升支，東南太平洋15S附近為下沉支。這個下沉區(qū)也與中美洲附近的強上升區(qū)密切有關；（3）鄰近中美洲（10N附近）的東太平洋地區(qū)對流活動很強。在這個暖海面每年有2025個熱帶氣旋形成。主要上升運動區(qū)就位于此處。這支輻散環(huán)流的下沉支在南太平洋和南大西洋，它們是哈得萊環(huán)流和東西環(huán)流的重要部分，對南半球副熱帶急流的強度和變化有重要作用。,圖7.6 全球輻散環(huán)流的三維分布概略圖。根據(jù)FGGE資料作出。 （a）1月； （

8、b）7月,（a）1月,（b）7月,7.3 主要熱帶天氣系統(tǒng),這里主要只一般性討論赤道輻合帶和熱帶波。 赤道輻合帶是熱帶環(huán)流中十分重要的行星尺度系統(tǒng)。它在海洋上可以產生很長的熱帶云帶。根據(jù)最近20多年的研究，從觀測方面關于赤道輻合帶得到了以下一些主要結果：（1）輻合帶一般不在赤道上，常位于離赤道一定緯度的地方。從圖7.7可以看到，在亞洲季風區(qū)和西太平洋赤道輻合帶是彎曲的，1月位于17S18N范圍，7月在2N27N之間，在東半球輻合帶的位置變化最大，這是由于北半球南亞和北非的夏季風和南半球夏季南非和澳大利亞的季風造成。（2）輻合帶在海洋地區(qū)緯向位置的季節(jié)變化比在大陸上要小。在海洋上大約為1015，

9、而在大陸上為2025。在大洋的東部輻合帶位置變化較小。,（3）在北太平洋，輻合帶位于赤道與15N之間，在910月其位置最北。在北大西洋，輻合帶位于赤道與10N之間，其最北位置也是出現(xiàn)在910月。在南太平洋，雖然可以觀測到一條持續(xù)性云帶，從熱帶（印尼地區(qū)）一直伸展到南半球副熱帶（約35S），但通常不把這條云條看作赤道輻合帶。在印度洋，赤道輻合帶位于10S10N之間。有時在赤道每一側各存在一條輻合帶，即雙赤道輻合帶現(xiàn)象，目前這種現(xiàn)象被看作是一種主要的氣候的特征。（4）陸地上的輻合帶一般與太陽加熱的季節(jié)進程一致。在西非，12月位于5N，89月位于22N。在印度，當季風中斷時輻合帶位于25N，即在喜馬

10、拉雅山山麓。輻合帶的這種顯著北移與西藏高原的熱源作用有關。（5）海洋上的輻合帶一般出現(xiàn)在暖SST（海表溫度）區(qū)域。,圖7.7 1月（a）和7月（b）亞洲季風區(qū)和熱帶太平洋850hPa平均流場和OLR圖。該圖由19712000NCEP資料制作（柳艷菊提供，2004年）,圖7.8 Mean streamline at 850hPa for summer (July-September), (a) for months with many typhoons, and (b) for months with few typhoons. Black circle denotes the location

11、 of first detection of typhoons.,圖7.10 Mean 850hPa streamline fields for July (a), August (b), September (c), and October (d), averaged for 1979-1999. The bold solid lines denote the position of the ITCZ monsoon troughs. Shaded areas represent weak wind vertical shear, with V200-V800,輻合帶中所有變量分布對輻合帶幾

12、乎時對稱的，并且季節(jié)變化不明現(xiàn)。這表明輻合帶的作用全年不變。氣壓在輻合帶槽線處最低，經向風是吹向槽內的，相應出現(xiàn)輻合。氣流的穩(wěn)定度很小。輻合帶的暖心結構是很明顯的，最暖的層次在對流層上部。與溫度距平一致，比濕距平表現(xiàn)為明顯的濕區(qū)。由于上述溫濕分布特征，高壓應位于赤道輻合帶上部，低壓位于對流層下部。上部應對于流出層，下部對應于流入層，其間的無輻散層在500hPa左右赤道輻合帶中。濕靜力能量（cpT+ +Lq）的垂直分布表明（圖7.10），在對流層中部有最小值（700hPa）。在700hPa以下為位勢不穩(wěn)定層。這種分布表明，不能用一般的擴散概念來說明輻合帶的向上熱輸送，因為在這種情況下整層濕靜力能

13、量分布應向上減小。這時應引用“負粘性”的概念也即渦旋輸送或對流輸送的概念。,圖7.10 赤道槽內和離槽20緯距處濕靜力能量（cpT+ +Lq）的垂直分布。單位：calg-1（1cal4.1868J）,熱帶大氣中的擾動有許多種類，對于天氣尺度的擾動主要有熱帶波、高空冷渦、熱帶氣旋、季風低壓等。他們的尺度一般在10002000km左右。這里主要以熱帶波動為例討論熱帶擾動的結構，更詳細的討論可參看。熱帶波在有利環(huán)境條件下可以發(fā)展成臺風或颶風，太平洋和大西洋上的臺風和颶風很大部分是由這種熱帶波發(fā)展而來的，因而其作用十分重要。由于熱帶地區(qū)尤其是海洋地區(qū)資料缺乏，目前除個別地區(qū)或個別時段外（專門的熱帶試驗

14、），大多用各種不同的綜合法來得到熱帶擾動的結構。其中最有名的是Reed和Recker和Gray的綜合法。下面給出的非洲熱帶波結構的結果即是根據(jù)Reed等的綜合法分析得到的（圖7.11）。,波的經向風最大值在650hPa，強度為5ms-1。緯向風結構表明，槽前為東風，槽后為西風。相對渦度在650也有最大值，在200hPa存在著反氣旋渦度最大值，這表明綜合熱帶波是非常深厚的，幾乎達整個對流層。在地面槽線前方有大的輻合，而最大的水平質量輻散位于同一地區(qū)的200hPa層上。在中間層，水平輻散的分布較亂。最大垂直速度在700hPa，約5hPah-1（12cms-1）。最大上升運動恰位于槽線之前方，但衛(wèi)星云圖有時表明云系主要分布在槽線處，這于Riehl的經典東風波模式（由位渦守恒解釋）也不同。這點值得進一步研究。溫度場分布表明，700hPa以上是冷心，300400 hPa層中是暖心，再高層又是冷區(qū)。干區(qū)一般與北風同時出現(xiàn)，而濕區(qū)位于槽后南