佳文赏析 | 重读叶笃正、朱抱真先生的《大气环流的若干基本问题》

《大气环流的若干基本问题》（叶笃正和朱抱真）初版于1958年，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。

大气环流的若干基本问题

作者 : 叶笃正，朱抱真著

出版社 : 科学出版社

出版时间 : 1958.8

本书是现代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员，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年N.A. Phillips发表了历史上第一个成功的大气环流数值试验（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，他们的广阔视野，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（角）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响（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后，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，探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页）。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页）。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是非常深刻，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，从中汲取理论营养，解决新的关于大气环流的科学问题。

参考文献

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.

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.

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（二）．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.

-The end-

来源：赛杰奥 | 作者：刘四旦

排版：罗冬梅 |  责任编辑：罗冬梅

审核：任宇飞 王冠 李咪

猜你喜欢

觉得不错，请给地小联点👍哦~