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《科学世界》:叶笃正先生和他的气候研究


http://www.sina.com.cn 2006年02月13日 16:17 《科学世界》

  风云变幻与人们的生活息息相关。复杂多变的大气常常让人们猝不及防,有时会带来严重的后果。为了应对多变的天气,古人总结出一些经验和谚语,但也不得不感叹“天有不测风云”。近几十年来,气象学家们逐渐掌握了更多的大气运动规律,使天气预报越来越准确,我们要感谢那些驾风驭雨的人。

  撰文/碧声

  道通天地有形外,思入风云变态中

  从宇宙空间回望,漆黑的天幕中,我们的行星发出宁静温柔的蓝色辉光。笼罩地球的薄纱般的光带里,漂浮着白色的流云。这层光带是大气的标志,代表着地球大气最稠密的部分,里面的微粒散射阳光,形成独特的美丽蓝色。

  看似空虚无物的大气,是地球生命的保护伞。它拦截轰击地球的陨石和宇宙射线,使生命得以存在和演化。我们生活在大气层底部,就像鱼儿生活在水底。

  地球大气分为好几层。最外层是距地面几千千米、极其稀薄的散逸层,空气分子在此逃脱地球引力束缚,进入外层空间。从这里往下,经过温暖的电离层、寒冷的中间层、宁静的平流层(多数远程客机在这里平稳飞行),就来到了紧贴地面的一层稠密大气。

  这层最厚处不足20千米、最薄处不到10千米的大气,集中了地球大气圈75%的质量和几乎所有的水蒸气。在这里,温暖的空气上升、寒冷的空气下沉,不停进行着的对流使这层大气被称为“对流层”。阴晴雨雪、雷电风霜,所有的天气现象几乎都产生在对流层。

  一根羽毛被微风卷起,在空中飘忽飞舞,路线难以捉摸。这样的情景也许会使你想到,在背后推动着这根羽毛的、那看不见的气流运动,将是何等的复杂。而气象学家必须面对对流层这样一个庞大系统,预测其中大大小小的运动会怎样发展、带来什么天气现象,其困难可想而知。

  几十年来,虽然气象预报的准确度还远未达到公众满意的程度,但确实已有了很大提高。可以说,在“把握风云变幻”这一点上,气象学家们已经取得了相当的成果。获得2005年中国国家最高科技奖的叶笃正先生,是其中最杰出者之一。

  高空的波动

  1945年,叶笃正来到美国芝加哥大学,师从那里的著名瑞典气象学家罗斯贝(Carl-Gustaf Rossby)。罗斯贝是近代气象学的奠基人之一,有好几个重要的气象学术语都以他的名字命名,其中包括著名的罗斯贝波。它是中高纬度上空沿纬度圈绕地球旋转的一种带状西风,气流上的波动缓慢地自西向东移动,由于波长长达几千千米,因而被称为“大气长波”。

  这种波是怎么产生的?1939年,罗斯贝建立了一个理论来回答这个问题。他用一个简单公式来表示大气长波的传播速度,数学推导结果与拿尺子在每天的高空天气图上量度出来的结果非常接近,可见这个理论抓住了实际大气大尺度运动的最主要特征,人们也因此将大气长波叫做“罗斯贝波”。

  大气长波位于对流层中上层,可以说是“高高在上”,但却与地面天气变化有着密切的联系。在它移动的过程中,波谷前方在地面上所对应的地方,往往也是天气变化最剧烈的地方。预测这些波动怎么移动、怎么变化,就可能预测地面天气。罗斯贝的理论给天气预报提供了一个重要的理论基础。

  理论上的罗斯贝波是单色波,就像颜色单一的光。实际的大气长波总是由不同波长的单色波叠加形成的合成波,就像我们平时见到的自然光并不是单色光,而是红、绿、蓝……许多颜色的光合成的白光。

