成信工動力氣象學(xué)講義00學(xué)科簡史

1科簡史人類生活在地球大氣層的底層，人類社會的所有活動無不受其影響。氣象科學(xué)(簡稱氣象學(xué))要是研究大氣中各種天氣現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的科學(xué)。英國格萊舍首先用電報傳送的氣象觀測資料繪制出第一張地面天氣圖，氣象學(xué)才開始了近代科學(xué)探索0年代高空氣象觀測網(wǎng)的發(fā)展，增進(jìn)了人類對大氣的認(rèn)識，加速了氣象科學(xué)的發(fā)展。象學(xué)”或“氣象科學(xué)”的概念已逐漸被“大氣科學(xué)”的概念所取代，其研究內(nèi)容也大大超出了傳統(tǒng)疇。亞洲，以中國和印度為主；另一個在地中海東部，即歐亞非三大洲的交匯地帶，這里是埃及文化、巴比倫文化和希臘文化的發(fā)祥地。(2)大氣科學(xué)開始建立的時期(17世紀(jì)~19世紀(jì)初)：17~18世。隨著14~16世紀(jì)文藝復(fù)興、資本主義生產(chǎn)方式的出現(xiàn)，以及航海業(yè)的興起，天文學(xué)和物理學(xué)出現(xiàn)了重大突破。測量儀器的陸續(xù)發(fā)明，觀測和實(shí)驗(yàn)的大量開展，以及在觀測和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的理論研究，是大氣科學(xué)這一時期發(fā)展的重要標(biāo)志。(3)大氣科學(xué)主要分支學(xué)科的形礎(chǔ)上，大氣科學(xué)的主要分支學(xué)科相繼形成，例如天氣學(xué)、動力氣象學(xué)和大氣物理學(xué)等。大氣科學(xué)著名的兩大理論學(xué)派也在這一時期先后創(chuàng)立，這就是以皮耶克尼斯為首的挪威卑爾根學(xué)派和以羅斯貝學(xué)。從此大氣科學(xué)在探測手段、通信方式、試驗(yàn)手段，以及天氣預(yù)報、氣候變化、人工影響天氣、大氣化學(xué)等分支學(xué)科發(fā)展和國際合作等方面，都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由此可見，大氣科學(xué)的發(fā)展史是人類探索大氣的奧秘，逐步認(rèn)識大氣及其演變規(guī)律、預(yù)測其變化趨勢，從而趨利避害為人類的生產(chǎn)和生活服務(wù)的歷史。它的發(fā)展同人類社會生產(chǎn)力的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類日益增長的需2現(xiàn)在大氣科學(xué)已成為一門擁有眾多分支學(xué)科的綜合性科學(xué)，其分支學(xué)科主要有大氣探測學(xué)、大氣物理學(xué)、天氣學(xué)、動力氣象學(xué)、中小尺度氣象學(xué)、數(shù)值天氣預(yù)報、數(shù)值模式模擬、氣候?qū)W、大氣它是一門應(yīng)用物理學(xué)、流體力學(xué)定律及數(shù)學(xué)方法，研究大氣運(yùn)動的動力和熱力過程及其相互關(guān)系的學(xué)科。動力氣象學(xué)的發(fā)展對更深刻地認(rèn)識大氣運(yùn)動的機(jī)理、掌握天氣和氣候的變化規(guī)律具有十分重要的意義。傳統(tǒng)意義上的動力氣象學(xué)的內(nèi)容包括大氣熱力學(xué)、大氣動力學(xué)、大氣環(huán)流、大氣湍流、數(shù)值天氣預(yù)報和數(shù)值模擬等，但隨著大氣科學(xué)學(xué)科的不斷細(xì)分，現(xiàn)在動力氣象學(xué)的內(nèi)容一般主要指下面我們簡要回顧一下動力氣象學(xué)的發(fā)展歷史和取得的重要成果，并對動力氣象學(xué)未來的發(fā)展望。生奠表示大氣運(yùn)動具有啟發(fā)作用。