急流

Encyclopédie environnement - jet streams

  急流,是大气中风向自西向东的狭窄强风带。我们常常类比滑冰者的旋转来理解急流的形成,因为这两种现象都符合快速旋转运动的显著特性:角动量守恒。然而,风穿过大气边界层时会受到地面摩擦力作用,同时湍流作用也会导致能量的耗散。所以,急流的实际风速要明显低于角动量守恒假定下推算出的理论值。

1.从花样滑冰到急流

环境百科全书-急流-急流分布
图1 全球急流分布的示意图,包括极地急流(蓝色)和副热带急流(红色)。两类急流风向均为自西向东,分别分布在费雷尔环流(黄色填充区)的两侧。其中,极地急流更快(其风速可达300公里/小时)且更不稳定。因此,向西飞行的航班会尽力避开极地急流,而向东的航班则会利用急流加速飞行。与之相比,副热带急流的风速不超过100公里/小时。[图片来源:美国国家海洋与大气管理局](Jet polaire 极地急流;Jet subtropical 副热带急流)

  20世纪航空技术的发展为观测急流提供了更好的条件。进行了更多的观测后,气象学家的心中升起了一个谜团:为什么这些风的移动方向和地球的自转方向一样是自西向东的,并且形成了四支环绕地球的强风带呢?这听起来像是个悖论,因为它意味着这些风的速度比地球的旋转速度更快。图1是全球急流分布的示意图,描述了急流的瞬时位置和不稳定性(这张图在本百科全书的另一篇文章中出现过,请阅读《大气环流:其组织》)。为了解开上述的谜团,本文将基于旋转系统的重要性质——当摩擦可以忽略不计时角动量守恒,分别解释极地急流和副热带急流的形成原因。感兴趣的读者可以在经典教材或课程中找到对这一性质的详细说明[1](请阅读《动力学定律》),在本文中,我们仅从守恒性这一角度,解释并评估这一性质对急流造成的影响。

环境百科全书-急流-滑冰者角动量守恒的图解
图2 滑冰者角动量守恒的图解。左图是开始旋转时的示意图,她单腿撑地,将另一条腿和两条手臂伸出并垂直于身体垂直轴,最大限度地扩大她的平均半径。右图为旋转中的示意图,她将手臂举起使得平均半径突然减少,因此获得了更高的转速。

  这种守恒性是如何转化的呢?我们以花样滑冰为例来理解这一问题——当滑冰者沿身体的垂直轴收紧整个身体时,他们的转速会非常快(图2)。在整个过程的开始阶段,他们一条腿弯曲撑地,同时尽可能地伸长另一条腿和两条手臂,来获得尽可能大的平均半径()。通过动量和平均半径可获得一定的角速度和初始角动量[2],式中为常量,表示滑冰者的质量。开始旋转后,如图2所示,他们迅速收紧四肢,使自己的平均半径大幅减少()。为了保持滑冰者的角动量守恒,半径的减少必须通过角速度的增加来补偿,使得。因此,初始转速为每秒2圈的滑冰者能够达到接近每秒圈的速度,足以让观众眼花缭乱。然而,尽管空气的摩擦力很小,冰鞋在冰上的摩擦力却很大,所以滑冰者很快就会减慢速度然后停止旋转。

  我们接下来将会看到,这种守恒性是许多重要大气现象的起源,包括本文的主题——急流。同时,在其他行星(土星环)、恒星(太阳风集中于太阳纬度70°)乃至星系(吸积盘)中,也有许多观测到的现象可以用这种守恒性来解释。

2.副热带急流

环境百科全书-急流-地球北半球示意图
图3 地球北半球示意图。其中 表示自转角速度, 表示地球半径, 表示在纬度为 处从地表到自转轴的距离。圆环代表急流,位于纬度 处的对流层顶,并假定是静止的。

  如在文章《信风的关键作用》中注明的,我们考虑一个在赤道地区上升的气团。它以接近地球自转线速度的绝对线速度离开地面,即1600公里/小时,并上升到对流层顶高度——在该纬度接近15公里。绝对线速度指的是由远离地球且不随地球旋转的观察者观察到的速度;相对线速度与之相反,是由与地球一起旋转的观察者所观察到的速度。气团随后进入哈得莱环流(请阅读《大气环流:其组织》)。在这个旋转系统中,气团的路径必然受到角动量守恒[3]的约束(请阅读《动力学定律》)。

  因为质量为常量,所以气团的角动量守恒()可以简化为的守恒。其中,绝对线速度是行星的自转线速度和相对线速度之和(为地球自转角速度)。因此,这个旋转系统中的守恒量可以写为:。假定地球为半径为的球体,在赤道地区的低空(纬度和相对线速度皆为0),该守恒量等于。而在赤道地区的对流层顶,由于距离地面仅约15公里,远远小于地球半径(公里),因此可以近似地认为它与地轴的距离仍然等于地球半径。这样一来,对流层顶处近似地等于,与低空相同。

  而在哈得莱环流的上部,随着气流向极地移动,纬度由逐渐增加到接近,到地轴的距离变为(见图3)。由于角动量守恒,可推导出,即。在赤道的纬度(),气流的相对线速度为零,这意味着空气与地球的旋转速度相同。而到了纬度,即副热带急流所在地区,角动量守恒导致相对线速度变为公里/小时,这意味着空气的旋转比地球更快。然而,实际上纬度地区的风速总是小于100公里/小时,远小于460这个数字。这是因为,摩擦和湍流消耗角动量,将风速由预测值降低到实测的大小,就像滑冰者的制动一样。