  1948年,叶笃正的博士论文《大气中的能量频散》,从理论上证明,合成波的能量传播速度可以比单色波的相速度快。上游大气中发生的变动,其能量可以很快地向下游传播,比空气实际移动的速度快得多,导致下游的天气迅速变化。这个“上游效应”理论,使人们能够理解和掌握围绕地球西风带上不同地点上空大气变化之间的关系,提前预报大范围天气的变化。例如,冬季东亚的大规模冷空气入侵往往同大气长波的变化关联。根据“上游效应”理论,我国天气预报人员找到了上游几个关键区,例如,冬春季节,欧洲大西洋沿岸的气流结构发生明显的变化,很快东亚上空的气流和天气也会发生剧烈地变化。据此就可以提前几天预报出我国大范围天气的可能变化。这是在上个世纪80年代前气象台站做4~10天预报的主要方法之一。

  信风的动力

  空气的运动总是在寻求平衡,气流从压力高的地方流向压力低的地方,这样就形成了风。风在行进过程中发生着变化,有时沿另一条路线返回原地,这样形成的空气循环流动称为“环流”。全球范围的环流情况,叫做“大气环流”,是影响天气变化的重要因素。

  地球倾斜的姿态,使它表面受到的阳光照射很不均匀。冷热不同造成了气压差异,导致空气流动。1720年,本行是律师的英国气象学家哈德莱(George Hadley)提出,在炎热的赤道,热空气源源不断地上升,向南北两极方向流动,然后遇冷下沉,从低空返回赤道,形成环流。

  在这种“哈德莱”环流中,折返赤道的低层气流,受到地球自转的影响发生偏转,在北半球成为东北风,而在南半球形成东南风,这就是热带海洋上常年不变的信风,帆船时代驱动远洋国际贸易的动力,因而信风也称“贸易风”。

  哈德莱环流活动在较低纬度地区,即赤道至南北纬30°之间。它对大气环流起到什么作用?20世纪50年代,有些科学家认为哈德莱环流并不重要,对全球影响很小,甚至有人怀疑哈德莱环流是否真的存在。

  叶笃正与美国科学家里尔(H.Riehl)合作,通过分析海洋上空的气流资料,证实了哈德莱环流确实存在,而且对大气环流的维持起着重要作用。他还提出独特的理论和方法体系,对大气环流的演变和维持机制进行了分析,有关著作被视作这一学科领域的经典。

  气流中的“障碍物”

  空气不断流动、天气不断变化着,但有时也会出现异常情形:一团暖空气从西风气流中孤立出来,形成一个巨大的? 状高气压,运动非常缓慢,甚至能在某个地方停留很久。对于途经此地的气流来说,它就像水中的障碍物,使气流不得不分开、绕道。这个高压就叫做一个“阻塞高压”。它所在的地方会长时间地维持同样的天气,中部和东部持续晴朗,西部则阴雨连绵。

  阻塞高压一旦出现,就决定了相关区域气流运动的大形势,就像素描的框架决定了整幅画的构图。一个阻塞高压平均能维持5~7天,最长达到20多天,然后崩溃。它的产生和消亡,都会使很大范围内大气环流发生剧烈变化,从而引起强烈的反常天气。亚洲的阻塞高压往往出现在乌拉尔山、贝加尔湖和鄂霍次克海上空,对中国的天气气候影响非常大。例如乌拉尔山阻塞高压可以引导极地冷空气南下堆积;当崩溃时,被阻隔许久的冷空气会骤然大举南下,导致中国暴发严重寒潮天气。鄂霍次克海阻塞高压的建立也同我国江淮梅雨天气密切相关。因此,研究阻塞高压对于了解环流转变、冷暖空气活动和预报异常天气有着重要意义。叶笃正是最早为阻塞高压的形成、强度和地理分布给出令人满意的理论解释的科学家之一。他和陶诗言对北半球冬季阻塞高压的研究,大大提高了我国冬季寒潮暴发的预报准确率,并为研究冬季的环流变化提供了理论基础。

  地球第三极影响气候

  1950年,叶笃正回到祖国,与同事们开始了新中国的气象科学创业。随后,他将青藏高原作为一个新的研究重点,开创了青藏高原气象学,详细研究了高原对中国、东亚乃至全球气候的影响。

