成都信息工程学院：《动力气象学》课程教学资源（电子教案）动力气象学简史

成都信息工程学院大气科学系李国平编写2005年1月 动力气象学简史 人类生活在地球大气层的底层,人类社会的所有活动无不受其影响。气象科学(简称气象学 的英文单词 meteorology源于希腊文 meteors和 logos,意为“上空的”和“推理”。因此,传统 意义上气象学主要是研究大气中各种天气现象发生、发展规律的科学 气象学经历了一个漫长的发展历史。从古代的神话迷信到千百年来的感性知识,直到1851年英 国格莱舍首先用电报传送的气象观测资料绘制出第一张地面天气图,气象学才开始了近代科学探索 的历史。在18、19世纪,气象学附属于地理学,是作为其一个分支而存在的。到20世纪初,气象 学从地理学分出,逐渐发展成为地球科学中的一个大分支。20世纪20年代,地面气象观测网的建 立,以及30~40年代高空气象观测网的发展,增进了人类对大气的认识,加速了气象科学的发展 60年代以来,电子计算机、卫星、雷达等的应用,使气象科学呈蓬勃发展之势,研究内涵日渐丰富, 外延也不断拓展。20世纪90年代以后,随着现代科学知识和高新技术在气象学中的大量应用,“气 象学”或“气象科学”的概念已逐渐被“大气科学”的概念所取代,其研究内容也大大超出了传统 气象学的范畴。 纵观大气科学的发展历史,大体上可划分为四个发展时期:(1)气象经验、知识的积累时期(自 人类文明开始至16世纪):这五、六千年为古代气象知识的积累时期。其源流主要有两个:一个在 亚洲,以中国和印度为主:另一个在地中海东部,即欧亚非三大洲的交汇地带,这里是埃及文化、 巴比伦文化和希腊文化的发祥地。(2)大气科学开始建立的时期(17世纪~19世纪初):17~18世 纪是科学革命的时代。随着14~16世纪文艺复兴、资本主义生产方式的出现,以及航海业的兴起 天文学和物理学出现了重大突破。测量仪器的陆续发明,观测和实验的大量开展,以及在观测和实 验基础上进行的理论研究,是大气科学这一时期发展的重要标志。(3)大气科学主要分支学科的形 成时期(19世纪初~20世纪40年代):在气象仪器发明、观测网建立以及流体动力学理论发展的基 础上,大气科学的主要分支学科相继形成,例如天气学、动力气象学和大气物理学等。大气科学著 名的两大理论学派也在这一时期先后创立,这就是以皮耶克尼斯为首的挪威卑尔根学派和以罗斯贝 为首的美国芝加哥学派。(4)大气科学迅速发展的时期(20世纪50年代以来):第二次世界大战后, 以遥感技术和计算机技术为代表的新技术迅速发展。从50年代开始,这些新技术逐渐应用于大气科 学。从此大气科学在探测手段、通信方式、试验手段,以及天气预报、气候变化、人工影响天气、 大气化学等分支学科发展和国际合作等方面,都有了突飞猛进的发展。由此可见,大气科学的发展 史是人类探索大气的奥秘,逐步认识大气及其演变规律、预测其变化趋势,从而趋利避害为人类的 生产和生活服务的历史。它的发展同人类社会生产力的发展、科学技术的进步和人类日益增长的需

成都信息工程学院大气科学系 李国平编写 2005 年 1 月 1 动力气象学简史 人类生活在地球大气层的底层，人类社会的所有活动无不受其影响。气象科学（简称气象学） 的英文单词 meteorology 源于希腊文 meteoros 和 logos，意为“上空的”和“推理”。因此，传统 意义上气象学主要是研究大气中各种天气现象发生、发展规律的科学。 气象学经历了一个漫长的发展历史。从古代的神话迷信到千百年来的感性知识，直到 1851 年英 国格莱舍首先用电报传送的气象观测资料绘制出第一张地面天气图，气象学才开始了近代科学探索 的历史。在 18、19 世纪，气象学附属于地理学，是作为其一个分支而存在的。到 20 世纪初，气象 学从地理学分出，逐渐发展成为地球科学中的一个大分支。