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海洋中尺度涡旋研究历程(中尺度涡旋的生成机制)

来源:www.ascsdubai.com   时间:2023-07-23 02:02   点击:206  编辑:jing 手机版

1. 中尺度涡旋的生成机制

派风是指螺旋状运动的风。派风也可以形容迅疾的动作。在气象学中,派风是热带气旋的一种,派风围绕着一个低大气压的强中心旋转。派风的特点是向内旋转的气流,绕着一个低压区旋转。最大的低压系统是极地涡旋和最大尺度的温带气旋派风。

2. 中尺度涡旋又被称为

如果离心力和科氏力之比很大,旋衡风平衡的假设便可以成立。 在现实世界中,旋衡风平衡的确存在。 像龙卷,水龙卷,尘暴这些小尺度的涡旋,科氏力可以忽略,其维持旋衡风平衡。

3. 中尺度涡旋特征分析

大气湍流是大气中的一种重要运动形式,它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,远大于分子运动的交换强度。大气湍流的存在同时对光波、声波和电磁波在大气中的传播产生一定的干扰作用。

在大气运动过程中,在其平均风速和风向上叠加的各种尺度的无规则涨落。 这种现象同时在温度、湿度以及其他要素上表现出来。大气湍流最常发生的3个区域是:

① 大气底层的边界层内。

②对流云的云体内部。

③大气对流层上部的西风急流区内。

大气湍流的条件

大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学条件:其动力学条件是空气层中具有明显的风速切变;热力学条件是空气层必须具有一定的不稳定度,其中最有利的条件是上层空气温度低于下层的对流条件,在风速切变较强时,上层气温略高于下层,仍可能存在较弱的大气湍流。理论研究认为,大气湍流运动是由各种尺度的涡旋连续分布叠加而成。其中大尺度涡旋的能量来自平均运动的动量和浮力对流的能量;中间尺度的涡旋能量,则保持着从上一级大涡旋往下一级小涡旋传送能量的关系;在涡旋尺度更小的范围里,能量的损耗起到了主要的作用,因而湍流涡旋具有一定的最小尺度。在大气边界层内,可观测分析到最大尺度涡旋约为 1千米到数百米;而最小尺度约为1毫米。

4. 涡度 旋度

不一定。在大气中,涡度即是一个空气微团的旋度。有正负涡度,在北半球中,逆时针为正涡度,顺时针相反,南半球反之。

涡度是一个三维矢量,其定义是:速度场的旋度。在气象学应用中,一般只考虑涡度的垂直分量,即围绕垂直轴旋转的涡度分量。其垂直涡度等于相应角速度的二倍,必须注意,流体的角速度并不是整体一致的,这里所说的角速度是指当面元无限趋近于中心点O时的极限值。平均涡度是平均角速度的二倍。

涡度用来描述流体的旋转情况。在数学上,涡度是描述速度场的旋度,是一个向量场。

5. 中尺度涡形成原因

                      答:梅雨是由于亚洲大陆与西太平洋海洋的季风交替及其相关气候系统共同作用形成的一种特殊气象现象。

在春季末尾和夏季初期,亚洲大陆逐渐升温,降低气压,形成低压区。与此同时,太平洋副热带高压区和季风气流的加强导致暖湿的海洋气流向亚洲大陆输送。这两股气流在经纬度为20°-40°的地区相遇并形成锋面。在这条锋线上,预期降水强度最高;由于至少有一端固定在东海及日本南海,所以也将其称为江南梅雨锋或日本梅雨锋。随季节 交替,这个带状地区的降水逐渐由南向北推进,形成梅雨季节。

梅雨包括两个阶段,即春梅和夏梅。春梅出现在5月,夏梅出现在6-7月。梅雨带的持续时间和降水量受多种气候因素影响,例如厄尔尼诺现象、海洋环流等。此外,梅雨现象并非仅限于东亚地区,像印度次大陆季风区、美洲东南部地区及非洲东部地区都有类似气候特点。换句话说,梅雨是全球范围内共有的现象。

6. 中尺度涡旋的生成机制是什么

气旋是同一高度中心气压低于四周的、占有三度空间的大尺度涡旋。在北半球。气旋范围内的空气作逆时针旋转,在南半球其旋转方向为顺时针。从气压场的角度看,气旋又是低气压,因而又称为“低压”。反之,同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋叫反气旋。

气旋、反气旋的强度一般用其中心气压值来表示。气旋中心气压越低,气旋越强,反之越弱;反气旋中心气压越高,反气旋越强。

地面气旋的中心气压值一般在970~1010hPa之间。地面反气旋气压一般在1020~1030hPa之间。就平均情况而言,温带气旋与反气旋的强度随季节有所变化,一般冬季比夏季强。海上温带气旋比陆地强,反气旋则陆地比海上强,这与海陆的热力作用不同有关。

