關(guān)于《大氣環(huán)流的若干基本問題》

呂建華

1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1000292佛羅里達(dá)州立大學(xué)海洋—大氣預(yù)報(bào)研究中心，美國，塔拉哈西32310

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關(guān)于《大氣環(huán)流的若干基本問題》

呂建華1, 2

1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029
2佛羅里達(dá)州立大學(xué)海洋—大氣預(yù)報(bào)研究中心，美國，塔拉哈西32310

摘 要本文簡(jiǎn)要回顧了《大氣環(huán)流的若干基本問題》的主要內(nèi)容。以書中部分內(nèi)容為例，通過和近期大氣環(huán)流理論的進(jìn)展相聯(lián)系，指出葉篤正和朱抱真在書中表達(dá)的主要觀點(diǎn)，如對(duì)大型渦旋在經(jīng)圈環(huán)流中的第一性作用及其作為聯(lián)系大氣環(huán)流各主要成員和物理量輸送中心環(huán)節(jié)的認(rèn)識(shí)，對(duì)大型渦旋渦度輸送在急流形成和維持中作用的強(qiáng)調(diào)，以及對(duì)大氣環(huán)流成員和過程的內(nèi)在統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)等等，能為后來的理論進(jìn)展所證實(shí)，或者和后來的理論互為補(bǔ)充。兩位作者對(duì)大氣環(huán)流物理本質(zhì)和整體圖像的深刻理解對(duì)大氣環(huán)流理論的進(jìn)一步發(fā)展以及理解氣候變化的基本動(dòng)力學(xué)依然具有現(xiàn)實(shí)的意義。

關(guān)鍵詞葉篤正 朱抱真 大氣環(huán)流 大型渦旋 經(jīng)圈環(huán)流

資助項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41275084、41576025

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grants 41275084 and 41576025)

On “Some Fundamental Problems of the General Circulation of the Atmosphere”

LU Jianhua1, 2

1 State Key Laboratory of Numerical Modelling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
2 Center for Ocean–Atmospheric Prediction Studies, Florida State University, Tallahassee 32310, USA

Abstract This paper revisits the seminal monograph “Some Fundamental Problems of the General Circulation of the Atmosphere” by Yeh and Chu (1958). Taking the theoretical analyses of the mean meridional circulation, the formation and maintenance of the westerly jet, and the internal consistency of the general circulation as examples, the paper analyzes the physical consistency between recent developments in these topics and the views of Yeh and Chu (1958). Some viewpoints of the book, such as the central role of large-scale eddies in mean meridional circulation, the role of eddy-induced vorticity transport in jets, and large-scale eddies as the nexus of the main components of general circulation and physical transport processes of angular momentum, heat, and kinetic energy, illustrate the far-reaching insight of Yeh and Chu on the nature and picture of the general circulation of the atmosphere as a whole. The deep insights of the monograph are still highly meaningful for furthering theoretical research on general circulation and its role in climate change.

Keywords Yeh Tu-cheng (Ye Du-zheng), Chu Pao-chen (Zhu Bao-zhen), General circulation, Large-scale eddy, Meridional circulation

1 引言

二十世紀(jì)中葉，隨著高空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及大氣長(zhǎng)波理論的發(fā)展，人們對(duì)大氣環(huán)流的理解進(jìn)一步深入。1956年N. A. Phillips發(fā)表了歷史上第一個(gè)成功的大氣環(huán)流數(shù)值試驗(yàn)（Phillips，1956）。次年葉篤正和朱抱真在北京的中國氣象學(xué)會(huì)北京分會(huì)上報(bào)告了他們對(duì)大氣環(huán)流基本問題認(rèn)識(shí)的總結(jié)，并在1958年由科學(xué)出版社出版，也就是《大氣環(huán)流的若干基本問題》（葉篤正和朱抱真，1958）一書（簡(jiǎn)稱《基本問題》）。西方同類性質(zhì)的對(duì)大氣環(huán)流理論的概覽和總結(jié)的出現(xiàn)，要到近十年以后才由E. N. Lorenz 應(yīng)世界氣象組織（WMO）的邀請(qǐng)撰寫了《大氣環(huán)流的性質(zhì)和理論》一書（Lorenz，1967）。

半個(gè)多世紀(jì)過去，《基本問題》一書的很多內(nèi)容已經(jīng)成為大氣環(huán)流教材中的基本知識(shí)，而大氣環(huán)流理論研究在近幾十年中無論在研究?jī)?nèi)容的廣度還是在理論的深度方面，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。這使得研究者們可能很少再重回頭閱讀這部現(xiàn)代大氣環(huán)流理論的早期名著。但是，盡管《基本問題》一書的大多數(shù)內(nèi)容已經(jīng)廣為人知，兩位作者對(duì)大氣環(huán)流理論的深刻洞見和對(duì)大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)，并沒有隨著時(shí)間的流逝而失去光彩。相反地，隨著觀測(cè)、模式和理論的發(fā)展，有很多《基本問題》已經(jīng)涉及的問題正在被國際上新一代的理論工作者重新得到重視，而新的研究也往往證實(shí)了葉篤正和朱抱真先生在書中表達(dá)觀點(diǎn)的正確性。從這個(gè)意義上說《基本問題》一書里有很多內(nèi)容是超越于作者所處的時(shí)代的。如果僅僅把書的內(nèi)容當(dāng)成常識(shí)和教材，那么這本書的重要意義還是被低估了的。除了《基本問題》里面的很多內(nèi)容還是值得我們繼續(xù)探究的前沿科學(xué)問題，兩位作者在書中表達(dá)的觀點(diǎn)，他們采用的科學(xué)方法，他們對(duì)問題物理本質(zhì)的理解，他們的廣闊視野，他們的理論風(fēng)格，還有他們對(duì)大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的探索和認(rèn)識(shí)，用今天的眼光看來依然新鮮而充滿活力，能夠給新一代的研究者們提供理論的營(yíng)養(yǎng)。

