关于大气角动量平衡介绍

[拼音]：daqi jiaodongliang pingheng

[外文]：angular momentum balance of atmosphere

大气的角动量在产生、消耗和输送的过程中达到平衡，使东风带和西风带保持定常状态。研究大气角动量平衡，弄清地球和大气之间的相互作用同地面摩擦的关系，不但可以揭示大气环流中行星风系得以维持的机制，还可从大气环流的演变观点出发，研究地球自转速度的年变化。后者主要属天文学的范畴。

角动量是描述物体转动状态的一种物理量。处于旋转运动状态的质点，其旋转轴到质点的距离(r)和该质点的动量(mr)的矢量积(mv×r)，定义为质点相对于旋转轴的角动量，其中m为质点的质量，v为质点的线速度。因此，单位质量空气相对于地轴运动的绝对角动量为

L=(ωr cosφ+u)r cosφ≈ωR2Ecosφ+uREcosφ

式中ω为地球自转角速度，u为东西向风速，γ为空气质点至地心的距离，φ为纬度，RE为地球半径。式中第一项表示当空气和地球一起作固体旋转运动时所具有的角动量，称为ω角动量，第二项为相对于地球运动的角动量，称为相对角动量或u角动量。

大气圈整体运动的总角动量，主要受地面的摩擦和山脉作用而发生变化。因摩擦力的方向和风向相反，在东风带里，地面摩擦力给大气一个自西向东的力矩，使地球持续地给予大气正的角动量，因此近地面层的东风逐渐减弱；在西风带里，地面摩擦力给大气一个自东向西的力矩，地球持续地从大气获取正的角动量，因此近地面层的西风也逐渐减弱。山脉作用决定于其两侧气压的差异：如果东侧的气压大于西侧，则山脉给大气一个自西向东的力矩，增强大气自西向东的运动;如果西侧的气压大于东侧，则将减弱大气自西向东的运动。计算表明，摩擦作用比山脉的影响大。因此，总的说来，东风带为产生角动量的区域（即角动量源），西风带为消耗角动量的区域（即角动量汇），为了维持在大气环流中东风带和西风带的定常状态，就必需将东风带取自地球的正角动量输送到西风带去，还给地球。

大气中角动量输送是这样完成的：在低纬度地区，哈得来环流（见大气环流）的上升气流把东风带的角动量净输送到高空，再由平均经向环流和大型涡旋向北水平输送；在中纬度和高纬度地区则主要依靠大型涡旋向北输送。在北半球，水平输送量最大的地区在北纬30°～35°地带的对流层顶附近的高空。为了完成角动量净向北输送，高空大型扰动的槽线必须是从东北到西南倾斜，而且南部比北部斜度大。向北输送的角动量到达中纬度和高纬度地区之后，主要通过铅直方向的湍流，顺着西风速率的铅直梯度方向由高层输送到低层，以补充地面西风带角动量的消耗，使地面西风带维持定常状态。

参考书目

1. 叶笃正、朱抱真著:《大气环流的若干基本问题》，科学出版社，北京，1958。