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叶笃正的科学贡献及研究方法

时间:2017-01-03 10:04来源:互联网作者:中国泵网 点击:
自新中国的第一份气象记录诞生以来,回溯中国气象科学的发展历史,总会让人禁不住想起中国现代气象事业的开拓者——叶笃正先生。他1935年考入清华大学,开始了物理学的求知之路

  叶笃正的科学贡献及研究方法如下

  作者:黄刚,戴新刚,董丹宏,吕建华,严中伟

  风华正茂已是奠基人,古稀之年仍是开拓者

   引言

  自新中国的第一份气象记录诞生以来,回溯中国气象科学的发展历史,总会让人禁不住想起中国现代气象事业的开拓者——叶笃正先生。他1935年考入清华大学,开始了物理学的求知之路。1938年历经艰难困苦远赴西南联合大学,开始了气象学的寻梦之旅。1945年,叶笃正赴美留学,在芝加哥大学叩开了气象学的大门,有幸成为著名气象学家罗斯贝(C.G.Rossby)的学生。或许,自助者天助之。彼时世界气象界一流的科学家经常光顾芝加哥大学,使得叶笃正有机会目睹皮叶克尼斯、帕尔门等前辈大师的风采,聆听大师们的教诲,更有机会学习和观摩大师们的科学研究方法,这为他以后在学术之路上的精进创新打下了基础。世界著名气象学家、欧洲科学院院士霍斯金斯(B.Hoskins)是这样评价叶先生的“作为可能最后直接受教于罗斯贝的人,他不仅推动了气象学科许多方面的发展,同时也为中国气象及气候研究成为世界顶尖水平奠定了坚实的基础。”[1]叶笃正的科学研究工作包括大气Rossby波能量频散、大气环流动力学、东亚大气环流的季节突变、大气阻塞高压动力学、大气中的地转适应过程、青藏高原气象学及全球变化等多个领域,取得了许多创新性成果和开创性研究。回顾叶笃正的科学历程,梳理他的科学研究业绩,分析其中的研究方法特点,对于后辈学人弘扬科学精神,开拓创新思路无疑具有重要的启发意义。

  1 类比与演绎法-大气能量频散

  在叶笃正的众多贡献中,大气长波频散理论是最早提出并得到广泛认可的研究成果。波动是大气运动的基本特征之一。二次大战前后,随着高空大气观测的发展,已经可以绘制出高空天气图,罗斯贝在5500米高空天气图上发现在北半球中高纬度存在数千公里波长的大气波动自西向东移动,其移动速度与他的简化数学模型估计大体一致。后来,这种大气长波被称为Rossby波。克里奥利(Coriolis)参数随纬度变化是其形成的动力学原因。叶笃正在罗斯贝长波理论的基础上,用类比的研究方法,参考物理学中色散或频散的概念,发现Rossby波相速度与波长有关,是频散波,导出了Rossby波群速度的公式。这是对Rossby 长波理论的发展。该成果成为叶笃正博士论文《OnEnergy Dispersion in the Atmosphere》[2]的核心内容,并于1948年在美国著名气象期刊上正式发表,引起多国气象学学者的重视,被誉为动力气象学的经典文献之一[3]。气象学大师罗斯贝对这篇论文非常重视,鉴于这一理论工作对动力气象学的重要性,他特意给著名气象学家查尼(J. Charney)写信,要他基于他们正在做的数值预报试验,写一篇短论以支持叶笃正的结果[4]。

  

 

 

