吕建华
《大气环流的若干基本问题》重印前言 精选
2018-8-12 07:08
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 科学出版社选择叶笃正和朱抱真先生著的《大气环流的若干基本问题》等12种作为地学经典出版。这是吴国雄老师和我为《大气环流的若干基本问题》重印撰写的前言。

《大气环流的若干基本问题》重   

吴国雄 吕建华

《大气环流的若干基本问题》(叶笃正和朱抱真)初版于1958 ,至今已 经整整一个甲子。此次科学出版社选择此书以典藏版重印,就此书在科学上的 重要意义和影响而言,无疑是非常适合的,也是对两位作者很好的纪念。但除 了对经典的敬意,历史的怀旧和先贤的缅怀,重印此书更是对未来的展望。这 是因为本书并不只是一部代表过去时代成就的著作,更是一部依然富有理论活 力和现实意义的对大气环流理论的总结,年轻一代的理论工作者仍然可以从本 书汲取营养。这里就本书成书的背景和特点稍作介绍,冀以帮助读者更好地在 过去几十年中大气环流理论发展的背景中理解此书的独特地位和作用。

本书是现代大气长波理论发展以来对大气环流现象和理论作系统总结的首部 概览性著作。二十世纪中叶,随着高空探测网络以及大气长波理论的发展人们对大气环流的理解进一步深入。叶笃正先生作为芝加哥学派的重要成 ,熟知当时大气科学界对大气环流理论争论的焦点。新中国成立以后,以叶笃正、顾震潮先生为首的中国科学家在大气环流方面又做出了大量原创 性工作。 1956  N.A. Phillips 发表了历史上第一个成功的大气环流数值试 (Phillips, 1956)。次年叶笃正和朱抱真在北京的中国气象学会北京分会 上报告了他们对大气环流基本问题认识的总结,并在 1958 年由科学出版社 出版,也就是本书(以下简称《基本问题》)。西方同类性质的对大气环流理 论的概览和总结的出现,要到近十年以后才由 E.N. Lorenz 应世界气象组织(WMO)的邀请撰写了《大气环流的性质和理论》一书(Lorenz,1967)

半个多世纪过去,《基本问题》一书的很多内容已经成为大气环流教材 中的基本知识,而大气环流理论研究在近几十年中无论在研究内容的广度 还是在理论的深度方面,也都取得了长足的进展。但是两位作者对大气环流 理论的深刻洞见和对大气环流内在统一性的认识,并没有随着时间的流逝而 失去光彩。相反地,随着观测、模式和理论的发展,很多《基本问题》已经 涉及到的问题正在再次被新一代的理论工作者重视,而新的研究也往往证实 了叶笃正和朱抱真先生在书中表达观点的正确性。从这个意义上说《基本问 题》一书的很多观点是超越于作者所处的时代的。除了两位作者在书中表达的观点,他们采用的科学方法,他们对问题物理本质的理解,他们的广阔视 ,他们的理论风格,还有他们对大气环流内在统一性的探索和认识,用今 天的眼光看来依然新鲜而充满活力,能够给新一代的研究者们提供理论的 营养。

单从《基本问题》全书目录就可以感觉到本书内容的丰富和全面,正如 Hoskins(Hoskins,2014)所说的那样,“章节目录显示他当时思想的开创性 和横扫六合的气概”(“the chapter headings give an idea of the broad sweep and ground-breaking nature of his ideas at this time”)。全书共分为十一章。第一章 从北半球大气环流的主要观测现象出发,提出了大气环流的九个主要问题作为全书的纲领。这九个问题是 :

(1)为什么大型的大气运动基本上维持地转风平衡?

(2)为什么有观测到的平均东西风带及与之相联系的三个经圈环流?西 风急流的成因和维持机理是什么?

(3)西风带平均槽脊及其相联系的活动中心的形成原因是什么?

(4)平均温度场的形成原因是什么

(5)大气环流的指数循环和季节突变的相关物理过程和动力、热力原因是什么?

(6)大气环流的()动量平衡机制是什么?

(7)大气环流的动能平衡是如何维持的?

 (8)大气环流的热量平衡是如何维持的?

 (9)大气水分循环和大气环流的内在联系是如何的?

