中层大气中的波动

作者:黄莹莹

题目中有两个名词,即:中高层大气和波动。本文先说波动,再谈中层大气中的波动。一提到波动就能想到的例子,当属水波和声波了:微风轻拂,湖面上泛起层层涟漪;太阳初升,就听到窗外的小鸟就叽叽喳喳的叫了起来。此外,2017年的诺贝尔物理学奖还让引力波这个概念进入了普通人的视野。不过,引力波是天文学-天体物理学领域里的一个研究对象,与我们这里说的大气波动相去甚远,暂时不提。

        图1 水面上的涟漪         

图2 唱歌的小鸟

波动是振动的一种传播形式,常见的波动可以分为机械波和电磁波。根据定义我们就知道,机械波是机械振动的传播形式,电磁波是电磁振荡的传播形式。那么我们可以说,声波是一种机械波,它由物体的振动(波源)产生,可以在空气(传播媒介)中传播。从研究的角度来讲,要认识一种波动,最根本的问题是弄清楚波是如何产生的,即波源是什么?以及波动如何在介质中进行传播?更进一步,还要去了解波动的传播有些什么影响。在充分认识了一种波动的特性之后,我们还希望能从过去推测未来,也就是对波动接下来的运动情况进行预报。对大气波动的研究工作,基本上是以这样的思路来开展的。

图3 大气的垂直分层

中层大气包括平流层和中间层,也就是从对流层顶-中间层顶,高度范围大约是10-100 km的空间区域。在这个高度范围内的大气波动,主要包括大气重力波、 潮汐波、行星波和开尔文波等。这些波动很大程度上是从低层大气上传而来的。低层大气是各种大气波动的重要源区。因为这里与地球表面的空间距离有限,因而会由于不同地形的影响激发出特定类型的大气波动,例如在山地的背风一侧会产生重力波,或山地波;会由于海陆不均匀的热力学过程产生行星波。又因为低层大气的密度大,剪切、对流等大气运动更加频繁和剧烈,也能够产生特定类型的波动。

图4 大气云层中表现出的重力波结构

在对流层被特定波源激发出的波动会在空间上进行传播。为了便于理解,可以简单地说,由于地球的自传,它们通常会沿着纬圈传播;由于科里奥利力的存在,这些波动又会沿着子午圈传播。与此同时,这些携带着能量和动量的波动还会向上传播,这一传播过程是大气中的能量和物质在垂直方向上进行输运和交换的重要途径。由于大气密度随高度指数减小,波动在上传过程中受到的阻力也相应的减少,从而波振幅会随高度增加。到了中间层高度,重力波、潮汐波和行星波的振幅会逐渐变得非常显著,对这里的物质,例如水汽分子,和能量的分布和变化有着举足轻重的地位。因此,研究中层大气中各种波动的性质对深入理解大气中各圈层的耦合过程有着重要的意义。