1.气旋、反气旋的分类

(1)气旋

根据气旋形成和活动的主要地理区域,可分为温带气旋和热带气旋两大类;按其热力结构可分为锋面气旋和无锋面气旋。气旋中有锋面的气旋叫锋面气旋,锋面气旋的温压场是不对称的,移动性大,而且是带来云和降水的主要天气系统,是本节讨论的重点所在。无锋面气旋又可分为两类①热带气旋:发生在热带海洋上的强烈的气旋性涡旋,当其中风力达到一定程度时,称为台风或飓风;②局地性气旋:由于地形作用或下垫面加热作用而产生的地形低压或热低压,这类气旋基本上不移动,一般不会带来云雨天气。

(2)反气旋

根据其形成和活动的主要地理区域分为极地反气旋、温带反气旋和副热带反气旋;按其热力结构可分为冷性反气旋和暖性反气旋。

活动于中高纬度大陆近地面层的反气旋多属冷性反气旋,习惯上又称冷高压。冬半年强大的冷高压南下,可造成24小时内降温超过10℃的寒潮天气。

出现在副热带地区的副热带高压多属暖性反气旋。副热带高压较少移动,但有季节性的南北位移和中、短期的东西进退。

7. 中尺度涡旋的生成机制是

“置换风眼”是一种流体力学现象,是指在海洋或湖泊等自由表面水域中,水流通过地形等障碍物时产生的一种旋转流现象,表现为水面上形成一个平稳的环形或圆形水流区域,其中心位置深度较大,水流速度较慢,而圆形区域外部则是快速旋转的周边水流。

置换风眼主要是由于介质速度的离心作用导致,其产生原因和机理与台风类似,是一种类似于涡旋和涡核的大尺度环流现象。在海洋和湖泊中,置换风眼通常出现在滩涂、沙丘、岛屿、挂浮细胞等物体附近,也可能由于风力、海流等环境因素的影响而在某些位置形成。

置换风眼在水力工程、海洋科学、生态学等领域中具有重要的研究价值和应用潜力,例如可以用于控制海洋污染物扩散、提高水生生物饲养效率等,并且还可以作为一种美丽的自然景观吸引游客前来观赏和旅游。

8. 中尺度对流涡旋

1. 深圳没有龙卷风。2. 这是因为深圳地理位置靠近南海,处于亚热带季风气候区域,气候温暖湿润,相对来说龙卷风形成的条件并不容易满足。3. 此外,深圳周边地区地势相对平坦,没有大型山脉或高地来阻挡气流,也减少了龙卷风形成的可能性。因此,深圳地区相对较少出现龙卷风的情况。

9. 中尺度涡旋的生成机制有哪些

影响厄尔尼诺事件的物理因子都是互相联系、互为因果的。如信风是厄尔尼诺事件的成因,太阳黑子活动又是信风的成因;地球自转速度是厄尔尼诺事件的成因,大气角动量又是地球自转速度的成因。其中信风与地球自转速度、太阳黑子活动与大气角动量又是互相联系的。这些物理因子层层相接、环环相扣,组成了一个互相联系、互为因果的厄尔尼诺事件成因链。

1.1 信风

在正常情况下,赤道太平洋盛行偏东风(信风),大洋东侧的表层暖水被输送到西太平洋,西太平洋水位不断上升,热量也不断积累,使得西部海平面通常比东部偏高40 cm,年平均海温西部约为29℃,而东部沿岸只有24℃左右。但是,当信风减弱时,维持赤道太平洋海面西高东低的支柱被破坏,西太平洋的表层暖水迅速向东蔓延,以致东太平洋地区的冷水上翻作用减弱,最终导致东太平洋海表温度SST上升,形成厄尔尼诺事件。

1.2 沃克环流

当沃克环流处于低强度状态时(即复活节岛的高压和印尼的低压同时减弱时),南半球东南信风减弱,以致赤道涌升流减弱,热带东太平洋海表温度SST上升,有利于出现厄尔尼诺事件,反之则不利于出现厄尔尼诺事件。沃克环流时强时弱,周期大约为3~5 a,与厄尔尼诺事件的周期相吻合。

1.3 东亚大槽

在厄尔尼诺事件发生前的冬半年,东亚强冷空气活动频繁,并且可直接影响到赤道中西太平洋地区,造成偏东信风减弱。因此,冬半年强东亚大槽的频繁活动,通过行星波活动不断将能量向东南方向频散到中西太平洋地区,引起赤道中西太平洋地区偏东信风持续减弱,以及对流活动加强,最终可能导致厄尔尼诺事件的发生。

1.4 热带大气环流

东亚季风区对流层高层异常强的东风急流,通过高层北风越赤道气流向南输送东风动量,使得高层澳大利亚至中太平洋散度风东风以及澳大利亚上空的辐合和下沉运动加强,导致澳大利亚低层冷空气堆积,使澳大利亚至东太平洋的纬向热力对比和澳大利亚至太平洋辐散西风增强,通过低层南风越赤道气流向北输送西风动量,抑制赤道太平洋偏东信风,从而导致厄尔尼诺事件。

1.5 太阳黑子活动

1981~1994年发生的3次厄尔尼诺事件均出现在太阳黑子活动的50 d振荡周期的谷值时期[3]。计算表明,在太阳黑子活动11 a周期的谷年前后,地球上各纬度带的年平均温度都是正距平,即此时太阳辐射达到最大值;在太阳黑子活动11 a周期的峰年前后,太阳辐射达到最小值。太阳辐射是气候形成的决定性因子,所以太阳辐射的异常变化必将引起气候的异常变化。