20 世纪 20 年代，地面气象观测网的建 立，以及 30～40 年代高空气象观测网的发展，增进了人类对大气的认识，加速了气象科学的发展。 60 年代以来，电子计算机、卫星、雷达等的应用，使气象科学呈蓬勃发展之势，研究内涵日渐丰富， 外延也不断拓展。20 世纪 90 年代以后，随着现代科学知识和高新技术在气象学中的大量应用，“气 象学”或“气象科学”的概念已逐渐被“大气科学”的概念所取代，其研究内容也大大超出了传统 气象学的范畴。 纵观大气科学的发展历史，大体上可划分为四个发展时期：（1）气象经验、知识的积累时期(自 人类文明开始至 16 世纪)：这五、六千年为古代气象知识的积累时期。其源流主要有两个：一个在 亚洲，以中国和印度为主；另一个在地中海东部，即欧亚非三大洲的交汇地带，这里是埃及文化、 巴比伦文化和希腊文化的发祥地。（2）大气科学开始建立的时期 (17 世纪～19 世纪初)：17～18 世 纪是科学革命的时代。随着 14～16 世纪文艺复兴、资本主义生产方式的出现，以及航海业的兴起， 天文学和物理学出现了重大突破。测量仪器的陆续发明，观测和实验的大量开展，以及在观测和实 验基础上进行的理论研究，是大气科学这一时期发展的重要标志。（3）大气科学主要分支学科的形 成时期(19 世纪初～20 世纪 40 年代)：在气象仪器发明、观测网建立以及流体动力学理论发展的基 础上，大气科学的主要分支学科相继形成，例如天气学、动力气象学和大气物理学等。大气科学著 名的两大理论学派也在这一时期先后创立，这就是以皮耶克尼斯为首的挪威卑尔根学派和以罗斯贝 为首的美国芝加哥学派。（4）大气科学迅速发展的时期(20 世纪 50 年代以来)：第二次世界大战后， 以遥感技术和计算机技术为代表的新技术迅速发展。从 50 年代开始，这些新技术逐渐应用于大气科 学。从此大气科学在探测手段、通信方式、试验手段，以及天气预报、气候变化、人工影响天气、 大气化学等分支学科发展和国际合作等方面，都有了突飞猛进的发展。由此可见，大气科学的发展 史是人类探索大气的奥秘，逐步认识大气及其演变规律、预测其变化趋势，从而趋利避害为人类的 生产和生活服务的历史。它的发展同人类社会生产力的发展、科学技术的进步和人类日益增长的需

成都信息工程学院大气科学系李国平编写2005年1月 要是分不开的。 现在大气科学已成为一门拥有众多分支学科的综合性科学,其分支学科主要有大气探测学、大 气物理学、天气学、动力气象学、中小尺度气象学、数值天气预报、数值模式模拟、气候学、大气 化学、大气环境学、应用气象学、人工影响天气等。其中动力气象学是大气科学的基础性理论学科, 它是一门应用物理学、流体力学定律及数学方法,研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的 学科。动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的机理、掌握天气和气候的变化规律具有十分重 要的意义。传统意义上的动力气象学的内容包括大气热力学、大气动力学、大气环流、大气湍流、 数值天气预报和数值模拟等,但随着大气科学学科的不断细分,现在动力气象学的内容一般主要指 大气动力学。20世纪90年代以后,“动力气象学”这一名称也多为“大气动力学”所取代 下面我们简要回顾一下动力气象学的发展历史和取得的重要成果,并对动力气象学未来的发展 趋势予以展望 17世纪~19世纪初,流体概念、牛顿力学三大定律和微积分学的提出,为动力气象学的产生奠 定了理论基础。1743年法国数学家达朗贝尔把数学方法引入气象学的研究中,这对用数学方程式来 表示大气运动具有启发作用。1752年瑞士数学家和物理学家欧拉提出表示质量守恒的连续方程, 1755年又提出理想流体动力学方程组,初步建立了流体力学方程组。以后大气静力学方程、科里奥 利力和热力学第一定律的发现并被引入流体力学方程组中,更为大气动力方程组的完备性奠定了基 础。