《大自然寻真》

第23章  大气环流原动力-2

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23.5  目前的气象事业中必须纠正的重要认识

    目前对大气环流有哪些重要认识和实际操作必须纠正的呢？从前面的分析已经知道，太阳热力的作用比起地球自转和地热来，是不同量级的小项，它主要只是由于太阳对地球的强辐射纬度带反复发生了南北移动，从而使得大气环流产生了季节性变化，这并不是根本性的原动力。但是，过去一直认为大气环流的形成和存在都是太阳热力的作用，所以我们应该纠正这个重大的认识偏差，在原动力问题上绝不能再漏掉了地球自转和地下热能这些根本性因素。尤其在大气动力学研究，从而建立数值天气预报方程组的工作上，必须引起极度的重视。

    具体说到数值计算天气预报，我们不能只会永远都在埋怨计算机的运算速度太慢，却不去怀疑自己所设计的原始动力和热力方程式可能存在致命的缺陷。如果继续漏掉了内因，不从根本上去重新研究和改造整个方程组的话，哪怕再有更加先进得多的计算机和引入更多层次和更细网格的计算模式，也相信始终得不到比较理想的天气预报计算结果。

    有些人对目前的数值计算天气预报感到十分自我满足，觉得成绩已经很伟大。究竟应该如何看待呢？要想对问题有个客观端正的认识，首先就需要对数值计算预报原始方程组的是非功过做出公正的检测和评价，但必须特别注意，切不可以将混合进去的各种统计学方法的预报贡献，也当成为动力数值预报方程组自己的预报能力。数值计算天气预报的原始本义是从引发大气运动的原动力出发，列出了几个与大气运动有直接关系的，物理意义十分明确的方程式，然后代入了具体观测数据进行计算以预报未来的大气运动变化，从而得出未来应有的天气形势。如果方程组能充分体现大气运动变化的内在本质规律性的话，这种方法显然是最科学的。但是，由于以往尚未认识到地球自转和地下热能是大气运动的根本原因而只考虑了太阳热力影响，就使得已经建立起来的方程组无法反映大气运动本质规律，所以该法的早期计算预报效果很差。因此，从20世纪70年代就已经开始使用历史资料统计订正法去修正数值计算预报结果了，这还是中国人邬元康先生作为访问学者时在欧洲数值预报中心最先做出的贡献，他本人曾经来过广东省气象台做过有关的工作报告。经过了几十年的努力，虽然目前的数值计算天气预报水平已经可以提供给预报员作为日常业务预报参考了，但实际的计算方法已经完全背离了动力数值天气预报的原始本义，历史资料统计订正法已经喧宾夺主。更确切地说，应该称其计算结果为数值统计预报产品。然而，数值统计方法仅能预报历史平均情况，它是长期天气预报和气候预报中历来一直使用的，没办法中的办法，其实都属经验性方法，永远也达不到很理想的程度。几十年来数值计算天气预报的进步虽然有可喜之处，却又使当前的气象预报陷入了尴尬的局面。对于各级气象台的值班预报员来说，如果因自己的预报结论与上级部门的数值计算预报产品不相同而使重要天气预报失败，则自己难于推卸责任；但如果完全按照代表着所谓最先进技术的数值计算预报产品下了预报结论，又经常令一些特殊天气预报出错。于是，最省事的办法就是你怎么报我就跟着怎么报，值班预报员自己既不必动脑筋，又无须负责任，何乐而不为。这样一来，年轻人上班去可以照吃现成饭，下班来又可以充分身心放松，何必还要去辛辛苦苦地加班加点学习和研究啊！数值计算天气预报的成绩是不是很伟大？对于它的利弊和所造成的尴尬局面，全国的在职气象人员又有哪一个敢于出来说一句话呢！

    自动化道路的最终目标应该是达到机器完全代替人力又能做出高水平的准确预报，而这一步所唯一指望的，只能是在对大气运动的真正物理动力本质有了充分认识的基础上，研制出能较好体现大气运动实质的真正的动力数值天气预报方法，因此，不能再让上述的尴尬局面长久保持下去了。在此关键时刻，对已有的数值计算预报进行客观端正的认识是关键中的关键。有人对当前情况竟然沾沾自喜，自我陶醉，容不得出现不同声音，投去了稿件则说是否定了气象事业发展的成绩，当然不能发表。如果认为目前的数值计算预报业务的方法就已经代表了原有的目标，那么，在大学里又何必去开那么难学的“动力气象学”这门课呢？在笔者看来，目前的那个方程组不外是个摆设而已，完全不要它，全靠统计方法和目前已有的计算机能力，同样可以得出与其水平相当的预报结果。所以，要想对于原有的动力数值预报方程组的真实预报能力做出科学的评价，应该注意完全排除统计学方法的预报贡献，这是严肃的科学态度。