  占地面积257万平方千米、平均海拔4000米以上的青藏高原,是世界上最高、地形最复杂的高原,被称为“南极和北极之外的第三极”。

  青藏高原大致是个椭圆体,东西长度超过3000千米,南北宽度达到1500千米,水平方向占到了整个纬度圈的1/4。在垂直方向上,它占据了对流层1/3以上的空间。它所在的纬度,正好是地球上西风盛行的地区。对于西风带来说,青藏高原无疑是个巨大的障碍物,足以对它产生极大影响。

  气流遇到障碍物,必须从上面翻过去,或者从两旁绕过去。由于青藏高原的长轴基本上是东西顺风向的,再加上高度高,所以气流更多地是绕过,而不是像遇到落基山那样南北向很长的山脉时主要是翻越。从西而来的气流遇到高原,就像湍急的河水遇到桥墩,分为南北两支绕行的急流,其中南支急流直接影响到我国南方的降雨。

  高原阻挡西伯利亚的冷空气,使南面的印度次大陆免于遭受冬季寒潮袭击。南下的冷空气被迫在高原东侧向南倾泄,导致寒潮侵袭我国东部的范围偏南,甚至可能一直到达地处热带的印尼。

  除了是个障碍物,青藏高原对空气来说还是一个加热器或制冷器。在夏季,高原接受的阳光辐射特别强烈,像一个高耸的炉子,加热上方的大气,热空气上升运动特别强烈。强劲的上升气流传到四面八方,其中主要分为三支,下沉地点分别在南半球、北非和中东太平洋,可见对全球气候都会产生影响。

  夏季这种加热作用还在高原上方形成一个特殊的高压,称为“南亚高压”或“青藏高压”,它是夏季对流层上部全球最强大、最稳定和范围最大的高压。随着高原加热作用的强弱变化,南亚高压的位置会发生移动,当它的位置偏离高原上空移到中国东部平原时,高原东侧降水就偏多。

  冬季的高原总体上是个冷源。由于海拔高、气温低,青藏高原覆盖着大量冰雪。冰雪的多少,决定着高原地面能吸收多少阳光热量,影响来年春夏季节变换的时间。当冬春季节高原积雪特别多时,来年长江流域往往降水偏多。冬季的高原还会加强哈德莱环流,从而使中国的冬季风增强。

  青藏高原的存在,造成了许多我们熟知的天气和气候现象。例如,由于它的屏障作用,高原东侧是一个背风的“死水区”,常年风力都很微弱。加上四川盆地本身地形闭塞,导致气流不畅,而且非常潮湿,云多雾重,连日阴雨。柳宗元曾称蜀中“恒雨少日,日出则犬吠”,这就是著名的“蜀犬吠日”。高原南侧的绕流气流还是一条从印度洋到我国东部的水汽输送带,贵州正好处在这个输送带下方,加上地形的作用,致使当地多云雨,“天无三日晴”。这条西南-东北向的水汽输送带是我国长江中下游地区初夏长时间的阴雨天气—梅雨天气的主要水汽输送者。

  打开缺口

  翻开世界地图可以看到,大部分沙漠集中在南北回归线附近的纬度上,即20°~30°之间,如北半球的伊朗沙漠、阿拉伯沙漠、撒哈拉沙漠,以及美洲的

墨西哥沙漠等,人称“回归沙漠带”。

  中国的沙漠位置却与众不同,西北荒漠所在的纬度,比上述沙漠要偏北15°~20°。中国与回归沙漠带同纬度的地区,是温暖湿润、气候宜人的江南和华南。世界多数沙漠集中在回归线附近,为什么中国又会如此特殊?根源就在青藏高原。

  回归线附近属于亚热带,又称“副热带”。在南北半球这一地区上空,稳定地存在着一个高压地带,它像一个带状的高压坝,阻隔了热带海洋上暖湿气流向高纬度移动。“副热带高压”中盛行下沉气流,所在的地方,大气干燥炎热,少云寡雨。在其占据的纬度带自然会形成大片的沙漠。副热带高压也随季节南北移动。当我们听到天气预报中说“某某地受副热带高压控制”,这意味着那里是烈日炎炎的酷暑天气。夏季长江流域的“伏旱”天气就是一个例子。