  图片2:刚刚获得博士学位的叶笃正先生

  所谓能量频散,就是波动的能量随波的传播而被分散或重新聚集的现象。叶笃正引入群速度的概念,研究了在四种大气模式中的群速、相速和波长之间的关系。不同波长单波相速度不同,不同尺度单波又组成波列,一个波列的能量以群速度传播。在一般情况下,总会存在一个群速大于相速的波长范围,导致在初始波动下游形成新的波动[3]。如果波动流场存在辐散,且大气中的水平温度不均匀,则会出现负的群速度,即只有“水平温度不均匀”才是上游形成新的波动的条件。叶笃正通过积分一个正压涡度方程揭示了能量通过频散传播的过程,从理论上证实西风环流中的能量以远大于风速或波动相速度的群速度向下游传播,导致下游的天气迅速变化。这种现象已经在天气预报实践中被发现,俗称“上游(或下游)效应”。能量频散理论把这种经验上升到理论的高度,从而把天气预报的实践和理论结合起来,为提前预报高空等压面上大槽或大脊的变化提供了科学依据。这曾经是上世纪80年代前气象台做中期天气预报(4—10天预报)的主要方法之一。例如,冬季东亚大规模冷空气入侵往往与中纬度大气长波调整有关;我国天气预报人员在上游发现了几个关键区,如北大西洋沿岸、地中海等;北大西洋气压脊或地中海气旋发生明显变化,往往会导致几天后我国上空的环流场发生调整并伴随大范围的天气变化。

  高空气流不全是波状的,在中高纬度有时会出现移动缓慢甚至停滞的巨型W形状的高压,严重影响东西向气流的流动,被称之为阻塞高压(Blocking)。能量频散理论对阻塞高压天气系统的生成、维持和移动给出一种动力学解释,成为业务上预报持续性异常天气的理论基础之一。叶笃正的计算表明阻塞高压在高纬度地区的生命周期比在低纬度地区长,西移的速度随纬度的升高而减少,在一定程度上解释了阻塞高压为什么总是出现在高纬度。叶笃正还解释了另一些重要的现象,譬如中高纬地区西风气流上经常出现大槽大脊,而低纬度只有强度不大的东风波;低纬天气系统生命周期很短,中高纬的生命周期很长等现象[5]。

  此外,叶笃正又进一步提出了起源于热带的扰动可以向中纬度传播的理论[6],并以波列的形式向东北方向传播,进而影响中高纬度的天气和气候。31年后,这个理论才由英国著名动力气象学家霍斯金斯(B.Hoskins)的“大圆理论”所推广,成为对观测到的大气遥相关或遥响应现象的理论基础。在叶笃正提出能量频散理论及查尼等对地形和非绝热加热对大气准定常行星波的形成问题研究后,气象学家又分别从观测、数值模拟和理论分析对大气准定常行星波的性质展开研究,在准定常行星波的形成机制、水平传播和能量频散、垂直传播等方面取得了重要的研究成果。后来,这些成果又进一步推动大气环流异常的遥相关和平流层环流异常动力学的发展。这个理论与罗斯贝的长波理论及查尼的长波不稳定理论一起被称为大气长波理论的三个里程碑[7]。

  2 归纳法-东亚大气环流季节突变、气候跃变

  从观测事实出发归纳出大气环流的演变规律,是叶笃正常用的一种研究方法。建国后中国高空气象观测网得到了快速的发展,到1950年代中期我国的探空站已经超过了60个,高空风观测站多达150个。丰富的探测资料为东亚大气环流的研究提供了可能。为了改进和提高我国天气预报的准确性,理解东亚地区的大气环流状况,叶笃正以观测事实和理论分析为出发点,系统地研究了东亚大气环流的演变[3]。1957年和1958年,叶笃正和顾震潮等在瑞典地球物理杂志《Tellus》上发表了《On the GeneralCirculation over Eastern Asian》的文章,分三期连载。该文主要阐释了东亚地区的大气环流状况及成因,概述了东半球冬季和夏季对流层中层(500hPa)的大气环流分布状况,发现了东亚环流的一些特征,论述了东亚大气环流的季节变化,影响东亚天气的主要天气系统,以及青藏高原对东亚大气环流和我国天气的影响[8]。其中,青藏高原对大气环流的影响随季节变化的观点与以往把高原的影响看成固定不变的观点有很大的不同[5]。该文就青藏高原是热源还是冷源的问题进行了讨论,指出青藏高原对大气环流的影响远超过北美的落基山脉。