本文內(nèi)容的安排如下：第2節(jié)簡(jiǎn)介《基本問題》的主要內(nèi)容；第3～5節(jié)分別以Hadley環(huán)流及平均經(jīng)圈環(huán)流（第3節(jié)）、急流的形成與維持（第4節(jié)）和大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性（第5節(jié)）為例，分析兩位作者在書中表達(dá)的觀點(diǎn)及其和相關(guān)問題上后期、近期的理論進(jìn)展之間的聯(lián)系；最后第六節(jié)是總結(jié)和討論。

2 《基本問題》內(nèi)容簡(jiǎn)介

單從《基本問題》全書目錄就可以感覺到《基本問題》一書內(nèi)容的豐富和全面，正如Hoskins （Hoskins，2014）所說的那樣，“章節(jié)目錄顯示他當(dāng)時(shí)思想的開創(chuàng)性和橫掃六合的氣概”（“the chapter headings give an idea of the broad sweep and ground-breaking nature of his ideas at this time”）。全書共分為十一章。第一章從北半球大氣環(huán)流的主要觀測(cè)現(xiàn)象出發(fā)，提出了大氣環(huán)流的九個(gè)主要問題，作為全書的綱領(lǐng)。這九個(gè)問題是：

（1）為什么大型的大氣運(yùn)動(dòng)基本上維持地轉(zhuǎn)風(fēng)平衡？

（2）為什么有觀測(cè)到的平均東西風(fēng)帶及與之相聯(lián)系的三個(gè)經(jīng)圈環(huán)流？西風(fēng)急流的成因和維持機(jī)理是什么？

（3）西風(fēng)帶平均槽脊及其相聯(lián)系的活動(dòng)中心的形成原因是什么？

（4）平均溫度場(chǎng)的形成原因是什么？

（5）大氣環(huán)流的指數(shù)循環(huán)和季節(jié)突變的相關(guān)物理過程和動(dòng)力、熱力原因是什么？

（6）大氣環(huán)流的（角）動(dòng)量平衡機(jī)制是什么？

（7）大氣環(huán)流的動(dòng)能平衡是如何維持的？

（8）大氣環(huán)流的熱量平衡是如何維持的？

（9）大氣水分循環(huán)和大氣環(huán)流的內(nèi)在聯(lián)系是如何的？

兩位作者指出以上問題又可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是為什么大氣環(huán)流具有人們所觀測(cè)到的平均狀態(tài)；另一方面是從已有的狀態(tài)出發(fā)，討論大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一，說明已有狀態(tài)的維持。后面第二到第十章分別對(duì)各個(gè)問題介紹當(dāng)時(shí)最新的研究，其中相當(dāng)部分是當(dāng)時(shí)由葉篤正和顧震潮等領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)家的工作。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)兩位作者對(duì)大氣環(huán)流的理解對(duì)這些研究作了深入的剖析和述評(píng)，并提出作者對(duì)以上各個(gè)問題的理論解釋。最后的第十一章除了對(duì)各章的總結(jié)，作者更進(jìn)一步地從大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性將前面各章的內(nèi)容有機(jī)地聯(lián)系起來，給出了兩位作者對(duì)大氣環(huán)流的整體圖像。

在對(duì)各單個(gè)問題作具體分析的各章中，都有很多現(xiàn)在讀來依然富有新意的理論創(chuàng)見。比如在第三章對(duì)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡的分析中，已經(jīng)提到了地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程對(duì)尺度的依賴性并給出了物理解釋，葉篤正對(duì)地轉(zhuǎn)適應(yīng)的進(jìn)一步研究后來出現(xiàn)在他和李麥村發(fā)表的專著《大氣運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)問題》（葉篤正和李麥村，1965）。在對(duì)西風(fēng)帶平均槽脊形成（第五章）的分析，除了介紹Bolin的線性微擾動(dòng)理論（Bolin，1950），更介紹了巢紀(jì)平的有限振幅擾動(dòng)理論（巢紀(jì)平，1957），以及國外學(xué)者的旋轉(zhuǎn)流體實(shí)驗(yàn)等等。更重要的是，他們強(qiáng)調(diào)了中國科學(xué)家——包括兩位作者和顧震潮——首先提出的地形和熱力的共同和相互作用。以朱抱真（1957）為例，作者令人信服地指出單純的地形或者熱力強(qiáng)迫都不能解釋冬季東亞和北美大槽的位置，而必須將兩者結(jié)合起來才能有效地說明。同樣的結(jié)論，但是基于完整的大氣環(huán)流模式的模擬的結(jié)果，我們還能在最近的由年輕一代理論家發(fā)表的文章中看到（如Kaspi and Schneider, 2011）。在對(duì)角動(dòng)量平衡的分析中，兩位作者在書中給出了北半球地形對(duì)角動(dòng)量平衡影響（即山脈力矩）及其季節(jié)變化的計(jì)算結(jié)果。Lorenz （1967）后來在他的專著中討論角動(dòng)量平衡時(shí)采用了他們的結(jié)果。更有意思的是，兩位作者總結(jié)了葉篤正和楊大升（1955）的研究，指出通過引入經(jīng)圈Hadley的東西風(fēng)界面，可以清楚看到經(jīng)圈環(huán)流對(duì)角動(dòng)量的輸送以及地球自轉(zhuǎn)角動(dòng)量和相對(duì)角動(dòng)量之間的轉(zhuǎn)換。

