[科普中國(guó)]-埃克曼螺線

定義

在摩擦層中風(fēng)隨高度的變化，既受摩擦力隨高度變化的影響，又受氣壓梯度力隨高度變化的影響。假若各高度上的氣壓梯度力都相同，由于摩擦力隨高度不斷減小，其風(fēng)速將隨高度增高逐漸增大，風(fēng)向隨高度增高不斷向右偏轉(zhuǎn)（北半球），到摩擦層頂部風(fēng)速接近于地轉(zhuǎn)風(fēng)，風(fēng)向與等壓線相平行。

根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)測(cè)資料，可以得到北半球摩擦層中在不考慮氣壓梯度力隨高度改變時(shí)，風(fēng)隨高度變化的圖像（如圖1）。圖中V1、V2、V3?代表自地面起各高度的風(fēng)向、風(fēng)速矢量，接連各風(fēng)矢量終點(diǎn)的平滑曲線，稱為埃克曼螺線(Ekman spiral)，是風(fēng)速矢端跡圖。1

研究起源瑞典海洋物理學(xué)V.W.?？寺?905年提出了描寫(xiě)邊界層內(nèi)風(fēng)矢隨高度變化的一種模式分布，按此模式風(fēng)向隨高度增大而向右轉(zhuǎn)（北半球），風(fēng)速隨高度增加而增大，不同高度的風(fēng)矢末端的連線為一螺線。他提出的經(jīng)典解法，給出了?？寺鼘语L(fēng)速隨高度分布方程的分析解，并且根據(jù)分析解畫(huà)出了?？寺菥€。2

實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 2所示，不同的的地轉(zhuǎn)風(fēng)速下，地轉(zhuǎn)風(fēng)速ug越大，整個(gè)邊界層風(fēng)速各分量越大。?？寺菥€是一種理想的風(fēng)廓線，實(shí)際大氣要復(fù)雜一些，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，上部摩擦層中的風(fēng)分布基本上符合埃克曼螺線。3

在埃克曼層中，實(shí)際風(fēng)矢的鉛直分布是很復(fù)雜的。一般單次實(shí)測(cè)的結(jié)果和?？寺菥€不盡一致，只有多次實(shí)測(cè)資料的平均結(jié)果才和?？寺菥€的模式相近。 產(chǎn)生這種偏差的原因較多，例如：風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)在水平方向不均勻時(shí)，地轉(zhuǎn)風(fēng)將隨高度變化；在不同的高度，湍流交換系數(shù)K不是常數(shù)。為此，對(duì)K 隨高度的變化、地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度變化的影響等進(jìn)行了許多研究，改善了埃克曼的結(jié)果，但問(wèn)題還沒(méi)有完全解決。

實(shí)際上，氣壓梯度力隨高度也在改變，因而摩擦層中風(fēng)的變化并不完全符合上述規(guī)律，需要根據(jù)熱成風(fēng)原理，用矢量合成方法進(jìn)行修正。1