1857年荷兰白贝罗提出风与气压的关系。1861年美国费雷尔在研究大气运动时引入科里奥利力 1888年德国亥姆霍兹提出流体切变动力不稳定的概念。18世纪末以前,在学科分类上动力气象学 直包含在流体力学中。到1897年,挪威皮耶克尼斯将流体力学和热力学应用于大气和海洋的大尺度 运动的研究中,提出了著名的环流理论。从此动力气象学便逐步由流体力学中分离出来,成为大气 科学中一个独立的分支学科 20世纪20~30年代,以皮耶克尼斯父子为首的挪威学派也称卑尔根学派,无论在天气学理论 方面,还是在天气分析和天气预报的方法上,都作出了卓越的贡献。20世纪20年代前后,他们在 挪威沿海等地组建了稠密的地面气象观测网,并仔细分析了由稠密站网所提供的资料绘制而成的天 气图,总结了大量天气变化现象,在1917~1918年间发现了暖锋,提出了锋面和气旋的立体模型, 概括出反映气旋生命史的极锋学说以及气旋是极锋上发展起来的不稳定波动的理论,并把上述模式、 理论和学说用于日常的天气分析和天气预报,创立了著名的挪威卑尔根学派。该学派用天气图分析 来推测天气的演变被认为是具体地把皮耶克尼斯所提出的、当时无法得到解析解的流体动力学方程 应用到大气中。现代天气学理论、天气分析和天气预报方法,基本上是由V.皮耶克尼斯、J皮耶克 尼斯、索尔贝格和伯格斯等人在这十年间建立起来的,迄今还广泛应用于天气分析和天气预报中

成都信息工程学院大气科学系 李国平编写 2005 年 1 月 2 要是分不开的。 现在大气科学已成为一门拥有众多分支学科的综合性科学，其分支学科主要有大气探测学、大 气物理学、天气学、动力气象学、中小尺度气象学、数值天气预报、数值模式模拟、气候学、大气 化学、大气环境学、应用气象学、人工影响天气等。其中动力气象学是大气科学的基础性理论学科， 它是一门应用物理学、流体力学定律及数学方法，研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的 学科。动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的机理、掌握天气和气候的变化规律具有十分重 要的意义。传统意义上的动力气象学的内容包括大气热力学、大气动力学、大气环流、大气湍流、 数值天气预报和数值模拟等，但随着大气科学学科的不断细分，现在动力气象学的内容一般主要指 大气动力学。20 世纪 90 年代以后，“动力气象学”这一名称也多为“大气动力学”所取代。 下面我们简要回顾一下动力气象学的发展历史和取得的重要成果，并对动力气象学未来的发展 趋势予以展望。 17 世纪～19 世纪初，流体概念、牛顿力学三大定律和微积分学的提出，为动力气象学的产生奠 定了理论基础。1743 年法国数学家达朗贝尔把数学方法引入气象学的研究中，这对用数学方程式来 表示大气运动具有启发作用 。1752 年瑞士数学家和物理学家欧拉提出表示质量守恒的连续方程， 1755 年又提出理想流体动力学方程组，初步建立了流体力学方程组。以后大气静力学方程、科里奥 利力和热力学第一定律的发现并被引入流体力学方程组中，更为大气动力方程组的完备性奠定了基 础。1857 年荷兰白贝罗提出风与气压的关系。1861 年美国费雷尔在研究大气运动时引入科里奥利力。 1888 年德国亥姆霍兹提出流体切变动力不稳定的概念。18 世纪末以前，在学科分类上动力气象学一 直包含在流体力学中。到 1897 年，挪威皮耶克尼斯将流体力学和热力学应用于大气和海洋的大尺度 运动的研究中，提出了著名的环流理论。从此动力气象学便逐步由流体力学中分离出来，成为大气 科学中一个独立的分支学科。 20 世纪 20～30 年代，以皮耶克尼斯父子为首的挪威学派也称卑尔根学派，无论在天气学理论 方面，还是在天气分析和天气预报的方法上，都作出了卓越的贡献。