《基本問題》中類似的精彩之處很多，但對(duì)全書逐章的總結(jié)和介紹在本文篇幅和范圍所及之外，事實(shí)上這樣做也沒有必要，因?yàn)橛信d趣的讀者可以直接閱讀原著。下面僅對(duì)書中關(guān)于Hadley環(huán)流和平均經(jīng)圈環(huán)流、急流的形成和維持以及大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性作分析。除了介紹原著的相關(guān)內(nèi)容以外，我還將書中表達(dá)的觀點(diǎn)和近期理論上的進(jìn)展聯(lián)系起來。從這樣的對(duì)比和聯(lián)系中，我們或能更深地體會(huì)到《基本問題》和兩位作者在那個(gè)時(shí)代已經(jīng)達(dá)到的理論高度和現(xiàn)實(shí)的意義。

3 關(guān)于Hadley環(huán)流和平均經(jīng)圈環(huán)流

《基本問題》提到，Hadley于1735年首次推測(cè)在低緯度的子午面上應(yīng)該有一閉合的經(jīng)圈環(huán)流存在，也即我們現(xiàn)在所稱的Hadley環(huán)流。由于空氣運(yùn)動(dòng)基本上符合地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系，經(jīng)向風(fēng)速（v）的緯圈平均必接近于零，因而經(jīng)圈環(huán)流即使存在，強(qiáng)度也必定很弱。也因此Hadley環(huán)流的存在與作用，即使在1940年代的芝加哥大學(xué)也依然是被爭(zhēng)論的問題（Palmen和Starr之間的爭(zhēng)論，可見Lewis et al., 2012）。真正意義上從觀測(cè)中首次證實(shí)Hadley環(huán)流的存在是1950年由Riehl和葉篤正等通過對(duì)有限的海上觀測(cè)記錄的分析得到的（Riehl et al., 1950）。在葉篤正先生歸國以后，他和鄧根云根據(jù)1950年高空風(fēng)的統(tǒng)計(jì)，給出了該年冬夏兩季北半球經(jīng)圈環(huán)流的情況（見《基本問題》圖1.17、1.18)，進(jìn)一步證實(shí)了Hadley環(huán)流和三圈平均經(jīng)圈環(huán)流的實(shí)際存在。

在第四章兩位作者深入分析了平均經(jīng)圈環(huán)流的生成機(jī)制。和單獨(dú)討論平均經(jīng)圈環(huán)流不同，作者認(rèn)為東西風(fēng)帶（緯向環(huán)流）和經(jīng)圈環(huán)流是同時(shí)形成的現(xiàn)象：兩者是在對(duì)大氣不均勻加熱作用下通過大型渦旋對(duì)動(dòng)量和熱量輸送作用造成的結(jié)果（見書中第32頁）。通過對(duì)Kuo（1951）提出的平均經(jīng)圈環(huán)流理論模式的分析，兩位作者指出Kuo（1951）對(duì)來自熱量源匯非均勻性的貢獻(xiàn)的估計(jì)偏小，實(shí)際上熱量源匯和動(dòng)量源匯的不均勻分布同時(shí)對(duì)平均經(jīng)向環(huán)流的形成起了重要作用，它們的貢獻(xiàn)是同量級(jí)的。值得指出的是，《基本問題》在討論平均經(jīng)圈環(huán)流生成機(jī)制時(shí)，明確提出了大型渦旋的重要作用，指出“將大型渦旋作為控制經(jīng)圈環(huán)流的第一性的因子，而將經(jīng)圈環(huán)流作為其從屬的第二性的現(xiàn)象”（見書中第53頁）。同時(shí)作者又指出，經(jīng)圈環(huán)流的環(huán)數(shù)和大型渦旋的尺度之間有內(nèi)在的統(tǒng)一。應(yīng)該說，《基本問題》的上述提法是非常有前瞻性的，因?yàn)樵跁淖髡呖磥?，大型渦旋的第一性作用并不只限于非熱力直接的逆環(huán)流（Ferrel環(huán)流），而是對(duì)整個(gè)平均經(jīng)圈環(huán)流而言的，即也包括了對(duì)熱帶的Hadley環(huán)流的作用。雖然限于當(dāng)時(shí)的條件，兩位作者的上述結(jié)論僅是定性的，但近期的研究表明大型渦旋對(duì)熱帶Hadley環(huán)流的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度確實(shí)起著重要作用（如Schneider，2006），這和《基本問題》在六十年前提出的看法是相一致的。

4 關(guān)于急流的形成和維持

4.1 《基本問題》對(duì)急流形成機(jī)制的討論

急流廣泛地存在于地球流體（大氣、海洋）和行星大氣中，其形成和維持機(jī)制迄今是理論界關(guān)注的熱點(diǎn)問題（如Rhines，1994；Dritschel and McIntyre，2008）?！痘締栴}》在第四章對(duì)急流的形成和維持機(jī)制作了深入分析。有意思的是，書中所表達(dá)的觀點(diǎn)不但和現(xiàn)在理論界對(duì)急流形成和維持的廣被接受的理論是互補(bǔ)和完全兼容的，更和最新的觀測(cè)事實(shí)相一致。這些最新的觀測(cè)事實(shí)被認(rèn)為和現(xiàn)今的理論是相矛盾的，卻和《基本問題》書中所強(qiáng)調(diào)的機(jī)制一致。這也從一個(gè)側(cè)面說明了兩位作者對(duì)急流問題理解的深刻程度。

