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驱动台风云墙内部气流高速螺旋上升运动的动力 ——广义的水汽运动驱动低层大气向上运动的直接证据

已有 3907 次阅读 2019-7-23 12:28 |个人分类:归因研究|系统分类:科研笔记| 台风云墙, 高速螺旋上升运动, 广义的水汽运动, 低层大气向上运动

驱动台风云墙内部气流高速螺旋上升运动的动力

——广义的水汽运动驱动低层大气向上运动的直接证据

1 微小大气团在垂直方向的受力分析与大气的垂直运动

下图是某个微小大气团在垂直方向的受力分析图，单位体积向上的垂直气压梯度力为－dp／dz，式中p为大气压，z为距离地面的高度；单位体积大气团的重力为ρ′g，式中ρ′为微小大气团的密度，g为重力加速度。当微小大气团单位体积向上的垂直气压梯度力大于重力时，即当﹣dp／dz＞ρ′g时，在垂直方向上的合力垂直向上，微小大气团向上运动；当﹣dp／dz＜ρ′g时，在垂直方向上的合力垂直向下，微小大气团向下运动；当﹣dp／dz＝ρ′g时，在垂直方向上的合力等于0，微小大气团处于相对平衡的状况。

一般情况下，大气压在垂直方向上的分布公式为p=p₀／10^(z^／¹⁶⁰⁰⁰⁾,式中p₀为地面大气压。由微积分理论可知，-dp／dz=( p₀1n10／16000)／10^(z^／¹⁶⁰⁰⁰⁾。由以上公式可知，z越小（或p₀越大），单位体积向上的垂直气压梯度力﹣dp／dz越大；z越大（或p₀越小），单位体积向上的垂直气压梯度力﹣dp／dz越小。

微小大气团处于相对平衡的条件﹣dp／dz＝ρ′g就是

ρ′＝( p₀1n10／16000g)／10^(z^／¹⁶⁰⁰⁰⁾ ⑴

微小大气团向上运动的条件﹣dp／dz＞ρ′g就是

ρ′＜( p₀1n10／16000g)／10^(z^／¹⁶⁰⁰⁰⁾ ⑵

微小大气团向下运动的条件﹣dp／dz＜ρ′g就是

ρ′＞( p₀1n10／16000g)／10^(z^／¹⁶⁰⁰⁰⁾ ⑶

由⑴式可知，微小大气团处于相对平衡时，z越大，也就是距离地面越远海拔越高，大气团的密度ρ′越小，空气越稀薄； z越小，也就是距离地面越近海拔越低，大气团的密度ρ′越大，空气越稠密。

在大气垂直运动分析过程中，经常使用近地面高温区气压低、大气向上运动，近地面低温区气压高、大气向下运动，为什么？以上不等式⑵和⑶能够圆满解释。近地面高温区，大气热胀导致密度减少，从而满足以上不等式⑵的要求，也就是满足垂直气压梯度力大于重力的要求（﹣dp／dz＞ρ′g），所以，大气团向上运动，而大气团向上运动对低层大气就有抽吸作用，所以，近地面高温区的气压低。与近地面高温区不同，近地面低温区大气冷缩导致密度增加，从而满足以上不等式⑶的要求，也就是满足垂直气压梯度力小于重力的要求（﹣dp／dz＜ρ′g），所以，大气团向下运动，而大气团向下运动对低层大气就有压缩作用，所以，近地面低温区的气压高。以上研究表明，对于大气的垂直运动，气温分析方法与受力分析方法的结果殊途同归，气温分析方法隐藏着受力的分析研究，按牛顿力学，运动与力密切相关，受力分析方法更能反应大气垂直运动的本质。

2 关于台风大气环流的分析讨论

图1为台风结构与大气垂直环流的示意图，A点位于台风外围边界的底部，B点位于台风云墙底部，C点位于台风云墙的顶部（高空），D点位于台风外围边界的顶部（高空），E点位于基本上不受台风环流影响的底部，F点位于基本上不受台风环流影响的顶部（高空）。在垂直方向上，E点和F点之间的大气既没有抬升运动，也没有下沉运动，处于相对静止的状况。A、B、C、D、E、F点的大气压分别用P_A、P_B、P_C、P_D、P_E、P_F表示。

