埃克曼抽吸

在埃克曼层中由于摩擦作用使大气发生辐合辐散进而使埃克曼层顶的空气上升或下沉的现象

在埃克曼层中，由于摩擦作用使大气发生辐合辐散，进而使埃克曼层顶的空气上升或下沉的现象。通过此机制，大气边界层与自由大气间进行动量、热量和水汽等交换。

描述

边界层中，在三力平衡作用下，风要穿越等压线，从高压指向低压，则气旋区产生辐合上升，反气旋区产生辐合下沉。这种边界层顶的垂直运动，称为埃克曼抽吸。

图1 三力平衡示意图

发生机制

埃克曼抽吸，是由于湍流摩擦作用，在埃克曼层中风有指向低压一侧的分量，在低压上空产生辐合上升运动，同理在高压上空产生辐散下沉运动，从而形成一种上升下沉运动在边界层顶达到最强的现象。由此可见，埃克曼抽吸效应大大增强了自由大气与边界层之间的动量、热量和水汽交换。

图2 埃克曼抽吸示意图

（1）自由大气层中

①气旋低压中心，由于受下层边界层低压中心系统作用（即低层空气质量辐合），质量堆积后并引起辐合上升运动，这样自由层中的低压系统有从下层来的空气质量，使得其强度减弱，即气旋减弱，为了不让质量堆积，则此时有质量向外辐散（使气旋减弱不至于太快）。

②反气旋高压中心，由于下层边界层中的高压系统作用（即低层反气旋系统有质量辐散），为使反气旋中心减弱不至于太快，则上层大气必向下运动补偿下层大气辐散而损失的质量，此时，自由大气中的反气旋高压中心有质量下沉，故气压减弱即反气旋强度减弱，此时为了使其减弱不至于太快，它周围大气则向高压中心辐合，以补充部分空气质量。

（2）边界层大气中

风始终穿越等压线运动，并指向高压吹向低压。低压中心→辐合→引起质量堆积→上升运动；高压中心→辐散→引起上层质量补偿→下沉运动。

作用

（1）引发二次环流

在准地转涡旋流场中，由于湍流摩擦效应将会在埃克曼层中造成强迫的铅直环流，它叠加在准地转水平环流之上，称之为二级环流。其湍流摩擦作用一方面通过二级环流直接输送到自由大气，另一方面通过二级环流使自由大气与边界层进行质量和动量等物理量的垂直交换。则自由大气中质量大的空气通过被吸入边界层，而边界层中动量小的空气被抽入自由大气。因为二级环流是由行星边界层摩擦所驱动的，所以产生此种二级环流的机制称为埃克曼抽吸，或埃克曼泵，其实质上是穿越边界层顶的二级环流的垂直分支。

在准地转气旋区域，埃克曼层中有穿越等压线向气旋中心的运动分量，它向气旋中心输送质量，意味着埃克曼层中水平气压梯度力对空气做正功，以补偿埃克曼层中动能的消耗。由于空气质量向气旋中心辐合，使得整层大气中的水平气压梯度力减小（正压情形），因而在自由大气中产生了穿越等压线自气旋中心向外的运动分量，引起质量自气旋中心向外输送。在这种情况下，自由大气中水平气压梯度力做负功，运动动能减小。由于在气旋区域埃克曼层中有质量的水平辐合，自由大气中有质量的水平辐散，因此，由连续性原理就必然要出现铅直气流。

图正压大气气旋中，由于行星边界层中摩擦辐合强迫造成的二级环流流线示意图

（2）使自由大气旋转减弱

另外，即使自由大气中湍流粘性力可以忽略不计，行星边界层的湍流摩擦通过二级环流可以直接影响自由大气中的运动。二级环流可使准地转涡旋强度减弱，这种作用常称之为旋转衰减作用。其中，埃克曼抽吸强度（速度）与自由大气的地转风涡度成正比。

旋转衰减的时间尺度远比湍流扩散的时间尺度要小得多，即自由大气的运动并不是间接地通过粘性扩散那样的慢过程而受地面摩擦的影响；却是通过埃克曼抽吸作用而强烈地受边界层的影响。因此，在旋转大气中，由摩擦辐合强迫造成的二级环流与一般湍流扩散过程相比，是使地转涡旋衰减的更有效的机制。

对热带低压扰动的影响

1964年J．G．恰尼和A．伊莱亚森提出的第二类条件不稳定（CISK）的物理过程是：一个热带低压扰动，通过埃克曼层的摩擦辐合，即通过埃克曼抽吸作用，使潮湿空气强迫抬升，引起积云对流发展。积云对流发展过程中凝结潜热释放而加热大气，使低压中心上空气温升高，上升气流加强，低压中心高空辐散流出加强，地面气压下降，从而出现低层指向中心的更大辐合流入，由于绝对角动量守恒的原则，低压的切向风速随之增大，低空的气旋性环流增强。天气尺度低压环流加强的结果，埃克曼抽吸更厉害，积云对流更旺，凝结加热更强，地面气压进一步降低，如此循环，造成积云对流与低压环流之间的正反馈，使低压不稳定发展，最后可形成台风一类的强热带风暴。

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