埃克曼螺線

瑞典海洋物理學V.W.埃克曼於1905年提出了描寫邊界層內風矢隨高度變化的一種模式分布，按此模式風向隨高度增大而向右轉（北半球），風速隨高度增加而增大，不同高度的風矢末端的連線為一螺線，即為埃克曼螺線。

基本介紹

• 中文名：埃克曼螺線
• 外文名：Ekman spiral
• 所屬學科：動力氣象學
• 研究對象：大氣
• 創始人：V.W.埃克曼
• 提出時間：1905年

定義

在摩擦層中風隨高度的變化，既受摩擦力隨高度變化的影響，又受氣壓梯度力隨高度變化的影響。假若各高度上的氣壓梯度力都相同，由於摩擦力隨高度不斷減小，其風速將隨高度增高逐漸增大，風向隨高度增高不斷向右偏轉（北半球），到摩擦層頂部風速接近於地轉風，風向與等壓線相平行。

圖1 北半球風隨高度分布的埃克曼螺線

根據理論計算和實測資料，可以得到北半球摩擦層中在不考慮氣壓梯度力隨高度改變時，風隨高度變化的圖像（如圖1）。圖中V1、V2、V3⋯代表自地面起各高度的風向、風速矢量，接連各風矢量終點的平滑曲線，稱為埃克曼螺線(Ekman spiral)，是風速矢端跡圖。

研究起源

瑞典海洋物理學V.W.埃克曼於1905年提出了描寫邊界層內風矢隨高度變化的一種模式分布，按此模式風向隨高度增大而向右轉（北半球），風速隨高度增加而增大，不同高度的風矢末端的連線為一螺線。他提出的經典解法，給出了埃克曼層風速隨高度分布方程的分析解，並且根據分析解畫出了埃克曼螺線。

實測結果

如圖 2所示，不同的的地轉風速下，地轉風速u_g越大，整個邊界層風速各分量越大。埃克曼螺線是一種理想的風廓線，實際大氣要複雜一些，實測結果表明，上部摩擦層中的風分布基本上符合埃克曼螺線。

圖2 不同地轉風速下的 Ekman 螺線

在埃克曼層中，實際風矢的鉛直分布是很複雜的。一般單次實測的結果和埃克曼螺線不盡一致，只有多次實測資料的平均結果才和埃克曼螺線的模式相近。 產生這種偏差的原因較多，例如：風場和溫度場在水平方向不均勻時，地轉風將隨高度變化；在不同的高度，湍流交換係數K不是常數。為此，對K 隨高度的變化、地轉風隨高度變化的影響等進行了許多研究，改善了埃克曼的結果，但問題還沒有完全解決。

實際上，氣壓梯度力隨高度也在改變，因而摩擦層中風的變化並不完全符合上述規律，需要根據熱成風原理，用矢量合成方法進行修正。