在討論西風(fēng)急流的形成機(jī)制時(shí)，《基本問題》作者首先介紹、評(píng)述了Rossby提出的水平大型渦旋混合理論（Rossby, 1947)。兩位作者寫道：“考慮了大氣水平尺度與垂直尺度的比值后，可以認(rèn)為大氣運(yùn)動(dòng)主要是水平運(yùn)動(dòng)，因此我們可以把大氣環(huán)流看作大規(guī)模水平湍流的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。然而湍流的最終結(jié)果是使得‘性質(zhì)均勻化’，由此Rossby認(rèn)為在大型渦旋的交換作用中具有反氣旋渦度的暖空氣北上，具有氣旋渦度的冷空氣北下”（見書中第53頁）?；旌鲜菇^對(duì)渦度在南北方向成為定值，據(jù)此可計(jì)算平均流場(chǎng)的分布情況。在給出Rossby（1947）的理論計(jì)算結(jié)果后，作者指出雖然Rossby（1947）的結(jié)果和觀測(cè)極為相似，但他是以實(shí)際觀測(cè)到的極地東風(fēng)帶與西風(fēng)帶交界面作為一個(gè)參數(shù)給定，而該緯度本應(yīng)該由混合前后總角動(dòng)量不變的條件下給出。Rossby理論面臨的更基本問題是和環(huán)流加速定理不合，因?yàn)榧兇獾幕旌献饔貌荒苁够旌蠀^(qū)域的總渦度有所增加，按照環(huán)流定理則平均西風(fēng)風(fēng)速也不能增加。作者進(jìn)一步指出，任何一個(gè)區(qū)域內(nèi)，渦度的增減必定通過某種邊界作用，因此推論大型渦旋的交換作用不能只限于急流以北的區(qū)域。

《基本問題》緊接著用渦度的平衡來討論西風(fēng)急流的維持，指出可以用大型渦旋輸送理論來解釋急流的形成機(jī)制。兩位作者引述了郭曉嵐的理論模式（Kuo，1951），“假定渦旋只是一塊具有渦度為一定數(shù)量和一定分布的流體，基本氣流是純粹的緯向環(huán)流U(y)與時(shí)間和經(jīng)度無關(guān)。在基本氣流上加以微擾動(dòng)，將線性化的渦度方程加以全微分，沿兩個(gè)緯度所夾的面積（F）積分，并假定在過程中總角動(dòng)量不變，跨過任意緯圈上的質(zhì)量輸送凈值為零”，最后得到

其中，Γ為渦旋面積（A）內(nèi)的擾動(dòng)環(huán)流，δv'/ δ t為擾動(dòng)經(jīng)向加速度，Z0為平均渦度，ρ0為空氣密度，?'為擾動(dòng)相對(duì)渦度，a為地球半徑，?為緯度。由于上式中右邊第二項(xiàng)（輻散項(xiàng)）比第一項(xiàng)小一個(gè)量級(jí)，上式說明“絕對(duì)渦度分布的不均勻性使氣旋性渦旋（Γ＞0）向絕對(duì)渦度高值區(qū)移動(dòng)，使反氣旋性渦旋（Γ＜0）向絕對(duì)渦度低值區(qū)移動(dòng)，因此渦旋的輸送是可以和Z0的梯度相反”（也即是逆梯度輸送）。兩位作者進(jìn)一步指出，大氣中絕對(duì)渦度Z0的分布是向北增加的，若有氣旋性渦度向北輸送和反氣旋渦度的向南輸送，則總的輸送結(jié)果是在渦旋活動(dòng)頻繁的區(qū)域渦度梯度增加，在以外的區(qū)域渦度梯度減少。相對(duì)應(yīng)地，渦度集中的區(qū)域西風(fēng)加強(qiáng)，而在渦度減少的區(qū)域東風(fēng)發(fā)展。這可見于Kuo（1951）得到的公式（Kuo，1951）：

也即西風(fēng)的加強(qiáng)與氣旋性渦度向北輸送及摩擦消耗有關(guān)。上式中，ρ為空氣密度，u、v、?分別為緯向、經(jīng)向風(fēng)速及相對(duì)渦度，λ、z、p分別為經(jīng)度、高度和氣壓，p0為地面氣壓，F(xiàn)x為地面摩擦?！痘締栴}》進(jìn)一步分析了擾動(dòng)的穩(wěn)定性對(duì)西風(fēng)急流的影響，指出處于衰減階段（或穩(wěn)定的）擾動(dòng)使絕對(duì)渦度梯度增加，從而使西風(fēng)增強(qiáng)，而不穩(wěn)定擾動(dòng)則使西風(fēng)減弱。

4.2 和后期關(guān)于急流形成維持機(jī)制的理論的比較和聯(lián)系

最近的對(duì)大氣和其他旋轉(zhuǎn)流體中急流的形成和維持機(jī)制可以參照Dritschel and McIntyre（2008）和Held（2000）①Held I M. 2000. The general circulation of the atmosphere. http://physics.ucsd.edu/students/courses/winter2013/physics218b/HeldReview[1].pdf [2015-08-04].。這里簡(jiǎn)單分析《基本問題》和這些近期觀點(diǎn)的相補(bǔ)性和物理上的一致性。

