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转载师兄吕建华博士-重温《大气环流的若干基本问题》

已有 5024 次阅读 2015-6-5 21:53 |个人分类:气候论文交流|系统分类:论文交流

引言:



有人说,中国的科学要从1980年代开始算起。其意思或许是说以前,包括五六十年代的研究基本上不值一提。这对有的学科可能是事实的,但对于大气科学来说,则完全不是事实。事实是五六年代中国的大气科学和国际上的发展不但是同步的,而且在研究的深度方面相当一些是领先潮流的。这个“领先”不单是指对同时代的相对领先,而是相对于数十年以后国际上同类研究的领先。这样的说法,不是我作为一个后学者对自己老师辈的阿谀之词,而是现在我所在领域内公认最优秀的年轻理论家在读了叶笃正先生等发表于50年代的论文以后说的话。我所说的领先的标志之一,就是附文所述的《大气环流的若干基本问题》一书。文章篇幅所限,只挑了几个例子说明叶笃正和朱抱真先生当时已经达到的高度。这里简单介绍一下当时中国大气科学发展的一些情况,作为介绍此书的背景。

 

竺可桢先生作为中国气象学的一代宗师,于1928年成立中研院气象研究所(现中科员大气物理所前身,http://www.iap.cas.cn/qt/zthd/qxsh/201402/t20140218_4033391.html),并通过成立大学气象系科培养了一批年轻人才。1940年代竺先生敏锐认识到气象学从传统描述性的地理学科向数理科学转化的趋势,放手让赵九章先生主事气象研究所,气象所向数学和物理学科靠近。当时正是Rossby建立大气长波理论和芝加哥学派的时代。气象所的年轻英才叶笃正、郭晓岚,还有谢义炳等,都到了芝加哥大学,成为学派中非常活跃的人物。赵九章的另一位学生,顾震潮,则在稍后来到瑞典斯德哥尔摩大学学习,因为当时Rossby开始回到瑞典。

1949年新中国成立,赵九章先生和涂长望先生以“楚才晋用,终非了局”为由和新中国百废待兴的事实,立刻吸引了当时才三十多岁的叶笃正和顾震潮先生分别从美国和瑞典回国,并任命他们俩为新成立的中科院地球物理所(对外称地球物理和气象研究所)二室的主任。在叶先生和顾先生两位主任卓有成效的领导下,通过他们对当时国际上大气学科最前沿的深刻认知,迅速培养了一批年轻人才,比如巢纪平先生、周秀骥先生、曾庆存先生等等。当时中科院著名的“三面红旗”就出自地球物理所二室。在大气环流和大气物理(云雾物理)等方面发表了系列让国际同行瞩目的成果。比如著名的东亚大气环流系列论文(叶笃正先生和顾震潮先生为主要作者)是顾先生到瑞典访问带了预印本,被邀请发表在Tellus上的。1957-8年由顾先生领导,中国的首次数值天气预报试验成功。而新中国大气环流理论方面的成就集中体现在《大气环流的若干问题》一书中。书中总结的,除了我文章中提到的,还有大气环流的季节突变、大地形和热源汇的共同作用等等,只是到了最近十几年才为西方学者所注意,而回头去看,叶先生和朱先生还有顾先生的观点至今站得住脚。

近一个甲子匆匆逝去,叶先生、顾先生和朱先生已经离开了我们,他们培养的一代豪杰,也渐渐离开一线,有的(比如周晓平先生)甚至已经永远地离去。在这样的时候,不妨让我们回头重读他们在五六十年代书写的经典华章,表达我们作为后学者对先辈的敬意,也愿集中体现在竺、涂、赵、叶顾陶杨身上大气物理所的优良基因广为年轻一代所知。

关于《大气环流的若干基本问题》 链接:

http://www.dqkxqk.ac.cn/dqkx/dqkx/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=3&file_no=201503030000001



文章正文:


2015-05-11-T11:13

关于《大气环流的若干基本问题》

吕建华1,2

1大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,中国科学院大气物理研究所,北京100029)

1LASG,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100029)

2Center for Ocean-Atmospheric Prediction Studies,Florida State University, Tallahassee, FL32310

