大气科学 第二版

第1章 绪论 1.1 研究内容及近期的主要进展 大气科学是一门比较新的应用性学科，研究行星大气的结构和演变规律，以及在大气中发生的各种天气现象。大气科学主要围绕地球大气进行研究，从这个意义上说，大气科学可视为地球科学的一个分支，它和从属于地球科学的其他分支一样，都融合了物理、化学以及流体力学。 对更准确的预报的需求促使大气科学不断发展，尤其是在20世纪发展更为迅速。时下普遍的叫法“气象学家”即大气科学研究者的代名词，其实就是“天气预报员”。在过去的100年中，天气预报已经从单一的依靠经验和直觉预测演变成基于质量、动量和能量守恒的数值模式预测。预测模式日益发展，同时，愈发成熟的模式也使其预报技巧大大提高了（见图1.1）。今天的天气预报不仅要作出未来l~2周内天气形势的确定性逐日演变，而且关注逐时灾害性天气事件（如强雷暴、冻雨等）发生的可能性（也被称作“临近预报”）；它还研究在未来一年中可能出现的季节性气候偏差（即天气统计学）。 图1.1 1981-2005年数值天气预报技巧的改善。纵坐标表示预报水平，其中100%代表大气模式对5km高的半球流场型能做出完全准确的预报。*上面的一对曲线表示3天的预报水平，中间的一对曲线表示5天的预报水平，*下面的一对曲线为7天的预报水平。每一对曲线中，上面的曲线表示对北半球的平均预报水平，下面的曲线表示对南半球的平均预报水平。可以看出，预报技巧不断提高（如今对北半球流场型的5天预报技巧水平已和20年前的3天预报水平相当）；而在南半球，预报技巧提高的更快，这反映了在预报模式中同化卫星资料所取得的进步[摘自Quart.J.Royal Met.Soc.，128，p.652 (2002)。由欧洲中期天气预报中心提供]。 天气预报工作不仅为大气科学的发展提供了理论支持，而且还提供了大量的基本资料。19世纪末发展起来的资料整合系统是通过电传地面气象观测变量汇集区域资料，而现在它已演变成复杂的观测系统，其中，地面以及高空的实地和卫星观测值以一种动力一致的方式被融合或同化以获得其相应的全球三维场的*优估算。这套全球的、实时的大气资料让海洋学家和其他地球行星学家赞叹不已，它不仅代表着一项杰出的技术成就，而且也是一个得益于国际合作的极佳榜样。当前，全球天气观测系统是更广阔的地球观测系统中的一个极重要成员，地球观测系统有助于多项科学研究活动的开展，包括气候监测和全球范围的生态系统的研究。 大气化学是大气科学中一个更新的、也越来越重要的分支学科。一个世纪以前，这一领域的研究重点还仅仅是城市空气质量状况。在20世纪70年代，研究发现北欧、美国东北部及加拿大东部地区的森林和湖泊中的生物遭到了酸雨的侵害，这是由于位于上风方向的数百里甚至有些数千里以外的燃煤发电厂排放二氧化硫造成的。硫和氮氧化合物（SO2、NO、NO2和N2O5）溶于微小的云滴，形成弱溶解的硫酸和硝酸，再通过降水到达地面从而形成酸雨。这一事实使大气化学的研究得到前所未有的重视。 图1.2 2000年9月南半球高纬地区臭氧含量随高度积分分布图，由合成气体氯氟烃化合物的累积所致的南极臭氧空洞清晰可见。其中紫色和浅蓝色阴影代表的臭氧相对比值比同围绿色和黄色阴影区域的要小得多[根据NASA TOMS科学小组提供的数据所得；图片来自NASA的科学显像工作室]（另见彩图）。 越来越多的研究结果表明，人类活动对全球大气成分有很大的影响。20世纪80年代有一重大发现，即南极上空出现“臭氧洞”：每年春天，位于南极上空平流层中的臭氧层消失（见图1.2）。研究表明，臭氧层的破坏是由氯氟烃化合物(CFCs)分解所致，而此类合成气体越来越广泛的用于制冷和各种工业中。正如在酸雨问题中发生了有云滴参与的各类化学反应，同样的在“臭氧洞”现象中，也有化学反应发生，只是发生反应的区域很小，仅在极区的平流层云中。