土卫六与地球大气对比的数值模拟研究

【摘要】：本文从比较行星学的角度出发来对土卫六和地球大气进行对比数值模拟研究。首先利用行星大气模式PGCM模拟研究了土卫六大气环流的年平均气候态特征,并重点探讨了土卫六大气“西风塌陷”及超旋转现象的可能成因；同时,分析了不同自转速度对土卫六大气环流及“西风塌陷”等现象的影响。在上述基础上,对比讨论了土卫六大气与地球大气对自转速度变化的响应。此外,针对地球大气,本文利用NCAR的大气环流模式CAM3.1,研究了不同地球轨道参数,如地球自转周期(即地转速度)、轨道倾角、太阳常数以及地球离心率等对地球大气环流的影响,并重点讨论了季风和三圈环流等重要的气候系统对不同地转参数的响应。本文主要结论如下： 1.土卫六大气环流年平均的气候态特征如下：纬向风速很大,尤其是在赤道上空的平流层,最大风速达到108ms-1,即所谓的超旋转现象；经向风速和垂直风速在整层大气都非常小,且近地而风速大于高层,说明经向的垂直风场很弱,相应的经向环流较弱；经圈环流以两圈环流为主要分布特征,且近地面环流分布凌乱；风场的垂直廓线在30-100hPa高度之间呈凹陷状,即所谓的“西风塌陷”现象,且低纬度上空的“西风塌陷”比中高纬度更显著。 2.不同自转速度下土卫六“西风塌陷”现象的变化特征如下：除自转周期为1 day以外,在其他不同自转速度下土卫六大气的纬向风速垂直廓线都有“西风塌陷”现象存在；且土卫六大气纬向风速在垂直方向上的这一变化特征主要发生在30°S和30°N之间,而中高纬度地区则不明显。当自转周期小于50 days时,随着自转速度变快,“西风塌陷”及高层大气的超旋转现象变得更显著；而当自转周期为243 days时,存在“西风塌陷”和超旋转现象,但其强度变小。 3.比较土卫六和地球大气的试验结果,有以下结论：“西风塌陷”现象存在的可能的必要条件：首先,自转周期为5 days和50 days之间；其次,“凹陷区”上、下两层的水平温度梯度差别大,即上层的水平温度梯度大,下层的水平温度梯度小；最后,地球大气的湿对流过程可能也是其不存在“西风塌陷”的原因。 4.地球大气环流在不同自转周期下的分布特征：随着自转周期增长,温度在低纬降低而高纬升高；且在同一高度,其经向水平梯度减小；逆温层所在高度升高。中高纬的纬向西风带先增强后减弱甚至消亡,而低纬的东风带则一直减弱。在100 hPa以下,经向风速和垂直速度都随自转周期增长而增大,且当慢转条件下,经向环流达半球尺度。不同轨道倾角下大气环流特征如下：随着轨道倾角增大,温度场在赤道副热带降低而中高纬升高,且当倾角较大时,赤道温度低而两极温度高。中高纬的纬向西风带逐渐减弱甚至消亡,而低纬的东风带则增强并向两极方向扩展。经向风速和垂直风速随轨道倾角增大而减小,尤其以近地面风速减弱最显著。不同太阳常数下大气环流特征如下：随着太阳常数增大,整层大气的温度升高,纬向风带增强,经向风速和垂直风速都减小,且北半球风速减小更强烈。 5.季风系统随地球参数变化的特征如下：在水平方向上,快转条件下,季风区在纬向上呈细长的带状分布,而慢转条件下,则呈现区域片状分布,甚至经向带状分布。当自转周期1/10 day增大到1 day时,季风区为逐渐减小的趋势,而当自转周期从1 day增大到243 days时,则有逐渐增大的趋势。在垂直方向上,快转条件下,近地面的季风区分布比较凌乱,而慢转条件下,其分布比较规则,主要集中在赤道及副热带地区上空,且北半球分布范围更广泛；100 hPa以下和500 hPa之上,季风区主要分布在南、北纬30°之间,其南北宽度和高值中心的强度随自转周期增大先变宽和减弱；100 hPa以上,快转条件下,季风区主要呈南北对称分布,且主要分布在赤道及副热带地区上空,高值中心的强度随自转周期增大先增强后减弱,而慢转条件下,季风区范围显著减小甚至消失。 6.不同自转周期下经圈环流特征如下：快转条件下,经向环流为多圈环流且分布凌乱,环流强度较弱；慢转条件下,经向环流为半球尺度的单圈环流,环流强度较强,值得注意的是,其环流中心为上下叠加的“双Hadley环流”特征。不同轨道倾角下经圈环流特征如下：当轨道倾角较小时,经向环流圈为三圈环流分布,环流强度较强；当轨道倾角较大时,经圈环流变为多圈环流,环流强度较弱,这时在赤道热带上空出现下沉气流,而极地高纬度上空则出现上升气流,这时将无法用热力驱动解释经向环流。不同太阳常数下大气环流特征如下：当太阳常数较小时,经向环流圈为三圈环流分布,环流强度较强；当太阳常数较大时,经向环流圈数减少,环流强度较弱,这时在赤道热带上空为—越赤道的大尺度Hadley环流圈,其环流方向同南半球Hadley环流。