(2海洋-大气预报研究中心, 佛罗里达州立大学,塔拉哈西,佛罗里达)

email:jlu@coaps.fsu.edu

摘要

本文简要回顾了《大气环流的若干基本问题》的主要内容。以书中部分内容为例,通过和近期大气环流理论的进展相联系,指出叶笃正和朱抱真在书中表达的主要观点,如对大型涡旋在经圈环流中的第一性作用及其作为联系大气环流各主要成员和物理量输送中心环节的认识,对大型涡旋涡度输送在急流形成和维持中作用的强调,以及对大气环流成员和过程的内在统一性的认识等等,能为后来的理论进展所证实,或者和后者互为补充。两位作者对大气环流物理本质和整体图像的深刻理解对大气环流理论的进一步发展以及理解气候变化的基本动力学依然具有现实的意义。

关键词: 叶笃正 朱抱真 大气环流 大型涡旋 经圈环流 大气环流的内在统一

文章编号:2015140A      中图分类号         文献标志码

doi10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15140

 

[1]

On "Some Fundamental Problems of the General Circulation of theAtmosphere"

Jianhua Lu

1LASG,ChineseAcademy of Sciences, Beijing, 100029

2Centerfor Ocean-Atmospheric Prediction Studies, Florida State University,Tallahassee, FL32310

email: jlu@coaps.fsu.edu

 

Abstract

This paper revisits the seminalmonograph " Some fundamental problems of the general circulation of theatmosphere" by Yeh and Chu (1958). Taking the theoretical analyses on themean meridional circulation, the formation and maintenance of westerly jet, andthe internal consistency of the general circulation as examples, the paper analyzethe physical consistency between the recent development on these topics and theviews of Yeh and Chu (1958). Some viewpoints of the book, such as, the centralrole of large-scale eddies in mean meridional circulation, the role ofeddy-induced vorticity transport in jets, and the large-scale eddies as thenexus of main components of general circulation and physical transportprocesses of angular momentum, heat, and kinetic energy, illustrate thefar-reaching insight of Yeh and Chu on the nature and picture of the generalcirculation of the atmosphere as a whole. The deep insights in the monographare still very meaningful to the further theoretical research about the generalcirculation and its role in climate change.  

Key words: Yeh Tu-cheng (YeDu-zheng), Chu Pao-chen (Zhu Bao-zhen), General circulation of the atmosphere,large-scale eddy, meridional circulation, the internal consistency of thegeneral circulation

 

1 引言

   二十世纪中叶,随着高空探测网络以及大气长波理论的发展,人们对大气环流的理解进一步深入。1956年N.A. Phillips发表了历史上第一个成功的大气环流数值实验(Phillips,1956)。次年叶笃正和朱抱真在北京的中国气象学会北京分会上报告了他们对大气环流基本问题认识的总结,并在1958年由科学出版社出版,也就是《大气环流的若干基本问题》一书(以下简称《基本问题》,叶笃正和朱抱真,1958)。西方同类性质的对大气环流理论的概览和总结的出现,要到近十年以后才由E.N.Lorenz 应世界气象组织(WMO)的邀请撰写了《大气环流的性质和理论》一书(Lorenz,1967)。

   半个多世纪过去,《基本问题》一书的很多内容已经成为大气环流教材中的基本知识,而大气环流理论研究在近几十年中无论在研究内容的广度还是在理论的深度方面,都取得了长足的进展。这使得研究者们可能很少再重回头阅读这部现代大气环流理论的早期名著。但是,尽管《基本问题》一书的大多数内容已经广为人知,两位作者对大气环流理论的深刻洞见和对大气环流内在统一性的认识,并没有随着时间的流逝而失去光彩。相反地,随着观测、模式和理论的发展,有很多《基本问题》已经涉及到的问题正在被国际上新一代的理论工作者重新得到重视,而新的研究也往往证实了叶笃正和朱抱真先生在书中表达观点的正确性。从这个意义上说《基本问题》一书里有很多内容是超越于作者所处的时代的。如果仅仅把书的内容当成常识和教材,那么这本书的重要意义还是被低估了的。除了《基本问题》里面的很多内容还是值得我们继续探究的前沿科学问题,两位作者在书中表达的观点,他们采用的科学方法,他们对问题物理本质的理解,他们的广阔视野,他们的理论风格,还有他们对大气环流内在统一性的探索和认识,用今天的眼光看来依然新鲜而充满活力,能够给新一代的研究者们提供理论的营养。

   本文内容的安排如下:第2节简介《基本问题》的主要内容;第3-5节分别以Hadley环流及平均经圈环流(第3节),急流的形成与维持(第4节),和大气环流的内在统一性(第5节)为例,分析两位作者在书中表达的观点及其和相关问题上晚近的理论进展之间的联系;最后第六节是总结和讨论。

2 《基本问题》内容简介

   单从《基本问题》全书目录就可以感觉到《基本问题》一书内容的丰富和全面,正如Hoskins 所说的那样,“the chapter headings give anidea of the broad sweep and ground-breaking nature of his ideas at this time”(“章节目录显示他当时思想的开创性和横扫六合的气概”,Hoskins,2014)。全书共分为十一章。第一章从北半球大气环流的主要观测现象出发,提出了大气环流的九个主要问题,作为全书的纲领。这九个问题是:

(1)为什么大型的大气运动基本上维持地转风平衡?

