极锋和斜压不稳定性研究

因为地球是旋转的，两种不同密度的空气之间的边界仍然是倾斜的，产生水平的压力梯度。该压力梯度驱动着盛行西风。极锋位于冷、暖空气交界处，倾斜的角度最大，西风也最强烈。沿着极锋的气流，尤其是在对流层顶部，风速可以达到100m/s。由于巨大温差的存在，这种气流对扰动非常敏感，变得不稳定，称作斜压不稳定（baroclinic instability)。小的扰动迅速长大成巨大的水平波而最终破裂。极锋的形态因此变得破碎和波浪状，并伴随着如气旋和前锋的天气系统，如图11-7所示。

斜压不稳定性是大气和海洋中极其重要的流体力学机制。在大气中，它是形成中纬度主要天气系统气旋和反气旋的主要机制。斜压大气的密度取决于温度和压力，而正压大气的密度仅取决于压力。换句话说，斜压大气是等压面上存在密度梯度，而正压大气是等压面与等密度面正好重合。正压大气主要出现在中纬度或热带，而斜压大气则主要出现在中纬度和极区。

稳定层流最简单的例子是不可压缩的流体，其密度随高度升高而减小。对于可压缩的气体，如大气，对应的参量是熵的垂直梯度，必须是随着高度的升高而增加时，流体才能形成稳定的层流。势能是斜压不稳定的能量来源。随着不稳定性的增长，流体中心的质量将下沉。在大气中波的生长过程中，冷空气下沉并流向赤道，弥补暖空气的上升和向极地流动。斜压不稳定性的发展过程如图11-6所示。首先是对流层高空大气的分散，形成高空槽脊短波系统，激发极锋气旋的发展。然后冷空气在高空槽下平流，而暖空气在高空脊下平流，增加了高空扰动的振幅，使曲线曲率增加，从而促使高空大气进一步分散。高空槽和脊的振动就形成了极锋的不规则的波浪形状，如图11-7所示。

极锋正是北半球中纬度地区丰富风资源的原始动力，也解释了为什么我国广大北方地区风资源丰富的根本原因。极锋形成的不规则的、波动的圆环“半径”随着季节变化。冬季时北极气温最低，圆环“半径”最大，覆盖我国北方，而夏季正好相反。所以，我国北方大风季节一般为冬季。

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图11-6 斜压不稳定性发展过程示意图

图11-7 北极极锋，左图为2006年5月26，右图为2006年5月30日（箭头代表旋转方向)

沿着极锋的动态过程代表了水平纬向热传导机制，把被哈德莱环流圈从赤道传递到中纬度的热传导到两极。哈德莱环流圈和斜压不稳定导致的扰动增长是地球上沿经向能量分配的两个最重要大气动力机制，洋流也起到了一定的作用。