成信工動力氣象學講義00學科簡史

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(簡稱氣象學)要是研究大氣中各種天氣現象發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的科學。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，氣象學才開始了近代科學探索0年代高空氣象觀測網的發(fā)展，增進了人類對大氣的認識，加速了氣象科學的發(fā)展。象學”或“氣象科學”的概念已逐漸被“大氣科學”的概念所取代，其研究內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)大氣科學開始建立的時期(17世紀~19世紀初)：17~18世。隨著14~16世紀文藝復興、資本主義生產方式的出現，以及航海業(yè)的興起，天文學和物理學出現了重大突破。測量儀器的陸續(xù)發(fā)明，觀測和實驗的大量開展，以及在觀測和實驗基礎上進行的理論研究，是大氣科學這一時期發(fā)展的重要標志。(3)大氣科學主要分支學科的形礎上，大氣科學的主要分支學科相繼形成，例如天氣學、動力氣象學和大氣物理學等。大氣科學著名的兩大理論學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派和以羅斯貝學。從此大氣科學在探測手段、通信方式、試驗手段，以及天氣預報、氣候變化、人工影響天氣、大氣化學等分支學科發(fā)展和國際合作等方面，都有了突飛猛進的發(fā)展。由此可見，大氣科學的發(fā)展史是人類探索大氣的奧秘，逐步認識大氣及其演變規(guī)律、預測其變化趨勢，從而趨利避害為人類的生產和生活服務的歷史。它的發(fā)展同人類社會生產力的發(fā)展、科學技術的進步和人類日益增長的需2現在大氣科學已成為一門擁有眾多分支學科的綜合性科學，其分支學科主要有大氣探測學、大氣物理學、天氣學、動力氣象學、中小尺度氣象學、數值天氣預報、數值模式模擬、氣候學、大氣它是一門應用物理學、流體力學定律及數學方法，研究大氣運動的動力和熱力過程及其相互關系的學科。動力氣象學的發(fā)展對更深刻地認識大氣運動的機理、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的內容包括大氣熱力學、大氣動力學、大氣環(huán)流、大氣湍流、數值天氣預報和數值模擬等，但隨著大氣科學學科的不斷細分，現在動力氣象學的內容一般主要指下面我們簡要回顧一下動力氣象學的發(fā)展歷史和取得的重要成果，并對動力氣象學未來的發(fā)展望。生奠表示大氣運動具有啟發(fā)作用。1752年瑞士數學家和物理學家歐拉提出表示質量守恒的連續(xù)方程，利力和熱力學第一定律的發(fā)現并被引入流體力學方程組中，更為大氣動力方程組的完備性奠定了基運動的研究中，提出了著名的環(huán)流理論。從此動力氣象學便逐步由流體力學中分離出來，成為大氣獨立的分支學科。20世紀20~30年代，以皮耶克尼斯父子為首的挪威學派也稱卑爾根學派，無論在天氣學理論挪威沿海等地組建了稠密的地面氣象觀測網，并仔細分析了由稠密站網所提供的資料繪制而成的天氣圖，總結了大量天氣變化現象，在1917~1918年間發(fā)現了暖鋒，提出了鋒面和氣旋的立體模型，理論和學說用于日常的天氣分析和天氣預報，創(chuàng)立了著名的挪威卑爾根學派。該學派用天氣圖分析來推測天氣的演變被認為是具體地把皮耶克尼斯所提出的、當時無法得到解析解的流體動力學方程尼斯、索爾貝格和伯格斯等人在這十年間建立起來的，迄今還廣泛應用于天氣分析和天氣預報中，3加哥學派所創(chuàng)立的大氣長波理論。這個重要理論的創(chuàng)立，不僅有觀測事實的基礎，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)導出了長波公式，求得了與實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、低壓相對應的。在這之后，他的學生(如確認了高空西風急流和長波的結構和變化，以及它們與地面氣旋波的關系。這些理論形成了在大氣科學理論中占有重要位置的芝加哥學派。該學派的工作一方面增強了天氣學與熱力學和動力學的聯系，充實了天氣分析和預報的物理基礎；另一方面也為研究大型大氣運動提供了理論依據，而且使后來的數值天氣預報和大氣環(huán)流數值試驗成為可能，奠定了現代大氣環(huán)流與大氣動力學的基礎。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。芝加哥學派提出：大氣環(huán)流是復雜的，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際，而且更辯證、更科學。此外，芝加哥學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，這為動力學理的論進一步發(fā)展提供了一種有效的研究方法。因此，芝加哥學派在動力氣象學發(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動的根本原因，這使得人們對大氣環(huán)流演變的物理本質有了更深刻的認識。通過大量觀測事實分論方面也作出了許多國際領先的研究。我國學者通過分析大量的東亞大氣環(huán)流演變的事實，提出了年。另外，我國學者指出地轉適應過程存在一個運動尺度問題，并證明：對于大尺度運動，應是風善和發(fā)展。4帶強盛的積云對流活動對于熱帶及全球大氣運動的重要性，提出了熱帶大氣運動第二類條件不穩(wěn)定 (CISK)機制，從動力學上描述了積云對流與大尺度運動相互作用的過程。與此同時，郭曉嵐等人先后提出不同的積云對流參數化方案，不僅可以更好地解釋熱帶大氣環(huán)流的許多事實，對于熱帶大氣動力學的研究起了重要的推動作用，而且使熱帶天氣數值預報與大氣環(huán)流數值模擬也有了很大改進。70年代初，從觀測事實發(fā)現熱帶太平洋緯向風變化存在著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制。存在太平洋/北美型(PNA)和歐亞型(EU型)等遙相關型，夏季大氣環(huán)流異常存在著東亞/太平洋型(EAP型)遙相關。這些遙相關型對于季度氣候變化預測有重要作用。如何從機理上說明這些觀原因，有學者強調地形強迫在形成準定常行星波中的作用，又有學者強調非絕熱加熱是形成準定常行星波的原因之一，而我國學者指出地形與非絕熱加熱都是形成準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的成因，許多學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)流異常的遙相關現象。