大氣運動模型實驗
正文
用流體力學方法，將大氣運動過程及其現象在實驗室內進行模擬，以研究大氣運動各因子間的相互關係。實際大氣的運動及其有關的現象非常複雜，它們往往是多種因子和物理過程相互作用的結果。如：大氣環流的形成,青藏高原等地形對大氣環流的影響,颱風、龍捲等天氣系統的形成和結構，以及不同地形條件下污染物的擴散(見空氣污染氣象學)，都是很複雜的問題。目前還難以對它們進行詳細的實際觀測和研究，有些也難以通過數值試驗進行模擬（見大氣運動數值試驗）。而通過模型實驗可以把大氣運動過程在實驗室內再現，對其內部結構進行詳細的測量；也可以進行單因子的控制試驗，以了解不同因子對大氣運動的作用。
研究史 20世紀50年代初，D.富爾茨在美國芝加哥大學流體實驗室進行的實驗，開闢了模型實驗的新時代。他的實驗裝置主要是一個鏇轉的圓盤，實驗中不僅模擬出哈得來環流和羅斯比波（見長波），而且還模擬了鋒和氣鏇的產生。1953年R.海德在英國劍橋大學也進行了模擬實驗，他用的是深環形容器，他的重要發現是流型中有一連串的相同的波出現，人們稱之為定常羅斯比波。海德的另一個發現是所謂“擺動” (vacillation)現象，即波在運動坐標系中，以一種有規律的周期形式，改變它們的形狀和運行速度，在完成擺動循環後又回復到它們原來的形態。人們認為這很象西風指數（見大氣環流型）的漲落。中國氣象工作者在1958年也開始了模型實驗的研究，並取得了一定的成果，70年代用轉盤實驗成功地模擬了青藏高原對大氣環流的影響以及颱風的形成。
相似原理 為了正確地模擬實際的大氣現象，使模型上的現象和大氣中的現象相似，模型必須遵循以下最基本的原則：①動力相似。作用在模型中和大氣中的力必須相似，即根據相似原理得到的控制兩者運動的無量綱數,如雷諾數、羅斯比數等,必須相等（見大氣動力學、大氣湍流）。②幾何相似。模型中現象的幾何比例和大氣中現象的幾何比例必須相似。③邊界條件相似。模型中和大氣中的邊界情況必須相似。
實驗種類 由於研究的對象不同，對模型實驗的要求也不同。根據研究對象的性質和模型實驗的要求，可以設計不同的模型實驗：
風洞模型實驗 它利用風洞來模擬大氣運動。這種實驗主要用於研究大氣邊界層。由於地球表面的不同情況（如地形、城市建築物、不同的植物覆蓋等）對大氣有不同的動力和熱力作用，為了較相似地反映地表狀態就要求風洞的實驗區比較大。世界上比較先進的大型氣象風洞的實驗區長達20～30米，直徑（寬度）約為 2米，風速可調範圍為0.3～30米/秒，湍流度（隨機起伏運動的程度）可控制到0.05％。層結穩定度可調範圍為-0.5≤Ri≤0.5，Ri為理查孫數。
轉盤模型實驗 轉盤實驗主要用來模擬大氣的大尺度運動，如大氣環流、颱風和大氣邊界層中的埃克曼螺線等。它是把實驗工作盤放在轉台上進行的，用轉台來模擬地球的鏇轉作用。實驗介質可以用空氣，也可以用水或其他流體。實驗工作盤的式樣因模擬對象而異。
① 大氣環流模型實驗 一般用水做實驗介質，實驗盤的直徑一般在幾十厘米至1米之間（圖1）。圖中A為實驗工作區，B為可以加熱的水池，用以模擬赤道的熱源,C為致冷器，用以模擬極地冷源。根據實驗工作的需要，有時還可以在實驗盤中放入地形模型 D或局地冷、熱源。在實驗介質中可放飄浮小球或將部分介質染色，以示蹤運動的情況。實驗介質的流場顯示，一般採用照相法。在轉盤實驗中調整不同的參數，使無量綱數不同，就可以得到各種類型的波狀運動和繞極地的緯圈環流（圖2）。這些模擬的環流和實際的大氣環流現象十分相似。 從70年代以來，中國套用轉盤模型實驗模擬了青藏高原對大氣環流的影響（圖3）。實驗表明:在夏季,青藏高原是巨大的熱源，它造成了高原上廣泛的對流活動。這些對流活動破壞了高原南部的哈得來環流，維持了高原上的大尺度環流，補充了高原上空由於大型交換而消耗的熱量和由於摩擦而消耗的動能。 ② 颱風模型實驗 用空氣或水做實驗介質。早期以在實驗區底部加熱的方法，產生上升氣流，再使轉盤鏇轉，模擬颱風的產生。70年代，在颱風模型實驗中用紅外線加熱法來模擬凝結潛熱的釋放，這樣實驗的結果，不僅可模擬出較好的颱風流場結構，還可以模擬出地形對颱風的影響。
③ 龍捲模型實驗 用空氣或水做實驗介質。在實驗盤中用抽吸法形成鉛直速度很大的運動，以此來模擬龍捲中的強烈上升氣流。
④ 大氣邊界層模型實驗 用水或空氣做實驗介質，實驗盤的直徑一般可達2～4米。實驗時在中心部位抽吸介質或泄引表面介質以形成基本流場，再使實驗盤鏇轉以模擬科里奧利力的作用，這樣，可模擬出大氣邊界層中的流場。 存在問題 由於實際大氣的運動過程十分複雜，模型實驗中不能做到完全相似。例如：地球是近似球形的，地球引力是向心力場,而在室內實驗時,尚未能很好模擬這種向心力場。常用的實驗工作盤，對模擬北半球（或南半球）的大氣環流基本上是成功的，但模擬南、北兩個半球大氣環流的相互作用則比較困難。此外，實際的地形和地表的受熱狀況是非常複雜的，在進行模擬實驗時，只能加以簡化，以突出運動主要結構的相似性。