  青藏高原是一块年轻的高地,它的隆起已经进行了几千万年,但最近250万年来隆起尤其剧烈。在它未曾诞生时,它所在的地方及现今中国西北荒漠地区有着温暖湿润的气候,水域广阔,森林繁茂。

  后来,碰撞的大陆吞没了古地中海,导致青藏高原隆起,改变了亚洲上空的大气运动。高原隔断海洋的暖湿气流,使中国西北部气候严酷起来。但另一方面,它也在东亚副热带高压带上打开了一个缺口,使热带的暖湿气流得以到达我国东部的大片地区,形成了独特的东亚季风气候。在江南和华南地区,夏季风与沿高原北侧南下的冷空气交汇后形成丰沛的降雨,造就了沃野千里、四季分明的江南鱼米之乡。

  叶笃正通过对青藏高原气候的研究,使人们认识到,高原对中国的气候有着关键影响。如果没有青藏高原,中华文明史将全盘改写。高原的隆起使中国的大江大河滚滚东流,而不是由北向南入海。此外,受高原影响的冬季风,把尘沙从西部的戈壁沙漠中吹来,尘沙沉降成为肥沃松软的黄土高原。长江、黄河与黄土高原,孕育了独特的中华文明,这一切都可以追溯到青藏高原隆起的作用。

  季节突变

  人们往往觉得春天太短,“更能消、几番风雨,匆匆春又归去”,似乎冬天过去还没多久,漫长的炎热夏天就来了。秋天也给人类似的感觉。事实上,从气象学的角度来看,夏天和冬天本来就是两个比较“稳定”的季节,春天和秋天只是过渡季节。

  全球大气环流有冬夏两个基本形态,不妨把它们看作是相连的两个山谷,物体掉下来之后会长时间停留在一个谷中。当有额外的能量来推动它时,物体会暂时地移动到山谷之间的山峰上,但那里是不稳定的位置,很容易就滑落到另一个山谷中去。类似地,天气容易在夏天或冬天的状态停留很长时间,而春秋两季很快就会过去。

  1958年,叶笃正和陶诗言等人提出,每年的6月和10月,大气环流会发生急剧变化。在几天之内,西风急流能够不连续地跳跃10个纬度以上的范围。与之伴随的突变现象,还有副热带高压和东部降雨带的跳跃。也就是说,从春到夏和从秋到冬的季节转换过程是突变式的,而不是缓慢逐渐变化的。季节突变与青藏高原有着密切联系,与中国雨季的开始和结束以及雨带移动关系很大。例如“6月突变”发生时,西风带因青藏高原分流而产生的南支急流突然北撤,南亚高压等也发生北跳,登上高原,亚洲南部高空出现一条东风急流,此时,印度西南季风暴发,长江流域的梅雨开始。因此,季节突变理论对中国的天气预报有着重要意义。

  在不同的尺度上

  大气中存在着各种各样的运动,其规模的大小、存在的时间长短大相径庭,波长从几千米到几万千米,寿命从几小时到几星期,这叫做“尺度不同”。同一个影响因素,对不同尺度现象的影响力会有很大差异。例如,地球自转造成气流运动方向的偏转,对几千千米的大尺度运动很重要,对几十千米的小波动就不重要了。

  在不同的尺度上,各种因素之间的制约关系也可能完全相反。我们看到的大气运动一般处于相对稳定的力和运动的“适应”状态,一旦其中的平衡被破坏,运动形式就会很快发生调整,然后进入下一个适应了的状态。那么,大气环流发生变化时,其中的风场和气压场两个因素,到底哪个是主导、谁去适应谁?这是天气预报的一个关键问题。

  20世纪40年代以前,气象学家一般认为,大气质量分布不均匀导致气压差异,产生大气运动,起主导作用的因素是气压场,而风场是被动的。叶笃正的老师罗斯贝首次指出风场是主导因素,这一观点也得到了一些实验数据的支持。

  对此,叶笃正与李麦村通过一系列理论研究工作证明,风场和气压场是相互适应的,到底谁起主导作用,取决于大气运动的尺度。在大气中存在一个特殊的运动尺度,称为“特征尺度”,实际运动尺度大于该特征尺度时,气压场是主导,当平衡被打破时风场必须发生相应改变去适应它。相反地,当运动尺度小于特征尺度时,风场是主导因素,反过来,由气压场适应风场。

