理論氣象學

氣象學按研究方法上分為理論氣象學和實驗氣象學。理論氣象學是氣象學的主要分支之一，用數學和物理學方法從理論上研究大氣現象和過程的學科，包括動力氣象學、大氣物理學等 ^[1]  。

理論研究有三大部分，除觀測外，物理和數學對理論研究亦很重要。理論可以從兩方面產生，一方面是從觀測數據中直接建立出來的，例如分析熱帶氣旋強度的德沃扎克分析法，另一方面是從物理理論或其他氣象理論演化出來的，例如地轉方程、氣壓梯度方程等。物理理論很多時需要數學的幫助，反過來説，數學語言有時更能使人們明白物理和氣象理論。

十七世紀三項理論的並行發展為流體力學的成長鋪平了道路。它們是：

（1）流體是一種可對固體運動產生阻力的氣體或液體的連續性物質的概念；

（2）質量、動量和機械能守恆的運動諸定律的形成，它們不僅適用於固體而且還可用於流體的彈性作用（即聲音傳播）；

（3）微積分的發展。這些科學發展在牛頓（1699）和萊布尼茲（1693）的著作中達到了頂峯。他們的工作繼承了前人——特別是伽利略、笛卡爾和開普勒的重要實驗成果和思想成果，以及年代更早的阿基米德的流體靜力學工作。

“經典”流體力學的發展是在十九世紀中葉完成的，與熱力學原理幾乎同時確定。在流體力學發展中一些傑出的學者是D·伯努裏（1738）、達朗伯（1752）、歐拉（1755）、拉格朗日（1781－1789）、納維（1882）、斯托克斯（1845）以及赫姆霍茲（1858，1868）。

十九世紀末，人們開始重視真實流體的湍流不穩定屬性（如布辛尼斯克、凱爾文、雷利、普朗特、泰勒、施密特、海森堡、柯莫格羅夫以及其他許多學者）和熱對流特徵。非經典流體力學向氣象學的發展則始於皮葉克涅斯對環流定理的系統闡述（1898），這第一次展示了在大氣和海洋中十分重要的密度變化的動力學效應 ^[1]  。

大氣熱力學在20世紀70年代以前其基礎是經典熱力學，而且僅視為大氣動力學的一個補充，如40年代的熱成風發展理論，提出了熱成風概念及其力學表達；與此同時在位温、假相當位温等概念的基礎上發展了熱力學圖表，供天氣預報實踐使用。 ^[2] 

20世紀70年代以來，物理學在熱力學方面取得了突破性進展，Prigogine等提出了耗散結構的概念和理論，形成布魯塞爾學派，並因此獲得了諾貝爾獎，這也推動了大氣熱力學的發展。例如發展了大氣系統的熵平衡理論和熱力學熵模式，探討了大氣中的自組織現象。提出了全球氣候是一種最小熵交換系統的概念，由此構造全球模式對氣候進行了模擬。耗散結構是指當系統處於遠離平衡態時，通過系統與外界進行能量和物質交換而形成且維持的一種由非線性機制產生的有序結構，即在非平衡態下宏觀系統的自組織現象。颱風、龍捲風無疑是一種耗散結構，因為必須不斷從周圍環境中吸取能量才能生存和發展。封國林等運用觀測資料分析表明，它們還是一種自組織臨界態系統。 ^[2] 

20世紀80年代起，隨着氣候和全球變化研究的進展，熱力學被放到越來越重要的位置上，因為熱力學因子對大氣和地球系統的長期行為更為重要。已出版的大氣熱力學專著幾乎都基於經典力學的範疇。關於非平衡態熱力學在大氣科學中應用的研究已取得了若干進展，如研究大氣中各種系統的熵平衡，研究大氣中的耗散結構等；大氣系統以及大氣中的子系統，如温帶氣旋、熱帶氣候、鋒區等，都處於非熱力平衡態，具有耗散結構特徵。 ^[2] 