(2) 为什么有观测到的平均东西风带及与之相联系的三个经圈环流?西风急流的成因和维持机理是什么?

(3)西风带平均槽脊及其相联系的活动中心的形成原因是什么?

(4)平均温度场的形成原因是什么?

(5)大气环流的指数循环和季节突变的相关物理过程和动力、热力原因是什么?

(6)大气环流的(角)动量平衡机制是什么?

(7)大气环流的动能平衡是如何维持的?

(8)大气环流的热量平衡是如何维持的?

(9)大气水分循环和大气环流的内在联系是如何的?

   两位作者并指出以上问题又可以归结为两个方面:一是为什么大气环流具有人们所观测到的平均状态;另一方面是从已有的状态出发,讨论大气环流的内在统一,说明已有状态的维持。后面第二到第十章分别对各个问题介绍当时最新的研究,其中相当部分是当时由叶笃正和顾震潮等领导的中国科学家的工作。在此基础上,根据两位作者对大气环流的理解对这些研究作了深入的剖析和述评,并提出作者对以上各个问题的理论解释。最后的第十一章除了对各章的总结,作者更进一步地从大气环流的内在统一性将前面各章的内容有机地联系起来,给出了两位作者对大气环流的整体图像。

   在对各单个问题作具体分析的各章中,都有很多现在读来依然富有新意的理论创见。比如在第三章对准地转平衡的分析中,已经提到了地转适应过程对尺度的依赖性并给出了物理解释,叶笃正对地转适应的进一步研究后来出现在他和李麦村发表的专著《大气运动的适应问题》(叶笃正和李麦村,1965)。在对西风带平均槽脊形成(第五章)的分析,除了介绍Bolin的线性微扰动理论(Bolin,1950),更介绍了巢纪平的有限振幅扰动理论(巢纪平,1957),以及国外学者的旋转流体实验等等。更重要的是,他们强调了中国科学家-包括两位作者和顾震潮-首先提出的地形和热力的共同和相互作用。以朱抱真(1957)为例,作者令人信服地指出单纯的地形或者热力强迫都不能解释冬季东亚和北美大槽的位置,而必须将两者结合起来才能有效地说明。同样的结论,但是基于完整的大气环流模式的模拟的结果,我们还能在最近的由年轻一代理论家发表的文章中看到(如Kapsi and Schneider, 2011)。在对角动量平衡的分析中,两位作者在书中给出了北半球地形对角动量平衡影响(即山脉力矩)及其季节变化的计算结果。Lorenz(1967)后来在他的专著中讨论角动量平衡时采用了他们的结果。更有意思的是,两位作者总结了叶笃正和杨大升(1955)的研究,指出通过引入经圈Hadley的东西风界面,可以清楚看到经圈环流对角动量的输送以及地球自转角动量(Ω角动量)和相对角动量之间的转换。

   《基本问题》中类似的精彩之处很多,但对全书逐章的总结和介绍在本文篇幅和范围所及之外,事实上这样做也没有必要,因为有兴趣的读者可以直接阅读原著。下面仅对书中关于Hadley环流和平均经圈环流、急流的形成和维持以及大气环流的内在统一性作一分析。除了介绍原著的相关内容以外,我还将书中表达的观点和近期理论上的进展联系起来。从这样的对比和联系中,我们或能更深地体会到《基本问题》和两位作者在那个时代已经达到的理论高度和现实的意义。

3 关于Hadley环流和平均经圈环流

   《基本问题》提到,Hadley于1735年首次推测在低纬度的子午面上应该有一闭合的经圈环流存在,也即我们现在所称的Hadley环流。由于空气运动基本上符合地转风关系,经向风速(v)的纬圈平均必接近于零,因而经圈环流即使存在,强度也必定很弱。也因此Hadley环流的存在与作用,即使在1940年代的芝加哥大学也依然是被争论的问题(Palmen和Starr之间的争论,可见Lewiset al,2012)。真正意义上从观测中首次证实Hadley环流的存在是1950年由Riehl和叶笃正通过对有限的海上观测记录的分析得到的(Riehl and Yeh,1950)。在叶笃正先生归国以后,他和邓根云根据1950年高空风的统计,给出了该年冬夏两季北半球经圈环流的情况(见《基本问题》图1.17-18),进一步证实了Hadley环流和三圈平均经圈环流的实际存在。

