呂建華

1中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京1000292佛羅里達州立大學海洋—大氣預報研究中心，美國，塔拉哈西32310

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關(guān)于《大氣環(huán)流的若干基本問題》

呂建華1, 2

1中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京100029
2佛羅里達州立大學海洋—大氣預報研究中心，美國，塔拉哈西32310

摘 要本文簡要回顧了《大氣環(huán)流的若干基本問題》的主要內(nèi)容。以書中部分內(nèi)容為例，通過和近期大氣環(huán)流理論的進展相聯(lián)系，指出葉篤正和朱抱真在書中表達的主要觀點，如對大型渦旋在經(jīng)圈環(huán)流中的第一性作用及其作為聯(lián)系大氣環(huán)流各主要成員和物理量輸送中心環(huán)節(jié)的認識，對大型渦旋渦度輸送在急流形成和維持中作用的強調(diào)，以及對大氣環(huán)流成員和過程的內(nèi)在統(tǒng)一性的認識等等，能為后來的理論進展所證實，或者和后來的理論互為補充。兩位作者對大氣環(huán)流物理本質(zhì)和整體圖像的深刻理解對大氣環(huán)流理論的進一步發(fā)展以及理解氣候變化的基本動力學依然具有現(xiàn)實的意義。

關(guān)鍵詞葉篤正 朱抱真 大氣環(huán)流 大型渦旋 經(jīng)圈環(huán)流

資助項目 國家自然科學基金項目41275084、41576025

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grants 41275084 and 41576025)

On “Some Fundamental Problems of the General Circulation of the Atmosphere”

LU Jianhua1, 2

1 State Key Laboratory of Numerical Modelling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
2 Center for Ocean–Atmospheric Prediction Studies, Florida State University, Tallahassee 32310, USA

Abstract This paper revisits the seminal monograph “Some Fundamental Problems of the General Circulation of the Atmosphere” by Yeh and Chu (1958). Taking the theoretical analyses of the mean meridional circulation, the formation and maintenance of the westerly jet, and the internal consistency of the general circulation as examples, the paper analyzes the physical consistency between recent developments in these topics and the views of Yeh and Chu (1958). Some viewpoints of the book, such as the central role of large-scale eddies in mean meridional circulation, the role of eddy-induced vorticity transport in jets, and large-scale eddies as the nexus of the main components of general circulation and physical transport processes of angular momentum, heat, and kinetic energy, illustrate the far-reaching insight of Yeh and Chu on the nature and picture of the general circulation of the atmosphere as a whole. The deep insights of the monograph are still highly meaningful for furthering theoretical research on general circulation and its role in climate change.

Keywords Yeh Tu-cheng (Ye Du-zheng), Chu Pao-chen (Zhu Bao-zhen), General circulation, Large-scale eddy, Meridional circulation

1 引言

二十世紀中葉，隨著高空探測網(wǎng)絡(luò)以及大氣長波理論的發(fā)展，人們對大氣環(huán)流的理解進一步深入。1956年N. A. Phillips發(fā)表了歷史上第一個成功的大氣環(huán)流數(shù)值試驗（Phillips，1956）。次年葉篤正和朱抱真在北京的中國氣象學會北京分會上報告了他們對大氣環(huán)流基本問題認識的總結(jié)，并在1958年由科學出版社出版，也就是《大氣環(huán)流的若干基本問題》（葉篤正和朱抱真，1958）一書（簡稱《基本問題》）。西方同類性質(zhì)的對大氣環(huán)流理論的概覽和總結(jié)的出現(xiàn)，要到近十年以后才由E. N. Lorenz 應世界氣象組織（WMO）的邀請撰寫了《大氣環(huán)流的性質(zhì)和理論》一書（Lorenz，1967）。

半個多世紀過去，《基本問題》一書的很多內(nèi)容已經(jīng)成為大氣環(huán)流教材中的基本知識，而大氣環(huán)流理論研究在近幾十年中無論在研究內(nèi)容的廣度還是在理論的深度方面，都取得了長足的進展。這使得研究者們可能很少再重回頭閱讀這部現(xiàn)代大氣環(huán)流理論的早期名著。但是，盡管《基本問題》一書的大多數(shù)內(nèi)容已經(jīng)廣為人知，兩位作者對大氣環(huán)流理論的深刻洞見和對大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的認識，并沒有隨著時間的流逝而失去光彩。相反地，隨著觀測、模式和理論的發(fā)展，有很多《基本問題》已經(jīng)涉及的問題正在被國際上新一代的理論工作者重新得到重視，而新的研究也往往證實了葉篤正和朱抱真先生在書中表達觀點的正確性。從這個意義上說《基本問題》一書里有很多內(nèi)容是超越于作者所處的時代的。如果僅僅把書的內(nèi)容當成常識和教材，那么這本書的重要意義還是被低估了的。除了《基本問題》里面的很多內(nèi)容還是值得我們繼續(xù)探究的前沿科學問題，兩位作者在書中表達的觀點，他們采用的科學方法，他們對問題物理本質(zhì)的理解，他們的廣闊視野，他們的理論風格，還有他們對大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的探索和認識，用今天的眼光看來依然新鮮而充滿活力，能夠給新一代的研究者們提供理論的營養(yǎng)。