《基本問題》對(duì)Rossby大型渦旋混合機(jī)制的批評(píng)是完全正確的，因?yàn)槲黠L(fēng)急流的生成與其說是渦旋混合的結(jié)果，不如說是渦旋混合遇到障礙（barrier），從而形成渦度分布的階梯（staircase）狀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。在這樣的渦度分布的階梯結(jié)構(gòu)附近，渦度梯度得到集中，從而西風(fēng)得到加強(qiáng)而形成急流（McIntyre, 1982; Dritschel and McIntyre, 2008）。從這一點(diǎn)看，《基本問題》所表達(dá)的觀點(diǎn)和Dritschel and McIntyre（2008）在物理上有著一致性的。

另一方面，《基本問題》書中所強(qiáng)調(diào)的渦度逆梯度輸送，即反氣旋性渦度向南輸送而氣旋性渦度向北輸送，似乎又和Dritschel and McIntyre (2008)及Held（2000）的觀點(diǎn)不同，因?yàn)楹笳咧饕塾跍u度的順梯度輸送，也就是氣旋性渦度從高緯度向南輸送，在減弱高緯度西風(fēng)的同時(shí)，增強(qiáng)較低緯度上的西風(fēng)。同時(shí)觀測(cè)事實(shí)也確實(shí)顯示在平流層和對(duì)流層中上部是以氣旋性渦度的向南的順梯度輸送為主。這樣看起來似乎《基本問題》是和觀測(cè)或新的理論觀點(diǎn)是相矛盾的。

但這一矛盾僅是表面的，只是由于《基本問題》所采取的角度和現(xiàn)在的角度不同而引起，在物理本質(zhì)兩者是完全一致的。至于和觀測(cè)事實(shí)的矛盾，有新的研究剛剛注意到存在和《基本問題》觀點(diǎn)相一致的觀測(cè)事實(shí)，從而引起了理論界對(duì)渦度順梯度輸送機(jī)制的反思，而這反過來說明《基本問題》兩位作者和Kuo（1951）觀點(diǎn)的合理性和超前性。這里試作進(jìn)一步分析。

（1）首先，正如書中54～55頁所指出的那樣，《基本問題》在討論急流生成機(jī)制時(shí)主要著眼于西風(fēng)急流南側(cè)（為副熱帶反氣旋渦度）及急流北側(cè)（為氣旋性渦度）與狹窄的急流軸之間的渦度輸送。如果單純地從觀測(cè)到的對(duì)流層中高層和平流層中渦度的順梯度輸送出發(fā)，那么按照Held（2000）的理論分析，我們很容易得到，氣旋性渦度的向南輸送必然導(dǎo)致極區(qū)西風(fēng)的減速和極區(qū)以外較低緯度西風(fēng)的加速。但這本身并不能保證西風(fēng)在一個(gè)相對(duì)狹窄的緯度范圍內(nèi)加強(qiáng)，因?yàn)闇u度的順梯度向南輸送可以遞推式向南擴(kuò)展，從而使渦度的集中發(fā)生在一個(gè)很寬的緯度范圍內(nèi)。這樣的話，盡管西風(fēng)可能加強(qiáng)，但其范圍會(huì)很寬同時(shí)強(qiáng)度很弱。不妨依照Held （2000）的討論，假如沿緯圈φ0由于渦旋的“攪動(dòng)”作用，原來沿緯圈平行的渦線發(fā)生扭曲變形，在此過程中渦度向南輸送，這樣極區(qū)（φ0以北）緯度上西風(fēng)減速，而較低緯度（φ0以南）上西風(fēng)加強(qiáng)。如果沿一比φ0更南的緯度φ1上渦旋“攪動(dòng)”作用引起的渦度輸送和φ0相同，那么在φ0和φ1之間凈的渦度輸送為零，因此西風(fēng)加速并沒有發(fā)生在φ0和φ1之間，而必須在比φ1更南的緯度。相反地如果在φ1渦旋的“攪動(dòng)”作用減弱（比如對(duì)應(yīng)于渦旋的減弱階段，或者是等（位）渦線向該緯圈回歸的過程），這時(shí)穿越φ1緯圈有向北（即逆梯度）的渦度輸送，這樣φ0和φ1之間就會(huì)有渦度的集中，從而有西風(fēng)的加速和急流的生成。而這在緯圈φ0和φ1之間（Kuo（1951）理論，見式（1）中的積分范圍F）正是《基本問題》在討論急流生成機(jī)制和渦度平衡時(shí)所著眼的范圍。從上面的分析可以看到，單純的渦度順梯度輸送對(duì)急流的生成和維持并不是比較完整的解釋，《基本問題》和郭曉嵐的理論分析（Kuo, 1951）提供了一個(gè)與之相補(bǔ)充的角度。結(jié)合兩者，能夠?yàn)榧绷鞯纳珊途S持提供更完整的解釋。但兩者的物理本質(zhì)又是一致的，即渦度的輸送和相對(duì)集中，這可以清楚地從他們幾乎完全一致的語言表達(dá)看出來?！痘締栴}》指出“在渦旋活動(dòng)頻繁的區(qū)域渦度梯度增加，使得西風(fēng)加強(qiáng)”，而Held （2000）則說：“角動(dòng)量向攪動(dòng)區(qū)域輻合（Angular momentum converges into the stirred region)”及 “西風(fēng)出現(xiàn)在攪動(dòng)區(qū)域的下面（westerlies appear under the stirred region)”。注意Held所說的“攪動(dòng)區(qū)域（stirred region)”正是《基本問題》所說的“渦旋活動(dòng)頻繁的區(qū)域”。

