动力气象学

气象学分支

动力气象学是应用物理学定律研究大气运动的动力和热力过程，以及它们相互关系，从理论上探讨大气环流、天气系统和其他大气运动演变规律的学科。它是大气科学的一个分支。空气是一种流体，如果说流体力学研究的是流体运动的一般规律，那么动力气象学研究的则是发生在自转地球上、并且密度随高度递减的空气流体运动的特殊规律。从这个意义上说，它又是流体力学的一个分支。

“动力气象学”是大气科学各专业的基础课，系统地讲述旋转大气运动的基本规律，介绍研究大气运动的基本方法和重要结论。

简介

动力气象学（dynamic meteorology）从理论上研究发生在旋转地球上的大气状态和运动的演变规律的学科。它根据物理学和流体力学的基本规律和数学原理探讨发生在大气中的各种热力过程和动力过程及其相互作用，既是大气科学的一个分支，又是流体力学的一个分支。动力气象学包含大气热力学和大气动力学。大气热力学根据物理学和热力学的基本原理研究大气中的各种热力过程（如辐射、相变、湍流扩散）的演变；而大气动力学主要根据物理学和流体力学的基本原理研究大气中的各种动力过程（如对流、台风、长波）的演变。由于大气状态和运动的演变既包含了热力过程又包含了动力过程，因此，大气中的热力过程和动力过程是相互联系和相互作用的。

由于近代数学和物理学的巨大成就，使动力气象学已经发展成为大气科学的重要分支。无论是关于中纬度扰动的发展，还是大气环流、中小尺度运动系统以及热带环流和台风的发展过程等方面，都逐步形成了较完整的体系。而应用这些理论于天气预报实践，形成了完整的数值天气预报这门学科，使天气预报逐步走向定量化、客观化。

但是由于影响大气运动的因素十分复杂，因此它已经取得的成就离问题的最后解决尚有很大的距离。

发展简史

近代动力气象学起源于北欧，在20世纪20年代，提出了锋面气旋学说，形成了以V.皮耶克尼斯为代表的挪威学派。相应地在苏联，也有以H.E.柯钦为首的一系列工作。到30年代，由于无线电探空仪的使用，对高空的大气运动形式有了新的认识，发现了中纬度高空的大气环流在具有自西向东的绕极运动（指北半球）之上，叠加有波长达数千公里的波动。这些波动除有自身的结构和运动规律外，还与低空的锋面气旋存在内在的联系。对于这种波动现象，瑞典气象学家C.-G.罗斯比(1939)首先在理论上指出，这是由于科里奥利参数φ随纬度变化造成的，从而提出了长波（行星波）理论（见大气波动、大气动力方程）。这是动力气象学历史上的一个重大发展，并由此引出一系列研究，从而形成了以罗斯比为首的芝加哥学派。除行星波外，芝加哥学派的主要贡献有：提出了大气运动的地转适应（罗斯比，1938；见大气地转适应）；行星波的能量频散（罗斯比，1945；叶笃正，1949）；西风带急流的形成理论及其在大气环流中的重要作用（E.H.帕尔门，1951；罗斯比，1947）；行星波的正压和斜压不稳定性（J.G.查尼，1947；郭晓岚，1949；见大气动力不稳定性）。芝加哥学派对动力气象学的贡献为数值天气预报的发展奠定了理论基础。

50年代以来，在中小系统动力学(Л。Н.古特曼)、热带波动（松野太郎）、大气环流和气候形成的数值模拟（N.A.菲利普斯，J.斯马古林斯基）等方面取得了新的成就。至60年代，短、中期数值预报已成为业务预报的一种主要方法。

中国在开展动力气象学研究方面的创始人是赵九章，他曾经早在20世纪 30年代就提出了信风形成的热力学理论(1935)，并最早提出了行星波斜压不稳定性的概念(1946)。中国在发展动力气象学方面的其他主要成就有：

①大气环流。研究了青藏高原和它的热源对大气环流形成的动力和热力作用（叶笃正、顾震潮、朱抱真、巢纪平，1957），东亚及其邻近地区大气环流的冬、夏平均结构及其季节变化过程（叶笃正、陶诗言、顾震潮，1957～1958），平均状态大气环流的形成和维持机制等（叶笃正，1950）。