20 世纪 20 年代前后，他们在 挪威沿海等地组建了稠密的地面气象观测网，并仔细分析了由稠密站网所提供的资料绘制而成的天 气图，总结了大量天气变化现象，在 1917～1918 年间发现了暖锋，提出了锋面和气旋的立体模型， 概括出反映气旋生命史的极锋学说以及气旋是极锋上发展起来的不稳定波动的理论，并把上述模式、 理论和学说用于日常的天气分析和天气预报，创立了著名的挪威卑尔根学派。该学派用天气图分析 来推测天气的演变被认为是具体地把皮耶克尼斯所提出的、当时无法得到解析解的流体动力学方程 应用到大气中。现代天气学理论、天气分析和天气预报方法，基本上是由 V.皮耶克尼斯、J.皮耶克 尼斯、索尔贝格和伯格斯等人在这十年间建立起来的，迄今还广泛应用于天气分析和天气预报中

成都信息工程学院大气科学系李国平编写2005年1月 被认为是20世纪大气科学一个重要的理论成就。 大尺度大气动力学研究发展史上最重要的成果应是20世纪30~40年代以罗斯贝为首的美国芝 加哥学派所创立的大气长波理论。这个重要理论的创立,不仅有观测事实的基础,而且也有理论基 础。苏联莫尔恰诺夫在1928年发明了无线探空仪以后,高空大气观测逐渐增多,高层气流的观测事 实日渐清楚。美国籍瑞典人罗斯贝1939年在高空天气图上发现并从理论上得到了控制天气和大气环 流变化的大气长波。他从二维无辐散的涡度方程出发导出了长波公式,求得了与实际吻合的长波移 速和发展率,指出这种长波是与地面天气图所看到的高、低压相对应的。在这之后,他的学生(如 郭晓岚、叶笃正)和合作者相继提出了斜压不稳定理论、正压不稳定理论以及大气长波的频散理论, 对大气长波产生机制进行了深入研究,很好地说明了大气环流的演变。40年代,罗斯贝、帕尔门等 确认了高空西风急流和长波的结构和变化,以及它们与地面气旋波的关系。这些理论形成了在大气 科学理论中占有重要位置的芝加哥学派。该学派的工作一方面增强了天气学与热力学和动力学的联 系,充实了天气分析和预报的物理基础:另一方面也为研究大型大气运动提供了理论依据,而且使 后来的数值天气预报和大气环流数值试验成为可能,奠定了现代大气环流与大气动力学的基础。 个理论使得人们对大气环流的看法有了一个根本性改变。芝加哥学派提出:大气环流是复杂的,是 非对称的,它的变化是基本气流与扰动相互作用的结果,扰动通过角动量和热量输送滋养着基本气 流,而基本气流又为扰动发展提供能量。这种看法比20世纪以前所提出的轴对称大气环流的看法不 仅更符合实际,而且更辩证、更科学。此外,芝加哥学派在研究方法方面引入了小扰动理论,使得 控制大气环流的非线性方程有办法得以求解,这为动力学理的论进一步发展提供了一种有效的研究 方法。因此,芝加哥学派在动力气象学发展史上占有非常重要的地位,所建立的大气波及大尺度运 动的动力学理论体系是20世纪大气科学发展的核心部分,它带动了大气科学其它分支学科的发展。 20世纪50年代起,人们对大气环流形成机理进行了不少。从大气运动的能量平衡来解释大气 环流的演变,特别是提出了有效位能的概念,以及提出大气温度在空间分布的不均匀性是引起大气 运动的根本原因,这使得人们对大气环流演变的物理本质有了更深刻的认识。通过大量观测事实分 析,发现哈德莱环流对全球角动量平衡的重要作用法。50年代,我国在大气环流变化和地转适应理 论方面也作出了许多国际领先的研究。我国学者通过分析大量的东亚大气环流演变的事实,提出了 东亚大气环流季节转换是突变的观点,这比80年代国际上提出的大气环流的非线性突变要早20多 年。另外,我国学者指出地转适应过程存在一个运动尺度问题,并证明:对于大尺度运动,应是风 场向气压场调整,而对于中、小尺度运动,应是气压场向风场调整。我国学者还发展了半地转适应、 球面大气适应和有源的地转适应等理论,使国际上40年代提出的大气运动的准地转理论在50年代 得到完善和发展