两位作者指出以上问题又可以归结为两个方面 :一是为什么大气环流具有人们所观测到的平均状态 ;另一方面是从已有的状态出发,讨论大气环流 的内在统一,说明已有状态的维持。后面第二到第十章分别对各个问题介绍 当时最新的研究,其中相当部分是当时由叶笃正和顾震潮等领导的中国科学 家的工作。在此基础上,根据两位作者对大气环流的理解对这些研究作了深 入的剖析和述评,并提出作者对以上各个问题的理论解释。最后的第十一章 除了对各章的总结,作者更进一步地从大气环流的内在统一性将前面各章的 内容有机地联系起来,给出了两位作者对大气环流的整体图像。

在对各单个问题作具体分析的各章中,都有很多现在读来依然富有新意 的理论创见。比如在第三章对准地转平衡的分析中,已经提到了地转适应过程对尺度的依赖性并给出了物理解释。叶笃正对地转适应的进一步研究后来出现在他和李麦村发表的专著《大气运动的适应问题》(叶笃正和李麦村, 1965)。在对西风带平均槽脊形成(第五章)的分析,除了介绍国外学者的线性微扰动理论,更介绍了巢纪平的有限振幅扰动理论(巢纪平,1957) 同时他们强调了中国科学家首先提出的地形和热力的共同和相互作用。以朱 抱真(1957)为例作者令人信服地指出单纯的地形或者热力强迫都不能解 释冬季东亚和北美大槽的位置,而必须将两者结合起来才能有效地说明。在 对角动量平衡的分析中,两位作者在书中给出了北半球地形对角动量平衡影 (即山脉力矩)及其季节变化的计算结果。Lorenz(1967)后来在他的专 著中讨论角动量平衡时采用了他们的结果。

《基本问题》一书具有鲜明的理论风格。简单地说,这些风格体现在数 学的简约和物理图像的清晰之间的统一,体现在作者从局部特殊现象中寻 找普遍性规律的高超能力,更体现在作者从大气环流的复杂多面性背后寻求 内在统一性的理论穿透力。这尤其突出地体现于两位作者对大气环流内在统 一性的探索。在对大气环流的主要成员和过程分别作了深入的分析和讨论之 ,两位作者进一步在第十一章中试图将上述各个方面的问题联系起来, 讨大气环流的内在统一性。这种内在统一性既体现在大气环流中各主要成员 的相互关系中,又体现在大气环流中主要物理量平衡过程的相互关系中。两 位作者明确指出,“大气环流的基本成员——经圈环流、东西风带、西风急 流、大型涡旋、平均槽脊和平均温度场都是相互制约的内在统一体。而在这 种内在统一的过程中长波不稳定所生成的大型涡旋成为中心环节,联系着各 个方面”(《基本问题》第 129 )。对于大气环流的基本物理过程,两位作 者指出大气斜压不稳定造成的大型扰动是它们(各种物理平衡过程)相互 联系、相互制约的一个重要的中心环节,它将各种基本成员和各种主要物理 量平衡过程有机地联系起来、贯串起来,成为大气环流的内在统一”(《基本 问题》第 133 )。联系最近几十年大气环流理论的进展,我们可以强烈感 受到两位作者在书中所提出观点在物理上非常深刻,而且超越于他们所处 的时代因为当时大气环流的理论研究尚处于萌芽阶段。

在本书出版的一个甲子以后,尽管对大气环流的观测和理论认识已经取 得长足进展,一个完整统一的大气环流理论迄今尚未出现因此两位作者在 书中的探索对年轻一代的理论工作依然有重要的参考价值。另外,通过和气 候变化问题相联系,《基本问题》一书所提出的问题增加了一个新的维度也就是这些大气环流的基本成员、过程及其内在统一性会随气候变化而作什 么样的变化,以及它们在气候变化又起什么作用等等。这些正是现在方兴未 艾、广受关注的问题。 在这样的时刻,重读《基本问题》不只是为了记住 两位作者的历史贡献,更重要的是学习他们的远见和方法,从中汲取理论营 ,解决新的关于大气环流的科学问题。

巢纪平.1957.斜压西风带中大地形有限扰动的动力学.气象学报,28(4): 303–314. Chao Jih-ping. 1957. On the dynamics of orographically produced finite perturbations in a baroclinic westerlies. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 28(4): 303–314.

Hoskins B. 2014. Obituary: Professor Duzheng Ye (1916–2013). Weather, 69(3): 82–83, doi:10.1002/wea.2281.


Lorenz E N. 1967. The Nature and Theory of the General Circulation of the Atmosphere. Geneva: World Meteorological Organization, 161pp.


Phillips N A. 1956. The general circulation of the atmosphere: A numerical experiment. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 82(352): 123–164.


叶笃正,李麦村.1965.大气运动中的适应问题.北京:科学出版社,126pp. Yeh Tu-cheng, Li Mai-tsun. 1965. On the Adaptation of the Atmospheric Motion (in Chinese). Beijing: Science Press, 126pp.

朱抱真.1957.大尺度热源、热汇和地形对西风带的常定扰动().气象学报,28(3): 198–224. Chu Paochen. 1957. The steady state perturbations of the westerlies by the large-scale heat sources and sinks and earth’s orography (II). Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 28(3): 198–224.

[对这本书更全面的介绍,可参读2016年《大气科学》杂志的文章 www.dqkxqk.ac.cn/dqkx/dqkx/ch/html/20160108.htm ]


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