(完整版)第十五讲青藏高原对东亚季风和天气过程的影响课件.ppt
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1、第十五讲第十五讲 青藏高原对东亚季风青藏高原对东亚季风和天气过程的影响和天气过程的影响丁一汇国家气候中心高等天气学系列讲座高等天气学系列讲座单元五:大地形对大气环流和天气单元五:大地形对大气环流和天气系统的影响系统的影响15.1各种尺度地形的一般作用地球上的山脉对地球大气有重要的影响。不但能影响山区及其邻近地区的天气和气候,而且对大范围地区,甚至半球的天气和气候有重要的影响。山脉对大气影响的程度,一方面取决于山脉本身的特征(长度、宽度、高度等),另一方面取决于大气的状态。山脉对大气的作用有以下几个方面:(1)抬高的加热作用由太阳接受到的大部分辐射通过大气在地面被吸收。如果这种吸收面在某些地方被
2、抬高或具有一定的坡度,则可以产生强的热力环流。例如山谷风或坡风就是这种情况。在坡风情况下,由水平温差产生的浮力将引起气层向上加速或向下加速,这种加速度将一直继续到摩擦阻力等于浮力的时候,最后建立起稳态的坡风。大尺度山脉的加热作用将在下节讨论。(2)山脉波和背风波引起的上升和下沉运动接近一山脉的气流在某种条件下将继续在山脉上空强迫向上,常常可以形成山脉波,在山的下风侧形成背风波。在地球上许多山脉的背风面几乎都可以观测到背风波的存在。(3)对气团的阻挡作用 在许多情况下,山脉的障碍作用是最明显的。不同的气团能够以平衡状态存在于山顶以下的山脉两侧。低层空气的阻挡是山脉影响气流的最重要方式之一。当地面
3、气流接近山脉时,它趋于减速。在焚风和布拉风中最常观测到山脉的作用。焚风是暖的下坡风,而布拉风是一种冷的下坡风。(4)空气的偏转 当接近山脉的空气不能越过抬高的地形时,气流必须在水平方向偏转并绕过山脉。这会引起各种局地风系和天气系统的发展,甚至行星波的发展。(5)对降水的地形控制降雨和降雪的地理分布受地形影响很大。有许多机制来说明地形的这种控制作用。其间的相对重要性由局地天气环境和山脉的尺度来决定。目前这个问题也是暴雨研究中的一个重要问题(见第四章4.2地形对降雨的增幅作用部分)。上述五个作用是地形影响气流的一般机制,应该指出,它们之间并不是相互独立的。由于它们通常是以组合的形式出现的,这就使山
4、地气象学的研究变得很困难。不同尺度和外形的山脉会产生不同的山脉作用。在地球上大尺度山脉如西藏高原、落基山、安第斯山、阿尔卑斯山、格陵兰等会产生许多种类的作用。其中某些动力和热力作用可影响大范围地区的天气和环流。目前天气预报的困难在一定程度上也与地形在数值预报中难以正确地处理有关。至今作了许多数值模拟工作来研究大尺度山脉的热力和动力作用以及山脉对背风气旋的作用等问题。另外,对一些大的山脉作用也展开了野外观测试验,例如1982年3月和4月进行的阿尔卑斯山试验(ALPEX)是较早的一个。在亚洲地区,在1979年和1998年进行了两次青藏高原气象试验。15.2 青藏高原的热力和动力作用及其对周围大气的
5、影响高原的热力作用首先讨论高原上的冷热源问题。这涉及到两个重要的问题:一是高原是冷源还是热源;二是在冷源或热源的分量中是感热为主还是潜热为主。过去只知道高原夏季是热源,冬季如何没有定论。根据近年来的研究表明,无论冬夏就整个高原平均而言,相对于大气,高原都是个热源,也即全年从高原地面都有不同形式的热量向大气输送(从下垫面出发,如果某地区有热量从地面输送给大气,则此地称为热源)。从地面有三种热量可以输送给大气:一是地面有效辐射,一是潜热,一是湍流感热。以全年论,以湍流感热输送为最大,有效辐射次之,蒸发最小,在夏季的七、八月份,地面的蒸发潜热最大,但也比湍流感热小得多。其余的月份,从地面蒸发的潜热可