成都信息工程学院大气科学系 李国平编写 2005 年 1 月 3 被认为是 20 世纪大气科学一个重要的理论成就。 大尺度大气动力学研究发展史上最重要的成果应是 20 世纪 30～40 年代以罗斯贝为首的美国芝 加哥学派所创立的大气长波理论。这个重要理论的创立，不仅有观测事实的基础，而且也有理论基 础。苏联莫尔恰诺夫在 1928 年发明了无线探空仪以后，高空大气观测逐渐增多，高层气流的观测事 实日渐清楚。美国籍瑞典人罗斯贝 1939 年在高空天气图上发现并从理论上得到了控制天气和大气环 流变化的大气长波。他从二维无辐散的涡度方程出发导出了长波公式，求得了与实际吻合的长波移 速和发展率，指出这种长波是与地面天气图所看到的高、低压相对应的。在这之后，他的学生（如 郭晓岚、叶笃正）和合作者相继提出了斜压不稳定理论、正压不稳定理论以及大气长波的频散理论， 对大气长波产生机制进行了深入研究，很好地说明了大气环流的演变。40 年代，罗斯贝、帕尔门等 确认了高空西风急流和长波的结构和变化，以及它们与地面气旋波的关系。这些理论形成了在大气 科学理论中占有重要位置的芝加哥学派。该学派的工作一方面增强了天气学与热力学和动力学的联 系，充实了天气分析和预报的物理基础；另一方面也为研究大型大气运动提供了理论依据，而且使 后来的数值天气预报和大气环流数值试验成为可能，奠定了现代大气环流与大气动力学的基础。这 个理论使得人们对大气环流的看法有了一个根本性改变。芝加哥学派提出：大气环流是复杂的，是 非对称的，它的变化是基本气流与扰动相互作用的结果，扰动通过角动量和热量输送滋养着基本气 流，而基本气流又为扰动发展提供能量。这种看法比 20 世纪以前所提出的轴对称大气环流的看法不 仅更符合实际，而且更辩证、更科学。此外，芝加哥学派在研究方法方面引入了小扰动理论，使得 控制大气环流的非线性方程有办法得以求解，这为动力学理的论进一步发展提供了一种有效的研究 方法。因此，芝加哥学派在动力气象学发展史上占有非常重要的地位，所建立的大气波及大尺度运 动的动力学理论体系是 20 世纪大气科学发展的核心部分，它带动了大气科学其它分支学科的发展。 20 世纪 50 年代起，人们对大气环流形成机理进行了不少。从大气运动的能量平衡来解释大气 环流的演变，特别是提出了有效位能的概念，以及提出大气温度在空间分布的不均匀性是引起大气 运动的根本原因，这使得人们对大气环流演变的物理本质有了更深刻的认识。通过大量观测事实分 析，发现哈德莱环流对全球角动量平衡的重要作用法。50 年代，我国在大气环流变化和地转适应理 论方面也作出了许多国际领先的研究。我国学者通过分析大量的东亚大气环流演变的事实，提出了 东亚大气环流季节转换是突变的观点，这比 80 年代国际上提出的大气环流的非线性突变要早 20 多 年。另外，我国学者指出地转适应过程存在一个运动尺度问题，并证明：对于大尺度运动，应是风 场向气压场调整，而对于中、小尺度运动，应是气压场向风场调整。我国学者还发展了半地转适应、 球面大气适应和有源的地转适应等理论，使国际上 40 年代提出的大气运动的准地转理论在 50 年代 得到完善和发展

成都信息工程学院大气科学系李国平编写2005年1月 20世纪60年代起,随着热带大气观测资料的増多,热带大气环流与波动的研究掀起热潮。在 年代中后期,从理论和观测上发现了罗斯贝一重力混合波和开尔文波,并应用这两种波动很好地 解释了赤道平流层纬向风存在着的准两年周期振荡(QB0)现象。从70年代起,人们逐渐认识到热 带强盛的积云对流活动对于热带及全球大气运动的重要性,提出了热带大气运动第二类条件不稳定 (CISK)机制,从动力学上描述了积云对流与大尺度运动相互作用的过程。与此同时,郭晓岚等人 先后提出不同的积云对流参数化方案,不仅可以更好地解释热带大气环流的许多事实,对于热带大 气动力学的研究起了重要的推动作用,而且使热带天气数值预报与大气环流数值模拟也有了很大改 进。70年代初,从观测事实发现热带太平洋纬向风变化存在着30~60天周期的低频振荡,后来又 证实了全球热带大气都存在着强度不同的这种振荡。