本文內(nèi)容的安排如下：第2節(jié)簡介《基本問題》的主要內(nèi)容；第3～5節(jié)分別以Hadley環(huán)流及平均經(jīng)圈環(huán)流（第3節(jié)）、急流的形成與維持（第4節(jié)）和大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性（第5節(jié)）為例，分析兩位作者在書中表達的觀點及其和相關(guān)問題上后期、近期的理論進展之間的聯(lián)系；最后第六節(jié)是總結(jié)和討論。

2 《基本問題》內(nèi)容簡介

單從《基本問題》全書目錄就可以感覺到《基本問題》一書內(nèi)容的豐富和全面，正如Hoskins （Hoskins，2014）所說的那樣，“章節(jié)目錄顯示他當時思想的開創(chuàng)性和橫掃六合的氣概”（“the chapter headings give an idea of the broad sweep and ground-breaking nature of his ideas at this time”）。全書共分為十一章。第一章從北半球大氣環(huán)流的主要觀測現(xiàn)象出發(fā)，提出了大氣環(huán)流的九個主要問題，作為全書的綱領(lǐng)。這九個問題是：

（1）為什么大型的大氣運動基本上維持地轉(zhuǎn)風平衡？

（2）為什么有觀測到的平均東西風帶及與之相聯(lián)系的三個經(jīng)圈環(huán)流？西風急流的成因和維持機理是什么？

（3）西風帶平均槽脊及其相聯(lián)系的活動中心的形成原因是什么？

（4）平均溫度場的形成原因是什么？

（5）大氣環(huán)流的指數(shù)循環(huán)和季節(jié)突變的相關(guān)物理過程和動力、熱力原因是什么？

（6）大氣環(huán)流的（角）動量平衡機制是什么？

（7）大氣環(huán)流的動能平衡是如何維持的？

（8）大氣環(huán)流的熱量平衡是如何維持的？

（9）大氣水分循環(huán)和大氣環(huán)流的內(nèi)在聯(lián)系是如何的？

兩位作者指出以上問題又可以歸結(jié)為兩個方面：一是為什么大氣環(huán)流具有人們所觀測到的平均狀態(tài)；另一方面是從已有的狀態(tài)出發(fā)，討論大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一，說明已有狀態(tài)的維持。后面第二到第十章分別對各個問題介紹當時最新的研究，其中相當部分是當時由葉篤正和顧震潮等領(lǐng)導的中國科學家的工作。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)兩位作者對大氣環(huán)流的理解對這些研究作了深入的剖析和述評，并提出作者對以上各個問題的理論解釋。最后的第十一章除了對各章的總結(jié)，作者更進一步地從大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性將前面各章的內(nèi)容有機地聯(lián)系起來，給出了兩位作者對大氣環(huán)流的整體圖像。

在對各單個問題作具體分析的各章中，都有很多現(xiàn)在讀來依然富有新意的理論創(chuàng)見。比如在第三章對準地轉(zhuǎn)平衡的分析中，已經(jīng)提到了地轉(zhuǎn)適應過程對尺度的依賴性并給出了物理解釋，葉篤正對地轉(zhuǎn)適應的進一步研究后來出現(xiàn)在他和李麥村發(fā)表的專著《大氣運動的適應問題》（葉篤正和李麥村，1965）。在對西風帶平均槽脊形成（第五章）的分析，除了介紹Bolin的線性微擾動理論（Bolin，1950），更介紹了巢紀平的有限振幅擾動理論（巢紀平，1957），以及國外學者的旋轉(zhuǎn)流體實驗等等。更重要的是，他們強調(diào)了中國科學家——包括兩位作者和顧震潮——首先提出的地形和熱力的共同和相互作用。以朱抱真（1957）為例，作者令人信服地指出單純的地形或者熱力強迫都不能解釋冬季東亞和北美大槽的位置，而必須將兩者結(jié)合起來才能有效地說明。同樣的結(jié)論，但是基于完整的大氣環(huán)流模式的模擬的結(jié)果，我們還能在最近的由年輕一代理論家發(fā)表的文章中看到（如Kaspi and Schneider, 2011）。在對角動量平衡的分析中，兩位作者在書中給出了北半球地形對角動量平衡影響（即山脈力矩）及其季節(jié)變化的計算結(jié)果。Lorenz （1967）后來在他的專著中討論角動量平衡時采用了他們的結(jié)果。更有意思的是，兩位作者總結(jié)了葉篤正和楊大升（1955）的研究，指出通過引入經(jīng)圈Hadley的東西風界面，可以清楚看到經(jīng)圈環(huán)流對角動量的輸送以及地球自轉(zhuǎn)角動量和相對角動量之間的轉(zhuǎn)換。