②地转适应过程。发展了适应过程的尺度理论（叶笃正，1957；曾庆存，1963;陈秋士，1963），并进而把这一概念发展到旋转适应过程(曾庆存，1979)和中、小尺度运动中风场和气压场的适应（叶笃正、李麦村，1964）。

③湿斜压大气的天气动力学。提出了湿斜压大气的概念和理论（谢义炳，1978）。

④中小尺度系统动力学。首先建立了适用于中小尺度系统的动力学方程组（巢纪平，1962），并由此研究了积云对流（巢纪平、周晓平，1964），还提出了过山气流出现气压跳跃的临界条件(巢纪平等，1964)。

⑤数值天气预报。最早提出半隐式差分格式（曾庆存，1961），还提出了以能量守恒格式解决计算的非线性不稳定性(曾庆存，1981)和在数值天气预报中运用历史资料的方法(顾震潮，1957；丑纪范，1974)，在长期数值天气预报方面，提出了气候距平场的预报方案（巢纪平，1977～1982）。

学科分支

动力气象学虽然可以看成是流体力学的一个分支学科，但由于上述大气运动的特殊性，动力气象学在研究内容和研究方法上又有自身的特点。它需要针对大气运动的不同对象及其特点，在一般流体力学方程组中增加反映其特有物理过程（如水汽、辐射和海洋等对大气的影响）的方程，如水的相变方程、辐射能传输方程等。按动力气象学研究的内容，又可以分成若干分支学科，如大气动力学、大气热力学、大气环流、大气湍流、数值天气预报、大气运动数值试验、大气运动模型实验等。

研究特点

在动力气象学中，常要考虑大气中的热源和各种形式能量的转换问题。大气运动的根本能量来自太阳辐射能，大气和地球表面吸收太阳辐射能后，转化成大气的重力势能和内能，或称全势能。像通常的热机一样，其中的一部分可以转换成大气运动的动能，这部分可以转换的全势能称为有效势能。据估计，在重力场中，能够转换的那部分势能仅占全势能的0.5%左右，也就是说，大气是一部效率很低的热机，所以大气运动的水平速度是不大的。

如果研究的是大尺度的大气运动，则需要引进一个与地球自转有关的科里奥利力，在这个力的作用下，使一般流体力学中的，在梯度压力作用下，流体自高压向低压运动的现象，发生了根本的改变：在北半球使原来从高气压向低气压运动的空气向右偏转到接近与等压线平行的方向，若观察者顺风而立，高压在其右侧，低压在其左侧，在南半球则相反。

一般情况下，大尺度运动中的水平气压梯度力和科里奥利力接近平衡，称地转平衡。这样的运动称准地转运动，准地转运动的水平加速度是很小的。另外，在铅直方向，由于大气对流层的铅直尺度只有10公里左右，在这一特殊条件下，重力和铅直气压梯度力接近平衡，这种平衡称为静力平衡。

处在静力平衡或准静力平衡状态下的大尺度大气运动，其铅直方向的加速度小到通常可以忽略不计的程度。但一些水平尺度较小的大气运动，如龙卷对流云等，其铅直加速度则不可忽略。有人把研究发生在地球上具有上述特征的运动(包括大气运动和海洋运动等)，称为地球物理流体力学。

研究成果

过去动力气象学研究的主要对象以及所取得的重要成果，着重在中、高纬度的大尺度运动方面。随着观测工具的进步（如气象雷达、气象卫星和观测资料的丰富，天气学又对中小尺度天气系统和热带大气运动等揭露了很多新的现象。相应地，动力气象学在研究中小尺度运动、热带大尺度运动以及平流层大气运动等方面也取得了新的成果（见热带气象学），其中如台风发展的动力学研究，热带罗斯比-重力混合波的动力学研究等。当前，随着对全球大气环流和气候的形成及其变化的研究，动力气象学研究的对象已不只局限于大气本身，而需要把发生在海洋和陆地中的过程统一起来考虑了。