（2）前面已經(jīng)提到觀測(cè)中對(duì)流層中上部和平流層的渦度輸送以順梯度輸送（即氣旋性渦度向南輸送）為主，那么《基本問題》所表達(dá)的觀點(diǎn)是不是就和觀測(cè)相矛盾，因而是錯(cuò)誤的呢？答案是否定的，最新發(fā)現(xiàn)的事實(shí)說明《基本問題》的觀點(diǎn)是能在觀測(cè)中得到證實(shí)的。首先應(yīng)該注意到，《基本問題》在討論急流生成機(jī)制時(shí)主要是主要于正壓的（或垂直積分的）渦度輸送，比實(shí)際的三維斜壓大氣要簡(jiǎn)單。但物理本質(zhì)是一致的，因?yàn)閷?duì)斜壓大氣中的位渦輸送沿整個(gè)（或者部分）氣柱的垂直積分，就得到《基本問題》里所分析的渦度輸送。渦度（位渦）在對(duì)流層上部的逆梯度輸送在1998年由Bartels et al.（1998）在模式中發(fā)現(xiàn)，但到近期才進(jìn)一步由Birner et al.（2013）在再分析資料和模式中證實(shí)在對(duì)流層頂副熱帶急流軸以北有向北的逆梯度渦度輸送。同時(shí)Birner et al.（2013）也發(fā)現(xiàn)逆梯度的渦度輸送是和波（渦旋）的衰減相聯(lián)系的。而這兩點(diǎn)，即渦度的逆梯度輸送和渦旋的衰減（穩(wěn)定）正是《基本問題》和Kuo（1951）所強(qiáng)調(diào)的急流生成機(jī)制的要點(diǎn)所在。這不單證實(shí)了《基本問題》觀點(diǎn)的正確性，也從一個(gè)側(cè)面說明了兩位作者和Kuo（1951）對(duì)急流生成理論認(rèn)識(shí)的時(shí)代超越性。

另外對(duì)平均急流的維持，如果我們?cè)冢?）式中令左側(cè)時(shí)間傾向項(xiàng)趨于零，那么由于西風(fēng)急流區(qū)地面也為西風(fēng)，所以和摩擦相平衡必定要求垂直積分的渦度輸送是向北（逆梯度的）。如果像在大多數(shù)情況下那樣，對(duì)流層中上層和平流層的渦度輸送垂直積分為負(fù)（即有向南順梯度的渦度輸送），那么從（2）式可以推論必定有對(duì)流層低層和近地層向北的渦度輸送。而這正是我們所觀測(cè)到的現(xiàn)象（如Bartels et al., 1998; Held, 2000）。這進(jìn)一步說明《基本問題》所闡述的理論是和觀測(cè)相符合，而不是矛盾的。

綜上所述，《基本問題》對(duì)急流生成和維持機(jī)制的觀點(diǎn)從觀測(cè)上看是站得住腳的，和最近提出的機(jī)制具有互補(bǔ)性。同時(shí)由于和《基本問題》相一致的觀測(cè)事實(shí)直到最近1～2年才被注意到，也說明了《基本問題》在對(duì)急流問題認(rèn)識(shí)的時(shí)代超越性。

5 關(guān)于大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性

《基本問題》在對(duì)上文提到的九大問題從第二－十章分別作了深入的分析和討論之后，兩位作者進(jìn)一步在第十一章中試圖將上述各個(gè)方面的問題聯(lián)系起來，探討大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性。在《基本問題》作者看來，這種內(nèi)在統(tǒng)一性一方面體現(xiàn)在大氣環(huán)流中各主要成員的相互關(guān)系中，另一方面又體現(xiàn)在大氣環(huán)流中主要物理量平衡過程的相互關(guān)系中。

正如《基本問題》前面幾章所討論的，大氣環(huán)流主要成員主要包括氣候風(fēng)帶（平均緯圈環(huán)流）、急流、平均的經(jīng)圈環(huán)流、移動(dòng)的（瞬變）大型渦旋以及西風(fēng)帶的平均槽脊等。在所有這些大氣環(huán)流的主要成員中，兩位作者突出強(qiáng)調(diào)了大型擾動(dòng)（渦旋）的第一性作用，指出由于大型渦旋的活動(dòng)對(duì)動(dòng)量、熱量、渦度等物理量起再分配的作用，因而把東西風(fēng)帶、經(jīng)圈環(huán)流和急流等聯(lián)系起來。

大型渦旋的作用首先體現(xiàn)在平均經(jīng)圈環(huán)流的形成。作者指出正是由于大型渦旋引起的熱量和角動(dòng)量的水平和垂直輸送，再加上不均勻的非絕熱加熱的共同作用下，才形成觀測(cè)到的三環(huán)經(jīng)圈環(huán)流，并在地球自轉(zhuǎn)作用下必然產(chǎn)生東西風(fēng)帶（平均緯圈環(huán)流）。而后者又通過摩擦和大型渦旋對(duì)動(dòng)量的輸送反過來對(duì)經(jīng)圈環(huán)流發(fā)生作用。同時(shí)大型渦旋通過對(duì)角動(dòng)量和渦度的輸送對(duì)西風(fēng)急流的形成起到了關(guān)鍵的作用。

另一方面，作者又指出大型渦旋并不是孤立存在，反過來也受基本風(fēng)系的影響。比如作者提到西風(fēng)強(qiáng)度決定渦旋的尺度和移動(dòng)速度，西風(fēng)的水平和垂直切變決定基本氣流的穩(wěn)定性從而擾動(dòng)的發(fā)展或者衰減。因此“大型渦旋和基本風(fēng)系在大氣環(huán)流中也是內(nèi)在的統(tǒng)一，它們相互制約，相互影響”（見《基本問題》第128頁）。

