埃克曼螺线(定义 工作原理)

埃克曼层(影响埃克曼层的力 实测结果与埃克曼螺线产生偏差的原因)

埃克曼螺线

定义

埃克曼螺线 (Ekman spiral)

描写大气边界层（除大气近地面层）内风矢随高度变化的一种模式分布。

工作原理

按此模式，风向随高度增大而向右旋转（北半球），风速随高度增加而增大，不同高度的风矢末端的连线为一螺线。这一规律是瑞典海洋学家V.W.埃克曼研究洋流规律时于1905年首先得出的，故称为埃克曼螺线，并把风矢具有以上特性的边界层称为埃克曼层。

埃克曼层

影响埃克曼层的力

埃克曼层又称上部摩擦层或上边界层。埃克曼层空气质点的流动，主要受到气压梯度力、科里奥利力和湍流粘性力（摩擦力）的作用。埃克曼从这三种力所决定的大气动力方程组出发，假设湍流交换系数K 等于常数，而且气压梯度力不随高度变化，得出风廓线公式为

式中α=( f/2K)1/2, f为科里奥利参数，z为高度, ug为地转风（见大气运动的平衡状态），u(z)、v(z)分别为x方向和y方向的水平风速分量，x方向与等压线平行，高压在右,低压在左,且与地转风方向一致。按此公式绘制的埃克曼层内风随高度的分布图(图1)，描述了大气边界层中风矢(V)的铅直结构特征。摩擦力的影响,使地面风穿过等压线吹向低压。随高度增加,摩擦力影响则愈来愈小，风速愈接近地转风。风速第一次达到地转风时的高度，即为大气边界层的上界。

实测结果与埃克曼螺线产生偏差的原因

在埃克曼层中，实际风矢的铅直分布是很复杂的。一般单次实测的结果和埃克曼螺线不尽一致，只有多次实测资料的平均结果才和埃克曼螺线的模式相近(图2)。 产生这种偏差的原因较多，例如：风场和温度场在水平方向不均匀时，地转风将随高度变化;在不同的高度,湍流交换系数K不是常数。为此，对K随高度的变化、地转风随高度变化的影响等进行了许多研究,改善了埃克曼的结果,但问题还没有完全解决。