在埃克曼層中，由於摩擦作用使大氣發生輻合輻散，進而使埃克曼層頂的空氣上升或下沉的現象。通過此機制，大氣邊界層與自由大氣間進行動量、熱量和水汽等交換。
基本介紹
- 中文名：埃克曼抽吸
- 外文名：Ekman pumping
- 相關術語：埃克曼螺線 埃克曼層
- 學科分支：大氣科學 動力氣象學
描述,發生機制,作用,對熱帶低壓擾動的影響,
描述
邊界層中，在三力平衡作用下，風要穿越等壓線，從高壓指向低壓，則氣旋區產生輻合上升，反氣旋區產生輻合下沉。這種邊界層頂的垂直運動，稱為埃克曼抽吸。
三力平衡示意圖圖1 三力平衡示意圖
發生機制
埃克曼抽吸，是由於湍流摩擦作用，在埃克曼層中風有指向低壓一側的分量，在低壓上空產生輻合上升運動，同理在高壓上空產生輻散下沉運動，從而形成一種上升下沉運動在邊界層頂達到最強的現象。由此可見，埃克曼抽吸效應大大增強了自由大氣與邊界層之間的動量、熱量和水汽交換。
埃克曼抽吸示意圖圖2 埃克曼抽吸示意圖
（1）自由大氣層中
①氣旋低壓中心，由於受下層邊界層低壓中心繫統作用（即低層空氣品質輻合），質量堆積後並引起輻合上升運動，這樣自由層中的低壓系統有從下層來的空氣品質，使得其強度減弱，即氣旋減弱，為了不讓質量堆積，則此時有質量向外輻散（使氣旋減弱不至於太快）。
②反氣旋高壓中心，由於下層邊界層中的高壓系統作用（即低層反氣旋系統有質量輻散），為使反氣旋中心減弱不至於太快，則上層大氣必向下運動補償下層大氣輻散而損失的質量，此時，自由大氣中的反氣旋高壓中心有質量下沉，故氣壓減弱即反氣旋強度減弱，此時為了使其減弱不至於太快，它周圍大氣則向高壓中心輻合，以補充部分空氣品質。
（2）邊界層大氣中
風始終穿越等壓線運動，並指向高壓吹向低壓。低壓中心→輻合→引起質量堆積→上升運動；高壓中心→輻散→引起上層質量補償→下沉運動。
作用
（1）引發二次環流
在準地轉渦旋流場中，由於湍流摩擦效應將會在埃克曼層中造成強迫的鉛直環流，它疊加在準地轉水平環流之上，稱之為二級環流。其湍流摩擦作用一方面通過二級環流直接輸送到自由大氣，另一方面通過二級環流使自由大氣與邊界層進行質量和動量等物理量的垂直交換。則自由大氣中質量大的空氣通過被吸入邊界層，而邊界層中動量小的空氣被抽入自由大氣。因為二級環流是由行星邊界層摩擦所驅動的，所以產生此種二級環流的機制稱為埃克曼抽吸，或埃克曼泵，其實質上是穿越邊界層頂的二級環流的垂直分支。
在準地轉氣旋區域，埃克曼層中有穿越等壓線向氣旋中心的運動分量，它向氣旋中心輸送質量，意味著埃克曼層中水平氣壓梯度力對空氣做正功，以補償埃克曼層中動能的消耗。由於空氣品質向氣旋中心輻合，使得整層大氣中的水平氣壓梯度力減小（正壓情形），因而在自由大氣中產生了穿越等壓線自氣旋中心向外的運動分量，引起質量自氣旋中心向外輸送。在這種情況下，自由大氣中水平氣壓梯度力做負功，運動動能減小。由於在氣旋區域埃克曼層中有質量的水平輻合，自由大氣中有質量的水平輻散，因此，由連續性原理就必然要出現鉛直氣流。
圖 正壓大氣氣旋中，由於行星邊界層中摩擦輻合強迫造成的二級環流流線示意圖
（2）使自由大氣旋轉減弱
另外，即使自由大氣中湍流粘性力可以忽略不計，行星邊界層的湍流摩擦通過二級環流可以直接影響自由大氣中的運動。二級環流可使準地轉渦旋強度減弱，這種作用常稱之為旋轉衰減作用。其中，埃克曼抽吸強度（速度）與自由大氣的地轉風渦度成正比。
旋轉衰減的時間尺度遠比湍流擴散的時間尺度要小得多，即自由大氣的運動並不是間接地通過粘性擴散那樣的慢過程而受地面摩擦的影響；卻是通過埃克曼抽吸作用而強烈地受邊界層的影響。因此，在旋轉大氣中，由摩擦輻合強迫造成的二級環流與一般湍流擴散過程相比，是使地轉渦旋衰減的更有效的機制。
對熱帶低壓擾動的影響
1964年J．G．恰尼和A．伊萊亞森提出的第二類條件不穩定（CISK）的物理過程是：一個熱帶低壓擾動，通過埃克曼層的摩擦輻合，即通過埃克曼抽吸作用，使潮濕空氣強迫抬升，引起積雲對流發展。積雲對流發展過程中凝結潛熱釋放而加熱大氣，使低壓中心上空氣溫升高，上升氣流加強，低壓中心高空輻散流出加強，地面氣壓下降，從而出現低層指向中心的更大輻合流入，由於絕對角動量守恆的原則，低壓的切向風速隨之增大，低空的氣旋性環流增強。天氣尺度低壓環流加強的結果，埃克曼抽吸更厲害，積雲對流更旺，凝結加熱更強，地面氣壓進一步降低，如此循環，造成積雲對流與低壓環流之間的正反饋，使低壓不穩定發展，最後可形成颱風一類的強熱帶風暴。