我國學者也利用波在暖變介質的傳播特性與球面三維大氣行星波的廣義能量守恒，提出行星波在實際基本氣流中的三維傳播存在著兩支波導的理論，解釋了大氣環(huán)流三維遙相關的物理機制。隨著行星波動力學研究的深入，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。按照羅斯貝學派經典的大氣環(huán)流觀點，通量得到證明，這無疑是對古典大氣環(huán)流一個新的認識。此外，我國學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展是根據觀測和試驗提出了關于超級雷暴單體、多雷暴單體、颮線、中氣動力學已成為動力氣象學發(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生各種波動，因此若單獨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迫所產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定常擾動。在中層大氣中除了有準定常行星波外，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。中間層頂溫度在南北方向呈現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了中層大氣重力波的研究，從而發(fā)現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圈環(huán)流而產生的地轉偏向力。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)呈現周期性交替變化，這種現象稱為平流層準兩年周期振蕩(QBO)，這種現象的機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動方程來解釋爆發(fā)性增溫機制的研究也比較多，指出中高緯度平流層基本氣流由西風變成東風，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)流產生演變的主要動力過程。不僅推動了非線性大氣動力學的發(fā)展，而且使數學、物理學，甚至生物學、工程技術、社會科學也得到非常大的發(fā)展，這一突破性的理論有“科學的第三次革命”之稱。在洛倫茨提出非線性理論系統(tǒng)之前，解決科學問題要么是確定論，要么是隨機論，然而洛倫茨提出確定論與隨機論不能截然分開，它們之間是有聯系的，這無疑是科學認識的一次重大突破。氣象學家把非線性動力學系統(tǒng)的概念應用到大氣環(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，提出了大氣運動存在著多平衡態(tài)，即在一定外界條件下大氣可能出現高指數環(huán)流，在另外一些外界條件下，大氣可能出現6低指數環(huán)流，而狀態(tài)的躍遷產生突變，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)定性研究中的應用，可以得出一系列與與線性波動理論不同的結論，這從理論體系上刷新了大氣動力學，使得以前建立在線性體系下的大氣動力學逐漸向非線性大氣動僅是由于發(fā)生在大氣內部的動力、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、熱力驅動的氣候子系統(tǒng)、陸—個發(fā)展方向。測站網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算機，使得通過數值求解大氣動力方程開展數值天氣預報成為可能。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地轉正壓模式，在一臺最早的電子計算值天氣預報圖，標志著天氣預報能夠從經驗估計變成客觀的、定量的預報，使天氣預報真正變成了像物理學、化學、生物學在實驗室作試驗一樣，可以在高速超大型計算機上進行大氣環(huán)流演變以及大氣科學其它分支學科的各種數值試驗。與此同時，原來作為動力氣象學應用部分的數值預報及數，逐漸從動力氣象學分離出來發(fā)展成了大氣科學中重要的獨立分支。人類生產和社會的發(fā)展，將不斷提出新的問題和要求，推動大氣科學新理論和新分支的發(fā)展。7大氣科學的發(fā)展，又將不斷提高它為生產和生活服務的能力，為開發(fā)利用氣象資源和制定經濟政策提供更加可靠的科學依據，其經濟效益和社會效益將不可估量。隨著大氣科學的發(fā)展，動力氣象學也出現了一些新的發(fā)展趨勢，天氣學和動力氣象學相互滲透形成了天氣動力學，而動力氣象學的應用學科數值天氣預報也發(fā)展成了獨立的分支。隨著對海洋和大氣相互關系的研究，氣候學與動力氣量轉換，探討氣候形成及變化的原因，現在已擴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)動力學研究，正向著更加廣泛、更為綜合的方向發(fā)展。大氣動力學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；強烈天氣系統(tǒng)(HighImpact學及其年際與年代際變化；亞洲季風環(huán)境系統(tǒng)耦合的動力學理論及演化規(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等。動力氣象學大事記動力氣象學大事記解釋了北半球東北信風和南半球東南信風，創(chuàng)立經圈環(huán)流理論。家歐拉提出理想流體動力學方程組。出氣壓測高公式。地轉偏向力(也稱科里奧利力)概念?？评飱W利力引入大氣運動的研究中，并提出中緯度存在經向反環(huán)流圈。指出風與氣壓關系的經驗規(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。尼斯建立大氣運動方程組。提出?？寺菥€。出位能轉換為動能的能量轉換原理，并導出鋒面坡度公式。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說，形成卑爾根學派也稱挪威學派。通過天氣圖分析的方式把當時還無法得到解析解8第一次用差分法求解大氣運動方程，進行數值天氣預報的嘗試。貝提出氣壓場和風場相互調整的地轉適應問題。尼斯和芬蘭帕爾門用探空記錄闡明氣旋波的結構。和大氣環(huán)流變化的大氣長波，導出長波公大氣邊界層相似理論。渦度守恒定律。風波模型。星波斜壓大氣不穩(wěn)定性理論。出正壓大氣不穩(wěn)定判據氣遙相關概念。氣平均經圈環(huán)流的熱力與動力學理論。哥學派所了現環(huán)流和大氣動力學的基礎。聯基別爾提出尺度分析理論。渦度方程所反映的準地轉大氣模型，成功作出第一張數值天氣預報圖。波的結構和變化及其與極鋒和氣旋波的關系。轉盤模型實驗。位能概念。兩層準地轉模式第一