PDF《斜压不稳定理论的发展历程分析 س》

2 斜压不稳定理论的发展历程

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2 0年前后, 皮叶克尼斯等在挪威沿海地区建 立了较为稠密的地面气象观测站, 得益于这些站点 的观测资料, 其从绘制的天气图中总结了大量的天 气现象,由此给出了锋面和温带气旋模型(Bjerknes,1919;

B j e r k n e s , e ta l ,

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2 2) , 并 指出 冷、 暖气团同时存在并维持性质差异 是气 旋形成的关 键, 暖空气被冷空气抬升并由于地转运动的作用最 终导致气旋的形成( 叶鑫欣等,

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1 4) .1

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9 年, 罗 斯贝提出大气长波理论, 指出天气尺度系统相对于 基本纬向气流是向西传播的( 陈国森等,

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1 2) .尽 管挪威学派锋面模型和罗斯贝长波理论已经给出了 气旋发展过程和移动的描述, 对于其机理和三维结 构问题并没有理解透彻.对于天气预报而言, 发生 和发展机制显然更加重要, 长波理论的提出也使得 一批气象学家更加关注天气系统 发生 和发展的问 题.斜压不稳定理论就是这一时期的重要成果, 它 将挪威学派的气旋理论与芝加哥学派的长波理论很 好地联系起来了. 2.

1 斜压不稳定概念的提出 许多文献( 叶笃正等,

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9 7;

钱伟长,

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1 1;

钟琦 等,

2 0

1 3;

许小峰等,

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1 4) 指出, 赵九章首次提出斜 压不稳定的概念, 其研究论文比美国气象学家查尼 的工作早发表1a .《 中 国大 百科 全书》 ( 大气科学 卷) 记载: 公元1

9 4 6年, 中国赵九章提出行星波不 稳定概念 . 赵九 章有关斜压不稳定问题的研究成果于1946年发表于《 J o u r n a lo fM e t e o r o l o g y 》 ( 后更名为 《 J o u r n a l o f t h eA t m o s p h e r i cS c i e n c e s 》 ) 第3卷.该 论文( J a w,

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4 6) 首次提出了长波斜压不稳定的概 念, 并指出由于实际大气是斜压的, 长波在斜压状态 下可以是不稳定的, 即振幅将随时间延长而形成天 气图上气压场的槽、 脊分布和发展.1

9 4 6年赵九章 访问芝加哥大学做的相关学术报告, 引起了国际气 象学家的关注( 吴阶平等,

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0 5) .虽然该研究结果 具有一定的局限性, 但不可否认, 斜压不稳定的概念

6 1

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2 0

1 8,

7 6 (

2 ) 是赵九章首次提出的, 同时, 其关于扰动对基本场作 用的认识在当时也是相当超前的. 该论文使用了假设水平、 无辐散、 等温等处理方 法, 研究了中纬度斜压大气中大气环流的扰动情况, 提出了斜压大气中存在一个临界波长, 当波长超过 该临界值时, 扰动将变得不稳定.赵九章指出, 尽管 罗斯贝解释了波向西传播的特征, 并求出了传播速 度, 但并未能解释波动是如何维持的.同时, 他提出 因为海 陆分布不均, 气压场和温度场分布不重合, 这种不一致会形成力管场, 而力管场是维持扰动涡 度变化的原因.因此, 他尝试发展一套不稳定性的 理论, 来解释大气 波动, 特别 是定 常波( 永久 性槽、 脊) 分布的原理. 赵九章首先对动力学方程组的扰动进行线性化 并假设运动的扰动场水平无辐散, 之后基于一般涡 度方 程推导得出频散方程和临界波长. 并且用Haurwitz独立研究的最小临界波长的数值计算结 果( 图1 ) 证实了自己的结果: 假设温度梯度( γ ) 为4℃/ (

1 0

0 0k m) , 西风风速为4m / s , 纬度为4

5 ° 时, 最小临界波长为1

8 0 0k m.并且从临界波长方程可 以看出, 相同的条件下, 在更高的纬度, 最小临界波 长将变大.此外, 在同一纬度上某一点, 临界波长分 别随着经向温度梯度和风速的增大而增加. 图1 H a u r w i t z提供的最小临界波长的 数值计算结果( J a w,