E点与A点之间的大气压力差比较小，例如P_E =1013hPa，P_A =1012hPa，P_E－P_A =1hPa，受水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的作用影响，E点与A点之间的大气向台风中心做缓慢的辐合运动。A点与B点之间的大气压力差比较大，例如P_A =1012hPa，P_B =920hPa（2018年第22号超强台风山竹的中心最低气压为910hPa），P_A－P_B =92hPa，受水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的作用影响，A点与B点之间的大气向台风中心做辐合运动并且速度较大。总的来说，流入层大气向台风中心做辐合运动并且速度逐步增加。

C点的大气压P_C大于D点的大气压P_D，C点与D点之间的大气压力差相对较大，例如P_C－P_D=10hPa。D点与F点之间的大气压力差相对较小，例如P_D－P_F=1hPa。受水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的作用影响，流出层大气从台风中心向外做辐散运动。

气压梯度力在垂直方向上的分量称为垂直气压梯度力。实际大气中，水平气压梯度值很小，约为1hPa/100km。垂直气压梯度值则要大得多，约为水平气压梯度值的10⁴倍。垂直气压梯度值虽然大，但由于有重力与它平衡，所以空气所受的总的垂直分力并不大。在水平方向上大气受水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的作用影响，在垂直方向上大气主要受重力和垂直气压梯度力的作用影响，以上两力的作用方向相反，重力垂直向下，垂直气压梯度力垂直向上。

①E点与F点之间的大气压力差为P_E－P_F，这时大气压力差致使垂直气压梯度力与重力平衡，它使得E点和F点之间的大气既没有抬升运动，也没有下沉运动，处于相对静止的状况；②当底层与高空之间的大气压力差＞P_E－P_F时，这时大气压力差致使垂直气压梯度力大于重力，在垂直方向上大气做抬升运动；③当底层与高空之间的大气压力差＜P_E－P_F时，这时大气压力差致使垂直气压梯度力小于重力，在垂直方向上大气做下沉运动。④因为P_A＜P_E，P_D＞P_F，所以，－P_D＜－P_F，所以，P_A－P_D＜P_E－P_F，在垂直方向上D点与A点之间的大气做下沉运动，详见图1中很大的黑色箭头和其它插图中下沉气流的箭头方向。

同理可分析得到P_B－P_C＜P_E－P_F，按大气压力差B点与C点之间的大气应该做下沉运动，但实际情况是这两点之间的气流是高速螺旋上升运动，为什么？在台风云墙内部，水汽除做机械运动以外，还做相变成雨的热力学运动，广义的水汽运动包括机械运动和热力学运动。因为低层大气（氮气和氧气等气体）驱动水汽向上运动的前提条件是低层与高层之间的压力差必须大于相对静止时低层与高层之间的压力差，即P_B－P_C＞P_E－P_F，但实际情况与此相反并且相距较远，(P_B－P_C)－(P_E－P_F)≈－100hPa，所以，台风云墙内部气流高速螺旋上升运动不是低层大气驱动水汽向上运动，而是广义的水汽运动驱动低层大气向上运动。

广义的水汽运动驱动低层大气向上运动，加上地转偏向力的作用，导致台风云墙内部大气螺旋向上高速运动。台风云墙内大气螺旋向上高速运动证明广义的水汽运动能驱动低层大气向上运动。台风发展过程中，台风云墙内部大气（含有大量水汽）高速螺旋上升，克服地球引力的阻挡，水分的重力势能大幅增加，这说明广义的水汽运动致使水汽垂直向上运动的作用力和驱动低层大气向上运动的作用力都很大，这就是地球上台风运动的简单机理解释，详细的机理解释请参阅有关文献。台风是地球上平面尺寸最大、最明显的物质运动，台风云墙内部大气高速螺旋上升运动是广义的水汽运动驱动低层大气向上运动的直接证据。