20世紀90年代以來，國內外大氣科學領域對大氣熵理論、求解熱力學方程的福克-普朗克(Fokker-Planck)途徑等方面都進行了有成效的研究，豐富了非線性大氣熱力學。把動力變量和動力方程變換為熵表達形式，也已有這方面的嘗試，其思路是直接把動力變量類比地看作為一個温度變量來定義熵函數。大氣的外來能量主要源於太陽輻射，少量通過火山爆發等來自地核，因此，大氣過程是一種不可逆過程，對此人們已進行了理論和模式研究，其中包括運用簡單模式和全球模式進行的對熱響應、熱慣性、熱耗散和非線性過程等問題的研究。 ^[2] 

信風成為第一個得到合理解釋的大氣運動特徵是不奇怪的，它是人們所認識到的與全球日射分佈具有同樣尺度的第一個有規律的大氣運動現象。

最早作出嘗試性解釋的是哈利（1686），他把這一現象歸因於太陽繞地球的西行視運動，但他僅認識到對流作用。真正提出地球自轉效應的是哈德萊（1735）還有獨立進行研究的道爾頓（1843），他們推測被對流驅使沿經向向赤道運動的空氣應向西偏轉。但是他們沒有認識到在自轉的地球上向任何方向運動的空氣都會發

生偏轉。這一事實首先是由科里奧利（1835）和泊松（1839）歸納成數學形式，而由特雷西（1843）正確地用於氣象學，以解釋風暴的旋轉特性。達夫（1837）在哈德萊理論上又加上這樣觀點，即所觀測到的中緯度的非規律性運動是由於極地氣流與赤道氣流的交鋒。這一含糊的（雖然部分是正確的）觀點一直沒有得到實質性的闡明而被保留到十九世紀末。與此同時，莫里（1855）根據他對半球海洋上風的測值紀錄提出一個新的經向環流模式。按照他的説法，這個模式還能夠説明中緯度盛行西風帶的形成原因。這一模式的缺陷促使費雷爾（1856）提出一個從力學角度講比較圓滿的模式，其中包括了一個使他成名的中間環流圈。J·湯姆森（1857）也獨立地提出了一個類似的模式。

不滿足於僅僅提出描述性的物理觀點，費雷爾第一次列出大氣運動方程組並以恰當的近似植獲得了一個符合於他的模式特徵的解（1859－1861），這標誌着現代動力氣象學的開端。一個附帶的結果是地轉公式，它把白貝羅風壓場關係經驗法則置於數學基礎之上。費雷爾理論的進一步精細化則是由是戈德堡、莫恩（1876一1883）和奧伯拜克（1888）等人所完成的。然而，最有意義的新觀點是由赫姆霍茲（1888）提出的：他認識到了摩擦的重要性，他作為普通流體力學不連續理論（1868）的創始人，把這一理論用於波狀雲並且還提出極鋒的波狀渦旋擾動觀點。後一觀點為赫爾曼斯發展（1894），提出了探討大氣中氣旋和“主”氣流的正確關係的最新思路 ^[3]  。

十九世紀，氣象學者都在爭論“局地”風暴成因的解釋，主要是把它看成與反氣旋區域與大氣環流沒有什麼關係的一種獨立現象。爭論的焦點是關於風暴運動的能量來源。埃斯皮、盧米斯、費雷爾以及戈德堡和莫恩等研究者認為風暴主要是因對流潛熱釋放所驅動。這一觀點似乎可由對風暴熱力結構的觀測所證實。

