大气运动模型实验

[拼音]:daqi yundong moxing shiyan

[英文]:model experiments of atmospheric motion

用流体力学方法,将大气运动过程及其现象在实验室内进行模拟,以研究大气运动各因子间的相互关系。

实际大气的运动及其有关的现象非常复杂,它们往往是多种因子和物理过程相互作用的结果。如:大气环流的形成,青藏高原等地形对大气环流的影响,台风、龙捲等天气系统的形成和结构,以及不同地形条件下污染物的扩散(见空气污染气象学),都是很复杂的问题。目前还难以对它们进行详细的实际观测和研究,有些也难以通过数值试验进行模拟(见大气运动数值试验)。而通过模型实验可以把大气运动过程在实验室内再现,对其内部结构进行详细的测量;也可以进行单因子的控制试验,以了解不同因子对大气运动的作用。

研究史

20世纪50年代初,D.富尔茨在美国芝加哥大学流体实验室进行的实验,开闢了模型实验的新时代。他的实验装置主要是一个旋转的圆盘,实验中不仅模拟出哈得来环流和罗斯比波(见长波),而且还模拟了锋和气旋的产生。1953年R.海德在英国剑桥大学也进行了模拟实验,他用的是深环形容器,他的重要发现是流型中有一连串的相同的波出现,人们称之为定常罗斯比波。海德的另一个发现是所谓“摆动” (vacillation)现象,即波在运动座标系中,以一种有规律的周期形式,改变它们的形状和执行速度,在完成摆动回圈后又回覆到它们原来的形态。人们认为这很象西风指数(见大气环流型)的涨落。中国气象工作者在1958年也开始了模型实验的研究,并取得了一定的成果,70年代用转盘实验成功地模拟了青藏高原对大气环流的影响以及台风的形成。

相似原理

为了正确地模拟实际的大气现象,使模型上的现象和大气中的现象相似,模型必须遵循以下最基本的原则:

(1)动力相似。作用在模型中和大气中的力必须相似,即根据相似原理得到的控制两者运动的无量纲数,如雷诺数、罗斯比数等,必须相等(见大气动力学、大气湍流)。

(2)几何相似。模型中现象的几何比例和大气中现象的几何比例必须相似。

(3)边界条件相似。模型中和大气中的边界情况必须相似。

实验种类

由于研究的物件不同,对模型实验的要求也不同。根据研究物件的性质和模型实验的要求,可以设计不同的模型实验:

风洞模型实验

它利用风洞来模拟大气运动。这种实验主要用于研究大气边界层。由于地球表面的不同情况(如地形、城市建筑物、不同的植物覆盖等)对大气有不同的动力和热力作用,为了较相似地反映地表状态就要求风洞的实验区比较大。世界上比较先进的大型气象风洞的实验区长达20~30米,直径(宽度)约为 2米,风速可调范围为0.3~30米/秒,湍流度(随机起伏运动的程度)可控制到0.05%。层结稳定度可调范围为-0.5≤Ri≤0.5,Ri为理查孙数。

转盘模型实验

转盘实验主要用来模拟大气的大尺度运动,如大气环流、台风和大气边界层中的埃克曼螺线等。它是把实验工作盘放在转台上进行的,用转台来模拟地球的旋转作用。实验介质可以用空气,也可以用水或其他流体。实验工作盘的式样因模拟物件而异。

(1)大气环流模型实验一般用水做实验介质,实验盘的直径一般在几十厘米至1米之间(图1)。图中A为实验工作区,B为可以加热的水池,用以模拟赤道的热源,C为致冷器,用以模拟极地冷源。根据实验工作的需要,有时还可以在实验盘中放入地形模型 D或局地冷、热源。在实验介质中可放飘浮小球或将部分介质染色,以示踪运动的情况。实验介质的流场显示,一般采用照相法。在转盘实验中调整不同的引数,使无量纲数不同,就可以得到各种型别的波状运动和绕极地的纬圈环流(图2)。这些模拟的环流和实际的大气环流现象十分相似。

从70年代以来,中国应用转盘模型实验模拟了青藏高原对大气环流的影响(图3)。实验表明:在夏季,青藏高原是巨大的热源,它造成了高原上广泛的对流活动。这些对流活动破坏了高原南部的哈得来环流,维持了高原上的大尺度环流,补充了高原上空由于大型交换而消耗的热量和由于摩擦而消耗的动能。

(2)台风模型实验用空气或水做实验介质。早期以在实验区底部加热的方法,产生上升气流,再使转盘旋转,模拟台风的产生。70年代,在台风模型实验中用红外线加热法来模拟凝结潜热的释放,这样实验的结果,不仅可模拟出较好的台风流场结构,还可以模拟出地形对台风的影响。

(3)龙捲模型实验用空气或水做实验介质。在实验盘中用抽吸法形成铅直速度很大的运动,以此来模拟龙捲中的强烈上升气流。

(4)大气边界层模型实验用水或空气做实验介质,实验盘的直径一般可达2~4米。实验时在中心部位抽吸介质或洩引表面介质以形成基本流场,再使实验盘旋转以模拟科里奥利力的作用,这样,可模拟出大气边界层中的流场。

存在问题

由于实际大气的运动过程十分复杂,模型实验中不能做到完全相似。例如:地球是近似球形的,地球引力是向心力场,而在室内实验时,尚未能很好模拟这种向心力场。常用的实验工作盘,对模拟北半球(或南半球)的大气环流基本上是成功的,但模拟南、北两个半球大气环流的相互作用则比较困难。此外,实际的地形和地表的受热状况是非常复杂的,在进行模拟实验时,只能加以简化,以突出运动主要结构的相似性。

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