   在第四章两位作者深入分析了平均经圈环流的生成机制。和单独讨论平均经圈环流不同,作者认为东西风带(纬向环流)和经圈环流是同时形成的现象:两者是在对大气不均匀加热作用下通过大型涡旋对动量和热量输送作用造成的结果(见书中第32页)。通过对郭晓岚提出的平均经圈环流理论模式的分析,两位作者指出郭晓岚对来自热量源汇非均匀性的贡献的估计偏小,实际上热量源汇和动量源汇的不均匀分布同时对平均经向环流的形成起了重要作用,它们的贡献是同量级的。值得指出的是,《基本问题》在讨论平均经圈环流生成机制时,明确提出了大型涡旋的重要作用,指出“将大型涡旋作为控制经圈环流的第一性的因子,而将经圈环流作为其从属的第二性的现象”(第53页)。同时作者又指出,经圈环流的环数和大型涡旋的尺度之间有内在的统一。应该说,《基本问题》的上述提法是非常有前瞻性的,因为在书的作者看来,大型涡旋的第一性作用并不只限于非热力直接的逆环流(Ferrel环流),而是对整个平均经圈环流而言的,即也包括了对热带的Hadley环流的作用。虽然限于当时的条件,两位作者的上述结论仅是定性的,但近期的研究表明大型涡旋对热带Hadley环流的结构和强度确实起着重要作用(如Schneider,2006),这和《基本问题》在六十年前提出的看法是相一致的。

4 关于急流的形成和维持

4.1 《基本问题》对急流形成机制的讨论

   急流广泛地存在于地球流体(大气、海洋)和行星大气中,其形成和维持机制迄今是理论界关注的热点问题(如Rhines,1994;Dritscheland McIntyre,2008)。《基本问题》在第四章对急流的形成和维持机制作了深入分析。有意思的是,书中所表达的观点不单和现在理论界对急流形成和维持的广被接受的理论是互补和完全兼容的,更和最新的观测事实相一致。这些最新的观测事实被认为和现今的理论是相矛盾的,却和《基本问题》书中所强调的机制一致。这也从一个侧面说明了两位作者对急流问题理解的深刻程度。

   在讨论西风急流的形成机制时,《基本问题》作者首先介绍、评述了Rossby提出的水平大型涡旋混合理论。两位作者写道:“考虑了大气水平尺度与垂直尺度的比值后,可以认为大气运动主要是水平运动,因此我们可以把大气环流看作大规模水平湍流的统计结果。然而湍流的最终结果是使得‘性质均匀化’,由此Rossby认为在大型涡旋的交换作用中具有反气旋涡度的暖空气北上,具有气旋涡度的冷空气北下”(第53页)。混合使绝对涡度在南北方向成为定值,据此可计算平均流场的分布情况。在给出Rossby的理论计算结果后,作者指出虽然Rossby的结果和观测极为相似,但他是以实际观测到的极地东风带与西风带交界面作为一个参数给定,而该纬度本应该由混合前后总角动量不变的条件下给出。Rossby理论面临的更基本问题是和环流加速定理不合,因为纯粹的混合作用不能使混合区域的总涡度有所增加,按照环流定理则平均西风风速也不能增加。作者进一步指出,任何一个区域内,涡度的增减必定通过某种边界作用,因此推论大型涡旋的交换作用不能只限于急流以北的区域。

   《基本问题》紧接着用涡度的平衡来讨论西风急流的维持,指出可以用大型涡旋输送理论来解释急流的形成机制。两位作者引述了郭晓岚的理论模式(Kuo,1951),“假定涡旋只是一块具有涡度为一定数量和一定分布的流体,基本气流是纯粹的纬向环流U(y)和时间与经度无关。在基本气流上加以微扰动,将线性化的涡度方程加以全微分,沿两个纬度所夹的面积(F)积分,并假定在过程中总角动量不变,跨过任意纬圈上的质量输送净值为零”,最后得到:


