3．3．3 摩擦作用

    地面摩擦和大气内部各层之间的内摩擦作用总是使得空气运动减弱，尽管它对短期天气变化影响不大，但在讨论大气环流的形成维持问题上，却是一个不可忽视的因子。我们知道，风是空气在转动着的地球上作相对运动而产生的。地球自西向东旋转，偏西风表示空气比地球表面转动得快，偏东风表示空气比地球转动得慢。在西风带里，地球通过摩擦作用对位居其上的大气施加一个向西的转动力矩，即西风通过摩擦作用给予地球西风角动量，有使地球自转加快的趋势：而在东风带里，风在地球表面所受到的摩擦阻力是向东的，也即地球通过摩擦作用对其上面的大气施加一个向东的转动力矩，这等于是地球向东风带输送西风角动量，或东风通过摩擦作用给予地球东风角动量有使地球自转变慢的趋势。但长期的观测事实表明，地球的自转速度并没有变化，这就说明，西风带给予地球的西风角动量与东风带给予地球的东风角动量正好平衡。对大气来说，由于西风带经常失去西风角动量，西风将不断减慢，东风带获得西风角动量，东风也将不断减慢。然而实际上西风带和东风带也没有这种变化的趋势。因此，大气中必有一种角动量的输送过程，把东风带获得的西风角动量输送到西风带中去，以补偿西风带失去的角动量，这样才可以达到平衡，以维持东、西风带的常定性。

    单位质量空气在纬度φ处的绝对角动量M可表示为

M=acosφu+a2cos2φΩ

    (3.31)

    其中Ω为地转角速度，a为地球半径，u为西风风速。右边第一项为相对角动量，第二项为地球自转角动量，称为Ω角动量。一般相对角动量要小于Ω角动量，所以我们主要讨论后者。Ω角动量的垂直输送主要靠平均经圈环流来完成。因为Ω角动量是随纬度而变化的，纬度愈低，Ω角动量愈大。Hadley环流的上升气流携带较大的Ω角动量，将补充低纬高空西风角动量，同时在副热带地区的下沉气流又把较小Ω角动量的空气带回到地面东风带。上升气流携带的Ω角动量大于下沉气流携带的Ω角动量，因此有净余的Ω角动量向上输送。在绝对角动量守恒条件下，向上输送的净余Ω角动量自地面东风带输送到低纬高空西风带。同理，中、高纬度Ferrel环流圈上升支携带较小的Ω角动量，下沉支携带较大的Ω角动量，净余的角动量在低空向北运动中也转为西风角动量，以弥补地面西风带的消耗。极地东风带的直接环流也向上输送Ω角动量，并在上空向北输送中转化为西风角动量。但其输送量很小。事实上在中高纬度地区，大气运动基本上是准地转的，因而平均经圈环流的水平输送量很小。总的来讲，角动量的水平输送主要有两种运动型式来完成，即平均经圈环流和纬向环流上的大型涡旋运动所造成的输送。在中高纬度地区，角动量输送主要靠大型涡旋运动的输送。在低纬度地区，Hadley环流圈很强，它的输送同涡旋输送同等重要。

    在涡旋输送中，如果波状运动系统是对称的(如图3.21a)，即呈正弦形的槽脊和圆形闭合中心时，只能完成热量的自南向北输送，而不能完成角动量的输送。如果系统是倾斜的(如图3.21b、c)，槽线和高、低压中心轴线呈东北-西南向或西北-东南向时，不但可以完成热量输送，还能完成西风角动量的输送。这是因为在非倾斜系统中，它们槽前、槽后的纬向风速分量u相同，槽后从北向南，槽前从南向北的角动量输送相抵消，因此没有角动量的净输送。在倾斜系统中，槽前、槽后的纬向风速不相等，因而有角动量的净输送。在中低纬度，由于中低纬天气系统呈东北-西南倾斜，这使得低纬度东风带多余的西风角动量输送到中纬度西风带中去。在高纬度，由于天气系统呈西北-东南向倾斜，使得高纬度和极地东风带多余的角动量输送到中纬度西风带中去。由此完成大气中角动量的水平输送过程。

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