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探秘!那些隐藏在大气中的神秘波动

我们所生存的大气层

存在着各种各样的波动

这些波动像一个个身材不一、身形可任意变化的透明人

 

现在,我们一起来看看大气中最主要的四种神秘波动。

 

1重力波:特殊云画的幕后推手

重力波其实是地球利用重力对失衡大气的一种自我修复。就像往一潭死水里丢一粒石子会激起一圈圈的涟漪一样,平静的大气如果被扰动也会激起一圈圈的涟漪。这两者的原理是相似的。

从大气动力学角度来看,重力波是大气中的基本波动之一,可能引发很多其他中尺度天气系统,触发对流性风暴,特别是那些振幅大的重力波会对局地天气产生很大影响。

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此外,梅雨锋上往往有许多传播性的中尺度雨带,这些雨带和重力波也有联系;在锋面气旋、登陆台风以及低空急流等许多系统中,经常有中尺度重力波活动,它们与暴雨联系密切

当然,大气并非重力波存在的唯一介质。它还存在于海洋中,波浪能就是存在于海洋表面的重力波。相较于大气,以水波向周围扩散、海洋上的波浪起起伏伏等形式出现的重力波,更容易让人们看到它的样子。

2声波:物理学中的交响乐

物体(声源、发声体)产生的振动使附近的空气粒子产生同样的振动,这些粒子把振动又传递到其他粒子,这样连续传递直到最初的能量渐渐耗尽。压力向邻近空气传播的过程产生我们所说的声波。


首先,声波是一种波动,声源发出声音后要经过一定的介质才能向外传播,一切固体、液体、气体都可以作为介质。

一般情况下,声音在固体中传得最快,气体中最慢(软木除外)。声波在真空中无法传播,这是因为真空中缺乏产生传播振动的物质。比如月球表面是没有空气存在的,即使两位宇航员就处于正对面,他们也无法听到对方的声音。

 

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姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船。 古刹的钟声为何能从遥远的山上传到客船上呢?这是因为声波在空气中传播时很容易受到风和温度的影响。

1个标准大气压下,气温为15时,声波的速度(声速)约为340/秒。顺风时声波速度更快,传播距离也更远,逆风时则相反。此外,声音在高温空气中传播得更快,温度每上升/下降5,声音速度也将提高/降低3/秒。

由于寺内温度较高,江面气温较低,且当天夜里可能是顺风,所以钟声能传到船上。

 

3开尔文波:厄尔尼诺发生的前兆?

在旋转球上的流体(如大气和海洋),存在一类沿着地形边界传播或者沿赤道传播的大尺度重力波动,称为开尔文波,它受科氏力影响。

大气及大洋的赤道开尔文波均会将西边界中的扰动传至东太平洋,这种作用在厄尔尼诺-南方涛动的动力条件中扮演重要角色。

一般来说,西边界暖水异常及开尔文波被视作厄尔尼诺发生的前兆

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正常条件下,赤道太平洋的东风会令海水在赤道西太平洋堆积,但西风爆发会减弱这一向西的输送,将暖水推向太平洋中部或者东部,促使当地的海水温度上升。而且,信风减弱会使得赤道西太平洋堆积的海水向东倾斜,迫使东西太平洋的斜温层(海水温度有明显差别的层面)变平。于是,这种过程会使整个降水区域向东移。

降水区的移动,导致原本拥有丰富降水的澳洲北部及印尼一带发生干旱,另一方面却又会为原本比较干旱的南美洲西部带来大量雨水,导致秘鲁及厄瓜多尔一带出现水灾,山洪暴发,即发生厄尔尼诺现象

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影响厄尔尼诺的原因错综复杂,单凭开尔文波似乎无法对厄尔尼诺进行准确预测。但可以肯定的是,深入研究开尔文波对厄尔尼诺的激发与影响机理,有助于提高厄尔尼诺定量和概率预报准确率。

 

4罗斯贝波:大气中那根执拗的弹簧

   罗斯贝波是大气中一种非常缓慢的、大尺度的波动它是由于地球自转时在不同纬度和高度上的角速度不同所引起的,同时地转偏向力会随纬度变化——纬度越高,物体所受的影响就越大。从对流层的中下层到平流层低层,都可以见到罗斯贝波。

罗斯贝波由气象学史上的传奇人物、瑞典裔美国气象学家卡尔·古斯塔夫·罗斯贝提出。

当北半球的空气被山脉阻挡,推向南方时,它受到地转偏向力的影响与该纬度上的地转偏向力影响不符——它们太快了。这种影响的不匹配将空气重新推向北方,朝着与地转偏向力影响相匹配的位置移动。这就是那股恢复力量。

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现在,让我们来想象一个弹簧。现在,用力按这个弹簧,当松开手,弹簧的弹性将使其最终恢复原状,但在那之前,弹性会先将弹簧拉得更长,越过原先的稳定状态。

就像弹簧一样,这股恢复力会过度校正空气的位置,将其推向原始纬度以北。现在,它相对于所处纬度的影响又太慢了,这又迫使空气向南移动。结果,空气在继续整体向东运动时会上下反弹,形成波浪的形状。而气流走过的这条蜿蜒曲折的波浪状道路正是罗斯贝波理论的精髓。

有气象学家认为,缓慢蜿蜒的罗斯贝波会导致极端天气现象更加普遍。这是因为当气流总是停滞时,天气现象持续时间也会加长,例如数周、数月的干旱,以及足以形成大洪水的持续降雨。

当然,这究竟是罗斯贝波的影响,还是全球变暖本身带来的后果,仍然还在争论之中。

 


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