火星的大气环流是啥哪种?

一是太阳辐射这是地球上大气運动能量的来源,由于地球的自转和公转地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的。热带地区多而极区少,从而形成大气的热力环流②是地球自转,在地球表面运动的大气都会受地转偏向力作用而发生偏转三是地球表面海陆分布不均匀。四是大气内部南北之间热量、動量的相互交换以上种种因素构成了地球大气环流的平均状态和复杂多变的形态。

大气环流主要与太阳辐射、地球自传运动、地表性质莋用和地面摩擦作用相关 太阳辐射作用。大气运动需要能量而能量几乎都来源于太阳辐射的转化。不同纬度得到的太阳辐射能不同低纬地区因净得热量不断增温并膨胀上升,极地大气因净失热量而不断冷却并收缩下沉假设地球表面性质均一并没有地转偏向力,则气壓梯度力的作用将使赤道和极地之间构成一个大的理想的直接热力环流圈太阳辐射对大气系统加热不均是大气产生大规模运动的根本原洇,而大气在高低纬间的热量收支不平衡是产生和维持大气环流的直接原动力 地球自传运动作用。然而大气是在自转的地球上运动着,地球自转产生的偏转力迫使运动空气的方向偏离气压梯度力方向在北半球,气流向右偏转结果使直接热力环流圈中自极地低空流向赤道的气流偏转成东风,而不能迳直到达赤道;同样自赤道高空流向极地的气流,随纬度增高偏转程度增大,逐渐变成与纬圈相平行嘚西风可见,在偏转力的作用下理想的单一的经圈环流,既不能生成也难以维持因而形成了几乎遍及全球(赤道地区除外)的纬向環流。因而地球自转是全球大气环流形成和维持的重要因子 地表性质作用。地球表面有广阔的海洋、大片的陆地陆地上又有高山峻岭、低地平原、广大沙漠以及极地冷源,因此是一个性质不均匀的复杂的下垫面从对大气环流的影响来说,海陆间热力性质的差异所造成嘚冷热源分布和山脉的机械阻滞作用都是重要的热力和动力因素。 海洋与陆地的热力性质有很大差异夏季,陆地上形成相对热源海洋上成为相对冷源;冬季,陆地成为相对冷源海洋却成为相对热源。这种冷热源分布直接影响到海陆间的气压分布使完整的纬向气压帶分裂成一个个闭合的高压和低压。同时冬夏海、陆间的热力差异引起的气压梯度驱动着海陆间的大气流动,这种随季节而转换的环流昰季风形成的重要因素北半球陆地辽阔,海陆东西相间分布在冬季,大陆是冷源纬向西风气流流经大陆时,气流温度逐渐降低直箌大陆东岸降到最低,气流东流入海后因海洋是热源,气温不断升温直到海洋东缘温度升到最高,这样便形成了图4-32所示的温度场即夶陆东岸成为温度槽,大陆西岸形成温度脊夏季时,温度场相反大陆东岸为温度脊,大陆西岸为温度槽根据热成风原理,与温度场楿适应的高空气压场则是冬季大陆东岸出现低压槽,西岸出现高压脊夏季时相反。可见海陆东西相间分布对高空环流形势的建立和變化有明显影响。 地形起伏尤其是大范围的高原和高大山脉对大气环流的影响非常显著,其影响包括动力作用和热力作用两个方面当夶规模气流爬越高原和高山时,常常在高山迎风侧受阻造成空气质量辐合,形成高压脊在高山背风侧,则利于空气辐散形成低压槽。东亚沿岸和北美东岸冬半年经常存在的高空大槽,虽然其形成与海陆温差有关但同爬越高大地形也有关。地形过于高大或气流比较淺薄则运动气流往往不能爬越高大地形,而在山地迎风面发生绕流或分支现象在背风面发生气流汇合现象。地形对大气的热力变化也囿影响比如青藏高原相对于四周自由大气来说,夏季时高原面是热源冬季时是冷源,这种热力效应对南亚和东亚季风环流的形成、发展和维持有重要影响 由上可见,海陆和地形的共同作用不仅使低层大气环流变得复杂化,而且也使中高层大气环流有在特定地区出现岼均槽、脊的趋势 地面摩擦作用。大气在自转地球上运动着与地球表面产生着相对运动。相对运动产生着摩擦作用而摩擦作用和山脈作用使空气与转动地球之间产生了转动力矩(即角动量)。角动量在风带中的产生、损耗以及在风带间的输送、平衡对大气环流的形荿和维持具有重要作用。

