马里兰州坎普斯普林斯国家环境预测中心(海洋预测中心的一部分)的科学和运营官员詹姆斯·帕坦回答道
“地球大气层包含两条主要的‘急流’(每个半球各一条)。它们对人类事务产生重大影响。正如我们经常在晚间新闻的天气预报中听到的那样,急流与高压和低压天气模式有关。航空公司飞行员也非常清楚身处或接近急流中的飞机的后果。因此,详细了解急流——其位置、高度和强度——对于现代天气预报以及更具体的应用(如飞机的安全高效航线规划)至关重要。
“从流体动力学的定义来看,急流仅仅是比周围流体速度更高的流体核心(或‘流’)。尽管在数学上描述它们很复杂,但大气中的急流是地球大气层中经向(即从赤道到极地)温度梯度的直接自然结果。在其他具有相似温度梯度的大气层行星上也存在类似的流动。
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“温度梯度源于行星球形表面的差异太阳加热:表面通常在赤道最暖,并随着向极地移动而逐渐变冷。地球自转的离心效应,通常称为科里奥利力,将热量从赤道到两极的南北向输送偏转为急流的主要是东西向运动。急流的相对强度或速度与这种热梯度的强度成正比。在冬季,当赤道到极地的温差最大时,急流达到其最大速度。在夏季,当赤道和极地之间的温度梯度小得多时(仅约为冬季值的一半),急流达到其最小速度。
“急流的高度是地球大气层中温度垂直和水平分布的函数。您可能还记得,地球大气层被分为几个层,或‘球层’。对流层(拉丁语字面意思是‘ turning’ 或 ‘changing’ sphere)是地球大气层的最低层,深度从极地附近的约九公里到赤道附近的约十六公里不等。在对流层内,温度随高度降低,速率约为每公里摄氏七度。从对流层结束的地方开始,平流层(字面意思是‘layered’ sphere)延伸到大约 45 至 50 公里的高度。平流层内的温度随高度升高,这种现象称为温度逆增。对流层和平流层之间的过渡层,称为对流层顶,代表对流层的最冷点。急流就位于这个水平面,正好在对流层顶下方。
“正如在高空天气图上可以看到的那样,急流不会保持从西向东的直线纬向流动,而是呈现出更蜿蜒的外观,通常会向南或向北急剧下降或上升。这些非纬向运动主要有两个原因:赤道和两极之间的温度梯度以及地球表面陆地的存在。
“赤道和两极之间产生急流的经向温度梯度也产生次级大气环流或涡流。这些涡流被气象学家称为‘斜压波’,与急流具有复杂的相互作用。涡流改变了大气层内温度和动能的分布,这个过程对急流的位置和运动产生了显著影响。而急流本身也与这些波相互作用,不仅作为一种输送或引导机制,而且还在于动量和能量向波的传递。
“地球原本是水面,但陆地的存在改变了温度的分布,因为大陆的加热和冷却速度与海洋截然不同。陆地的地形也影响着急流的位置。例如,大型大陆上的山脉和平原显著影响着大气温度的分布。由于急流是一种热驱动现象,地球大气层的三维温度结构越复杂,急流在过程中就会越‘偏移’。
“了解急流将位于何处对于预测天气系统的运动和演变至关重要。预报过程的第一步是观测。每天有数千次大气观测由民用和军用飞机、陆地和海上天气报告站以及船舶和气象气球进行。这些观测有助于确定大气环流和天气系统的当前状态和位置,包括急流。
“然后将这些观测数据输入数值天气预报模型。这些模型吸收了大气当前状态的快照,并通过数学方法诊断急流和其他环流和天气系统将如何随时间变化。然后,模型的输出提供给气象学家,他们运用自己的知识、经验和专业知识来做出最终预报。”