1752年瑞士數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家歐拉提出表示質(zhì)量守恒的連續(xù)方程，利力和熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)并被引入流體力學(xué)方程組中，更為大氣動力方程組的完備性奠定了基運(yùn)動的研究中，提出了著名的環(huán)流理論。從此動力氣象學(xué)便逐步由流體力學(xué)中分離出來，成為大氣獨(dú)立的分支學(xué)科。20世紀(jì)20~30年代，以皮耶克尼斯父子為首的挪威學(xué)派也稱卑爾根學(xué)派，無論在天氣學(xué)理論挪威沿海等地組建了稠密的地面氣象觀測網(wǎng)，并仔細(xì)分析了由稠密站網(wǎng)所提供的資料繪制而成的天氣圖，總結(jié)了大量天氣變化現(xiàn)象，在1917~1918年間發(fā)現(xiàn)了暖鋒，提出了鋒面和氣旋的立體模型，理論和學(xué)說用于日常的天氣分析和天氣預(yù)報，創(chuàng)立了著名的挪威卑爾根學(xué)派。該學(xué)派用天氣圖分析來推測天氣的演變被認(rèn)為是具體地把皮耶克尼斯所提出的、當(dāng)時無法得到解析解的流體動力學(xué)方程尼斯、索爾貝格和伯格斯等人在這十年間建立起來的，迄今還廣泛應(yīng)用于天氣分析和天氣預(yù)報中，3加哥學(xué)派所創(chuàng)立的大氣長波理論。這個重要理論的創(chuàng)立，不僅有觀測事實(shí)的基礎(chǔ)，而且也有理論基流變化的大氣長波。他從二維無輻散的渦度方程出發(fā)導(dǎo)出了長波公式，求得了與實(shí)際吻合的長波移速和發(fā)展率，指出這種長波是與地面天氣圖所看到的高、低壓相對應(yīng)的。在這之后，他的學(xué)生(如確認(rèn)了高空西風(fēng)急流和長波的結(jié)構(gòu)和變化，以及它們與地面氣旋波的關(guān)系。這些理論形成了在大氣科學(xué)理論中占有重要位置的芝加哥學(xué)派。該學(xué)派的工作一方面增強(qiáng)了天氣學(xué)與熱力學(xué)和動力學(xué)的聯(lián)系，充實(shí)了天氣分析和預(yù)報的物理基礎(chǔ)；另一方面也為研究大型大氣運(yùn)動提供了理論依據(jù)，而且使后來的數(shù)值天氣預(yù)報和大氣環(huán)流數(shù)值試驗(yàn)成為可能，奠定了現(xiàn)代大氣環(huán)流與大氣動力學(xué)的基礎(chǔ)。這個理論使得人們對大氣環(huán)流的看法有了一個根本性改變。芝加哥學(xué)派提出：大氣環(huán)流是復(fù)雜的，是非對稱的，它的變化是基本氣流與擾動相互作用的結(jié)果，擾動通過角動量和熱量輸送滋養(yǎng)著基本氣僅更符合實(shí)際，而且更辯證、更科學(xué)。此外，芝加哥學(xué)派在研究方法方面引入了小擾動理論，使得控制大氣環(huán)流的非線性方程有辦法得以求解，這為動力學(xué)理的論進(jìn)一步發(fā)展提供了一種有效的研究方法。因此，芝加哥學(xué)派在動力氣象學(xué)發(fā)展史上占有非常重要的地位，所建立的大氣波及大尺度運(yùn)環(huán)流的演變，特別是提出了有效位能的概念，以及提出大氣溫度在空間分布的不均勻性是引起大氣運(yùn)動的根本原因，這使得人們對大氣環(huán)流演變的物理本質(zhì)有了更深刻的認(rèn)識。通過大量觀測事實(shí)分論方面也作出了許多國際領(lǐng)先的研究。我國學(xué)者通過分析大量的東亞大氣環(huán)流演變的事實(shí)，提出了年。另外，我國學(xué)者指出地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程存在一個運(yùn)動尺度問題，并證明：對于大尺度運(yùn)動，應(yīng)是風(fēng)善和發(fā)展。