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【摘要】:火星一直以来都是行煋科学研究的热点,首要的研究目的自然是探索宇宙中的生命,而对于火星大气及气候的研究也随着火星探测器的增加而越来越多尽管火星仳地球小,离太阳也更远,但是火星上的气候跟地球有着重要的相似点,所以对于两者的比较研究能帮助我们更好的了解地球大气的历史和未来。另一方面,气候变化也直接关系到火星大气中水汽以及其它生命元素的存在,对于火星生命的探索也有重要作用本文的研究主要集中在两個方面,一是对火星大气潮汐的研究,二是对火星边界层的研究。大气潮汐及行星尺度波是大气中重要的全球尺度的波动,普遍存在于快速自转嘚行星大气中,如地球、火星等等火星上的潮汐波主要是由大气中普遍存在的CO2、沙尘以及水冰云的热吸收和热辐射激发的。潮汐波可以调淛背景风场,影响大气重力波的上传和破碎,对低、中、高层大气之间的耦合具有重要作用,进而影响整个大气环流另外火星大气边界层可以控制沙尘的空间分布从而对中高层大气潮汐波产生重要的影响,但目前并没有研究将这两者直接联系起来,而我们现在及以后的工作将着重于此。本文的研究工作如下:1、首次利用观测数据研究了火星中高层大气迁移和非迁移潮汐波的纬向和季节变化特征我们利用火星气候探测儀(MCS)在新型的cross-track观测模式下观测的两个火星年的温度数据,研究了纬向波数s= 1~3的潮汐波和准静止行星波的纬向以及季节变化特征。周日迁移潮汐嘚振幅在南半球赤道和中纬度地区呈现强烈的半年变化半日迁移潮汐(SW2)在赤道和北半球的中纬度地区有明显的半年变化,但在南半球表现为周年变化。赤道地区水冰和沙尘的密度约化不透明度与SW2振幅有着明显的时空相关性,这可为SW2的潮汐激发源提供一种可能的解释纬向波数为1、2、3的三种开尔文波(DE1、DE2和DE3)在赤道区域有显著的季节性变化。DE1近似表现为半年振荡,而DE2和DE3有明显的周年振荡本文首次利用观测数据研究了火煋中层大气中西向传播、纬向波数s = 2和3的非迁移周日潮汐以及西向传播、纬向波数s = 1的非迁移半日潮汐。这三种波都有着不对称的纬向分布,对應于它们可能的激发源,即准静止行星波与迁移潮汐之间的非线性相互作用2、利用地球大气潮汐的研究成果解释了火星大气周日迁移潮汐嘚季节变化。我们利用MCS的温度数据并从经典潮汐理论的霍夫模视角出发,研究了周日迁移潮汐(MDT)的空间和季节变化霍夫***结果表明,在春分期间,垂直传播的(1,1)模在所有高度上占主导地位,从近地表到0.1 Pa振幅随着高度增长。垂直方向无法传播的波模(],-2)、(1,-4)、(1,-6)被限制在较低的高度且它们有相姒的垂直分布结构(1、1)和(1,-2)波模都有明显的半年振荡。MDT与沙尘和水冰加热率的霍夫模构成相同,这说明沙尘和水冰都对潮汐激发有贡献然而,沙尘加热率的周年和半年振荡都与MDT的有较大的相位差,而水冰的半年振荡与MDT的相位相符,这表明水冰可能是MDT半年振荡重要的驱动源。利用大气環流模式模拟的风场数据,我们也发现赤道地区纬向平均的纬向风以及其随纬度的切变可以通过调制潮汐的上传来影响潮汐的季节变化总洏言之,赤道地区MDT的半年变化以及其产生机制与地球非常类似,这也暗示火星作为类地行星与地球有着更多的共同点。3、首次模拟分析了火星夶气边界层沙尘空间分布的各向异性对火星对流边界层高度的影响我们采用火星版本的天气研究和预测模型(MarsWRF)对火星对流边界层(CBL)的气象过程和沙尘传输进行了大涡旋模拟(LES)。我们使用恒定的沙尘阈值风速(能把沙尘吹离地面的最小风速)来确定沙尘的扬起过程,扬起后的沙尘随风场進入上升气流中进一步抬升整个模拟区域的表面反照率、热惯性和太阳光照也处处相同,具体数值由MarsWRF的火星全球大气环流模型(GCM)基于卫星观測数据获得。该模型成功模拟了火星多个地点近地面温度剖面,并可以获得诸如风场、大气压、沙尘含量等其它气象要素随后我们研究了吙星沙尘对边界层动力学过程的影响,研究表明沙尘对阳光的遮挡产生的阴影效应会减弱边界层的对流强度,但沙尘的不均匀分布会增强地表囷大气中的热对比度,进而通过增加浮力项而增强边界层的对流。如果扬沙速度足够快,由于沙尘不均匀分布而增加的对流能量可能会超过阴影效应减少的能量,从而导致边界层高度的抬升,我们发现火星一天中沙尘的最大不均匀度与边界层的最大高度存在正比关系,这为研究火星以忣地球沙漠地区的边界层高度提供了新的认识

【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位授予年份】:2018


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