  这就是著名的大气运动适应理论,它解决了国际气象学界一个长期争论不休的问题,并大大丰富了大气环流的理论知识。

  有序人类活动

  人类进入工业化时代以来,尤其是20世纪以来,地球环境和人类生存环境发生了急剧变化。我们人类这个兴起仅数百万年的物种,正在对整个地球环境造成深远影响—很不幸,其中许多重大影响是负面的。在当前的全球性环境问题中,最重要的几个包括:全球变暖、臭氧层出现空洞、森林面积锐减、物种加速灭绝、土地荒漠化和淡水资源短缺等。

  20世纪80年代初,叶笃正和国际上几名科学家率先意识到,预测和应对全球环境变化,将是一个多学科的重要问题,不是一两个学科能解决的。环境变化在气候方面有着特别强烈的表现,传统气候学研究的主要是自然环境中的物理过程,而化学和生物过程也是环境变化的关键因素。此外,经济、社会乃至政治因素也在其中起着作用。

  这一想法刚刚提出时,响应的人很少。但后来人们逐渐认识到,必须把地球当作一个整体,以学科间相互渗透、系统的综合集成为主要研究方法,来研究环境变化规律及人类对环境的影响。由此诞生了一门新兴学科—全球变化科学。

  作为这一学科的创始人之一,叶笃正对国际地圈-生物圈研究计划(IGBP)的建设发挥了重要作用,并促使中国的全球变化研究得到很大发展,受到国际重视。他还提出,气候和植被的过渡地带是环境变化最敏感的地区,变化的趋势将在这些地区首先表现出来,因此,过渡地带应该在全球变化研究中受到重视,这一观点得到了国际学术界的广泛认同。

  1992年,在里约热内卢举行了人称“里约地球峰会”的联合国环境与发展大会,会上提出了今天已经深入人心的口号—“可持续发展”。不过,这个概念只是指出了一个目标,怎样才能实现可持续发展?叶笃正和同事研究后,开出了“有序人类活动”的药方。

  “有序人类活动”意味着,通过合理安排和组织人类活动,使自然环境在长时间、大范围内不发生明显变化,甚至能持续好转,同时又能满足当时社会经济发展对自然资源和环境的需求。这个概念为实现可持续发展指出了一条明确的道路,提出后引起了许多科学家的共鸣。

  更广阔的视野

  地球是一个巨大的系统,包括大气、陆地、海洋、冰雪、生物等多个圈层。过去的地球科学中,各个分支学科主要注重各自研究的子系统,例如大气圈由气象学和大气物理学负责,水圈是海洋学、水文学等的领域。由于地球的各个圈层相互之间存在强烈的相互作用,这种思路是有局限性的。

  20世纪80年代初,叶笃正在国内首先提出,应加强对气候和气候变化的研究,而且不能仅仅看大气,要把气候作为一个系统放到地球的各个圈层中来考虑。在他的倡导推动下,中国的气候研究几乎与国际同步发展,从以往单纯的天气情况统计分析,转向了以“气候系统”概念为基础的多学科综合研究。

  从动力气象学到气候系统、全球变化,叶笃正的眼光不断地看得更远。他的超前意识和战略眼光,不仅使他在不同领域取得诸多学术成果,还影响、指导着中国气象学等学科的发展。

  叶笃正的老师罗斯贝具有出色的科研组织能力,这一点同样反映在叶笃正本人身上。他在气象学理论研究的实际应用、科研机构建设、人才培养、交叉科学研究的协调、国际学术交流等方面,都做了大量工作。

  叶笃正非常注重科研的创新。在许多研究领域,他并不一定从事具体研究,但他的远见卓识和组织能力往往能把人从局部带到更广阔的视野,从中国走向世界,从单一学科走向大科学。

  看似变化无常、行踪诡秘的大气运动在叶先生以及同行和同事们的潜心研究下已经不再是变幻莫测,虽然还不能说一切风云变幻尽在掌握之中,但已经把握住大气运动的基本脉搏。

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