《基本問題》中類似的精彩之處很多，但對全書逐章的總結(jié)和介紹在本文篇幅和范圍所及之外，事實上這樣做也沒有必要，因為有興趣的讀者可以直接閱讀原著。下面僅對書中關(guān)于Hadley環(huán)流和平均經(jīng)圈環(huán)流、急流的形成和維持以及大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性作分析。除了介紹原著的相關(guān)內(nèi)容以外，我還將書中表達的觀點和近期理論上的進展聯(lián)系起來。從這樣的對比和聯(lián)系中，我們或能更深地體會到《基本問題》和兩位作者在那個時代已經(jīng)達到的理論高度和現(xiàn)實的意義。

3 關(guān)于Hadley環(huán)流和平均經(jīng)圈環(huán)流

《基本問題》提到，Hadley于1735年首次推測在低緯度的子午面上應該有一閉合的經(jīng)圈環(huán)流存在，也即我們現(xiàn)在所稱的Hadley環(huán)流。由于空氣運動基本上符合地轉(zhuǎn)風關(guān)系，經(jīng)向風速（v）的緯圈平均必接近于零，因而經(jīng)圈環(huán)流即使存在，強度也必定很弱。也因此Hadley環(huán)流的存在與作用，即使在1940年代的芝加哥大學也依然是被爭論的問題（Palmen和Starr之間的爭論，可見Lewis et al., 2012）。真正意義上從觀測中首次證實Hadley環(huán)流的存在是1950年由Riehl和葉篤正等通過對有限的海上觀測記錄的分析得到的（Riehl et al., 1950）。在葉篤正先生歸國以后，他和鄧根云根據(jù)1950年高空風的統(tǒng)計，給出了該年冬夏兩季北半球經(jīng)圈環(huán)流的情況（見《基本問題》圖1.17、1.18)，進一步證實了Hadley環(huán)流和三圈平均經(jīng)圈環(huán)流的實際存在。

在第四章兩位作者深入分析了平均經(jīng)圈環(huán)流的生成機制。和單獨討論平均經(jīng)圈環(huán)流不同，作者認為東西風帶（緯向環(huán)流）和經(jīng)圈環(huán)流是同時形成的現(xiàn)象：兩者是在對大氣不均勻加熱作用下通過大型渦旋對動量和熱量輸送作用造成的結(jié)果（見書中第32頁）。通過對Kuo（1951）提出的平均經(jīng)圈環(huán)流理論模式的分析，兩位作者指出Kuo（1951）對來自熱量源匯非均勻性的貢獻的估計偏小，實際上熱量源匯和動量源匯的不均勻分布同時對平均經(jīng)向環(huán)流的形成起了重要作用，它們的貢獻是同量級的。值得指出的是，《基本問題》在討論平均經(jīng)圈環(huán)流生成機制時，明確提出了大型渦旋的重要作用，指出“將大型渦旋作為控制經(jīng)圈環(huán)流的第一性的因子，而將經(jīng)圈環(huán)流作為其從屬的第二性的現(xiàn)象”（見書中第53頁）。同時作者又指出，經(jīng)圈環(huán)流的環(huán)數(shù)和大型渦旋的尺度之間有內(nèi)在的統(tǒng)一。應該說，《基本問題》的上述提法是非常有前瞻性的，因為在書的作者看來，大型渦旋的第一性作用并不只限于非熱力直接的逆環(huán)流（Ferrel環(huán)流），而是對整個平均經(jīng)圈環(huán)流而言的，即也包括了對熱帶的Hadley環(huán)流的作用。雖然限于當時的條件，兩位作者的上述結(jié)論僅是定性的，但近期的研究表明大型渦旋對熱帶Hadley環(huán)流的結(jié)構(gòu)和強度確實起著重要作用（如Schneider，2006），這和《基本問題》在六十年前提出的看法是相一致的。

4 關(guān)于急流的形成和維持

4.1 《基本問題》對急流形成機制的討論

急流廣泛地存在于地球流體（大氣、海洋）和行星大氣中，其形成和維持機制迄今是理論界關(guān)注的熱點問題（如Rhines，1994；Dritschel and McIntyre，2008）。《基本問題》在第四章對急流的形成和維持機制作了深入分析。有意思的是，書中所表達的觀點不但和現(xiàn)在理論界對急流形成和維持的廣被接受的理論是互補和完全兼容的，更和最新的觀測事實相一致。這些最新的觀測事實被認為和現(xiàn)今的理論是相矛盾的，卻和《基本問題》書中所強調(diào)的機制一致。這也從一個側(cè)面說明了兩位作者對急流問題理解的深刻程度。