然而，以漢恩（1891）為首的研究者卻根據歐洲山區的觀測資料得到了相沖突的證據，這使他們提出主氣流某種形式的動力不穩定是能量的來源。

1903年，馬古勒斯説明了風暴怎樣通過高地對流翻騰獲得它們的能量。1906年，他導出了鋒面不連續的平衡條件。後來，（挪威）卑爾根小組和柯茨欽（1935）解釋了氣旋怎樣才能由於鋒面波動不穩定而生成。此過程既包括為達到平衡所需要的來自切變運動的動能輸送，也包括由上下翻騰機制造成的勢能轉換。與此同時，他們解釋了所觀測到的不同地方風暴的熱力特徵上的差異是如何形成的：它是由風暴移動並從對流階段演化到非對流階段時的波動結構變化而引起的。其後一個重要貢獻是傑弗裏（1933）對氣旋和反氣旋在大氣動量收支方面的重要討論。“高空波比有關的低空氣旋是更為重要的能量儲所”的發現，以及其後在二次世界大戰前的羅斯貝（根據赫姆羅茲淄區定理）和戰後的查尼、伊迪、弗焦夫特、伊萊亞森、斯塔爾、郭曉嵐、洛倫茨和菲利普斯等學者對高空波的理論分析，最終導致了確定大氣中大尺度運動的相當完整的概述，而以菲利普斯（1956）成功地為大氣環流主要特徵得出數值解而達到頂峯。在此概述中，波動和渦旋是作為消除太陽能所引起的主要熱力不平衡的基本方式而出現的。作為地球自轉的附帶產物，這些波動傾向於輸送動量以維持緯向氣流。

最新的理論進展很大程度上是由於泰勒、富爾茨和海德這些學者對轉動並受熱力驅動的流體的實驗工作。這一研究的實驗方向最初是由威汀（1857-1884）在有關大氣環流問題中提出的 ^[3]  。

十九世紀，潮汐振盪和聲學重力振盪的理論曾是許多學者感興趣的課題，如拉普拉斯（1799－1827）、凱爾文（1882，他首先提出諧振的重要性）、雷利（1890）和馬古勒斯（1890－1892）以及本世紀的許多其他學者，包括泰勒、查普曼、巴特爾斯、索爾伯格和佩克利斯等。近來年，由於大氣熱力結構和核爆炸衝擊波傳播的觀測資料，他們的許多成果一直處於爭論之中。

關於由陸地和海洋受熱差異引起不穩定的風（季風、海陸風）以及由於地形引起的局地風（背風波、焚風、山谷風）的理論主要是二十世紀中建立的。

雖然颶風很早以前就被人認識到是所有渦旋現象中最強烈最有規律的一種，但是完備的理論是最近才開始露頭。對於尺度更小的陸龍捲以及其他中尺度現象如路線等的情況也是如此。一定程度上，所有這些研究的主要問題一直取決於對積雲生長和結構機制的理解 ^[1]  。

十九世紀初以來，雲和降水理論一直是根據簡單的熱力學論據（如埃斯皮，1841）進行探討，之後獲得許多重要成果，如艾特肯對凝結核的研究，以及韋報納（1911）、伯傑龍（1935）和芬德森（1937）關於降水機制的設想。對雲進行人工影響的發現（蘭米爾和謝菲爾，1947）和雷達的發展是推進現代理論發展的重要刺激劑，包含着雲塊運動和凝結過程兩者同時發展的動力學理論只是剛剛開始。在這方面，很早就把雷利的對流不穩定理論應用於雲的是布侖特（1925）。

大氣亂流和邊界層理論其起源主要歸功於埃克曼（1925）、泰勒（1915）和施密特（1925）的開創性工作，其後有許多進一步的成果（如裏查森和羅斯貝的貢獻）。邊界層的完整理論是一門有着巨大現實意義的課題，這不僅因為邊界層對人類有內在的重要意義，而且還因為它作為能量輸送和消散的主要場所，對所有較大尺度的運動具有最終的影響。

理論氣象學所有領域近年來都由於引入高速計算機而獲得巨大益處，此工具可以解出較充分地表達大氣活動的複雜非線性特徵的方程組。計算機的出現鼓勵了人們對某些類型的大氣活動進行常規數學分析，但這類工作在計算機問世之前也是能夠進行的（如穩定性和一級能量輸送的研究） ^[3]  。