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中纬度地面西风带是由地转偏向力导致的吗?

已有 1295 次阅读 2019-12-21 22:19 |个人分类:大气、海洋、气候及其它|系统分类:教学心得

给研究生开的《地球物理流体力学》课程即将接近尾声。课上不经意间讲到了中纬度地面西风带,才发现同学们的头脑里都有一幅从中学地理课本里就已经耳熟能详的图像:从经典的三圈环流出发,也就是热带的哈德莱(Hadley)环流和中纬度的费雷尔(Ferrel)环流,加上地转偏向力(柯里奥利力,或柯氏力)后自然就得到了我们常见的纬向风带:热带东风,中纬度西风和极地东风带。( 见三圈环流百度词条 )

错了,错了,错了!中纬度地面西风不是这样由于地转偏向力形成的。如果是这样的话,难道中纬度高层不应该是东风带吗?但那里却是西风急流的位置啊。

一般对大气环流的理解当中,都是先讲纬向平均的经圈环流作为背景,叠加上东西风带,构成了我们所谓的基本气流,然后在这基础上才有一个个作为扰动的天气系统(罗斯贝波),或者叫做涡动(eddies)。作为一种线性的观点,这样讲固然有其方便之处,也似乎很容易被理解。

但这是一种带来了很多混淆认识的线性化简单化观点。这是因为,这一个个移动的天气系统(eddies)通过波-流相互作用导致西风动量的下传才是造成中纬度地面西风的原因,而不是因为有了地面西风才有天气系统。中纬度地面西风本质上是由于这些天气系统(涡动)造成的动量、热量输送(或位涡度输送)产生的平均气流,而不是相反。

也因此可以说,脱离了涡动(eddies)单独地讲中纬度西风系统在物理上是不成立的:没有这样一个独立于天气系统(大尺度涡动、大型涡旋)的中纬度西风系统。而这一点,也就是把“大型涡旋”(即天气系统)放在一个统一的大气环流理论中的第一位位置,正是叶笃正先生在1958年和朱抱真先生合著的《大气环流的若干基本问题》中所特别强调的,也是为后来大气环流理论的发展所证实了的。[ 见 《大气环流的若干基本问题》重印前言 及  关于《大气环流的若干基本问题》 ]

同学们听完课以后来问我,得到明确答复后,说我的课颠覆了他们学到的知识。这说明尽管这只是叶先生在1950年代就已经认识到的理论观点,由于大多数人对理论研究的忽视,错误的“常识”依然是被教授给学生们的主流认识,这是令人遗憾的。




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