在討論西風急流的形成機制時，《基本問題》作者首先介紹、評述了Rossby提出的水平大型渦旋混合理論（Rossby, 1947)。兩位作者寫道：“考慮了大氣水平尺度與垂直尺度的比值后，可以認為大氣運動主要是水平運動，因此我們可以把大氣環(huán)流看作大規(guī)模水平湍流的統(tǒng)計結(jié)果。然而湍流的最終結(jié)果是使得‘性質(zhì)均勻化’，由此Rossby認為在大型渦旋的交換作用中具有反氣旋渦度的暖空氣北上，具有氣旋渦度的冷空氣北下”（見書中第53頁）。混合使絕對渦度在南北方向成為定值，據(jù)此可計算平均流場的分布情況。在給出Rossby（1947）的理論計算結(jié)果后，作者指出雖然Rossby（1947）的結(jié)果和觀測極為相似，但他是以實際觀測到的極地東風帶與西風帶交界面作為一個參數(shù)給定，而該緯度本應該由混合前后總角動量不變的條件下給出。Rossby理論面臨的更基本問題是和環(huán)流加速定理不合，因為純粹的混合作用不能使混合區(qū)域的總渦度有所增加，按照環(huán)流定理則平均西風風速也不能增加。作者進一步指出，任何一個區(qū)域內(nèi)，渦度的增減必定通過某種邊界作用，因此推論大型渦旋的交換作用不能只限于急流以北的區(qū)域。

《基本問題》緊接著用渦度的平衡來討論西風急流的維持，指出可以用大型渦旋輸送理論來解釋急流的形成機制。兩位作者引述了郭曉嵐的理論模式（Kuo，1951），“假定渦旋只是一塊具有渦度為一定數(shù)量和一定分布的流體，基本氣流是純粹的緯向環(huán)流U(y)與時間和經(jīng)度無關(guān)。在基本氣流上加以微擾動，將線性化的渦度方程加以全微分，沿兩個緯度所夾的面積（F）積分，并假定在過程中總角動量不變，跨過任意緯圈上的質(zhì)量輸送凈值為零”，最后得到

其中，Γ為渦旋面積（A）內(nèi)的擾動環(huán)流，δv'/ δ t為擾動經(jīng)向加速度，Z0為平均渦度，ρ0為空氣密度，?'為擾動相對渦度，a為地球半徑，?為緯度。由于上式中右邊第二項（輻散項）比第一項小一個量級，上式說明“絕對渦度分布的不均勻性使氣旋性渦旋（Γ＞0）向絕對渦度高值區(qū)移動，使反氣旋性渦旋（Γ＜0）向絕對渦度低值區(qū)移動，因此渦旋的輸送是可以和Z0的梯度相反”（也即是逆梯度輸送）。兩位作者進一步指出，大氣中絕對渦度Z0的分布是向北增加的，若有氣旋性渦度向北輸送和反氣旋渦度的向南輸送，則總的輸送結(jié)果是在渦旋活動頻繁的區(qū)域渦度梯度增加，在以外的區(qū)域渦度梯度減少。相對應地，渦度集中的區(qū)域西風加強，而在渦度減少的區(qū)域東風發(fā)展。這可見于Kuo（1951）得到的公式（Kuo，1951）：

也即西風的加強與氣旋性渦度向北輸送及摩擦消耗有關(guān)。上式中，ρ為空氣密度，u、v、?分別為緯向、經(jīng)向風速及相對渦度，λ、z、p分別為經(jīng)度、高度和氣壓，p0為地面氣壓，F(xiàn)x為地面摩擦?！痘締栴}》進一步分析了擾動的穩(wěn)定性對西風急流的影響，指出處于衰減階段（或穩(wěn)定的）擾動使絕對渦度梯度增加，從而使西風增強，而不穩(wěn)定擾動則使西風減弱。

4.2 和后期關(guān)于急流形成維持機制的理論的比較和聯(lián)系

最近的對大氣和其他旋轉(zhuǎn)流體中急流的形成和維持機制可以參照Dritschel and McIntyre（2008）和Held（2000）①Held I M. 2000. The general circulation of the atmosphere. http://physics.ucsd.edu/students/courses/winter2013/physics218b/HeldReview[1].pdf [2015-08-04].。這里簡單分析《基本問題》和這些近期觀點的相補性和物理上的一致性。