80年代,用CISK-开尔文波和CISK-罗斯贝波 从理论上说明了热带低频振荡的物理机制 20世纪80年代,发现了全球大气环流异常存在着“遥相关”现象,北半球冬季大气环流异常 存在太平洋/北美型(PNA)和欧亚型(EU型)等遥相关型,夏季大气环流异常存在着东亚/太平洋 型(EAP型)遥相关。这些遥相关型对于季度气候变化预测有重要作用。如何从机理上说明这些观 测事实,带动了行星波动力学研究的新发展。关于行星波的研究应追溯到20世纪50年代关于大气 环流准定常扰动形成的研究。从50年代起人们就硏究了大气环流中平均槽脊即准定常行星波形成的 原因,有学者强调地形强迫在形成准定常行星波中的作用,又有学者强调非绝热加热是形成准定常 行星波的原因之一,而我国学者指出地形与非绝热加热都是形成准定常行星波的根本原因。为了要 解释大气环流异常的二维和三维遥相关的成因,许多学者研究了行星波在垂直切变基流中的垂直传 播和在球面大气中的传播,把芝加哥学派得到的波的平面频散规律推广到球面大气的二维传播中 从而很好地解释了大气环流异常的遥相关现象。我国学者也利用波在暖变介质的传播特性与球面 维大气行星波的广义能量守恒,提出行星波在实际基本气流中的三维传播存在着两支波导的理论, 解释了大气环流三维遥相关的物理机制。随着行星波动力学研究的深入,波一流相互作用的研究在 70年代末和80年代初掀起热潮,英国学者引入波作用量概念,证明了大气环流中一个新的基本原 理一波作用量守恒原理,提出广义 Eliassen-Palm通量(简称EP通量),这是一个用于诊断分析波 动在基本气流中传播及其与基本气流相互作用的新物理量。按照罗斯贝学派经典的大气环流观点 波动是大气环流中不可缺少的,由于波输送热量与角动量,才会造成大气环流的分布与演变。然而, 在一定条件下波与基本环流也可以不发生相互作用,这称为无加速原理,该原理在80年代应用EP 通量得到证明,这无疑是对古典大气环流一个新的认识。此外,我国学者利用波包概念研究了非均 匀基流下瞬变波的演变规律,揭示了大气环流的三维演变特性 20世纪60年代,继大气环流和大尺度大气动力学的发展之后,中小尺度气象学也有了很大发

成都信息工程学院大气科学系 李国平编写 2005 年 1 月 4 20 世纪 60 年代起，随着热带大气观测资料的增多，热带大气环流与波动的研究掀起热潮。在 60 年代中后期，从理论和观测上发现了罗斯贝—重力混合波和开尔文波，并应用这两种波动很好地 解释了赤道平流层纬向风存在着的准两年周期振荡（QBO）现象。从 70 年代起，人们逐渐认识到热 带强盛的积云对流活动对于热带及全球大气运动的重要性，提出了热带大气运动第二类条件不稳定 （CISK）机制，从动力学上描述了积云对流与大尺度运动相互作用的过程。与此同时，郭晓岚等人 先后提出不同的积云对流参数化方案，不仅可以更好地解释热带大气环流的许多事实，对于热带大 气动力学的研究起了重要的推动作用，而且使热带天气数值预报与大气环流数值模拟也有了很大改 进。70 年代初，从观测事实发现热带太平洋纬向风变化存在着 30～60 天周期的低频振荡，后来又 证实了全球热带大气都存在着强度不同的这种振荡。80 年代，用 CISK-开尔文波和 CISK-罗斯贝波 从理论上说明了热带低频振荡的物理机制。 20 世纪 80 年代，发现了全球大气环流异常存在着“遥相关”现象，北半球冬季大气环流异常 存在太平洋/北美型（PNA）和欧亚型（EU 型）等遥相关型，夏季大气环流异常存在着东亚/太平洋 型（EAP 型）遥相关。这些遥相关型对于季度气候变化预测有重要作用。如何从机理上说明这些观 测事实，带动了行星波动力学研究的新发展。关于行星波的研究应追溯到 20 世纪 50 年代关于大气 环流准定常扰动形成的研究。