4帶強(qiáng)盛的積云對流活動對于熱帶及全球大氣運(yùn)動的重要性，提出了熱帶大氣運(yùn)動第二類條件不穩(wěn)定 (CISK)機(jī)制，從動力學(xué)上描述了積云對流與大尺度運(yùn)動相互作用的過程。與此同時，郭曉嵐等人先后提出不同的積云對流參數(shù)化方案，不僅可以更好地解釋熱帶大氣環(huán)流的許多事實(shí)，對于熱帶大氣動力學(xué)的研究起了重要的推動作用，而且使熱帶天氣數(shù)值預(yù)報與大氣環(huán)流數(shù)值模擬也有了很大改進(jìn)。70年代初，從觀測事實(shí)發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋緯向風(fēng)變化存在著30~60天周期的低頻振蕩，后來又論上說明了熱帶低頻振蕩的物理機(jī)制。存在太平洋/北美型(PNA)和歐亞型(EU型)等遙相關(guān)型，夏季大氣環(huán)流異常存在著東亞/太平洋型(EAP型)遙相關(guān)。這些遙相關(guān)型對于季度氣候變化預(yù)測有重要作用。如何從機(jī)理上說明這些觀原因，有學(xué)者強(qiáng)調(diào)地形強(qiáng)迫在形成準(zhǔn)定常行星波中的作用，又有學(xué)者強(qiáng)調(diào)非絕熱加熱是形成準(zhǔn)定常行星波的原因之一，而我國學(xué)者指出地形與非絕熱加熱都是形成準(zhǔn)定常行星波的根本原因。為了要解釋大氣環(huán)流異常的二維和三維遙相關(guān)的成因，許多學(xué)者研究了行星波在垂直切變基流中的垂直傳播和在球面大氣中的傳播，把芝加哥學(xué)派得到的波的平面頻散規(guī)律推廣到球面大氣的二維傳播中，從而很好地解釋了大氣環(huán)流異常的遙相關(guān)現(xiàn)象。我國學(xué)者也利用波在暖變介質(zhì)的傳播特性與球面三維大氣行星波的廣義能量守恒，提出行星波在實(shí)際基本氣流中的三維傳播存在著兩支波導(dǎo)的理論，解釋了大氣環(huán)流三維遙相關(guān)的物理機(jī)制。隨著行星波動力學(xué)研究的深入，波—流相互作用的研究在動在基本氣流中傳播及其與基本氣流相互作用的新物理量。按照羅斯貝學(xué)派經(jīng)典的大氣環(huán)流觀點(diǎn)，通量得到證明，這無疑是對古典大氣環(huán)流一個新的認(rèn)識。此外，我國學(xué)者利用波包概念研究了非均流下瞬變波的演變規(guī)律，揭示了大氣環(huán)流的三維演變特性。5展，其中一個突出的研究進(jìn)展是根據(jù)觀測和試驗(yàn)提出了關(guān)于超級雷暴單體、多雷暴單體、颮線、中氣動力學(xué)已成為動力氣象學(xué)發(fā)展的一個重要方向。平流層與中間層大氣并不像對流層那樣本身可以產(chǎn)生各種波動，因此若單獨(dú)存在平流層與中間層大氣，則其中的大氣環(huán)流只能是軸對稱緯向環(huán)流。但是，許多觀測資料表明，冬季平流層與中間定常行星波通過兩支波導(dǎo)分別傳播到高緯平流層和低緯對流層上層。因此，對流層大氣中由于受地形與熱源強(qiáng)迫所產(chǎn)生的行星波向平流層及中間層傳播，從而形成了平流層及中間層大氣的行星波與準(zhǔn)定常擾動。在中層大氣中除了有準(zhǔn)定常行星波外，還有瞬變行星波，這些波動可能與中層大氣的正壓不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定有關(guān)。中間層頂溫度在南北方向呈現(xiàn)出冬半球高于夏半球的反常分布，對這一問題的物理解釋大大促進(jìn)了中層大氣重力波的研究，從而發(fā)現(xiàn)上傳重力波與大氣潮汐波在中間層的不穩(wěn)定可以平衡反常溫度分布所要求的經(jīng)圈環(huán)流而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力。