《基本問題》對Rossby大型渦旋混合機制的批評是完全正確的，因為西風急流的生成與其說是渦旋混合的結(jié)果，不如說是渦旋混合遇到障礙（barrier），從而形成渦度分布的階梯（staircase）狀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。在這樣的渦度分布的階梯結(jié)構(gòu)附近，渦度梯度得到集中，從而西風得到加強而形成急流（McIntyre, 1982; Dritschel and McIntyre, 2008）。從這一點看，《基本問題》所表達的觀點和Dritschel and McIntyre（2008）在物理上有著一致性的。

另一方面，《基本問題》書中所強調(diào)的渦度逆梯度輸送，即反氣旋性渦度向南輸送而氣旋性渦度向北輸送，似乎又和Dritschel and McIntyre (2008)及Held（2000）的觀點不同，因為后者主要著眼于渦度的順梯度輸送，也就是氣旋性渦度從高緯度向南輸送，在減弱高緯度西風的同時，增強較低緯度上的西風。同時觀測事實也確實顯示在平流層和對流層中上部是以氣旋性渦度的向南的順梯度輸送為主。這樣看起來似乎《基本問題》是和觀測或新的理論觀點是相矛盾的。

但這一矛盾僅是表面的，只是由于《基本問題》所采取的角度和現(xiàn)在的角度不同而引起，在物理本質(zhì)兩者是完全一致的。至于和觀測事實的矛盾，有新的研究剛剛注意到存在和《基本問題》觀點相一致的觀測事實，從而引起了理論界對渦度順梯度輸送機制的反思，而這反過來說明《基本問題》兩位作者和Kuo（1951）觀點的合理性和超前性。這里試作進一步分析。

（1）首先，正如書中54～55頁所指出的那樣，《基本問題》在討論急流生成機制時主要著眼于西風急流南側(cè)（為副熱帶反氣旋渦度）及急流北側(cè)（為氣旋性渦度）與狹窄的急流軸之間的渦度輸送。如果單純地從觀測到的對流層中高層和平流層中渦度的順梯度輸送出發(fā)，那么按照Held（2000）的理論分析，我們很容易得到，氣旋性渦度的向南輸送必然導致極區(qū)西風的減速和極區(qū)以外較低緯度西風的加速。但這本身并不能保證西風在一個相對狹窄的緯度范圍內(nèi)加強，因為渦度的順梯度向南輸送可以遞推式向南擴展，從而使渦度的集中發(fā)生在一個很寬的緯度范圍內(nèi)。這樣的話，盡管西風可能加強，但其范圍會很寬同時強度很弱。不妨依照Held （2000）的討論，假如沿緯圈φ0由于渦旋的“攪動”作用，原來沿緯圈平行的渦線發(fā)生扭曲變形，在此過程中渦度向南輸送，這樣極區(qū)（φ0以北）緯度上西風減速，而較低緯度（φ0以南）上西風加強。如果沿一比φ0更南的緯度φ1上渦旋“攪動”作用引起的渦度輸送和φ0相同，那么在φ0和φ1之間凈的渦度輸送為零，因此西風加速并沒有發(fā)生在φ0和φ1之間，而必須在比φ1更南的緯度。相反地如果在φ1渦旋的“攪動”作用減弱（比如對應于渦旋的減弱階段，或者是等（位）渦線向該緯圈回歸的過程），這時穿越φ1緯圈有向北（即逆梯度）的渦度輸送，這樣φ0和φ1之間就會有渦度的集中，從而有西風的加速和急流的生成。而這在緯圈φ0和φ1之間（Kuo（1951）理論，見式（1）中的積分范圍F）正是《基本問題》在討論急流生成機制和渦度平衡時所著眼的范圍。從上面的分析可以看到，單純的渦度順梯度輸送對急流的生成和維持并不是比較完整的解釋，《基本問題》和郭曉嵐的理論分析（Kuo, 1951）提供了一個與之相補充的角度。結(jié)合兩者，能夠為急流的生成和維持提供更完整的解釋。但兩者的物理本質(zhì)又是一致的，即渦度的輸送和相對集中，這可以清楚地從他們幾乎完全一致的語言表達看出來?！痘締栴}》指出“在渦旋活動頻繁的區(qū)域渦度梯度增加，使得西風加強”，而Held （2000）則說：“角動量向攪動區(qū)域輻合（Angular momentum converges into the stirred region)”及 “西風出現(xiàn)在攪動區(qū)域的下面（westerlies appear under the stirred region)”。注意Held所說的“攪動區(qū)域（stirred region)”正是《基本問題》所說的“渦旋活動頻繁的區(qū)域”。

