斜壓不穩(wěn)定理論的發(fā)展歷程及其應(yīng)用研究.pdf

1、20世紀上半葉是大氣科學基礎(chǔ)理論發(fā)展突飛猛進的時期，是大氣科學理論研究成果產(chǎn)出最為豐碩和集中的時期。其中，斜壓不穩(wěn)定理論就是這一時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)天氣尺度擾動生成和發(fā)展的機制，是繼長波理論之后大氣動力學上的又一重大進展，同時也是簡化大氣運動方程并最終使數(shù)值天氣預(yù)報實踐成功的出發(fā)點和理論基礎(chǔ)之一。盡管距離該理論的提出已經(jīng)過去了將近70年，但它對現(xiàn)代天氣預(yù)報的指導意義仍無可比擬。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)軍科學家的歷史貢獻與不足，為深刻認識斜壓不穩(wěn)定理論的誕生過程、歷史啟迪和現(xiàn)實意義提供科學依據(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，同時也包含了伊迪（Eric Eady）和趙九章等眾多學者的重要貢獻。本文在簡述斜壓不穩(wěn)定理論建立的背景的基礎(chǔ)上，重點闡述了趙九章、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、學家各自的研究特點，通過對比他們的個人經(jīng)歷及研究思路，重點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π眽翰环€(wěn)定理論來龍去脈的追溯，進而圍繞該理論對大尺度大氣運動穩(wěn)定性問題、波流相互作用及數(shù)值天氣預(yù)報等三個方面的推進作用進行了簡要綜述，重點通過溫帶氣旋個例分析闡述了斜壓不穩(wěn)定理論對天氣預(yù)報的指導意義。
　　本研究通過對比三位科學家的研究工作，重點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，并闡述了在不穩(wěn)定擾動情況下能量的轉(zhuǎn)換，以及不穩(wěn)定波對大氣環(huán)流帶來的可能影響，這在當時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動上，最終導致其與斜壓不穩(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，將大氣擾動方程簡化為一個可以求解的系統(tǒng)，推導出大氣穩(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”——準地轉(zhuǎn)模式也被成功地應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報實踐中，促使數(shù)值天氣預(yù)報首次獲得成功。1949年，伊迪在查尼研究工作的基礎(chǔ)上通過合理的簡化方法，得到了更為簡潔的模型。將上述三位科學家的個人經(jīng)歷、教育背景、研究思路和論文特征等進行對比分析可以看出，個人經(jīng)歷和教育背景對研究工作的創(chuàng)新有重要影響，而中國科學家在各方面都不占優(yōu)勢的情況下，能夠率先提出大氣動力學中“斜壓不穩(wěn)定”這樣的關(guān)鍵問題，實屬不易，其理

6、論貢獻的歷史價值應(yīng)被給予肯定和重視。
　　斜壓不穩(wěn)定理論對實際天氣過程具有重要的指導作用。本文在詳細分析斜壓不穩(wěn)定理論對相關(guān)領(lǐng)域（大尺度大氣運動穩(wěn)定性問題、波流相互作用、數(shù)值天氣預(yù)報）重要推動作用的基礎(chǔ)上，選擇了3個天氣實例進行具體應(yīng)用與分析。利用NCEP/NCAR1°×1°格點再分析資料，對分別生成于冬季海洋、夏季陸地和春季入海的3個溫帶氣旋在初生、發(fā)展和成熟階段的500hPa高度場和溫度場配置，以及位勢高度、溫度、垂直速度和水

7、平散度的垂直剖面結(jié)構(gòu)進行較為系統(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作用，3個天氣個例表現(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，在對比三位科學家有關(guān)斜壓不穩(wěn)定理論的代表著作，并利用實例加以驗證的基礎(chǔ)上，本文嘗試提出斜壓不穩(wěn)定理論對科研創(chuàng)新的啟發(fā)和指導意義：（1）某一學科的突破性進展很大程度上依賴于其他學科或技術(shù)的發(fā)展；（2）某一科學成果的出現(xiàn)離不開前人大量研究成果的積累