微尺度大气运动

《创新话旧》第9章（2）

 

 

温景嵩

南开大学 西南村 69楼 1门 401号

（2007年11月10日 于南开园）

 

 

 

 

 

9．4  微尺度大气运动的研究

 

科学总是在不断向前发展。国家和人民对气象学的要求更是多种多样。除了要求气象界能报出未来的天气变化和气候变化以为国民经济建设服务外，国家还有着更多更直接的要求。这些问题都要大气科学工作者给以回答。于是20世纪的中叶，与人们向中小尺度问题进军同时，人们还开始了比小尺度还要小的微尺度大气运动的研究。其创始人则是英国著名气象学家萨顿。这位国际气象界的著名学者以他在1953年发表的《微气象学》一书开辟了人类对微尺度大气运动研究的新时代。半个世纪以来，这本著作在国际大气科学界已经成为一本影响深远的经典著作。那一年刚好是我考入北京大学的一年，1957年我毕业于北大物理系的气象专业。 两年以后， 在1959年这本书则由南京大学已故著名气象学家徐尔灏教授和他的合作者吴和赓翻译成中文由高教出版社出版。50年代是气象界经典著作接二连三地涌现时代，1953年是萨顿发表了《微气象学》；1955年是富克斯的《气溶胶力学》；1957年是梅森的《云物理学》；巴切勒的“均匀各向同性湍流理论”则发表在1953年；1959年 则是塔塔尔斯基的《湍流大气中波的传播理论》。确切地说，都属于微尺度大气运动的范围。半个世纪以来，也都成了影响深远的经典名著。而萨顿的书则成为微尺度大气运动研究的开路先锋。

当然人们对微尺度的研究严格地说，还要开始得更早。早在20世纪上半叶就已有了萌芽，例如对大气边界层的研究应该起始于20世纪初。在1905年由埃克曼（Ekman）发现的著名的埃克曼螺线层，在这层中的风速向量，从边界层底的地面向上逐渐向右偏转，一直到边界层顶达到与自由大气中的地转风一致。和流体力学中的边界层的定义基本相同，在大气边界层中湍流粘性应力不可忽略，起重要作用（在流体力学中则是分子粘应力不可忽略起重要作用），在大气边界层上空则湍流粘应力可以忽略，所以叫自由大气（在流体力学中则在边界层之上为无分子粘性力的理想流体），这一大气边界层厚度数量级是1公里。在这一边界层的底层还有一个更薄的，尺度为50－100米的近地面层，在这一层中，湍流粘应力起着支配作用，在温度层结为中性条件下，可以得到风速随高度呈对数变化规律。这实际上就是在普朗托1925年混合长理论基础上，1933年还是由普朗托本人假定湍流混合长随高度成正比，从而导出的风速变化的对数规律。所以可以说湍流大气边界层中的风场结构早在20世纪上半叶就已有了初步的研究成果。另一方面，近地面层中的湍流大气扩散，正是在1934年由萨顿本人，把泰勒1921年一般的湍流扩散的统计理论，推广到近地面湍流扩散中来。根据中性温度层结条件下的近地面湍流扩散实验得到了在初始阶段以后烟团弥散尺度随时间有一个7/4次方增长阶段。显然泰勒定理也好，萨顿的7/4次方的幂次扩散关系也好，这都是在20世纪上半叶发生的事。然而把20世纪上半叶大气边界层研究成果以及近地面短距离湍流扩散研究等成果综合在一起，正式在气象学中引入了微尺度大气运动的概念，并以“微尺度大气运动中的气象学”，即“微气象学”的提法来概括这一新的发展，那还是由1953年萨顿专著所完成。因此人们可以1953年为微尺度大气运动研究的开创年。萨顿则为微尺度大气运动研究的创始人。

与一切学说无不具有局限性一样，萨顿的微尺度大气运动的研究也不例外。概括说来，其局限性有二。第一，在萨顿的微尺度运动中，他仅限于微尺度运动的最大一端──即小尺度湍流运动区间，而把微尺度运动最小的一端──即微米、亚微米尺度的粘性流区间排除在外。到现在萨顿的《微气象学》几乎已成为大气湍流，特别是大气湍流边界层研究的同义语。第二个局限性在于，在小尺度湍流区间中，他仅限于大气湍流边界层的研究，而把其它的湍流大气物理现象排除在外，以至于到现在，微气象学几乎仅仅成为边界层气象的同义语。1973年美国气象学会新编了一本《微气象学》，其内容就都是关于边界层气象的研究。这就把微尺度大气运动的研究局限在过去狭小的范围之中。

在总结我们过去几十年走过的历程时，我惊异地发现，在不知不觉中，我已全面地突破了萨顿的《微气象学》的这两个局限性，虽然我们的研究确实仍然属于微尺度大气运动范围。于是我感到有必要突破萨顿的“微气象学”的概念，从而提出新的提法，那就是“微尺度大气运动中的物理学”（英文可译为：The Physics in Micro –Scale Atmospheric Motions ）进一步简化的提法，就是“微大气物理学”（英文可译为：Micro-Atmospheric Physics）。 以下我们就来谈一下“微大气物理学”的产生过程，它的主要内容和意义。

 

 

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