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地球流體力學的運動的分類

地球流體運動按空間尺度或性質可分為下列數種類型:重力-慣性波、行星波、埃克曼流、大氣和大洋環流、渦旋、重力波和對流等。後三者為壹般流體力學所***有,這裏不單獨解釋。

① 重力-慣性波。地球流體的壹種基本運動形式,由重力和科裏奧利力***同作用所形成。相速(見波)遠大於流速。若波長較短,則科裏奧利力影響極小,與通常分層流動中的重力波無異。若波長較長,特別是和地球(或別的行星)同量級時,科裏奧利力影響明顯,則波的相速和結構都與重力波明顯不同。

②行星波。地球的大氣運動、海洋運動和其他行星大氣大尺度運動的最明顯和最重要的形式,流場彎曲如波狀,波長大都與行星半徑同量級(在洋流中波長較短),因而得名。又稱羅斯比 - 阿爾文波或羅斯比波。行星波與大型天氣系統密切相關,又是大氣環流或大洋環流的主要組成部分,故為大氣動力學 、海洋動力學和地球流體力學的主要研究對象。行星波的相速和流速同量級,渦量遠大於散度,故又稱渦旋波。其產生機制是行星表面各處的科裏奧利參數不均勻,即行星大氣渦量的地面法向分量存在梯度,從而使流體微團在運動過程中改變其相對渦量,形成波動。事實上,若ω=0,和式(1)相應的線性方程除有重力波解外,還有定常的渦旋場解。若ω0,則渦旋場為非定常,成為渦旋波;且忽略二維可壓縮性(取二維散度為零)時,它也存在;能量來源於流體運動自身的慣性,故又稱為慣性波。

③埃克曼流。行星邊界層內的流動。其主要特征是流體速度水平分量沿高度呈螺線變化,稱埃克曼螺線。這是由於層內流體速度因粘性力作用而減小,使科裏奧利力與壓強梯度 、重力之間失去平衡的結果。埃克曼流常伴有鉛直速度,稱埃克曼抽吸,影響行星邊界層外的大尺度運動。

④大氣環流。大氣中各種大尺度運動的全體組成的具有最大空間尺度的運動。已發現兩種非常不同的大氣環流型:

① 羅斯比環流型 由明顯的行星波組成的非軸對稱的大氣環流型,為紀念闡明行星波的羅斯比而命名。地球大氣環流即屬此型。

② 哈得萊環流型 大氣環流表現為對星體自旋軸對稱和準對稱的大氣環流型。由G.哈得萊首先闡明,故名。木星大氣環流即屬此型。

大氣環流型主要取決於星體自轉角速度 ω以及星體大氣受太陽輻射而造成極地和赤道之間的溫差|ΔT|。若大氣加熱呈軸對稱分布而星體不自轉,則熱量交換取純對流形式,即熱氣反抗重力作用而上升,冷氣下沈且從底層流向暖區,此即純哈得萊環流型。但若星體自轉,則在科裏奧利力作用下,大氣運動中沿子午圈的速度分量vθ產生沿緯圈上的速度分量vλ。ω和|vθ|愈大,則|vλ|愈大。大到壹定程度後,由這種軸對稱運動所導致的熱量沿子午圈的流量過小,積集起來的熱量由非軸對稱的水平方向的運動來輸送,形成明顯的行星波,大氣環流變為羅斯比環流型。故當 ω和|ΔT|為中等大小時,大氣環流為羅斯比環流型。但若|ΔT|固定而 ω增到壹定程度,或ω固定而|ΔT|增加過大,則|vλ|過大,軸對稱環流又占主要地位,轉變為哈得萊環流型。人類經歷了兩百多年的研究,特別是最近三十年通過旋轉圓盤內流體運動的模擬實驗以及相應的理論分析才最後弄清上述機理,這對認識大氣環流的本質有很重要的意義。

若大氣環流為羅斯比環流型,則在壹些緯度帶內,暖氣下沈,冷氣上升,和哈得萊環流型的情況相反。這些地帶的子午圈環流稱為反哈得萊環流。地球大氣在中緯度地區即屬此情況。

⑤大洋環流。地球上海洋中各種大尺度運動的全體組成的最大空間尺度的運動。大洋環流和大氣環流有許多***性,但海岸的幾何約束對洋流有明顯影響,使其具有特點。最簡單的壹種大洋環流模式是慣性洋流。在這種模式中,風應力、科裏奧利力和慣性力三者互相平衡。在開闊洋面上,洋流為風應力所驅動,然後受慣性力作用流向海岸地帶,科裏奧利力隨緯度的變化使向西流動的 洋流加速 ,稱西向強化現象;子午線走向的海岸的幾何約束,使洋流轉而流向高緯地區並強化(北向強化現象)。這是大西洋灣流和太平洋暖流(即黑潮)的顯著特點。

地球流體運動也常按科裏奧利力影響的程度分為準地轉運動和非地轉運動兩大類:

①準地轉運動。滿足Ro<<1和Ek<<1的運動。在這類運動中,重力、壓強梯度力和科裏奧利力三者幾乎平衡,且運動為準水平的,沿重力方向的速度分量很小。大氣和海洋環流、行星波以及大尺度渦旋屬於準地轉運動,是地球流體大尺度運動的主要類型。

②非地轉運動。除準地轉運動外的地球流體運動。在這類運動中,重力、壓強梯度力和科裏奧利力三者不處於幾乎平衡狀態。在自由流體中 ,Ro <<1不成立。重力-慣性波、重力波、對流、尺度較小的強渦旋和埃克曼流屬於非地轉運動。

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