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罗斯贝和20世纪大气科学的发展贾朋群秦莲霞胡晓梅翻开现代气象.PDF 10页

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罗斯贝和20世纪大气科学的发展贾朋群秦莲霞胡晓梅翻开现代气象
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罗斯贝和20世纪大气科学的发展 贾朋群 秦莲霞 胡晓梅 翻开现代气象科学发展史,人们很容易发现在20世纪前半叶,传统气象学 的经验学派、理论学派和气象预报实践学派之间相互融合、借鉴,并最终以数值 天气预报成功为标志,走向成熟并构建了地球科学中的重要学科-大气科学 [1-2]。 这一半个世纪的重要过程,是以世纪初1903年挪威物理学家V 皮叶克 尼斯(Vilhelm Bjerknes)提出天气预报问题不过是一组控制大气运动的动力和 热力物理方程的初值问题,天气预报就是这一数学方程组的解的观点开始,而结 束于 1950年由冯·诺依曼(von Neumann)和切尼(Charney)等在人类第一台 电子计算机上成功进行了数值天气预报。皮叶克尼斯及其创建的挪威卑尔根 (Bergen)气象学校 以及冯·诺依曼和切尼主持的美国普林斯顿大学高级研究 院气象项目,也成为20世纪气象科学二大科学突破的载体。这两次突破,彻底 改变了气象学科的面貌,也 使气象预报从艺术真正转变为一门严肃的基于物理 和数学理论的科学。然而,在两次突破之间漫长的几十年里,科学家们的不懈努 力,并最终使现代物理学和数学走 进了气象,为铸造着眼于天气预报的现代大 气科学理论做出的艰苦努力同样功不可末。其中,瑞典籍美国气象学家罗斯贝, 是用自己的研究经历连接两次重要创新过 程的不多的学者之一。如果说皮叶克 尼斯大胆地将气象问题归结为物理和数学问题,使气象学家开拓了眼界,知道应 该到哪里和以什么态度去寻找气象预报问题的答 案,而冯·诺依曼和切尼则漂 亮地用数值模式彻底地将大气科学理论和气象预报问题合二为一,让预报员认识 到依据科学理论可以得到客观和准确的天气预报方法, 那么,罗斯贝在动力气 象学领域创造性的工作则清楚地揭示了大气运动的共性和个性,铺垫了使两次突 破完美结合到一起的路径。 一、罗斯贝的学术生涯 卡尔- 古斯塔夫·阿尔维德·罗斯贝(Car-Gustaf Arvid Rossby, 1898-1957 年)1898年12月28日出生于瑞典斯德哥尔摩的一个中产家庭。当他在家乡的 斯德哥尔摩大学进行数学和物理专业的学习时,参加了由当 时刚刚获得气象预 报理论突破的皮叶克尼斯主讲的一次关于大气运动非连续性问题讲座,由此他就 被气象学问题深深吸引。1919-1920年他进入著名的卑尔 根气象学校,加入了 由皮叶克尼斯率领的气旋理论研究和天气预报团队。年轻的罗斯贝亲历了极地锋 理论和气团学说激动人心的发现,并作为团队的一员提出了一些 很好的思想 [3]。1919年夏,他首先建议暖锋和冷锋在天气图上分别用红色和蓝色代表,而 不是当时使用的相反方案[4]。 这时他也预感到自己的兴趣和长处在理论方面, 大学里学习的物理和数学知识在气象领域不是没有用处,而是还远远不够。1921 年他又回到斯德哥尔摩大学,更 加深入地学习数学和物理课程并在1925年取得 学位。与此同时,从1922年开始,他还是瑞典气象和水文研究所的雇员,在那 里他参与高空气球观测网的建 立,与另外4名预报员一起每天3次进行天气图 分析并作出全国天气预报。其中有两年的夏天,他还随船出海提供天气预报。 1926年是罗斯贝学术生涯的一个重要的转折点。这一年他获得了一个基金会 的资助,前往美国天气局进行访问研究。他1926和1927年在美国著名的《每月 天气评论》杂志上发表了关于大气湍流和对流方面的论文[5-6],反映了他在来美 之前的研究工作中对大气摩擦层的具有远见的洞察。这一时期由于美国对北欧天 气预报新进展普遍持否定和麻木的态度[7], 罗斯贝只好在气象局尚未介入的航 空气象预报中另辟蹊径。他在加洲建立了美国第一个航空气象服务试验系统。 1928年,他在麻省理工学院(MIT)组织了美 国第一个大学水平的气象研究项 目,同时创立了美国第一个现代气象学意义上的大学气象系。罗斯贝在MIT工作 了11年,前3年他致力于气团热力学研究[8], 首先发现大气热力学中一些物 理量具有守恒性质。他最早提出利用位势温度和比湿等物理量定义气团,追踪气 团的运动,进而对锋面和气旋等天气现象进行更为量化 的诊断和描述。这些大 气中具有守恒性质的准物质面还被作为空间坐标的代替量应用于数值预报模式。 罗斯贝还专注于大气和海洋中的湍流研究,第一次在气象学中 引入了混合长、 粗糙度参数、卡曼常数等概念,并将这些概念扩展到海洋。1940年代,罗斯

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