地球流体力学的基本动力过程
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发布时间：2022-04-22 07:30
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时间：2022-06-17 18:12
地球流体运动按空间尺度或性质可分为下列数种类型：重力－惯性波、行星波、埃克曼流、大气和大洋环流、涡旋、重力波和对流等。后三者为一般流体力学所共有，这里不单独解释。
① 重力-惯性波。地球流体的一种基本运动形式，由重力和科里奥利力共同作用所形成。相速（见波）远大于流速。若波长较短，则科里奥利力影响极小，与通常分层流动中的重力波无异。若波长较长，特别是和地球（或别的行星）同量级时，科里奥利力影响明显，则波的相速和结构都与重力波明显不同。
②行星波。地球的大气运动、海洋运动和其他行星大气大尺度运动的最明显和最重要的形式，流场弯曲如波状，波长大都与行星半径同量级（在洋流中波长较短），因而得名。又称罗斯比 - 阿尔文波或罗斯比波。行星波与大型天气系统密切相关，又是大气环流或大洋环流的主要组成部分，故为大气动力学 、海洋动力学和地球流体力学的主要研究对象。行星波的相速和流速同量级，涡量远大于散度，故又称涡旋波。其产生机制是行星表面各处的科里奥利参数不均匀，即行星大气涡量的地面法向分量存在梯度，从而使流体微团在运动过程中改变其相对涡量，形成波动。事实上，若ω=0，和式（1）相应的线性方程除有重力波解外，还有定常的涡旋场解。若ω0，则涡旋场为非定常，成为涡旋波；且忽略二维可压缩性（取二维散度为零）时，它也存在；能量来源于流体运动自身的惯性，故又称为惯性波。
③埃克曼流。行星边界层内的流动。其主要特征是流体速度水平分量沿高度呈螺线变化，称埃克曼螺线。这是由于层内流体速度因粘性力作用而减小，使科里奥利力与压强梯度 、重力之间失去平衡的结果。埃克曼流常伴有铅直速度，称埃克曼抽吸，影响行星边界层外的大尺度运动。
④大气环流。大气中各种大尺度运动的全体组成的具有最大空间尺度的运动。已发现两种非常不同的大气环流型：
① 罗斯比环流型 由明显的行星波组成的非轴对称的大气环流型，为纪念阐明行星波的罗斯比而命名。地球大气环流即属此型。
② 哈得莱环流型 大气环流表现为对星体自旋轴对称和准对称的大气环流型。由G.哈得莱首先阐明，故名。木星大气环流即属此型。
大气环流型主要取决于星体自转角速度 ω以及星体大气受太阳辐射而造成极地和赤道之间的温差|ΔT|。若大气加热呈轴对称分布而星体不自转，则热量交换取纯对流形式，即热气反抗重力作用而上升，冷气下沉且从底层流向暖区，此即纯哈得莱环流型。但若星体自转，则在科里奥利力作用下，大气运动中沿子午圈的速度分量vθ产生沿纬圈上的速度分量vλ。ω和|vθ|愈大，则|vλ|愈大。大到一定程度后，由这种轴对称运动所导致的热量沿子午圈的流量过小，积集起来的热量由非轴对称的水平方向的运动来输送，形成明显的行星波，大气环流变为罗斯比环流型。故当 ω和|ΔT|为中等大小时，大气环流为罗斯比环流型。但若|ΔT|固定而 ω增到一定程度，或ω固定而|ΔT|增加过大，则|vλ|过大，轴对称环流又占主要地位，转变为哈得莱环流型。人类经历了两百多年的研究，特别是最近三十年通过旋转圆盘内流体运动的模拟实验以及相应的理论分析才最后弄清上述机理，这对认识大气环流的本质有很重要的意义。
若大气环流为罗斯比环流型，则在一些纬度带内，暖气下沉，冷气上升，和哈得莱环流型的情况相反。这些地带的子午圈环流称为反哈得莱环流。地球大气在中纬度地区即属此情况。
⑤大洋环流。地球上海洋中各种大尺度运动的全体组成的最大空间尺度的运动。大洋环流和大气环流有许多共性，但海岸的几何约束对洋流有明显影响，使其具有特点。最简单的一种大洋环流模式是惯性洋流。在这种模式中，风应力、科里奥利力和惯性力三者互相平衡。在开阔洋面上，洋流为风应力所驱动，然后受惯性力作用流向海岸地带，科里奥利力随纬度的变化使向西流动的 洋流加速 ，称西向强化现象；子午线走向的海岸的几何约束，使洋流转而流向高纬地区并强化（北向强化现象）。这是大西洋湾流和太平洋暖流（即黑潮）的显著特点。
地球流体运动也常按科里奥利力影响的程度分为准地转运动和非地转运动两大类：
①准地转运动。满足Ro<<1和Ek<<1的运动。在这类运动中，重力、压强梯度力和科里奥利力三者几乎平衡，且运动为准水平的，沿重力方向的速度分量很小。大气和海洋环流、行星波以及大尺度涡旋属于准地转运动，是地球流体大尺度运动的主要类型。
②非地转运动。除准地转运动外的地球流体运动。在这类运动中，重力、压强梯度力和科里奥利力三者不处于几乎平衡状态。在自由流体中 ，Ro <<1不成立。重力-惯性波、重力波、对流、尺度较小的强涡旋和埃克曼流属于非地转运动。
