動力氣象學

“動力氣象學”是大氣科學各專業的基礎課，系統地講述旋轉大氣運動的基本規律，介紹研究大氣運動的基本方法和重要結論。

動力氣象學（dynamic meteorology）從理論上研究發生在旋轉地球上的大氣狀態和運動的演變規律的學科。它根據物理學和流體力學的基本規律和數學原理探討發生在大氣中的各種熱力過程和動力過程及其相互作用，既是大氣科學的一個分支，又是流體力學的一個分支。動力氣象學包含大氣熱力學和大氣動力學。大氣熱力學根據物理學和熱力學的基本原理研究大氣中的各種熱力過程（如輻射、相變、湍流擴散）的演變；而大氣動力學主要根據物理學和流體力學的基本原理研究大氣中的各種動力過程（如對流、颱風、長波）的演變。由於大氣狀態和運動的演變既包含了熱力過程又包含了動力過程，因此，大氣中的熱力過程和動力過程是相互聯繫和相互作用的。

由於近代數學和物理學的巨大成就，使動力氣象學已經發展成為大氣科學的重要分支。無論是關於中緯度擾動的發展，還是大氣環流、中小尺度運動系統以及熱帶環流和颱風的發展過程等方面，都逐步形成了較完整的體系。而應用這些理論於天氣預報實踐，形成了完整的數值天氣預報這門學科，使天氣預報逐步走向定量化、客觀化。 ^[1] 

但是由於影響大氣運動的因素十分複雜，因此它已經取得的成就離問題的最後解決尚有很大的距離。

近代動力氣象學起源於北歐 ^[2]  ，在20世紀20年代，提出了鋒面氣旋學説，形成了以V.皮耶克尼斯為代表的挪威學派。相應地在蘇聯，也有以H.E.柯欽為首的一系列工作。到30年代，由於無線電探空儀的使用，對高空的大氣運動形式有了新的認識，發現了中緯度高空的大氣環流在具有自西向東的繞極運動（指北半球）之上，疊加有波長達數千公里的波動。這些波動除有自身的結構和運動規律外，還與低空的鋒面氣旋存在內在的聯繫。對於這種波動現象，瑞典氣象學家C.-G.羅斯比(1939)首先在理論上指出，這是由於科里奧利參數φ隨緯度變化造成的，從而提出了長波（行星波）理論（見大氣波動、大氣動力方程）。這是動力氣象學歷史上的一個重大發展，並由此引出一系列研究，從而形成了以羅斯比為首的芝加哥學派。除行星波外，芝加哥學派的主要貢獻有：提出了大氣運動的地轉適應（羅斯比，1938；見大氣地轉適應）；行星波的能量頻散（羅斯比，1945；葉篤正，1949）；西風帶急流的形成理論及其在大氣環流中的重要作用（E.H.帕爾門，1951；羅斯比，1947）；行星波的正壓和斜壓不穩定性（J.G.查尼，1947；郭曉嵐，1949；見大氣動力不穩定性）。芝加哥學派對動力氣象學的貢獻為數值天氣預報的發展奠定了理論基礎。

50年代以來，在中小系統動力學(Л。Н.古特曼)、熱帶波動（松野太郎）、大氣環流和氣候形成的數值模擬（N.A.菲利普斯，J.斯馬古林斯基）等方面取得了新的成就。至60年代，短、中期數值預報已成為業務預報的一種主要方法。

中國在開展動力氣象學研究方面的創始人是趙九章，他曾經早在20世紀 30年代就提出了信風形成的熱力學理論(1935)，並最早提出了行星波斜壓不穩定性的概念(1946)。中國在發展動力氣象學方面的其他主要成就有：

①大氣環流。研究了青藏高原和它的熱源對大氣環流形成的動力和熱力作用（葉篤正、顧震潮、朱抱真、巢紀平，1957），東亞及其鄰近地區大氣環流的冬、夏平均結構及其季節變化過程（葉篤正、陶詩言、顧震潮，1957～1958），平均狀態大氣環流的形成和維持機制等（葉篤正，1950）。