6、忽略不计。在冬季则以地面有效辐射为最大,湍流感热输送次之。详细计算见表15.1。11dcmcal月项目表15.1 高原平均地面向大气输送的热量()123456789101112感热43891622553002912401981641306627有效辐射167167167167167162162162162162162167地面蒸发潜热2421212878867529442地面向大气输送的总热量212260350443495485418385355295232196上面从高原向大气的热量输送并不能全部用于高原大气。如大部分的蒸发就不会在当地凝结。真正用于当地大气的热量有五种:来自地面的有效辐射(
7、LR1),来自地面的湍流感热输送(SH),来自太阳的短波辐射(SR),来自当地的降水凝结潜热(LP)与由大气顶的向外的长波辐射(LR2)。五种之和为:E=SH+LR1+LP+SR-LR2E称为大气的热源。E0,为热源;E0,则为冷源。计算结果如表7.2所示。就全年平均,高原上每平方厘米对流层大气柱每天得到4050卡热量。因此全年平均高原大气是个热源。39月高原大气有净的热量,是个热源,它得到的热量一部分用于高原大气本身的加热,一部分向外输送。晚秋和冬季是个冷源。全年高原大气净得热量的最大月份不在雨季得七、八月,而在六月。冬季高原大气是个冷源,12月和1月强度最大。11dcmcal月项目表15.
8、2 高原上空大气的E和高原地气系统能量的收支(单位:)123456789101112年平均E-48-8751124 193224208 15291-20-112-15943F-147-8844119 181207203 154 101-9-98-15243最后,可以算出高原地区地气系统各月向四周大气输送的热量(F):F=SH+Le+LR1+SR+Lp-LR2-cpMT长期以来关于青藏高原大气加热的性质或以那一种加热分量为主的问题一直有不同的看法。图15.1是高原上SH,Lp和E的月平均值。可以看到在高原西部(半干旱地区)有极大的感热通量,在6月最大值达450(219W/m2),这大约是Floh
9、n值的2倍。因为很高,这种抬高的感热源可用于直接加热对流层中上部大气。与西部相比,高原东部的SH要小得多,但它在6月之前,仍超过LP。这表明在季风或雨季到来之前,高原上以感热加热为主。在夏季(7和8月),LP略大于SH。由于SH分量占优势,净加热E在高原西部是很大的,结果西部地区对整个高原净热平衡的贡献为主,而高原东部的贡献则要小得多。图15.1 西藏高原西部(W)和东部(E)地面感热通量(SH)、降水的潜热释放(LP)和净大气热源(E)的十年平均值(196170年)(1cal=4.1868J)(取自叶笃正、高由禧等,1979)表15.3和15.4是不同作者计算的高原西部和东部热量和水汽收支的
10、比较。在高原西部,罗会邦和Yanai计算的SH值(169 W/m2)比叶笃正和高由禧等人6月的平均值(219 W/m2)小。潜热加热都是很小的。净的加热(Q1)主要由SH造成。叶笃正和高由禧等人的Q1值(142 W/m2)比罗会邦和Yanai的值(101 W/m2)大三分之一。水汽收支中蒸发项最大,西部的值很接近6月整个高原的平均值。对于高原东部,三者对SH的计算相互很一致。潜热的作用明显增大,但其值仍略小于SH。净加热Q1在94120 W/m2,LP和SH的贡献都很显著。对于Q2,LP的贡献超过LE,故Q2为正。由上面可见,来自地面的感热通量是青藏高原热收支的主要因子,尤其是在1979年初夏
11、高原西部。凝结加热对高原东部的热量收支是很重要的,特别在夏季雨季之后。表15.3 青藏高原西部热量和水汽收支的比较(单位:W/m2)LPSHLPLELuo和Yanai(39天平均)101-779(169)*-229(31)叶和高等(6月)142-94*17219-221739*表15.4 青藏高原东部热量和水汽收支的比较(单位:W/m2)LPSHLPLELuo和Yanai(39天平均)113-6271(104)4471(27)叶和高等(6月)(94)-94*86(102)(47)7639*Nitta12(100天)120-7590(105)(25)90(65)图15.2 40天平均的(1979