  1958年叶笃正和朱抱真共同出版了《大气环流的若干基本问题》[9]一书,它早于Lorenz的名著《大气环流的性质与理论》十年。该书系统讨论了北半球大气环流的特征和影响大气环流变化的主要因子,如大气中热量、角动量、能量的平衡,急流的形成与维持,西风带上低压槽和高压脊的形成等[9]。1980年,大气物理研究所与中央气象台、北京大学地球物理系合作建立“联合数值预报室”,将东亚大气环流等的研究成果用于中国气象局的业务预报模型,成为新中国气象科学发展的一个里程碑。

  1958年叶笃正、陶诗言和李麦村联名在《气象学报》上发表了《在六月和十月大气环流的突变现象》。该文通过分析1956年5-6月和9-10月几个代表性经度上的纬向风—气压剖面图,归纳后发现东亚上空西风急流中心位置在6月和10月有明显的突变[5]。大气环流冬、夏流型的转变在短时间内便可以完成,反映了大气环流的突变性。这一发现对中国天气预报的发展具有重要意义。这篇文章的英文版被收录于1959年罗斯贝纪念专集中。叶笃正等科学家提出的东亚大气环流季节转换的突变性比其他国家早20多年,他在东亚大气环流方面做出的开创性研究极大地提高了我国在国际气象学界的地位[10,11]。

  上个世纪八十年代后,随着气候变化研究热潮的兴起,叶笃正引导其研究团队从“突变”视角分析气候变化,发展了“气候跃变”的概念[12,13,14]。气候跃变分析,突破了以往学者多强调气候变化“周期性”的思想束缚,极大地丰富了对气候变化规律的认识,已成为气候变化分析领域的一个常用手段。阻塞形势是北半球冬季的主要天气系统之一,它的建立和崩溃常常伴随着大范围环流形势的强烈转变,它的长期维持能产生大范围天气、气候的反常现象。20世纪60年代,叶笃正等对阻塞高压进行了更深入的归纳、分析和研究,其结果总结在1962年出版的《北半球冬季阻塞形势的研究》中,作者为叶笃正、陶诗言、朱抱真等。该书从气候、天气、动力及数值预报方面对阻塞高压进行了综合研究,系统阐述了阻塞高压的形成、维持及崩溃等动力过程。这一研究成果被应用于我国寒潮天气的预报中[5]。1963年叶笃正等进一步探讨了不稳定扰动如何停止发展,指出扰动能对基本气流产生非线性反馈,当扰动不再能从基本流场得到能量(位能或动能)时,扰动便停止发展,从而形成阻塞高压或切断低压。这为研究东亚天气的持续性异常提供了理论依据,而直到1976年冬季北美出现极其寒冷的天气时,国外的学者才开始提出相关的理论,阻塞形势才成为国际上一个重要的国际研究方向。

  3 实验法-转盘

  实验是科学研究必不可少的环节之一。早在19世纪就有人在实验室做过大气环流模拟实验。20世纪50年代,Fultz和Hide等人曾进行了一系列的转盘模拟实验。叶笃正认为除了理论推演和观测事实分析,可以用流体力学实验方法模拟研究大气环流的动力学问题,因为描述大气和流体运动的数学方程是相似的。1972年,在叶笃正的主持下,中国科学院大气物理研究所建立了大气环流转盘模拟实验室。实验装置为三个不同半径的有机玻璃壁。外壁E1和E2之间盛以热水,内壁(E3)环以内盛以冷水,以此来维持实验区外壁E2和E3之间实验流体的温差。实验区的外圈相当于较热的低纬度,内圈相当于较冷的极地地区。实验区内可以局部加热,也可以置入地形模型等。从而使实验槽中的流体作类似于大气中各种形态的运动[6]。叶笃正主要集中研究了青藏高原大地形及其夏季作为热源对大气环流的影响规律,使我们对东亚大气环流问题有了更深入的理解,而至今该转盘装置及其相关研究仍然是大气科学重要的研究手段之一。

  

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