从 50 年代起人们就研究了大气环流中平均槽脊即准定常行星波形成的 原因，有学者强调地形强迫在形成准定常行星波中的作用，又有学者强调非绝热加热是形成准定常 行星波的原因之一，而我国学者指出地形与非绝热加热都是形成准定常行星波的根本原因。为了要 解释大气环流异常的二维和三维遥相关的成因，许多学者研究了行星波在垂直切变基流中的垂直传 播和在球面大气中的传播，把芝加哥学派得到的波的平面频散规律推广到球面大气的二维传播中， 从而很好地解释了大气环流异常的遥相关现象。我国学者也利用波在暖变介质的传播特性与球面三 维大气行星波的广义能量守恒，提出行星波在实际基本气流中的三维传播存在着两支波导的理论， 解释了大气环流三维遥相关的物理机制。随着行星波动力学研究的深入，波—流相互作用的研究在 70 年代末和 80 年代初掀起热潮，英国学者引入波作用量概念，证明了大气环流中一个新的基本原 理—波作用量守恒原理，提出广义 Eliassen-Palm 通量（简称 E-P 通量），这是一个用于诊断分析波 动在基本气流中传播及其与基本气流相互作用的新物理量。按照罗斯贝学派经典的大气环流观点， 波动是大气环流中不可缺少的，由于波输送热量与角动量，才会造成大气环流的分布与演变。然而， 在一定条件下波与基本环流也可以不发生相互作用，这称为无加速原理，该原理在 80 年代应用 E-P 通量得到证明，这无疑是对古典大气环流一个新的认识。此外，我国学者利用波包概念研究了非均 匀基流下瞬变波的演变规律，揭示了大气环流的三维演变特性。 20 世纪 60 年代，继大气环流和大尺度大气动力学的发展之后，中小尺度气象学也有了很大发

成都信息工程学院大气科学系李国平编写2005年1月 展,其中一个突出的研究进展是根据观测和试验提出了关于超级雷暴单体、多雷暴单体、飑线、中 尺度对流复合体(MC)等不同类型的中尺度强风暴概念模型,并且从风切变、重力波、中尺度运动 的稳定性以及中尺度系统与环境场相互作用等方面提出了中尺度天气系统的演变过程和机理。目前, 中小尺度大气动力学已成为动力气象学发展的一个重要方向。 平流层与中间层大气并不像对流层那样本身可以产生各种波动,因此若单独存在平流层与中间 层大气,则其中的大气环流只能是轴对称纬向环流。但是,许多观测资料表明,冬季平流层与中间 层大气却存在着振幅很大的行星波。60年代初以来许多研究表明:平流层准定常行星波的产生主要 是由于对流层强迫产生的行星波向平流层传播的结果。80年代初,我国学者的研究也表明:冬季准 定常行星波通过两支波导分别传播到高纬平流层和低纬对流层上层。因此,对流层大气中由于受地 形与热源强迫所产生的行星波向平流层及中间层传播,从而形成了平流层及中间层大气的行星波与 准定常扰动。在中层大气中除了有准定常行星波外,还有瞬变行星波,这些波动可能与中层大气的 正压不稳定和斜压不稳定有关。中间层顶温度在南北方向呈现出冬半球高于夏半球的反常分布,对 这一问题的物理解释大大促进了中层大气重力波的研究,从而发现上传重力波与大气潮汐波在中间 层的不稳定可以平衡反常温度分布所要求的经圈环流而产生的地转偏向力。因此,中层大气重力波 的产生机理以及传播特性等问题的研究在70年代后期得到很大发展。平流层大气环流变化有两个重 要特征,一是热带平流层下层纬向平均气流(东西风)呈现周期性交替变化,这种现象称为平流层 准两年周期振荡(QB0),这种现象的机理在通过上传罗斯贝一重力混合波、开尔文波与平流层基本 气流的相互作用得到解释。另一个是1952年德国科学家发现的冬季平流层大气温度在几天之内急剧 上升的所谓爆发性增温(SsW),1971年日本松野从动力学观点解释了这一现象的物理机制。近年来, 利用变形欧拉平均运动方程来解释爆发性増温机制的硏究也比较多,指出中高纬度平流层基本气流 由西风变成东风,为爆发性增温创造了前提条件。因此,在平流层与中间层直到热层下部,波与基 本气流的相互作用是中层大气环流产生演变的主要动力过程。 20世纪60年代初,洛伦茨对于非线性动力学的发展作出了重大贡献。