因此，中層大氣重力波要特征，一是熱帶平流層下層緯向平均氣流(東西風(fēng))呈現(xiàn)周期性交替變化，這種現(xiàn)象稱為平流層準(zhǔn)兩年周期振蕩(QBO)，這種現(xiàn)象的機(jī)理在通過上傳羅斯貝—重力混合波、開爾文波與平流層基本利用變形歐拉平均運(yùn)動方程來解釋爆發(fā)性增溫機(jī)制的研究也比較多，指出中高緯度平流層基本氣流由西風(fēng)變成東風(fēng)，為爆發(fā)性增溫創(chuàng)造了前提條件。因此，在平流層與中間層直到熱層下部，波與基的相互作用是中層大氣環(huán)流產(chǎn)生演變的主要動力過程。不僅推動了非線性大氣動力學(xué)的發(fā)展，而且使數(shù)學(xué)、物理學(xué)，甚至生物學(xué)、工程技術(shù)、社會科學(xué)也得到非常大的發(fā)展，這一突破性的理論有“科學(xué)的第三次革命”之稱。在洛倫茨提出非線性理論系統(tǒng)之前，解決科學(xué)問題要么是確定論，要么是隨機(jī)論，然而洛倫茨提出確定論與隨機(jī)論不能截然分開，它們之間是有聯(lián)系的，這無疑是科學(xué)認(rèn)識的一次重大突破。氣象學(xué)家把非線性動力學(xué)系統(tǒng)的概念應(yīng)用到大氣環(huán)流的研究中，利用截譜模式研究了非線性大氣環(huán)流的演變，提出了大氣運(yùn)動存在著多平衡態(tài)，即在一定外界條件下大氣可能出現(xiàn)高指數(shù)環(huán)流，在另外一些外界條件下，大氣可能出現(xiàn)6低指數(shù)環(huán)流，而狀態(tài)的躍遷產(chǎn)生突變，多平衡態(tài)理論為中長期天氣動力過程的研究開辟了道路。另外，由于大氣環(huán)流的擾動是振幅較大的波動，已不能當(dāng)作線性波理論中的小擾動，而有限振幅擾動理論在大氣波動和大氣環(huán)流穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用，可以得出一系列與與線性波動理論不同的結(jié)論，這從理論體系上刷新了大氣動力學(xué)，使得以前建立在線性體系下的大氣動力學(xué)逐漸向非線性大氣動僅是由于發(fā)生在大氣內(nèi)部的動力、熱力過程所造成，更重要是受海洋、冰雪圈(包括冰川、海冰和大陸上冰雪覆蓋)、巖石圈(主要是山脈、陸面、土壤)、生物圈和人類活動的共同影響，這些圈組成了一個極為復(fù)雜的氣候系統(tǒng)。這些各不相同的“圈”之間的相互作用可以形成月、季度、年際、氣候系統(tǒng)中各“圈”相互作用的熱力、動力過程，特別是大氣動力、熱力驅(qū)動的氣候子系統(tǒng)、陸—個發(fā)展方向。測站網(wǎng)的密度和資料的精確度不夠，用的又是完全的原始方程組，加之所取的時間和空間的間距不展起來的電子計(jì)算機(jī)，使得通過數(shù)值求解大氣動力方程開展數(shù)值天氣預(yù)報成為可能。隨著長波理論年，美國查尼、挪威菲約托夫特和美籍匈牙利人諾伊曼用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式，在一臺最早的電子計(jì)算值天氣預(yù)報圖，標(biāo)志著天氣預(yù)報能夠從經(jīng)驗(yàn)估計(jì)變成客觀的、定量的預(yù)報，使天氣預(yù)報真正變成了像物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)在實(shí)驗(yàn)室作試驗(yàn)一樣，可以在高速超大型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大氣環(huán)流演變以及大氣科學(xué)其它分支學(xué)科的各種數(shù)值試驗(yàn)。與此同時，原來作為動力氣象學(xué)應(yīng)用部分的數(shù)值預(yù)報及數(shù)，逐漸從動力氣象學(xué)分離出來發(fā)展成了大氣科學(xué)中重要的獨(dú)立分支。人類生產(chǎn)和社會的發(fā)展，將不斷提出新的問題和要求，推動大氣科學(xué)新理論和新分支的發(fā)展。