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第卷第期地球物理学报.. .
年月..
平流层。、动力系统的平衡性质及
南极平流层。季节变化规律的研究
李乐泉周明煜
中国电力企业联台会环保中心,北京国家海洋局海洋环境预报研究中心,北京
摘要
本文首次利用常微分方程定性理论对平流层、动力系绕的平衡性质进行了讨论. 结
果表明,如果在平流层的主要分布高度内,大气扩散作用小于光化学作用, 那幺平流层的
。层处于稳定状态;反之,平流层的,,我们可以解释南极平流
层。的季度变化规律和每年—月份出现的南极,洞.
关键词动力系统,南极平流层,南极。嗣,光化学作用,大气扩散作用.
一
、引言
迄今为止,人们对平流层,的研究多采用数值研究方法,但由于问题的复杂性,数值
研究的结果很难与观测相吻合,而平流层动力系统平衡性质的研究有助于搞清楚
口
嘲
越
图站的,总量日变化图
—年极限的总量;
—年极限的总置
· 年平均的总量;
·一年平均的,总置;
·年月份的,总量.
本文年月日收到年月日收到任改稿
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期李乐泉等:平流层,、动力系统的平衡性质及南极平流层季节变化规律的研究
,的主要变化趋势,并且结果简单可靠,加上人们对平流层最关心的问题是看其是否
会发生大幅度变化,而,的这种大幅度变化主要是由平流层、动力系统的平衡性质
决定的,故平流层、动力系统的平衡性质的研究具有非常重要的价值.
由等给出的—年的。, 。站的总量
逐日变化图图,我们可以看出,南极平流层,总量在冬季有较大幅度的减小,在晚冬
,每年月份在南极出现的诵已经
,解释了南极平流层,的季
节变化规律和南极洞的成因.
二、数学模型
考虑在高度处的一小体积元,假设这小体积元内的,和浓度均匀, 它们的变化
,这些反应是
,±
紫外—, —
—, 一
—, 一
,
—, 一
始
,—. 一
其中、、、:、是反应速率常数,、和温度及太阳辐射强度有关,其它的只与温度有
关,是中性第三体,它的作用是维持反应的动量和能量平衡.
第二个因子是大气中的其它微量成份对的破坏作用,这些微量成分是作为催化剂
加速反应一的,其过程为
——
—一
躬
,—一
可以是’、、、、· 及由水汽产生的各种自由基,躬是等效的反
应速率常数,可以看出作为催化剂的在反应过程中没有损耗.
第三个因子是大气动力过程对的输送作用,包括平均气流的平流作用和大气
扩散作用各种尺度的涡旋扩散作用和湍流扩散作用.
综合上述三个因子的作用,可得到、纬向即沿纬圈平均量的控制方程:
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地球物理学报卷
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式中“】”表示所括物质在纬向的平均浓度值,为书写简便,我们省略了“【,上的平均
符号“——’.由于中的【】】【】太小,故略去. 方程组右边的第一项
表示光化学作用,第二项表示平流作用,第三项表示大气扩散作用,大气中微
量物质的作用包括存第一项的屯中,因为一令
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将的平流项展开,井假设大气是不可压缩的,则得
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—一【;】一【【】【一
和模拟了中层大气的动力和化学结构,表明在以下的平流层内
的主要分布区,大气环流主要是纬向即东西向环流,而经向即南北向速度和垂
直速度可以略去, 方程组变成
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因为和为纬向平均值,故和昱等于零,因此方程组可以简化为
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期车乐泉等:平流层动力系统的平衡性质及南极平流层,季节变化规律的研究
平流层、变化的方程组是一个二维动力系统,以后简称为系统.
在中、高纬度地区,经向水平扩散作用远大于经向水平平流作用,尤其是在极地涡旋
破裂时更是如此,因此我们在推导的过程中,忽略了经向水平平流作用,仅考虑了经向
水平扩散作用. 文献【】、【、【的研究指出,在中、高纬度地区略去经向平流作用是没
有问题的.