大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一還表現(xiàn)在海陸不均勻性引起的熱力和大地形的動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)平均槽脊發(fā)生的作用，而后者又反過來影響大氣熱源匯的分布，并使地形產(chǎn)生不同的作用。另外的例子是通過大型渦旋對(duì)溫度場(chǎng)的形成以及溫度平流和對(duì)流作用對(duì)溫度場(chǎng)的形成指出了溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)之間的相互作用關(guān)系。作者進(jìn)一步提到了大氣環(huán)流基本風(fēng)系的尺度與大型擾動(dòng)的尺度也是內(nèi)在統(tǒng)一的。比如經(jīng)圈環(huán)流的數(shù)目和大型渦旋的南北尺度，以及西風(fēng)急流的尺度和渦旋尺度的關(guān)聯(lián)。

總之，作者明確指出，“大氣環(huán)流的基本成員——經(jīng)圈環(huán)流、東西風(fēng)帶、西風(fēng)急流、大型渦旋、平均槽脊和平均溫度場(chǎng)都是相互制約的內(nèi)在統(tǒng)一體。而在這種內(nèi)在統(tǒng)一的過程中長(zhǎng)波不穩(wěn)定所生成的大型渦旋成為中心環(huán)節(jié)，聯(lián)系著各個(gè)方面”（《基本問題》第129頁）。

《基本問題》在書的第八到十章分別討論了大氣環(huán)流中主要物理量包括角動(dòng)量、動(dòng)能、熱量和水分的平衡。在最后一章，作者更進(jìn)一步揭示了這些主要物理量平衡過程的相互聯(lián)系，認(rèn)為這是大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的另一方面。

和大氣環(huán)流主要成員的內(nèi)在統(tǒng)一一樣，作者指出“大氣斜壓不穩(wěn)定造成的大型擾動(dòng)是它們（各種物理平衡過程）相互聯(lián)系、相互制約的一個(gè)重要的中心環(huán)節(jié)，它將各種基本成員和各種主要物理量平衡過程有機(jī)地聯(lián)系起來、貫串起來，成為大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一”（《基本問題》第133頁）。

由于在《基本問題》所處的時(shí)代，對(duì)大氣環(huán)流的定量計(jì)算剛剛才成為可能，所以兩位作者對(duì)大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的討論很大程度上還是定性的。但是如果從最近幾十年大氣環(huán)流理論，尤其是波流相互作用理論的進(jìn)展看，我們很容易看到兩位作者當(dāng)時(shí)提出的觀點(diǎn)在物理上和后來的理論進(jìn)展是非常一致的。比如《基本問題》對(duì)渦旋引起的角動(dòng)量輸送、熱量輸送和基本氣流的維持聯(lián)系起來。我們現(xiàn)在知道在上面提到的（）和（）合在一起即是現(xiàn)在已為大家所熟知的，但正式的定義要在《基本問題》出版三年后才出現(xiàn)的Eliassen-Palm （E-P）通量（Eliassen and Palm, 1961）。而E-P通量的散度就是渦旋對(duì)位渦的向北輸送，對(duì)平均緯向氣流，包括急流的維持起著重要的作用。這顯然和兩位作者在關(guān)于大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性所提到的相一致。又比如兩位作者對(duì)渦旋尺度和基本氣流尺度的討論，在物理上也和后來提出的理論相一致，而定量的渦旋尺度和基本氣流（急流）之間的關(guān)系至今還被繼續(xù)研究著（Dritschel and McIntyre, 2008）。

6 總結(jié)和討論

本文簡(jiǎn)介了葉篤正和朱抱真著于1958年的《大氣環(huán)流的若干基本問題》一書。通過對(duì)書中部分章節(jié)，包括Hadley環(huán)流和平均經(jīng)圈環(huán)流，急流的生成和維持，以及大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性的介紹和分析，指出《基本問題》一書有很多觀點(diǎn)超越當(dāng)時(shí)所處的科學(xué)發(fā)展階段。通過和最新的相關(guān)理論進(jìn)展的比較，指出《基本問題》書中的很多觀點(diǎn)不單從物理本質(zhì)上和新的研究進(jìn)展相一致，并能夠從后來隨著觀測(cè)、理論和模擬的進(jìn)一步發(fā)展而得到證實(shí)。更重要的是，本文以對(duì)急流生成和維持的分析為例，指出《基本問題》書中有的理論分析能和最近的觀點(diǎn)互相補(bǔ)充，從而給我們對(duì)相關(guān)問題的理解提供一個(gè)更完整的物理圖像。從這個(gè)意義上說，《基本問題》并不只是一部代表過去時(shí)代成就的著作，而更是一部依然富有理論活力和現(xiàn)實(shí)意義的對(duì)大氣環(huán)流理論的總結(jié)，從而年輕一代的理論工作者仍然可以從《基本問題》汲取理論營(yíng)養(yǎng)。