其中Γ为涡旋面积(A)内的扰动环流,为扰动经向加速度,Z0为平均涡度。由于上式中右边第二项(辐散项)比第一项小一个量级,上式说明“绝对涡度分布的不均匀性使气旋性涡旋(Γ>0)向绝对涡度高值区移动,使反气旋性涡旋(Γ<0)向绝对涡度低值区移动,因此涡旋的输送是可以和Z0的梯度相反”(也即是逆梯度输送)。两位作者进一步指出,大气中绝对涡度Z0的分布是向北增加的,若有气旋性涡度向北输送和反气旋涡度的向南输送,则总的输送结果是在涡旋活动频繁的区域涡度梯度增加,在以外的区域涡度梯度减少。相对应地,涡度集中的区域西风加强,而在涡度减少的区域东风发展。这可见于郭晓岚得到的公式(Kuo,1951):


                     

也即西风的加强与气旋性涡度向北输送及摩擦消耗有关。《基本问题》进一步分析了扰动的稳定性对西风急流的影响,指出处于衰减阶段(或稳定的)扰动使绝对涡度梯度增加,从而使西风增强,而不稳定扰动则使西风减弱。

4.2 和晚近关于急流形成维持机制的理论的比较和联系

   最近的对大气和其他旋转流体中急流的形成和维持机制可以参照见Dritschel  and McIntyre (2008) 和 Held (2000)。这里简单分析《基本问题》和这些近期观点的相补性和物理上的一致性。

   《基本问题》对Rossby大型涡旋混合机制的批评是完全正确的,因为西风急流的生成与其说是涡旋混合的结果,勿宁说是涡旋混合遇到障碍(barrier),从而形成涡度梯度的阶梯(staircase)状结构的结果。在这样的涡度分布的阶梯结构附近,涡度梯度得到集中,从而西风得到加强而形成急流(McIntyre,1982;Dristcheland McIntyre,2008)。从这一点看,《基本问题》所表达的观点和McIntyre等的观点在物理上有着一致性的。

   另一方面,《基本问题》书中所强调的涡度逆梯度输送,即反气旋性涡度向南输送而气旋性涡度向北输送,似乎又和McIntyre等和Held(2000)的观点不同,因为后者主要着眼于涡度的顺梯度输送,也就是气旋性涡度从高纬度向南输送,在减弱高纬度西风的同时,增强较低纬度上的西风。同时观测事实也确实显示在平流层和对流层中上部是以气旋性涡度的向南的顺梯度输送为主。这样看起来似乎《基本问题》是和观测或新的理论观点是相矛盾的。

   但这一矛盾仅是表面的,只是由于《基本问题》所采取的角度和现在的观点不同而引起,在物理本质-甚至语言表达上-两者是完全一致的。至于和观测事实的矛盾,有新的研究刚刚注意到存在和《基本问题》观点相一致的观测事实,从而引起了理论界对涡度顺梯度输送机制的反思,而这反过来说明《基本问题》两位作者和郭晓岚观点的合理性和超前性。这里试作进一步分析。

(1)首先,正如书中54-55页所指出的那样,《基本问题》在讨论急流生成机制时主要着眼于西风急流南侧(为副热带反气旋涡度)及急流北侧(为气旋性涡度)与狭窄的急流轴之间的涡度输送。如果单纯地从观测到的对流层中高层和平流层中涡度的顺梯度输送出发,那么按照Held(2000)的理论分析,我们很容易得到,气旋性涡度的向南输送必然导致极区西风的减速和极区以外较低纬度西风的加速。但这本身并不能保证西风在一个相对狭窄的纬度范围内加强,因为涡度的顺梯度向南输送可以递推式向南扩展,从而使涡度的集中发生在一个很宽的纬度范围内。这样的话,尽管西风可能加强,但其范围会很宽同时强度很弱。不妨依照Held(2000)的讨论,假如沿纬圈φ0由于涡旋的“搅动”作用,原来沿纬圈平行的涡线发生扭曲变形,在此过程中涡度向南输送,这样 极区(φ0以北)纬度上西风减速,而较低纬度(φ0以南)上西风加强。如果沿一比φ0更南的纬度φ1上涡旋“搅动”作用引起的涡度输送和φ0相同,那么在φ0φ1之间净的涡度输送为零,因此西风加速并没有发生在φ0φ1之间,而必须在比φ1更南的纬度。相反地如果在φ1涡旋的“搅动”作用减弱(比如对应于涡旋的减弱阶段,或者是等(位)涡线向该纬圈回归的过程),这时穿越φ1纬圈有向北(即逆梯度)的涡度输送,这样φ0φ1之间就会有涡度的集中,从而有西风的加速和急流的生成。而这在纬圈φ0φ1之间(即郭晓岚理论,见式(1)中的积分范围F)正是《基本问题》在讨论急流生成机制和涡度平衡时所着眼的范围。从上面的分析可以看到,单纯的涡度顺梯度输送对急流的生成和维持并不是比较完整的解释,《基本问题》和郭晓岚的理论分析提供了一个与之相补充的角度。结合两者,能够为急流的生成和维持提供更完整的解释。但两者的物理本质又是一致的,即涡度的输送和相对集中,这可以清楚地从他们几乎完全一致的语言表达看出来。《基本问题》指出“在涡旋活动频繁的区域涡度梯度增加,使得西风加强”,而Held(2000)则说:“Angularmomentum converges into the stirred region”及“westerliesappear under the stirred region”。注意Held所说的“stirred region”正是《基本问题》所说的“涡旋活动频繁的区域”。

