斜壓不穩(wěn)定理論的發(fā)展歷程及其應(yīng)用研究.pdf

1、20世紀(jì)上半葉是大氣科學(xué)基礎(chǔ)理論發(fā)展突飛猛進(jìn)的時(shí)期，是大氣科學(xué)理論研究成果產(chǎn)出最為豐碩和集中的時(shí)期。其中，斜壓不穩(wěn)定理論就是這一時(shí)期最具代表性的成果之一。該理論的誕生揭示了中高緯地區(qū)天氣尺度擾動(dòng)生成和發(fā)展的機(jī)制，是繼長(zhǎng)波理論之后大氣動(dòng)力學(xué)上的又一重大進(jìn)展，同時(shí)也是簡(jiǎn)化大氣運(yùn)動(dòng)方程并最終使數(shù)值天氣預(yù)報(bào)實(shí)踐成功的出發(fā)點(diǎn)和理論基礎(chǔ)之一。盡管距離該理論的提出已經(jīng)過去了將近70年，但它對(duì)現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的指導(dǎo)意義仍無(wú)可比擬。因此，飲水思源，非常有必要

2、系統(tǒng)地梳理斜壓不穩(wěn)定理論在這一時(shí)期從提出到逐步發(fā)展、完善的歷程，客觀地正視相關(guān)領(lǐng)軍科學(xué)家的歷史貢獻(xiàn)與不足，為深刻認(rèn)識(shí)斜壓不穩(wěn)定理論的誕生過程、歷史啟迪和現(xiàn)實(shí)意義提供科學(xué)依據(jù)。
　　斜壓不穩(wěn)定理論的建立始于查尼（Jule Charney）的開創(chuàng)性工作，同時(shí)也包含了伊迪（Eric Eady）和趙九章等眾多學(xué)者的重要貢獻(xiàn)。本文在簡(jiǎn)述斜壓不穩(wěn)定理論建立的背景的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了趙九章、查尼和伊迪在斜壓不穩(wěn)定方面開展的研究工作，分析了三位科

3、學(xué)家各自的研究特點(diǎn)，通過對(duì)比他們的個(gè)人經(jīng)歷及研究思路，重點(diǎn)分析了趙九章未能使得斜壓不穩(wěn)定理論提前一年建立的原因?；趯?duì)斜壓不穩(wěn)定理論來(lái)龍去脈的追溯，進(jìn)而圍繞該理論對(duì)大尺度大氣運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題、波流相互作用及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等三個(gè)方面的推進(jìn)作用進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述，重點(diǎn)通過溫帶氣旋個(gè)例分析闡述了斜壓不穩(wěn)定理論對(duì)天氣預(yù)報(bào)的指導(dǎo)意義。
　　本研究通過對(duì)比三位科學(xué)家的研究工作，重點(diǎn)分析了趙九章未能建立斜壓不穩(wěn)定理論的原因：趙九章1946年發(fā)表在Jou

4、rnal of Meteorology上的論文，最早提出了“斜壓不穩(wěn)定”這一概念，文中給出了不穩(wěn)定的臨界波長(zhǎng)，并闡述了在不穩(wěn)定擾動(dòng)情況下能量的轉(zhuǎn)換，以及不穩(wěn)定波對(duì)大氣環(huán)流帶來(lái)的可能影響，這在當(dāng)時(shí)都是十分超前的思想。但由于其研究思路局限在大氣水平運(yùn)動(dòng)上，最終導(dǎo)致其與斜壓不穩(wěn)定理論的成功建立失之交臂，其論文本身存在的一些亮點(diǎn)也因此被后人忽略。查尼于1947年采用濾波和尺度分析等方法，將大氣擾動(dòng)方程簡(jiǎn)化為一個(gè)可以求解的系統(tǒng)，推導(dǎo)出大氣穩(wěn)定狀態(tài)

5、的判據(jù)，建立了斜壓不穩(wěn)定理論；而且其“副產(chǎn)品”——準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式也被成功地應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)實(shí)踐中，促使數(shù)值天氣預(yù)報(bào)首次獲得成功。1949年，伊迪在查尼研究工作的基礎(chǔ)上通過合理的簡(jiǎn)化方法，得到了更為簡(jiǎn)潔的模型。將上述三位科學(xué)家的個(gè)人經(jīng)歷、教育背景、研究思路和論文特征等進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，個(gè)人經(jīng)歷和教育背景對(duì)研究工作的創(chuàng)新有重要影響，而中國(guó)科學(xué)家在各方面都不占優(yōu)勢(shì)的情況下，能夠率先提出大氣動(dòng)力學(xué)中“斜壓不穩(wěn)定”這樣的關(guān)鍵問題，實(shí)屬不易，其理

6、論貢獻(xiàn)的歷史價(jià)值應(yīng)被給予肯定和重視。
　　斜壓不穩(wěn)定理論對(duì)實(shí)際天氣過程具有重要的指導(dǎo)作用。本文在詳細(xì)分析斜壓不穩(wěn)定理論對(duì)相關(guān)領(lǐng)域（大尺度大氣運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題、波流相互作用、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)）重要推動(dòng)作用的基礎(chǔ)上，選擇了3個(gè)天氣實(shí)例進(jìn)行具體應(yīng)用與分析。利用NCEP/NCAR1°×1°格點(diǎn)再分析資料，對(duì)分別生成于冬季海洋、夏季陸地和春季入海的3個(gè)溫帶氣旋在初生、發(fā)展和成熟階段的500hPa高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)配置，以及位勢(shì)高度、溫度、垂直速度和水

7、平散度的垂直剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明，斜壓不穩(wěn)定在溫帶氣旋的初生和發(fā)展過程中起到重要的促進(jìn)作用，3個(gè)天氣個(gè)例表現(xiàn)出的垂直結(jié)構(gòu)也與伊迪和查尼研究給出的理論模型非常相似。
　　最后，在對(duì)比三位科學(xué)家有關(guān)斜壓不穩(wěn)定理論的代表著作，并利用實(shí)例加以驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，本文嘗試提出斜壓不穩(wěn)定理論對(duì)科研創(chuàng)新的啟發(fā)和指導(dǎo)意義：（1）某一學(xué)科的突破性進(jìn)展很大程度上依賴于其他學(xué)科或技術(shù)的發(fā)展；（2）某一科學(xué)成果的出現(xiàn)離不開前人大量研究成果的積累