对大气化学的研究，将有助于拟定相应的政策以控制并*终扭转酸雨和臭氧洞现象的蔓延。目前，由于人类活动增加了二氧化碳和其他微量气体的排放（见图1.3），温室效应导致全球变暖，这个还有待于解决的科学问题又向大气化学及更广的地球化学领域提出了新的挑战。 图1.3 莫纳罗亚（夏威夷）和南极地区的月平均大气CO2浓度（单位：ppmv，体积的百万分之一）随时间演变图，其中，CO2浓度的上升由人类燃烧化石燃料所致。在莫纳罗亚，大气CO2浓度还具有显著的年循环，其中夏季浓度*小[数据来自于C.D，Keelin，由Todd P.Mitchell提供]。 大气科学还包括一个新兴领域——气候动力学。20世纪，大多数的气象学家认为，气候变化发生在一定的时间尺度内，在这个时间尺度，当前的气候状态可以依据一组统计标准值（如1月份的温度气候平均值）来描述。他们认为气候学与气候变化是两个独立的领域，前者是大气科学中的一个分支，而后者则广泛存在于各学科中，例如地质学、古植物学、地球化学等。从更全面的动力学观点看得气候的诸因素中有： 证实了厄尔尼诺现象发生时，全球大范围气候具有逐年变化的相关型（见10.2节）。 多种来源的代用资料（尤其是海洋沉积物和冰芯）证据指出，在一个世纪或更短些的时间尺度内发生了大范围的、一致的气候变化（见2.5.4小节）。 由于人类活动导致的20世纪全球平均地表气温上升以及在21世纪会有更大幅度升温的预测（见10.4节）。 跟大气化学的某些方面一样，大气动力学本质上包含多个学科。要理解气候变化的性质和原因，就必须将大气看作是地球系统的一部分。 1.2 相关概念及术语 虽然地球并不完全是一个球体，但围绕地球旋转的大气活动仍可以用旋转球坐标系来表示（见图1.4）。坐标轴分别是纬度φ、经度λ和海拔高度z。坐标角度通常由距离代替，即 （1.1） 式中，x表示本初子午线以东的纬向距离，y表示赤道以北的距离，r表示距地球球心的距离。在地球表面，一个纬距为111km[或是60海里(1海里＝1. 852km)]。由于99. 9%的大气质量都集中在距离地表面大约50km以内，而该大气层的厚度还不到地球半径的1%，因此，r通常取地球的平均半径（6.37×106m），用RE表示。从地球的边缘影像可以看到大气层确实是很薄的（见图5）。 为描述大气运动，定义了3个速度分量：（纬向速度分量） （1.2） （经向运动分量） 和 （垂直运动分量） 式中，z表示海拔高度。考虑变量的平均值、梯度以及沿剖面的变化时，会经常用到“经向”和 “纬向”。例如，“纬向平均”表示沿着某一纬圈的平均；“经向剖面”表示南北方向的大气横截面。水平速度V表示为，其中和分别是纬向和经向的单位矢量。正（负）的纬向速度表示西（东）风，正（负）的经向速度表示南（北）风，南、北半球都一样。对于尺度大于100km的大气运动，其水平尺度远大于垂直尺度，相应地其水平速度的特征尺度也比垂直速度的特征尺度大多个量级，所以对于这些尺度的大气运动，可以用水平风速矢量近似的代替风速。风速的国际单位是m s-1。1m s-1相当于1.95knots（1knot=l海里／h）。在大尺度大气运动中，垂直速度分量通常用cm s-1计量，1m s-1的垂直速度大约为每天在垂直方向移动1km。 图1.4 大气科学中的球坐标系。φ表示纬度，定义北半球为正，南半球为负；λ表示相对于本初子午线的经度，向东为正。径向坐标（radial coordinate）（没有给出）表示海拔高度。 图1.5 太空拍摄的可见卫星图像中地球的边缘。图中白色的光带主要是光线被大气中的气溶胶散射形成的，叠加其上的蓝色光带主要是被大气分子散射形成的[NASA Gemini-4图片，NASA提供]（另见彩图）。 