(2)前面已经提到观测中对流层中上部和平流层的涡度输送以顺梯度输送(即气旋性涡度向南输送)为主,那么《基本问题》所表达的观点是不是就和观测相矛盾,因而是错误的呢?

   答案是否定的,最新发现的事实说明《基本问题》的观点是能在观测中得到证实的。首先应该注意到,《基本问题》在讨论急流生成机制时主要是主要于正压的(或垂直积分的)涡度输送,比实际的三维斜压大气要简单。但物理本质是一致的,因为对斜压大气中的位涡输送沿整个(或者部分)气柱的垂直积分,就得到《基本问题》里所分析的涡度输送。涡度(位涡)在对流层上部的逆梯度输送在1998年由Bartels 等在模式中发现,但到近期才进一步由Birner et al(2013)在再分析资料和模式中证实在对流层顶副热带急流轴以北有向北的逆梯度涡度输送。同时Birner et al (2013)也发现逆梯度的涡度输送是和波(涡旋)的衰减相联系的。而这两点,即涡度的逆梯度输送和涡旋的衰减(稳定)正是《基本问题》和郭晓岚(1951)所强调的急流生成机制的要点所在。这不单证实了《基本问题》观点的正确性,也从一个侧面说明了两位作者和郭晓岚对急流生成理论认识的时代超越性。

   另外对平均急流的维持,如果我们在(2)中令左侧时间倾向项趋于零,那么由于西风急流区地面也为西风,所以和摩擦相平衡必定要求垂直积分的涡度输送是向北(逆梯度的)。如果象在大多数情况下那样,对流层中上层和平流层的涡度输送垂直积分为负(即有向南顺梯度的涡度输送),那么从(2)式可以推论必定有对流层低层和近地层向北的涡度输送。而这正是我们所观测到的现象(如见Bartelset al., 1998;Held, 2000)。这进一步说明《基本问题》所阐述的理论是和观测相符合,而不是矛盾的。

   综上所述,《基本问题》对急流生成和维持机制的观点从观测上看是站得住脚的,和最近提出的机制具有互补性。同时由于和《基本问题》相一致的观测事实直到最近1-2年才被注意到,也说明了《基本问题》在对急流问题认识的时代超越性。

5 关于大气环流的内在统一性

   《基本问题》在对上文提到的九大问题从第二-十章分别作了深入的分析和讨论之后,两位作者进一步在第十一章中试图将上述各个方面的问题联系起来,探讨大气环流的内在统一性。在《基本问题》作者看来,这种内在统一性一方面体现在大气环流中各主要成员的相互关系中,另一方面又体现在大气环流中主要物理量平衡过程的相互关系中。

   正如《基本问题》前面几章所讨论的,大气环流主要成员主要包括气候风带(平均纬圈环流)和急流,平均的经圈环流,移动的(瞬变)大型涡旋,以及西风带的平均槽脊等。在所有这些大气环流的主要成员中,叶笃正和朱抱真突出强调了大型扰动(涡旋)的第一性作用,指出由于大型涡旋的活动对动量、热量、涡度等物理量起再分配的作用,因而把东西风带、经圈环流和急流等联系起来。

   大型涡旋的作用首先体现在平均经圈环流的形成。作者指出正是由于大型涡旋引起的热量和角动量的水平和垂直输送,再加上不均匀的非绝热加热的共同作用下,才形成观测到的三环经圈环流,并在地球自转作用下必然产生东西风带(平均纬圈环流)。而后者又通过摩擦和大型涡旋对动量的输送反过来对经圈环流发生作用。同时大型涡旋通过对角动量和涡度的输送对西风急流的形成起到了关键的作用。    