（2）前面已經(jīng)提到觀測中對流層中上部和平流層的渦度輸送以順梯度輸送（即氣旋性渦度向南輸送）為主，那么《基本問題》所表達的觀點是不是就和觀測相矛盾，因而是錯誤的呢？答案是否定的，最新發(fā)現(xiàn)的事實說明《基本問題》的觀點是能在觀測中得到證實的。首先應該注意到，《基本問題》在討論急流生成機制時主要是主要于正壓的（或垂直積分的）渦度輸送，比實際的三維斜壓大氣要簡單。但物理本質(zhì)是一致的，因為對斜壓大氣中的位渦輸送沿整個（或者部分）氣柱的垂直積分，就得到《基本問題》里所分析的渦度輸送。渦度（位渦）在對流層上部的逆梯度輸送在1998年由Bartels et al.（1998）在模式中發(fā)現(xiàn)，但到近期才進一步由Birner et al.（2013）在再分析資料和模式中證實在對流層頂副熱帶急流軸以北有向北的逆梯度渦度輸送。同時Birner et al.（2013）也發(fā)現(xiàn)逆梯度的渦度輸送是和波（渦旋）的衰減相聯(lián)系的。而這兩點，即渦度的逆梯度輸送和渦旋的衰減（穩(wěn)定）正是《基本問題》和Kuo（1951）所強調(diào)的急流生成機制的要點所在。這不單證實了《基本問題》觀點的正確性，也從一個側(cè)面說明了兩位作者和Kuo（1951）對急流生成理論認識的時代超越性。

另外對平均急流的維持，如果我們在（2）式中令左側(cè)時間傾向項趨于零，那么由于西風急流區(qū)地面也為西風，所以和摩擦相平衡必定要求垂直積分的渦度輸送是向北（逆梯度的）。如果像在大多數(shù)情況下那樣，對流層中上層和平流層的渦度輸送垂直積分為負（即有向南順梯度的渦度輸送），那么從（2）式可以推論必定有對流層低層和近地層向北的渦度輸送。而這正是我們所觀測到的現(xiàn)象（如Bartels et al., 1998; Held, 2000）。這進一步說明《基本問題》所闡述的理論是和觀測相符合，而不是矛盾的。

綜上所述，《基本問題》對急流生成和維持機制的觀點從觀測上看是站得住腳的，和最近提出的機制具有互補性。同時由于和《基本問題》相一致的觀測事實直到最近1～2年才被注意到，也說明了《基本問題》在對急流問題認識的時代超越性。

5 關(guān)于大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性

《基本問題》在對上文提到的九大問題從第二－十章分別作了深入的分析和討論之后，兩位作者進一步在第十一章中試圖將上述各個方面的問題聯(lián)系起來，探討大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性。在《基本問題》作者看來，這種內(nèi)在統(tǒng)一性一方面體現(xiàn)在大氣環(huán)流中各主要成員的相互關(guān)系中，另一方面又體現(xiàn)在大氣環(huán)流中主要物理量平衡過程的相互關(guān)系中。

正如《基本問題》前面幾章所討論的，大氣環(huán)流主要成員主要包括氣候風帶（平均緯圈環(huán)流）、急流、平均的經(jīng)圈環(huán)流、移動的（瞬變）大型渦旋以及西風帶的平均槽脊等。在所有這些大氣環(huán)流的主要成員中，兩位作者突出強調(diào)了大型擾動（渦旋）的第一性作用，指出由于大型渦旋的活動對動量、熱量、渦度等物理量起再分配的作用，因而把東西風帶、經(jīng)圈環(huán)流和急流等聯(lián)系起來。

大型渦旋的作用首先體現(xiàn)在平均經(jīng)圈環(huán)流的形成。作者指出正是由于大型渦旋引起的熱量和角動量的水平和垂直輸送，再加上不均勻的非絕熱加熱的共同作用下，才形成觀測到的三環(huán)經(jīng)圈環(huán)流，并在地球自轉(zhuǎn)作用下必然產(chǎn)生東西風帶（平均緯圈環(huán)流）。而后者又通過摩擦和大型渦旋對動量的輸送反過來對經(jīng)圈環(huán)流發(fā)生作用。同時大型渦旋通過對角動量和渦度的輸送對西風急流的形成起到了關(guān)鍵的作用。

另一方面，作者又指出大型渦旋并不是孤立存在，反過來也受基本風系的影響。比如作者提到西風強度決定渦旋的尺度和移動速度，西風的水平和垂直切變決定基本氣流的穩(wěn)定性從而擾動的發(fā)展或者衰減。因此“大型渦旋和基本風系在大氣環(huán)流中也是內(nèi)在的統(tǒng)一，它們相互制約，相互影響”（見《基本問題》第128頁）。