23.6   一个十分重要的力学新概念——流体软弹力

    在用我们的大气环流原动力的新观点来逐个地解释各种具体的大气环流问题之前，在此要先介绍一个新的力学概念，它叫做流体软弹力。对于星球尺度的流体运动来说，流体软弹力的作用十分重要。在地球上的海流和大气环流中，流体软弹力就发挥着很重要的作用，以往人们还未认识到有这种力在起作用。如图23.6，在北半球若有一团10米直径的相对静止空气从A点的地面随着大气环流被突然搬到了B点的地面（或B点是与A点相同高度的高空）。这团空气在A点时绕地轴转动的绝对线速度VA＝ω•CA， 而B点本身绕地轴转动的绝对线速度是VB＝ω•DB，显然VA＞VB 。这就是说，由于这团空气到了B点之后，它会继续保持用VA的线速度绕地轴转动，因此就会变成了B点纬圈上的偏西风，我们可以看成空气与地面之间出现了力矩，暂称之为软力矩。

        图23.6：流体软弹力示意图

    刚体在受拉力或压力作用时会产生反作用力，这种反作用力就叫做弹力。若拉力将弹簧拉开，则弹力就会在拉力消失之后将拉开的弹簧缩回原状。上述的气团由于受到向北迁移力和科里奥利力的共同作用，才会从A点被搬到B点，并且变成了相对于地面的偏西风（即具有软力矩）。在此过程中，迁移力和科里奥利力都同时起了作用，而它们的反作用力却都未能发生作用，所以才产生了软力矩。软力矩就是像拉紧的弹簧而弹力又还未释放出来那样，具有一种势能。地面与空气之间有摩擦力，空气本身又有连续性，所以地面与空气各点之间还是相联系在一起的，这就使得这种软力矩虽然不能马上显出作用效果，但迟早也还是可以慢慢发生作用的。软力矩可以通过地气之间摩擦力的媒介作用，一方面将这些空气的向东动能的一部分转换为地球的自转能量，另方面又会迫使空气逐渐离开这里去寻找与自己相互平衡（即相对静止）的位置（应该往低纬度或往高空移动）。显然，能将上述的流体软力矩所隐藏的势能释放出来的后续作用过程也类似于弹力的作用过程，所以我们将这种后续作用的力形象化地称之为流体软弹力。在A点相对静止的空气到了B点就变成向东相对运动的流动空气，这显然是向北迁移力和科里奥利力两者所为。所以，流体软弹力有一部分是迁移力的反作用力，另一部分是科里奥利力的反作用力（在此我们暂不将它们再细分）。10米直径的空气团换成100米，或者换成高空空气，它们与地面的相互联系和作用依然无形的存在着，但空气离地面越远，流体软弹力发生作用就越不容易，只能作为能量暂时储存起来。这就像时钟被上紧的发条一样暂时将能量保存着，然后随着钟摆的摆动才慢慢将弹力势能释放出来。至此，我们可以更具体地下定义：与自转的地球紧密联系在一起的大规模流体（如海水或大气），当它们绕地轴转动的速度与地球自转速度不同步时，就会具有了势能，而可以将这些势能释放出来的力就称之为流体软弹力，力的方向是指向流体能够回到与硬质地面保持相对静止的平衡位置的方向。这种势能可称之为软弹力势能。

    其实，上述定义中的“地球”可以代换成“星球”。另外，除了海水和大气是大规模流体之外，地下的岩浆，或者全液态天体（如太阳）的整个球体都是大规模流体。因此可以说：流体软弹力是天体自转流体力学中十分重要的力学概念。

       如何更具体理解流体软弹力的含义呢？

    一列火车或者一架飞机从广州开到北京，期间除了有动力（在上述大气中称为迁移力）的牵引之外，也受科里奥利力的影响。它们除了受到摩擦力的极力阻挡之外，火车会用东侧铁轨的支撑力（硬弹力，即科里奥利力的反作用力）不断去阻止科里奥利力将火车往东（从北京开往广州则往西）方向拉过去，飞机则会不断调整驾驶方向不让它往东方向偏离。火车和飞机都在路途中使用了反作用力将科里奥利力克服掉了（当然也克服了前进的阻力，即前进动力的反作用力也发挥了作用），所以它们到了北京之后，都再不会相对于地面绕着地轴向东快速地旋转。

    流体就不同了，当空气随着大气环流从低纬度地带被搬到高纬度同高度的地方时，由于科里奥利力和迁移力的反作用力都无法立即发生作用（离开地面而且处在移动气团内部的空气就连摩擦力都无法发挥作用），所以到了新地方后就会变成了相对于地面的偏西风。这时，流体软弹力的方向是指向低纬度和上空，因为流体只有往这两个方向才能找到自己的平衡位置。要往低纬度是逆环流方向，暂不可能，想往上空又受到重力的压制，而且上层空气的软弹力能量也可能彼此相当，于是，软弹力就只能作为势能暂时储存起来了。这就好像上紧了的法条暂时无法松开一样。大气中有着明显的西风倾向就是储存了软弹力的表现，高空西风急流就储存了大量的软弹力能量。