1.6 日食

当日食发生时,地球上接受的太阳辐射能减少,日食区气柱对外作正功是日食诱发厄尔尼诺现象的热—动力机制[5]。大尺度涡旋的动能不到地球一日获得的太阳能量的1/100,这远小于一次日食形成的大气有效位能,所以一次或数次日食可以激发大气长波。日食次数每年2~5次,不尽相同,这足以使大气环流出现异常变化。

1.7 火山爆发

陆地上强烈的火山爆发可形成全球性的尘幔。这些尘幔在高层大气中能停留数年之久,它们强烈地反射和散射太阳辐射。1883年喀拉喀托火山爆发后的三年内,北半球中纬度的太阳直接辐射分别减少10%、15%和10%。因此,火山爆发产生一种使地球变冷的效应,从而导致信风减弱,最终形成厄尔尼诺事件。

1.8 行星运动

行星运动的位置与厄尔尼诺事件有重要的联系,它是通过天体引潮力来引发厄尔尼诺事件的。四大行星(火星、木星、土星、天王星)冲日时日心黄纬的极值年指与前次和后次冲日时行星的日心黄纬相比,本次冲日时日心黄纬为极大或极小的年份。在1950~1995年,四大行星冲日时日心黄纬共出现了10个正极值年,除了1980、1981年以外,其余8个都是厄尔尼诺年。在8个负极值年中,有4个当年是厄尔尼诺年,其余4个在次年发生了厄尔尼诺现象。

1.9 天文周期

把黄道面四颗一等恒星先后与太阳、地球运行成三点一直线的四个天文奇点之太阳投影瞬时位相看成一种天文周期[7]。黄道面附近四颗一等亮星和太阳位于地球之两侧,视赤经相等之时为“合日”,四颗一等亮星和太阳位于地球之一侧,视赤经相差180°为“冲日”。合日和冲日都是星、日、地三者成直线之时。当天文奇点出现时,地球受到的天体引潮力达到最大值,从而引发厄尔尼诺事件。

1.10 地球自转速度

海水和大气都是附在地球表面的物质,它们随地球快速地自西向东旋转。在赤道上,地球自转的线速度最大,达到465 m/s。计算表明,由于地球自转速度减慢,在±10°的低纬度地区,海水可获得0。5 cm/s的向东相对速度。由于这一相对速度系作用于全球低纬度地区的整层海水,并且该向东相对速度已达全球海洋平均流速2 cm/s的四分之一,因此,当地球自转突然减慢时,会出现一种“刹车效应”,使大气和海水获得一个向东的惯性力。正是这个惯性力引起赤道洋流减弱,导致东太平洋地区的冷水上翻作用减弱,以致出现厄尔尼诺事件。

1.11 大气角动量

由于冬、夏半球接受太阳辐射的差异和南、北半球海陆分布面积的差别,引起北半球冬、夏季节的温度变率大于南半球,使得北半球冬、夏季节的大气西风角动量的变化明显大于南半球,从而导致地球自转冬季慢夏季快的季节变化[9]。厄尔尼诺事件的增温盛期一般出现在年底的事实可以说明这一点。

1.12 地幔膨胀

统计表明,厄尔尼诺事件主要出现在地球自转速度急剧减慢的第二年,其主要原因是地幔间歇性的不对称膨胀。当地球内部热量积聚过剩时,地幔膨胀,以致地球转速变慢,同时岩浆冲破地壳薄弱部位,使地震和火山爆发增多,洋中脊扩张增强。当地球内部热量散发后,地幔收缩,以致地球转速变快,同时地震和火山减少,洋中脊扩张减弱。该过程反复进行,导致地球转速出现准周期变化。

1.13 暖池海温

赤道西太平洋暖池(140°E~180°、10°S~10°N)的海温是全球最高的。在厄尔尼诺事件发生之前的半年到两年内,暖池次表层海温就有明显的持续正距平出现。厄尔尼诺事件的发生与暖池次表层海温正异常的东传有直接的关系。每当次表层海温正距平由暖池区东传到赤道中东太平洋,增暖区会逐渐向海洋表层扩展,最终引起赤道东太平洋SST的正异常,厄尔尼诺事件也就爆发。

1.14 海底地热

海底地热可直接使海水升温,从而形成厄尔尼诺事件。海底的地震活动、火山爆发、热液喷泉以及地热异常区都伴有大量的地热释放,其中热液喷泉可达300~400℃,最高可达750℃,而火山爆发的玄武质熔岩流更是高达1 100~1 200℃。太平洋的洋中脊偏在太平洋的东部,Cyana潜艇探测表明,它主要由玄武岩组成。对位于赤道西太平洋俯冲带的菲律宾群岛、新几内亚岛及位于赤道太平洋洋中脊附近的墨西哥高原南部海区等3个地震区≥7级的地震总次数与1900年以来的厄尔尼诺事件的统计表明,有80%以上的厄尔尼诺事件都发生在地震活跃年(或次年)。

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