本书中，局地导数表示旋转坐标系中某一固定点随时间的变化率，而全导数表示在大气中沿着某一空气微团在三维空间中运动轨迹的变化率，它们分别称为欧拉变率和拉格朗日变率。两者的关系可用下式表示： 或者反过来表示为 (1.3) (1.3)式中含有速率的各项，包含前面的负号一起，称为平流项。空间固定点上，某一变量妒的欧拉变率和拉格朗日变率是不同的，这是从上游平流的空气带有较高或较低的结果。对一个假想的示踪气块，其拉格朗日变率恒等于零，而欧拉变率则为 热力学中基本变量为气压、密度p和温度。气压的国际单位为1N m-2＝1kg m-1 S-2 =1pascal(Pa)。在采用国际制单位之前，大气压是用毫巴(mb)表示的，其中1mb =106g cm-1 S-2 =106 dynes cm-2。为了保留气象学家和公众已经习惯了的气压数值，目前大气压通常用百帕作单位(hPa)。密度的单位为kg m-3，温度的单位可用℃或者K，这要根据具体情况，表示温度偏差时用℃，表示温度本身时用K。能量的单位为焦[耳](J=kg m2 S-2)。 理论上，决策预报的极限一般为几个星期，通常把时间尺度小于这个长度的大气现象看作与天气有关的现象，而把时间尺度更长的现象看作与气候有关的现象。因此，谚语中说“气候是未来发生的，而天气则是正在发生的”。时间尺度为几个月或更长时间的大气变化称为气候变化，与典型的（与“特别”相对）季节或年际尺度相关的统计学称为气候平均统计学。 框栏1.1 大气的可预报性和混沌性 由于初值问题的存在（如系统方程从一固定状态随时间向前积分）过几个星期的大气运动本质上是不可预报的。在模式预报中无论初始条件中的企有多小，当超过这个时间范围，它们误差可以增大到与我们所观察到的大气流场白化相当。这种对初始条件的极度敏感性是许多类型实际现象的数学模型的特点为混沌非线性系统。事实上，就是高度简单的天气预报模式中误差的增长也清楚地表明了这一类现象的存在。 1960年，麻省理工学院气象系的Edward N.Lorenz为了使他的“天气预报”自延伸更长的时间，决定利用一个简化的大气模式重新试验。出乎意料的是，他发现居然不能得到先前的试验结果了。两次试验中，即使程序和模式初始条件完全一样，两个预报结果在经过*初的几百步后几乎完全不同，这和从完全不同的初始条件出发积分得到的随意选择的状态的情况差不多。Lorenz*终发现，他使用的计算机会带来舍入误差，因为每次在计算时对*后一位有效数字的舍人都不同。起初，模式不同次运行中天气型的差别不明显，然而随着不断的积分，此种差别显著到与单次模式运行中天气型的变化相当。 同时，Lorenz的模式也展示了另一个显著的、出乎意料的结果。在很长的模拟时间里，模拟结果在某一气候平均态附近来回振荡，然后在没有任何明显原因的们下，模式模拟的气候态突然发生变化，开始在另一完全不同的气候态附近来回摆动（见图1.6）。Lorenz模式给出了两个这样的主要的“气候态”，当模式状态停留在其中一种气候态时，“天气”呈现准周期震荡，因此，即便是对较远的未来也是可以预测的。但是，这两种气候状态间的变化非常突然，不规则，在几个模拟日之外都是无法预测的。Lorenz称模式中这两种气候态为吸引子(attractors)。 图1.6 Lorenz所用模式状态的结果用模式3个因变量振幅所决定的三维空间中这种气候态突变的现象表现得非常明显，模式态在两种“气候吸引子”之间来回振荡，对应图中完全不同的两组螺旋体系，处于三维位相空间中两个不同的位面。两种气候态间的转化并不常发生[摘自《自然》杂志，406，p. 949 (2000)，由Paul Bourke提供]。 实际的大气运动要比Lorenz在试验中运用的高度简化模式复杂得多。地球气候是围绕多“吸引子”的气候态变化还是该被看成是一个受太阳辐射、地球轨道、火山活动以及人类影响的单一气候状态变化，还有待于进一步讨论。