7大氣科學(xué)的發(fā)展，又將不斷提高它為生產(chǎn)和生活服務(wù)的能力，為開發(fā)利用氣象資源和制定經(jīng)濟(jì)政策提供更加可靠的科學(xué)依據(jù)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益將不可估量。隨著大氣科學(xué)的發(fā)展，動力氣象學(xué)也出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢，天氣學(xué)和動力氣象學(xué)相互滲透形成了天氣動力學(xué)，而動力氣象學(xué)的應(yīng)用學(xué)科數(shù)值天氣預(yù)報也發(fā)展成了獨(dú)立的分支。隨著對海洋和大氣相互關(guān)系的研究，氣候?qū)W與動力氣量轉(zhuǎn)換，探討氣候形成及變化的原因，現(xiàn)在已擴(kuò)展到同時考慮大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈的氣候系統(tǒng)動力學(xué)研究，正向著更加廣泛、更為綜合的方向發(fā)展。大氣動力學(xué)未來研究的主要方向有：以海洋-大氣-陸地相互作用理論為代表的氣候系統(tǒng)動力學(xué)；強(qiáng)烈天氣系統(tǒng)(HighImpact學(xué)及其年際與年代際變化；亞洲季風(fēng)環(huán)境系統(tǒng)耦合的動力學(xué)理論及演化規(guī)律；平流層與對流層相互作用、多尺度耦合的中高層大氣動力學(xué)等。動力氣象學(xué)大事記動力氣象學(xué)大事記解釋了北半球東北信風(fēng)和南半球東南信風(fēng)，創(chuàng)立經(jīng)圈環(huán)流理論。家歐拉提出理想流體動力學(xué)方程組。出氣壓測高公式。地轉(zhuǎn)偏向力(也稱科里奧利力)概念?？评飱W利力引入大氣運(yùn)動的研究中，并提出中緯度存在經(jīng)向反環(huán)流圈。指出風(fēng)與氣壓關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律(也稱白貝羅定律)。出流體切變動力不穩(wěn)定概念。流運(yùn)動方程組和湍流粘性力的概念。提出大氣環(huán)流理論。尼斯建立大氣運(yùn)動方程組。提出?？寺菥€。出位能轉(zhuǎn)換為動能的能量轉(zhuǎn)換原理，并導(dǎo)出鋒面坡度公式。皮耶克尼斯父子以及索爾伯格、伯格斯和伯杰龍等提出概括溫帶氣旋生命史的鋒面學(xué)說，形成卑爾根學(xué)派也稱挪威學(xué)派。通過天氣圖分析的方式把當(dāng)時還無法得到解析解8第一次用差分法求解大氣運(yùn)動方程，進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報的嘗試。貝提出氣壓場和風(fēng)場相互調(diào)整的地轉(zhuǎn)適應(yīng)問題。尼斯和芬蘭帕爾門用探空記錄闡明氣旋波的結(jié)構(gòu)。和大氣環(huán)流變化的大氣長波，導(dǎo)出長波公大氣邊界層相似理論。渦度守恒定律。風(fēng)波模型。星波斜壓大氣不穩(wěn)定性理論。出正壓大氣不穩(wěn)定判據(jù)氣遙相關(guān)概念。氣平均經(jīng)圈環(huán)流的熱力與動力學(xué)理論。哥學(xué)派所了現(xiàn)環(huán)流和大氣動力學(xué)的基礎(chǔ)。聯(lián)基別爾提出尺度分析理論。渦度方程所反映的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)大氣模型，成功作出第一張數(shù)值天氣預(yù)報圖。波的結(jié)構(gòu)和變化及其與極鋒和氣旋波的關(guān)系。轉(zhuǎn)盤模型實(shí)驗(yàn)。位能概念。兩層準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式第一