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叶笃正对罗斯贝急流形成理论的批评

已有 696 次阅读 2020-9-3 22:55 |个人分类:大气、海洋、气候及其它|系统分类:科研笔记| 罗斯贝, 叶笃正

罗斯贝是叶笃正先生在芝加哥大学的博士论文导师。按照中国的传统,学生批评老师,近乎大逆不道。就是放在现在,如果有哪位学生胆敢批评功成名就的老师,很大可能会导致师生翻脸的结局。但叶笃正先生确实在他和朱抱真先生的书里很明确地批评了罗斯贝的观点。尽管书出来的时候罗斯贝已经去世,但当叶先生于1957年7月在北京开始报告书稿内容的时候,罗斯贝还在世,这说明叶笃正先生在科学上并不唯师是从,而这其实也正好和罗斯贝本人和他的教育风格相符合。因为尽管罗斯贝本人是卑尔根学派的学徒,但他确实大大跳出了贝叶克尼斯父子领导的这一学派的范围,而为现代的大气和物理海洋开辟了全新的天地。

罗斯贝于1947年在美国气象学会会刊(BAMS)发表了一篇论文,探讨急流之所以维持并呈现出我们现在所看到的在中纬度为西风急流最大区的原因。他认为这是由于涡度混合所引起的。基于罗斯贝本人一贯的善于抓本质的研究风格,从涡度混合出发,经过一番非常简单的数学推导,罗斯贝得到了西风随纬度分布的公式,而且可以看到,这一分布和观测是非常吻合。

一个简单理论,如果能和观测的吻合,一般认为那就是最好的证明了。但叶笃正和朱抱真先生在他们的《大气环流的若干基本问题》书里明确指出,罗斯贝的理论看起来很好,但有两个关键的缺点,使得这一大型涡旋引起的涡度混合并不是解释急流形成和维持的合适理论。

首先,叶笃正和朱抱真指出,在罗斯贝的计算中,假设给定了极地东风带纬度范围,而这是不被允许的,因为这本应该是涡度混合理论的结果。既然事先给定了这个纬度值,后面得到和观测接近的西风分布其实也就不奇怪了。但这不是证明,而只是循环论证。

其次,叶笃正和朱抱真指出,这和环流加速定理不相符合。因为罗斯贝假设在某一纬度以北有空气涡度混合,使绝对涡度成为常值,但因为这种单纯的混合作用并不增加总的涡度,根据Stokes定理并不能使沿纬圈的平均西风增加,环流(西风)的增加必须伴之于某种“边界”作用,也就是跨越纬度的涡度输送才有可能,而不能仅仅限于急流以北的混合。

这里的推论是非常的简洁明了,并不涉及特别高深的数学,但重要的是要有透彻的物理洞察力,这一点也正是叶笃正先生所擅长的。







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2 檀成龙 杨正瓴

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