3.强盛的极地急流

  迄今为止,极地急流是两类急流中更快的一个,它的风速达到了大约300公里/小时。极地急流存在于费雷尔环流和极地环流的交界处(请阅读《大气环流:其组织》),纬度接近。如果我们将相应的代入前文所述的关系式,可得到相对线速度公里/小时。当然,这一估计并不合理,因为到达该纬度对流层顶的气团并不来自赤道地区。但是,这足以看出,当纬度变得足够大时,随着与地轴之间距离的减小,相对线速度可能会变得非常大。

  我们知道,到达纬度处对流层顶的气团来自费雷尔环流或极地地区。其中,来自费雷尔环流的气团会经过近地面的大气边界层,因此受到较大的摩擦力。如果气团保持角速度不变,那么当它离开地面时,角动量将接近。如果它们在上升至对流层顶的过程中没有明显的能量耗散,根据前文所述的公式,可推算出相对线速度能达到公里/小时。与副热带急流类似,考虑摩擦作用后实际风速会大大减少,约为300公里/小时。而来自极地地区的气团,由于距离地轴很近,因此角动量很小,对急流风速的贡献也较小。但在近地面,极地环流中向南移动的气流与费雷尔环流向北移动的气流交汇,使得辐合区位于纬度附近,因此决定了极地急流的位置。

4.急剧变缓的气流

  令人好奇的是,为什么实际风速远远小于由角动量守恒规律推算出的值呢?为什么它们会遭受如此巨大的能量损耗,以至于每条急流实际的风速大约只有理论值的五分之一?对副热带急流而言,它位于哈得莱环流的上部,也就是离地面约15公里的高空中。这一距离远大于大气边界层的厚度,后者的量级仅为几百米。因此,该处的粘性摩擦可以忽略不计,风速的损失并不直接来自粘性摩擦。真正导致副热带急流能量损耗、风速变小的原因是什么呢?答案其实很简单。在副热带急流气团的源地赤道地区,存在高度不稳定且复杂多变的对流活动。这些对流活动发展于白天大陆上空的暖空气和海洋上空的冷空气之间的界面。其中,较轻的暖空气上升,较重的冷空气下沉,由此产生并维持了一个具有强对流活动的环流——即赤道辐合带(ICTZ)。在ITCZ中,湍流活动旺盛,并且经常造成暴风雨。这些强烈的湍流扰动吸收了大量的动能,并且通过黏性力将其耗散成热能。通过这样的过程,上升的气流失去了部分初始角动量。这也是“赤道无风带”的结果。(请阅读《信风的关键作用》)。

  那么,又是什么造成了极地急流风速的减缓呢?在花样滑冰的例子中,由于冰面的摩擦,滑冰者的旋转在几秒钟内就会急剧减缓,观众只能看到几圈的高速旋转。同样,摩擦作用对极地急流也有类似的作用。极地急流的气团来源于费雷尔环流或极地环流。气团在经过近地面的大气边界层时,局地的湍流作用使得粘性摩擦增大。因此,当费雷尔环流和极地环流交汇时,上升气团的初始角动量已经在摩擦力的作用下大幅减少。

环境百科全书-急流-赤道东风季节性移动最北和最南的位置
图4 赤道东风季节性移动最北(红色)和最南(蓝色)的位置。该位置是南北半球哈得莱环流的交界面,信风在此辐合并产生上升运动。它的英文名字是赤道辐合带,通常被称为ICTZ。[图片来源:马特哈尔丁](July ITCZ 七月赤道辐合带;January ITCZ 一月赤道辐合带)

  正如我们在图1中所看到的,急流本身并不是规则且稳定的风,和对流层一样,它也受到周期性变化造成的不稳定性的影响。一方面,如图4所示,季节更替导致赤道辐合带(ITCZ)在夏季向北移动,在冬季向南移动(请阅读《信风的关键作用》)。其次,大陆上空的空气相对干燥,而海洋上空的空气则水汽充沛,两者湿度的差异导致了密度的不同。因此,它们之间的交汇能够激发不稳定。另一方面,夜间空气冷却且大气层结较为稳定。而到了白天,受到辐射加热的作用,地表升温导致近地面暖空气上升。由于上层的空气偏冷,下层的空气较暖,两者温度的差异也会导致密度的不同,进而激发对流的形成。这三种机制各有特点,但它们都有利于不稳定和湍流的发生,使得急流的平均风速降低到由角动量守恒计算数值的五分之一

  滑冰者和急流的例子,揭示了角动量守恒在快速旋转的力学系统中的显著影响。地面和空气中的摩擦,以及湍流混合,则会消耗角动量。尽管如此,这种守恒性仍然是许多重要大气现象的根源。在管理洲际商业飞行时应该考虑到这一点。因此,为了减少燃料消耗,从欧洲飞往美国的航班应从北边绕过极地急流,而回程航班应借急流之力。

 


参考资料及说明

封面照片:www.netweather.tv, 2011

[1] https://fr.wikipedia.org/wiki/Moment_kinetics_(classical_mechanics)

[2] 角动量是物体质量与绝对(或加利略)参照系中的角速度和其平均半径的平方的乘积。

[3] https://fr.wikipedia.org/wiki/Moment_kinetics_(classical_mechanics)


译者:许高洁         编审:徐霈强         责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: MOREAU René, FLOR Jan-Bert (2022), 急流, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/jet-streams/.

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