大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一還表現(xiàn)在海陸不均勻性引起的熱力和大地形的動力擾動對平均槽脊發(fā)生的作用，而后者又反過來影響大氣熱源匯的分布，并使地形產(chǎn)生不同的作用。另外的例子是通過大型渦旋對溫度場的形成以及溫度平流和對流作用對溫度場的形成指出了溫度場和氣流場之間的相互作用關(guān)系。作者進一步提到了大氣環(huán)流基本風系的尺度與大型擾動的尺度也是內(nèi)在統(tǒng)一的。比如經(jīng)圈環(huán)流的數(shù)目和大型渦旋的南北尺度，以及西風急流的尺度和渦旋尺度的關(guān)聯(lián)。

總之，作者明確指出，“大氣環(huán)流的基本成員——經(jīng)圈環(huán)流、東西風帶、西風急流、大型渦旋、平均槽脊和平均溫度場都是相互制約的內(nèi)在統(tǒng)一體。而在這種內(nèi)在統(tǒng)一的過程中長波不穩(wěn)定所生成的大型渦旋成為中心環(huán)節(jié)，聯(lián)系著各個方面”（《基本問題》第129頁）。

《基本問題》在書的第八到十章分別討論了大氣環(huán)流中主要物理量包括角動量、動能、熱量和水分的平衡。在最后一章，作者更進一步揭示了這些主要物理量平衡過程的相互聯(lián)系，認為這是大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的另一方面。

和大氣環(huán)流主要成員的內(nèi)在統(tǒng)一一樣，作者指出“大氣斜壓不穩(wěn)定造成的大型擾動是它們（各種物理平衡過程）相互聯(lián)系、相互制約的一個重要的中心環(huán)節(jié)，它將各種基本成員和各種主要物理量平衡過程有機地聯(lián)系起來、貫串起來，成為大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一”（《基本問題》第133頁）。

由于在《基本問題》所處的時代，對大氣環(huán)流的定量計算剛剛才成為可能，所以兩位作者對大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的討論很大程度上還是定性的。但是如果從最近幾十年大氣環(huán)流理論，尤其是波流相互作用理論的進展看，我們很容易看到兩位作者當時提出的觀點在物理上和后來的理論進展是非常一致的。比如《基本問題》對渦旋引起的角動量輸送、熱量輸送和基本氣流的維持聯(lián)系起來。我們現(xiàn)在知道在上面提到的（）和（）合在一起即是現(xiàn)在已為大家所熟知的，但正式的定義要在《基本問題》出版三年后才出現(xiàn)的Eliassen-Palm （E-P）通量（Eliassen and Palm, 1961）。而E-P通量的散度就是渦旋對位渦的向北輸送，對平均緯向氣流，包括急流的維持起著重要的作用。這顯然和兩位作者在關(guān)于大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性所提到的相一致。又比如兩位作者對渦旋尺度和基本氣流尺度的討論，在物理上也和后來提出的理論相一致，而定量的渦旋尺度和基本氣流（急流）之間的關(guān)系至今還被繼續(xù)研究著（Dritschel and McIntyre, 2008）。

6 總結(jié)和討論

本文簡介了葉篤正和朱抱真著于1958年的《大氣環(huán)流的若干基本問題》一書。通過對書中部分章節(jié)，包括Hadley環(huán)流和平均經(jīng)圈環(huán)流，急流的生成和維持，以及大氣環(huán)流的內(nèi)在統(tǒng)一性的介紹和分析，指出《基本問題》一書有很多觀點超越當時所處的科學發(fā)展階段。通過和最新的相關(guān)理論進展的比較，指出《基本問題》書中的很多觀點不單從物理本質(zhì)上和新的研究進展相一致，并能夠從后來隨著觀測、理論和模擬的進一步發(fā)展而得到證實。更重要的是，本文以對急流生成和維持的分析為例，指出《基本問題》書中有的理論分析能和最近的觀點互相補充，從而給我們對相關(guān)問題的理解提供一個更完整的物理圖像。從這個意義上說，《基本問題》并不只是一部代表過去時代成就的著作，而更是一部依然富有理論活力和現(xiàn)實意義的對大氣環(huán)流理論的總結(jié)，從而年輕一代的理論工作者仍然可以從《基本問題》汲取理論營養(yǎng)。