12、年5月末到6月初)区域平均(hPah-1)、加热率Q1/cp(Kd-1)和干燥率Q2/cp(Kd-1)的垂直分布。(a)高原西部;(b)高原东部图15.3是沿32.5。N Q1和Q240天平均的东西垂直剖面,可以更清楚地看到高原东西部加热的区域差异。在高原范围(82.5-97.5。E),除地面附近在整个对流层有深厚的加热。高原上的加热有两种不同的状态:高原东部的热源和加热峰值在400500hPa,92.5。E处,相应有水汽汇出现,峰值约4。K/day,在400500hPa层中;但在高原西部的热源峰值为5.5。K/day,位于200250hPa层中,相应的水汽汇和源很弱,并位于低层。图15.3
13、40天平均加热率(Q1/cp,Kd-1)。(a)和40天平均干燥率(Q2/cp,Kd-1);(b)沿32.5。N的东西剖面。这是对1979年5月末到7月初的平均图15.4是沿92.5。N通过高原东部Q1和Q2的经向剖面。在高原东部上空有强加热,最大值5.4K/d-1位于350hPa,相应水汽汇的峰值为4.1K/d-1位于450hPa。Q1和Q2的峰值在高度上是分离的,这表明存在着积云对流。在高原以南,是非常深厚的强加热层,这与喜马拉雅山南坡、阿萨姆和孟加拉地区的强季风雨有关。最大加热率高度(6.0 K/d-1)位于500hPa,它与最大水汽汇(5.7 K/d-1,800hPa)高度相距约300
14、hPa,这表明这个地区的季风雨对流非常强。高原东部200500hPa层中的平均加热率为3 K/d-1,其强度与阿萨姆孟加拉地区的相近。图15.4 40天平均加热率(Q1/cp,Kd-1)(a)与40天平均的干燥率(Q2/cp,Kd-1);(b)沿92.5。N的东西剖面。这是对1979年5月末到7月初的平均高原上的天气系统高原上的天气系统高原上夏季的中低层主要有两种天气系统:一是高原高压,这是一种动力性暖高压;另一种是切变线,低涡等。夏季高原系统是反气旋或青藏高压,一般是以热力性质为主的,它在100hPa达到最强,范围最大,最稳定,对北半球环流影响很大。一般当上空(200hPa)是高压,中低层(
15、500hPa)也是高压时,高原上是干季;当是上高下低时,高原上常是雨期或雨季。青藏高压是夏季北半球的主要活动中心,它的生成与维持在很大程度上与高原及其邻近地区热源的作用有关(图15.5)。在冬季这个高压主要位于东南亚菲律宾近赤道地区上空,与那里冬季最强大的热源相一致。这种情况可持续到5月。6月份其中心迅速移到孟加拉湾北部地区,7月和8月又跳到高原及其邻近地区,以后在这些位置上成准周期振荡(最常见的是14天振荡)。它们的活动与其它系统,尤其是与伊朗高压和西风带系统有明显的关系。陶诗言与朱福康把它的活动分为东部型和西部型两种(图15.6),其特征分布如下。东部型环流:西风槽在600。E之间。东部主
16、要高压强大而稳定,中心位置在90。E以东。此时降水分布大致是长江中下游少雨,川东、贵州也少雨,而川西、西北及华北则多雨。西部型环流:西风槽在90130。E之间。主要高压中心在100。E以西。此时降水分布是长江中下游多雨,川东、贵州也多雨,川西和西北少雨,华北多雨。图15.5 19681980年夏季(68月)200hPa平均流场。实线:流线;虚线:等风速线(只给出大于20 ms-1以上的风速区);A:反气旋环流;C:气旋性环流图 15.6 100hPa青藏高原两种主要的流型。(a)东部型;(b)西部型高原及其周围地区的经圈环流与高原和大陆地区冷热源分布的特征密切有关。图15.7是沿90。E的经圈
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