他提出了在大气非线性 运动方程组的解中存在着分叉、混沌及怪吸引子等现象,他的混沌理论引起自然科学界的很大轰动 不仅推动了非线性大气动力学的发展,而且使数学、物理学,甚至生物学、工程技术、社会科学也 得到非常大的发展,这一突破性的理论有“科学的第三次革命”之称。在洛伦茨提出非线性理论系 统之前,解决科学问题要么是确定论,要么是随杋论,然而洛伦茨提岀确定论与随机论不能截然分 开,它们之间是有联系的,这无疑是科学认识的一次重大突破。气象学家把非线性动力学系统的概 念应用到大气环流的研究中,利用截谱模式硏究了非线性大气环流的演变,提出了大气运动存在着 多平衡态,即在一定外界条件下大气可能出现高指数环流,在另外一些外界条件下,大气可能出现

成都信息工程学院大气科学系 李国平编写 2005 年 1 月 5 展，其中一个突出的研究进展是根据观测和试验提出了关于超级雷暴单体、多雷暴单体、飑线、中 尺度对流复合体（MCC）等不同类型的中尺度强风暴概念模型，并且从风切变、重力波、中尺度运动 的稳定性以及中尺度系统与环境场相互作用等方面提出了中尺度天气系统的演变过程和机理。目前， 中小尺度大气动力学已成为动力气象学发展的一个重要方向。 平流层与中间层大气并不像对流层那样本身可以产生各种波动，因此若单独存在平流层与中间 层大气，则其中的大气环流只能是轴对称纬向环流。但是，许多观测资料表明，冬季平流层与中间 层大气却存在着振幅很大的行星波。60 年代初以来许多研究表明：平流层准定常行星波的产生主要 是由于对流层强迫产生的行星波向平流层传播的结果。80 年代初，我国学者的研究也表明：冬季准 定常行星波通过两支波导分别传播到高纬平流层和低纬对流层上层。因此，对流层大气中由于受地 形与热源强迫所产生的行星波向平流层及中间层传播，从而形成了平流层及中间层大气的行星波与 准定常扰动。在中层大气中除了有准定常行星波外，还有瞬变行星波，这些波动可能与中层大气的 正压不稳定和斜压不稳定有关。中间层顶温度在南北方向呈现出冬半球高于夏半球的反常分布，对 这一问题的物理解释大大促进了中层大气重力波的研究，从而发现上传重力波与大气潮汐波在中间 层的不稳定可以平衡反常温度分布所要求的经圈环流而产生的地转偏向力。因此，中层大气重力波 的产生机理以及传播特性等问题的研究在 70 年代后期得到很大发展。平流层大气环流变化有两个重 要特征，一是热带平流层下层纬向平均气流（东西风）呈现周期性交替变化，这种现象称为平流层 准两年周期振荡（QBO），这种现象的机理在通过上传罗斯贝—重力混合波、开尔文波与平流层基本 气流的相互作用得到解释。另一个是 1952 年德国科学家发现的冬季平流层大气温度在几天之内急剧 上升的所谓爆发性增温（SSW），1971 年日本松野从动力学观点解释了这一现象的物理机制。近年来， 利用变形欧拉平均运动方程来解释爆发性增温机制的研究也比较多，指出中高纬度平流层基本气流 由西风变成东风，为爆发性增温创造了前提条件。因此，在平流层与中间层直到热层下部，波与基 本气流的相互作用是中层大气环流产生演变的主要动力过程。 20 世纪 60 年代初，洛伦茨对于非线性动力学的发展作出了重大贡献。他提出了在大气非线性 运动方程组的解中存在着分叉、混沌及怪吸引子等现象，他的混沌理论引起自然科学界的很大轰动， 不仅推动了非线性大气动力学的发展，而且使数学、物理学，甚至生物学、工程技术、社会科学也 得到非常大的发展，这一突破性的理论有“科学的第三次革命”之称。在洛伦茨提出非线性理论系 统之前，解决科学问题要么是确定论，要么是随机论，然而洛伦茨提出确定论与随机论不能截然分 开，它们之间是有联系的，这无疑是科学认识的一次重大突破。气象学家把非线性动力学系统的概 念应用到大气环流的研究中，利用截谱模式研究了非线性大气环流的演变，提出了大气运动存在着 多平衡态，即在一定外界条件下大气可能出现高指数环流，在另外一些外界条件下，大气可能出现