大氣角動量

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大氣角動量的產生,消耗和輸送中達到平衡,令到東/西風帶保持穩定狀態,研究大氣角動量,有助理解大氣和地面摩擦的關係和大氣行星系統的維持機制

大氣圈的總角動量,主要受到地面摩擦和山脈作用而發生了變化。由於摩擦力的方向和風向相反,在東風帶中,地面摩擦力給予大氣一股由西向東的力矩,使地球持續給予大氣正角動量,因此近地面東風持續減弱。而在西風帶,情況則剛好相反,結果是近地面西風也持續減弱。

山脈作用主要取決於山脈兩側的氣壓差異,如果東側比西側為高,則山脈給予大氣一股由西向東的力矩,增強大氣由西向東的活動;如果西側比東側為高,則山脈給予大氣一股由東向西的力矩。計算表明,摩擦作用比山脈作用影響為大。


因此東風帶為產生角動量的來源(source),西風帶則是消耗角動量的區域(sink),為了令到東/西風帶保持穩定狀態,必須把東風帶由地球取得的正角動量傳遞至西風帶,從而還給地球。

在低緯度,哈得來環流的上升支把東風帶的角動量淨輸送到高空,再由平均經向環流和大型旋渦向北水平輸送;在中高緯度則主要靠大型旋渦向北輸送。在北半球, 水平輸送量最大的區域是在北緯30-35度的對流層頂。為了完成角動量淨向北輸送,高空大型擾動的槽線必須從東北向西南傾斜,而且南部斜度比北部大。向北輸送的角動量達到中高緯度地區之後,主要通過垂直方向的湍流,順西風速率的垂直梯度方向由高空輸送到低層以抵銷地面西風帶角動量的消耗, 使地面西風帶保持穩定狀態。
參考
http://photino.cwb.gov.tw/rdcweb/lib/h/i_000051.htm
http://www.hudong.com/wiki/大气角动量平衡
http://www.tea.ac.cn/book/GlobalChange/2005/history-3.pdf

[ 本帖最后由 dnt02 于 2009-5-16 01:36 编辑 ]

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北半球副高中心南側盛行東風，北側盛行西風。由於地球自轉速率近似常數，所以大氣之角動量(angular momentum)亦應大致守恆；準此，在信風帶地球自轉 所造成之切線速度 大氣向東之速度，即地表向東的速率較大氣者大，所以地表有向東的力矩(easterly torque) 傳給大氣，i.e.，地表提供大氣向東的能力 有西風角動量通量(A flux of westerly angular momentum)。在中緯度，亦即西風帶內大氣向東速度，即具有與東風相反的作用，i.e.，大氣有向東的角動量傳給地球。

角動量傳輸由摩擦作用完成，且保持”低緯地至氣傳送量與高緯氣至地的量”相等(Conservation of angular momentum)。30°N與30°S附近有最大低緯至高緯的通量；45°N與45°S則有最大的渦流輻合。
參考:
www.atmos.pccu.edu.tw/file/synoptic_meteorology/ch4.doc

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研究人員通過對大氣角動量變化的分析顯示,從1997年3月中旬至11月下旬(聖嬰現象),大氣角動量始終高於平均值。在沒有聖嬰現象發生時,熱帶地區的風由東向西吹,其他區域則從西向東吹,兩者迭加起來的淨動量則是由西向東的角動量。在北半球的冬季,大氣加速,地球減速;而在夏季大氣減速,地球加速。研究指出聖嬰現象出現時,熱帶東風減速而中緯度西風加速,令到大氣角動量增大。地球自身為了維持角動量守恆,因此地球自轉速度減慢。結果白天會延長了1/4毫秒。



印太暖池大概50天便會出現一次熱帶對流增強的過程,這股異常對流區首先在印度洋出現,並隨時時間東移至西太平洋,而這一連串的對流活動和MJO有關。

Langley (1981) 的研究指出地球日長(LOD)亦都出現約50天的週期,Madden (1987,1988)提出這現象可能和太平洋對流有關的摩擦力矩造成,並認為摩擦力矩是造成日長和大氣角動量變化主因。上述論點得到Weickmann et al. (1992)的實證,並得出山脈力矩是造成大氣角動量變化(最少在北半球冬天)的結論。

Weickmann and Sardeshmukh (1994)從研究1984/1985年北半球冬天的大氣角動量中發現摩擦力矩超前於山脈力矩,而兩者對於大氣角動量的貢獻是一樣;研究和Madden and Speth (1995)類似,雖然山脈力矩比較大。兩個研究的差異在於山脈力矩的來源(喜馬拉雅山vs洛磯山脈)和時間尺度(3天vs11天)。

關於大氣角動量的季內變化,Jin and Ghil (1990)提出另一個觀點。根據簡單正壓模式(simple barotropic model),和中緯度傾斜槽線有關的波動和北半球地型的相互作用能夠造成大約40天的週期的時間尺度。(Dickey et al.1991)的觀察證實溫帶大氣角動量的~40天小型變化。

Broadly, high (low) AAM is stronger (weaker) than normal global westerly wind flow, favoring a southward (northward) shifted storm track. Intense (weaker) zonal flows tend to dominate the (continents) oceans during high (low) AAM. Low (high) pressures tend to dominate the subtropics and even midlatitudes during high (low) AAM regimes. High (low) AAM is often characteristic of El-Nino (La-Nina).

廣義上,高(低)大氣角動量是指全球西風流動比正常為強(弱),有利於溫帶氣旋路徑南移(北移)。

在高(低)大氣角動量時,偏強(偏弱)的緯流風傾向盤據於海洋(陸地)。

在高(低)大氣角動量時,低壓(高壓)傾向盤據於副熱帶至中緯度。

在高(低)大氣角動量時,多數出現(反聖嬰現象)的特質。
參考:
https://www.blogger.com/comment.g?blogID=19673832&postID=8004295793085861471
http://www.thefreelibrary.com/El+Nino+shifts+Earth's+momentum-a020212428
http://ams.allenpress.com/archive/1520-0469/54/11/pdf/i1520-0469-54-11-1445.pdf

[ 本帖最后由 dnt02 于 2009-5-17 02:33 编辑 ]

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圖1是1996年12月至1997年11月緯向(上)和全球大氣角動量(下)異常,從中可以看見由1997年1月至11月期間全球大氣角動量出現了4次高峰,平均60-70天出現一次。隨聖嬰現象事件的發展,MJO活動明顯減弱,並消失於整個1997/1998冬天。(圖2)

由MJO誘發的山脈力矩(Mountain Torque)和摩擦力矩(Frictional Torque)對於全球大氣角動量交換起了很重要作用。Madden(1988)指出當對流異常出現在中印度洋時,正摩擦力矩(Frictional Torque)會觸發全球大氣角動量有明顯向正的傾向。隨對流東移至西太平洋,由東亞和南美地型引發的正山脈力矩(Mountain Torque)進一步令大氣角動量上升;當對流在換日線減弱時,大氣角動量達到頂峰。而當赤道緯向風異常北移向半球極地,全球大氣角動量異常亦達到最高。

參考:
http://www.usclivar.org/Organization/MJO%20WorkingGroup/MJO-AngMoment.html

[ 本帖最后由 dnt02 于 2009-5-18 00:28 编辑 ]