《基本問題》一書具有鮮明的理論風(fēng)格。簡(jiǎn)單地說，這些風(fēng)格體現(xiàn)在數(shù)學(xué)的簡(jiǎn)約和物理圖像的清晰之間的統(tǒng)一，體現(xiàn)在作者從局部特殊現(xiàn)象中尋找普遍性規(guī)律的高超能力，更體現(xiàn)在作者從大氣環(huán)流的復(fù)雜多面性背后尋求內(nèi)在統(tǒng)一性的理論穿透力?！痘締栴}》的理論風(fēng)格可以通過和Lorenz（1967）的《大氣環(huán)流的性質(zhì)和理論》一書對(duì)比而顯得更為清晰，因?yàn)楹笳咭彩且徊繋в凶髡邆€(gè)人鮮明風(fēng)格的名著。除了兩書對(duì)基本現(xiàn)象理解的相通之處，Lorenz （1967）在書中是從數(shù)學(xué)和理論本身出發(fā)，更偏向于演繹式地對(duì)各個(gè)具體問題作深入的分析，而盡量避免對(duì)大氣環(huán)流整體圖像的描述。從Lorenz書的第一章中，我們甚至能夠感受到他對(duì)比較確定性地了解大氣環(huán)流本質(zhì)的深刻懷疑。這種懷疑可能來自Lorenz作為有一個(gè)具有很高物理修養(yǎng)的數(shù)學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)，以及對(duì)他在寫這本書之前不久發(fā)現(xiàn)的大氣運(yùn)動(dòng)混沌本質(zhì)的認(rèn)識(shí)（Lorenz, 1963）。而《基本問題》一書是從觀測(cè)到的現(xiàn)象出發(fā)，歸納出若干基本問題。除了對(duì)大氣環(huán)流各個(gè)具體問題的分析，《基本問題》更致力于尋找現(xiàn)象背后的內(nèi)在統(tǒng)一性。通讀全書，無論從內(nèi)容的廣度或深度，我們不難感受到兩位作者對(duì)比較徹底地理解大氣環(huán)流整體性質(zhì)的樂觀態(tài)度。這種樂觀或許更反映了兩位作者作為具有深厚數(shù)學(xué)修養(yǎng)的動(dòng)力學(xué)家對(duì)尚處于萌芽的大氣環(huán)流理論研究的物理直覺。

從大氣環(huán)流理論近幾十年的發(fā)展來看，可以看到《基本問題》兩位作者的樂觀態(tài)度并不是沒有根據(jù)的。他們?cè)跁刑岢龅膯栴}和很多看法在以后的幾十年中能得到驗(yàn)證或進(jìn)一步的發(fā)展，這在很大程度上是通過觀測(cè)手段和計(jì)算技術(shù)的突飛猛進(jìn)式的發(fā)展。

在全書的最后，對(duì)未來的展望中，兩位作者指出《基本問題》有很多問題沒有涉及，比如南半球環(huán)流，熱帶環(huán)流及其與中高緯環(huán)流的關(guān)系，平流層環(huán)流及其與對(duì)流層環(huán)流的關(guān)系等等，這些我們?cè)诮裉煲惨芽吹介L(zhǎng)足的進(jìn)步。兩位作者尤其提到了當(dāng)時(shí)的理論認(rèn)識(shí)還很初步，比如對(duì)不穩(wěn)定擾動(dòng)的理解僅是基于線性化的結(jié)果。而從今天的眼光來看，盡管模式分辨率和過程的描述以及觀測(cè)的手段都越來越精細(xì)，但由于非線性引起的大氣環(huán)流內(nèi)在的隨機(jī)性和不確定性依然是我們必須面臨的挑戰(zhàn)，從這意義上說對(duì)大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的進(jìn)一步理解，結(jié)合Lorenz的審慎態(tài)度和葉篤正及朱抱真先生的樂觀是有益的，尤其是當(dāng)把大氣環(huán)流理論放到氣候在各個(gè)尺度上的變化和變率中的時(shí)候。因?yàn)閺谋举|(zhì)上包括大氣和海洋環(huán)流在內(nèi)的氣候系統(tǒng)是既有確定性因素，又具隨機(jī)性和混沌性的系統(tǒng)。

《基本問題》成書時(shí)大氣環(huán)流的數(shù)值模擬剛剛開始，因此兩位作者指出此書只是對(duì)當(dāng)時(shí)研究的總結(jié)，在研究的深度和廣度離問題的解決還很遠(yuǎn)，并寄希望于數(shù)值動(dòng)力方法和新觀測(cè)手段的發(fā)展為“大氣環(huán)流的研究展開無比廣闊深遠(yuǎn)的道路”（《基本問題》第134頁）。這也正是過去半個(gè)多世紀(jì)大氣環(huán)流研究所走過的道路，同時(shí)我們也看到兩位作者所提出的問題到現(xiàn)在還不能說完全解決了。通過和氣候變化問題相聯(lián)系，《基本問題》一書所提出的問題以及他們提出的大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性增加了一個(gè)新的維度，也就是這些大氣環(huán)流的基本成員、過程及其內(nèi)在統(tǒng)一性會(huì)隨氣候變化而作什么樣的變化，以及它們?cè)跉夂蜃兓制鹗裁醋饔玫鹊取＿@些正是現(xiàn)在方興未艾、廣受關(guān)注的問題，比如說Hadley環(huán)流隨著全球變暖是否變寬、變強(qiáng)，急流和西風(fēng)強(qiáng)度隨氣候變化又會(huì)如何變化，水分循環(huán)和大氣能量循環(huán)又會(huì)有什么樣的變化，都和《基本問題》一書中提到的問題有著直接的聯(lián)系。在這樣的時(shí)刻，重讀《基本問題》不只是為了記住兩位作者的歷史貢獻(xiàn)，更重要的是學(xué)習(xí)他們的遠(yuǎn)見和方法，從中汲取理論營(yíng)養(yǎng)，解決新的關(guān)于大氣環(huán)流的科學(xué)問題。

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作者簡(jiǎn)介呂建華，男，1968年出生，博士，主要從事大氣、海洋及地球物理流體動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: jlu@coaps.fsu.edu

收稿日期2015-02-17；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-07-07

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15140

文章編號(hào)1006-9895(2016)01-0078-08

中圖分類號(hào)P434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A