②地轉適應過程。發展了適應過程的尺度理論（葉篤正，1957；曾慶存，1963;陳秋士，1963），並進而把這一概念發展到旋轉適應過程(曾慶存，1979)和中、小尺度運動中風場和氣壓場的適應（葉篤正、李麥村，1964）。

③濕斜壓大氣的天氣動力學。提出了濕斜壓大氣的概念和理論（謝義炳，1978）。

④中小尺度系統動力學。首先建立了適用於中小尺度系統的動力學方程組（巢紀平，1962），並由此研究了積雲對流（巢紀平、周曉平，1964），還提出了過山氣流出現氣壓跳躍的臨界條件(巢紀平等，1964)。

⑤數值天氣預報。最早提出半隱式差分格式（曾慶存，1961），還提出了以能量守恆格式解決計算的非線性不穩定性(曾慶存，1981)和在數值天氣預報中運用歷史資料的方法(顧震潮，1957；醜紀範，1974)，在長期數值天氣預報方面，提出了氣候距平場的預報方案（巢紀平，1977～1982）。 ^[3] 

動力氣象學雖然可以看成是流體力學的一個分支學科，但由於上述大氣運動的特殊性，動力氣象學在研究內容和研究方法上又有自身的特點。它需要針對大氣運動的不同對象及其特點，在一般流體力學方程組中增加反映其特有物理過程（如水汽、輻射和海洋等對大氣的影響）的方程，如水的相變方程、輻射能傳輸方程等。按動力氣象學研究的內容，又可以分成若干分支學科，如大氣動力學、大氣熱力學、大氣環流、大氣湍流、數值天氣預報、大氣運動數值試驗、大氣運動模型實驗等。 ^[4] 

在動力氣象學中，常要考慮大氣中的熱源和各種形式能量的轉換問題。大氣運動的根本能量來自太陽輻射能，大氣和地球表面吸收太陽輻射能後，轉化成大氣的重力勢能和內能，或稱全勢能。像通常的熱機一樣，其中的一部分可以轉換成大氣運動的動能，這部分可以轉換的全勢能稱為有效勢能。據估計，在重力場中，能夠轉換的那部分勢能僅佔全勢能的0.5%左右，也就是説，大氣是一部效率很低的熱機，所以大氣運動的水平速度是不大的。

如果研究的是大尺度的大氣運動，則需要引進一個與地球自轉有關的科里奧利力，在這個力的作用下，使一般流體力學中的，在梯度壓力作用下，流體自高壓向低壓運動的現象，發生了根本的改變：在北半球使原來從高氣壓向低氣壓運動的空氣向右偏轉到接近與等壓線平行的方向，若觀察者順風而立，高壓在其右側，低壓在其左側，在南半球則相反。

一般情況下，大尺度運動中的水平氣壓梯度力和科里奧利力接近平衡，稱地轉平衡。這樣的運動稱準地轉運動，準地轉運動的水平加速度是很小的。另外，在鉛直方向，由於大氣對流層的鉛直尺度只有10公里左右，在這一特殊條件下，重力和鉛直氣壓梯度力接近平衡，這種平衡稱為靜力平衡。

處在靜力平衡或準靜力平衡狀態下的大尺度大氣運動，其鉛直方向的加速度小到通常可以忽略不計的程度。但一些水平尺度較小的大氣運動，如龍捲對流雲等，其鉛直加速度則不可忽略。有人把研究發生在地球上具有上述特徵的運動(包括大氣運動和海洋運動等)，稱為地球物理流體力學。 ^[5] 

過去動力氣象學研究的主要對象以及所取得的重要成果，着重在中、高緯度的大尺度運動方面。隨着觀測工具的進步（如氣象雷達、氣象衞星和觀測資料的豐富，天氣學又對中小尺度天氣系統和熱帶大氣運動等揭露了很多新的現象。相應地，動力氣象學在研究中小尺度運動、熱帶大尺度運動以及平流層大氣運動等方面也取得了新的成果（見熱帶氣象學），其中如颱風發展的動力學研究，熱帶羅斯比-重力混合波的動力學研究等。當前，隨着對全球大氣環流和氣候的形成及其變化的研究，動力氣象學研究的對象已不只侷限於大氣本身，而需要把發生在海洋和陸地中的過程統一起來考慮了。 ^[6] 

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