《基本問題》一書具有鮮明的理論風格。簡單地說，這些風格體現(xiàn)在數(shù)學的簡約和物理圖像的清晰之間的統(tǒng)一，體現(xiàn)在作者從局部特殊現(xiàn)象中尋找普遍性規(guī)律的高超能力，更體現(xiàn)在作者從大氣環(huán)流的復雜多面性背后尋求內(nèi)在統(tǒng)一性的理論穿透力?！痘締栴}》的理論風格可以通過和Lorenz（1967）的《大氣環(huán)流的性質(zhì)和理論》一書對比而顯得更為清晰，因為后者也是一部帶有作者個人鮮明風格的名著。除了兩書對基本現(xiàn)象理解的相通之處，Lorenz （1967）在書中是從數(shù)學和理論本身出發(fā)，更偏向于演繹式地對各個具體問題作深入的分析，而盡量避免對大氣環(huán)流整體圖像的描述。從Lorenz書的第一章中，我們甚至能夠感受到他對比較確定性地了解大氣環(huán)流本質(zhì)的深刻懷疑。這種懷疑可能來自Lorenz作為有一個具有很高物理修養(yǎng)的數(shù)學家的嚴謹，以及對他在寫這本書之前不久發(fā)現(xiàn)的大氣運動混沌本質(zhì)的認識（Lorenz, 1963）。而《基本問題》一書是從觀測到的現(xiàn)象出發(fā)，歸納出若干基本問題。除了對大氣環(huán)流各個具體問題的分析，《基本問題》更致力于尋找現(xiàn)象背后的內(nèi)在統(tǒng)一性。通讀全書，無論從內(nèi)容的廣度或深度，我們不難感受到兩位作者對比較徹底地理解大氣環(huán)流整體性質(zhì)的樂觀態(tài)度。這種樂觀或許更反映了兩位作者作為具有深厚數(shù)學修養(yǎng)的動力學家對尚處于萌芽的大氣環(huán)流理論研究的物理直覺。

從大氣環(huán)流理論近幾十年的發(fā)展來看，可以看到《基本問題》兩位作者的樂觀態(tài)度并不是沒有根據(jù)的。他們在書中提出的問題和很多看法在以后的幾十年中能得到驗證或進一步的發(fā)展，這在很大程度上是通過觀測手段和計算技術(shù)的突飛猛進式的發(fā)展。

在全書的最后，對未來的展望中，兩位作者指出《基本問題》有很多問題沒有涉及，比如南半球環(huán)流，熱帶環(huán)流及其與中高緯環(huán)流的關(guān)系，平流層環(huán)流及其與對流層環(huán)流的關(guān)系等等，這些我們在今天也已看到長足的進步。兩位作者尤其提到了當時的理論認識還很初步，比如對不穩(wěn)定擾動的理解僅是基于線性化的結(jié)果。而從今天的眼光來看，盡管模式分辨率和過程的描述以及觀測的手段都越來越精細，但由于非線性引起的大氣環(huán)流內(nèi)在的隨機性和不確定性依然是我們必須面臨的挑戰(zhàn)，從這意義上說對大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性的進一步理解，結(jié)合Lorenz的審慎態(tài)度和葉篤正及朱抱真先生的樂觀是有益的，尤其是當把大氣環(huán)流理論放到氣候在各個尺度上的變化和變率中的時候。因為從本質(zhì)上包括大氣和海洋環(huán)流在內(nèi)的氣候系統(tǒng)是既有確定性因素，又具隨機性和混沌性的系統(tǒng)。

《基本問題》成書時大氣環(huán)流的數(shù)值模擬剛剛開始，因此兩位作者指出此書只是對當時研究的總結(jié)，在研究的深度和廣度離問題的解決還很遠，并寄希望于數(shù)值動力方法和新觀測手段的發(fā)展為“大氣環(huán)流的研究展開無比廣闊深遠的道路”（《基本問題》第134頁）。這也正是過去半個多世紀大氣環(huán)流研究所走過的道路，同時我們也看到兩位作者所提出的問題到現(xiàn)在還不能說完全解決了。通過和氣候變化問題相聯(lián)系，《基本問題》一書所提出的問題以及他們提出的大氣環(huán)流內(nèi)在統(tǒng)一性增加了一個新的維度，也就是這些大氣環(huán)流的基本成員、過程及其內(nèi)在統(tǒng)一性會隨氣候變化而作什么樣的變化，以及它們在氣候變化又起什么作用等等。這些正是現(xiàn)在方興未艾、廣受關(guān)注的問題，比如說Hadley環(huán)流隨著全球變暖是否變寬、變強，急流和西風強度隨氣候變化又會如何變化，水分循環(huán)和大氣能量循環(huán)又會有什么樣的變化，都和《基本問題》一書中提到的問題有著直接的聯(lián)系。在這樣的時刻，重讀《基本問題》不只是為了記住兩位作者的歷史貢獻，更重要的是學習他們的遠見和方法，從中汲取理論營養(yǎng)，解決新的關(guān)于大氣環(huán)流的科學問題。

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作者簡介呂建華，男，1968年出生，博士，主要從事大氣、海洋及地球物理流體動力學研究。E-mail: jlu@coaps.fsu.edu

收稿日期2015-02-17；網(wǎng)絡(luò)預出版日期 2015-07-07

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15140

文章編號1006-9895(2016)01-0078-08

中圖分類號P434

文獻標識碼A