   另一方面,作者又指出大型涡旋并不是孤立存在,反过来也受基本风系的影响。比如作者提到西风强度决定涡旋的尺度和移动速度,西风的水平和垂直切变决定基本气流的稳定性从而扰动的发展或者衰减。因此“大型涡旋和基本风系在大气环流中也是内在的统一,它们相互制约,相互影响”(见《基本问题》第128页)。

   大气环流的内在统一还表现在海陆不均匀性引起的热力和大地形的动力扰动对平均槽脊发生的作用,而后者又反过来影响大气热源汇的分布,并使地形产生不同的作用。另外的例子是通过大型涡旋对温度场的形成以及温度平流和对流作用对温度场的形成指出了温度场和气流场之间的相互作用关系。作者进一步提到了大气环流基本风系的尺度与大型扰动的尺度也是内在统一的。比如经圈环流的数目和大型涡旋的南北尺度,以及西风急流的尺度和涡旋尺度的关联。

   总之,作者明确指出,“大气环流的基本成员-经圈环流、东西风带、西风急流、大型涡旋、平均槽脊和平均温度场都是相互制约的内在统一体。而在这种内在统一的过程中长波不稳定所生成的大型涡旋成为中心环节,联系着各个方面”(《基本问题》第129页)。

   《基本问题》在书的第八-十章分别讨论了大气环流中主要物理量包括角动量、动能、热量和水分的平衡。在最后一章,作者更进一步揭示了这些主要物理量平衡过程的相互联系,认为这是大气环流内在统一性的另一方面。

   作者在给出各个物理量的数学表达式时,指出无论对热量、角动量或能量来说,低纬度都是源,即有从低纬度向高纬度的输送。接着作者分析了不同物理量输送机制的联系。指出热量的向北和向上输送是通过不稳定波的结构和条件所决定的,也就是必须有(T为温度,vw分别为经向和垂直速度)。作者更分析了为什么热量的输送主要地集中在对流层低层,指出总热量向北输送率的迅速向上递减也是大气环流内在统一的结果。

   作者又指出通过Tw的正相关,随着热量的向上输送,位能也转成了动能。而不稳定扰动则把角动量的向北输送和热量输送过程联系起来,大型涡旋通过对热量的输送把基本气流的有效位能转成扰动动能,后者又通过大型涡旋对角动量的输送转成基本气流的动能,这样大气角动量和热量的平衡过程中也完成了大气环流动能的平衡过程。有意思的是,《基本问题》甚至注意到了角动量向北输送在高空最大和热量向北输送在低空最大可能存在着的联系,指出这正是大气环流内在统一性的又一个表现。

   和大气环流主要成员的内在统一一样,作者指出“大气斜压不稳定造成的大型扰动是它们(各种物理平衡过程)相互联系、相互制约的一个重要的中心环节,它将各种基本成员和各种主要物理量平衡过程有机地联系起来、贯串起来,成为大气环流的内在统一”(第133页)。

   由于在《基本问题》所处的时代,对大气环流的定量计算刚刚才成为可能,所以两位作者对大气环流内在统一性的讨论很大程度上还是定性的。但是如果从最近几十年大气环流理论,尤其是波流相互作用理论的进展看,我们很容易看到两位作者当时提出的观点在物理上和后来的理论进展是非常一致的。比如《基本问题》对涡旋引起的角动量输送、热量输送和基本气流的维持联系起来。我们现在知道在上面提到的合在一起即是现在已为大家所熟知的,但正式的定义要在《基本问题》出版三年后才出现的Eliassen-Palm(E-P)通量(Eliassen and Palm,1961)。而E-P通量的散度就是涡旋对位涡的向北输送,对平均纬向气流,包括急流的维持起着重要的作用。这显然是和两位作者在关于大气环流内在统一性所提到的相一致。又比如两位作者对涡旋尺度和基本气流尺度的讨论,在物理上也和后来提出的理论相一致,而定量的涡旋尺度和基本气流(急流)之间的关系至今还被继续研究着(Dritschel and McIntyre,2008)。

6 总结和讨论

   本文简介了叶笃正和朱抱真著于1958年的《大气环流的若干基本问题》一书。通过对书中部分章节,包括Hadley环流和平均经圈环流,急流的生成和维持,以及大气环流的内在统一性的介绍和分析,指出《基本问题》一书有很多观点超越当时所处的科学发展阶段。通过和最新的相关理论进展的比较,指出《基本问题》书中的很多观点不单从物理本质上和新的研究进展相一致,并能够从后来随着观测、理论和模拟的进一步发展而得到证实。更重要的是,本文以对急流生成和维持的分析为例,指出《基本问题》书中有的理论分析能和最近的观点互相补充,从而给我们对相关问题的理解提供一个更完整的物理图像。从这个意义上说,《基本问题》并不只是一部代表过去时代成就的著作,而更是一部依然富有理论活力和现实意义的对大气环流理论的总结,从而年轻一代的理论工作者仍然可以从《基本问题》汲取理论营养。

   《基本问题》一书具有鲜明的理论风格。简单地说,这些风格体现在数学的简约和物理图像的清晰之间的统一,体现在作者从局部特殊现象中寻找普遍性规律的高超能力,更体现在作者从大气环流的复杂多面性背后寻求内在统一性的理论穿透力。《基本问题》的理论风格可以通过和Lorenz(1967)的《大气环流的性质和理论》一书对比而显得更为清晰,因为后者也是一部带有作者个人鲜明风格的名著。除了两书对基本现象理解的相通之处,Lorenz在书中是从数学和理论本身出发,更偏向于演绎式地对各个具体问题作深入的分析,而尽量避免对大气环流整体图像的描述。从Lorenz书的第一章中,我们甚至能够感受到他对比较确定性地了解大气环流本质的深刻怀疑。这种怀疑可能来自Lorenz作为有一个具有很高物理修养的数学家的严谨,以及对他在写这本书之前不久发现的大气运动混沌本质的认识(Lorenz,1963)。而《基本问题》一书是从观测到的现象出发,归纳出若干基本问题。除了对大气环流各个具体问题的分析,《基本问题》更致力于寻找现象背后的内在统一性。通读全书,无论从内容的广度或深度,我们不难感受到两位作者对比较彻底地理解大气环流整体性质的乐观态度。这种乐观或许更反映了两位作者作为具有深厚数学修养的动力学家对尚处于萌芽的大气环流理论研究的物理直觉。

   从大气环流理论近几十年的发展来看,可以看到《基本问题》两位作者的乐观态度并不是没有根据的。他们在书中提出的问题和很多看法在以后的几十年中能得到验证或进一步的发展,这在很大程度上是通过观测手段和计算技术的突飞猛进式的发展。

   在全书的最后,对未来的展望中,两位作者指出《基本问题》有很多问题没有涉及,比如南半球环流,热带环流及其与中高纬环流的关系,平流层环流及其与对流层环流的关系等等,这些我们在今天也已看到长足的进步。两位作者尤其提到了当时的理论认识还很初步,比如对不稳定扰动的理解仅是基于线性化的结果。而从今天的眼光来看,尽管模式分辨率和过程的描述以及观测的手段都越来越精细,但由于非线性引起的大气环流内在的随机性和不确定性依然是我们必须面临的挑战,从这意义上说对大气环流内在统一性的进一步理解,结合Lorenz的审慎态度和叶笃正及朱抱真先生的乐观是有益的,尤其是当把大气环流理论放到气候在各个尺度上的变化和变率中的时候。因为从本质上包括大气和海洋环流在内的气候系统是既有确定性因素,又具随机性和混沌性的系统。

   《基本问题》成书时大气环流的数值模拟刚刚开始,因此两位作者指出此书只是对当时研究的总结,在研究的深度和广度离问题的解决还很远,并寄希望于数值动力方法和新观测手段的发展为“大气环流的研究展开无比广阔深远的道路”(134页)。这也正是过去半个多世纪大气环流研究所走过的道路,同时我们也看到两位作者所提出的问题到现在还不能说完全解决了。通过和气候变化问题相联系,《基本问题》一书所提出的问题以及他们提出的大气环流内在统一性增加了一个新的维度,也就是这些大气环流的基本成员、过程及其内在统一性会随气候变化而作什么样的变化,以及它们在气候变化又起什么作用,等等。这些正是现在方兴未艾、广受关注的问题,比如说Hadley环流随着全球变暖是否变宽、变强,急流和西风强度随气候变化又会如何变化,水分循环和大气能量循环又会有什么样的变化,都和《基本问题》一书中提到的问题有着直接的联系。在这样的时刻,重读《基本问题》不只是为了记住两位作者的历史贡献,更重要的是学习他们的远见和方法,从中汲取理论营养,解决新的关于大气环流的科学问题。

 

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[1]收稿日期 2015-02-17 收修定稿 2015-05-11

作者简介 吕建华,男,1968年出生,博士,研究方向:大气、海洋及地球物理流体动力学。Email: jlu@coaps.fsu.edu




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