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日志

罗斯贝和大气长波理论

已有 1913 次阅读2006-5-15 17:21 |个人分类:专题研究

 

        罗斯贝(Carl-Gustav Rossby), 18981228日生于瑞典斯德哥尔摩,1957819日罗斯贝在瑞典斯德哥尔摩逝世。

 

    他一开始他主修数学和物理,第一个学位是在斯德哥尔摩大学获得的,于1818年获得理论力学基础学位(Kandidat)。随后,他到当时的气象圣地挪威的卑尔根师从威廉.皮叶克尼斯学习气象学。1921年他又随皮叶克尼斯去德国莱比锡大学学习一年,1922年回国,并在瑞典气象水文局谋得一个职位。随后三年,他参与了在扬马延岛 (位于格陵兰岛和冰岛之间)、环不列颠群岛、葡萄牙以及马德拉群岛的海洋科学考察活动。同时,他还在斯德哥尔摩大学继续学习数学物理,1925年获得副博士学位 (Licentiat)

 

         1926年罗斯贝访问美国,并加入位于华盛顿的美国天气局,继续做气象科学研究。其间,他先后发表了几篇有关大气湍流和平流层动力学的重要论文。与此同时,他还在加利福尼亚的一个试验基地组建了美国第一个航空气象台。1928年他又在麻省理工学院组建全美第一个大学层次的气象专业。不久,他成了该校的一名正教授。

 

         他在麻省理工学院一共工作了11年,主要从事气象学教学和科研工作。他的科研主要集中在气团热力学,大气和海洋湍流,海气边界层相互作用等领域。后来,他逐渐将研究重点转移到大气的大尺度运动,在研究大气环流的时候引进了涡度和动量等基本概念。

 

 1939年他离开麻省理工学院,再次加入美国天气局,成为该局主管研究工作的主任助理。 1940年,他应邀担任芝加哥大学气象系主任。在此期间,他提出了著名的大气长波理论。

    

         二战期间,他还为美国军方培训了许多军事气象预报员。战后,他为芝加哥大学吸收了一大批杰出的气象研究人才,并在数值天气预报方程的构建中发挥了重要作用。

 

        为了响应故乡的召唤,当时已经加入美国国籍的罗斯贝毅然返回瑞典。1947年当他回到斯德哥尔摩后,立即作手为母校组建了一个新的部门,斯德哥尔摩大学气象研究所,并担任所长。这个气象研究所具有很强的国际背景,她受瑞典、美国以及象联合国教科文组织,国际大地测量学和地球物理学联合会等许多国际机构的资助。来自世界各地的学生追随大师来到这里学习气象科学。由他主持的国际研讨会也名闻遐迩。与此同时,他还分出一部分时间,继续指导芝加哥大学的气象研究工作。

在斯德哥尔摩,罗斯贝的主要工作是为预报欧洲天气建立数值预报系统。此外,他还创办了著名的地球物理学术期刊《大地》(Tellus)

 

        罗斯贝的研究兴趣非常广泛,在上世纪20年代主要研究大气湍流和气压变化理论30年代先将研究重点集中在海洋学和气象学的边界层理论。30年代末期,他对大尺度环流的研究导致了大气长波理论的诞生。在此期间的代表作有1939年发表在《海洋研究杂志》      上的《纬向环流强度变化之间的关系》和1940年发表在英国《皇家气象学会季刊》上的 《行星流型》。这是世界气象发展史上的一个重要里程碑。早期使用电子计算机制作的数值天气预报是通过对正压方程进行数值积分求解实现的。大气的长波理论为求解正压方程奠定了重要基础。因此,罗斯贝对数值天气预报的发展也做出了重要贡献。

 

1954年起,罗斯贝的研究兴趣又转移到大气化学和海洋深层环流过程。1955年他在《大地》 上发表了《论化学气候及其随大气环流型的变化》一文。

 

    纵观罗斯贝的一生,他对于气象科学的贡献不在于其发表论文的数量,而在于其科学论文的质量及独创性。他是近代大气、海洋动力学研究的主要奠基人之一。以他名字命名的气象术语有罗斯贝波、罗斯贝数和罗斯贝变形半径等。这些概念对于理解所有行星尺度流体运动都是非常重要的。除了杰出的科学研究能力,罗斯贝还具有非凡的组织才能。19441945年罗斯贝当选为美国气象学会理事长。

 

为纪念罗斯贝对科学的贡献,美国气象学会将其最重要的杰出科学进步奖命名为罗斯贝研究奖章,此奖项为国际气象界最重要的气象科学研究大奖。【天气在线】 (协飞)

 

    

 

 

 罗斯贝波 Rossby waves

 

发表评论 评论 (4 个评论)

回复 zgmm 2006-5-15 17:49

      在大气环流与大尺度动力学研究的发展史上,最重要的研究应是20世纪30~40年代以瑞典气象学家罗斯贝(Rossby)为首的芝加哥学派所创立的大气长波理论

      罗斯贝从理论上和观测方面发现了一种波长为5000~6000公里控制天气和大气环流变化的大气长波,又称为罗斯贝波

      随后,他的学生和合作者恰尼(Charney)、郭晓岚和叶笃正相继提出了斜压不稳定理论和正压不稳定理论以及大气长波的频散理论。这些理论对大气长波产生机制作了深入研究,为天气预报提供了理论依据。因为这些理论,形成了在大气科学理论中占有重要位置的芝加哥学派,这也是20世纪大气科学理论最重要的研究成就之一。

    以罗斯贝为首的芝加哥学派提出:大气环流是复杂的,是非对称的,它的变化是基本气流与扰动相互作用的结果,扰动通过角动量和热量输送滋养着基本气流,而基本气流又为扰动发展提供能量。这种看法比20世纪以前所提出的轴对称大气环流的看法不仅更符合实际,而且更辩证和更科学。此外,芝加哥学派还在研究方法方面引入了小扰动理论,使得控制大气环流的非线性方程有办法得到求解,这为以后的动力学理论进一步的发展提供了有效的研究方法。

    芝加哥学派所创立的大气长波理论不仅为天气预报提供了理论依据,也使得后来的数值天气预报和大气环流数值试验成为可能,奠定了现代大气环流与大气动力学的基础。此外,1960年代热带波动的研究,1980年代行星波动力学的研究以及波-流相互作用理论研究,都是这个理论体系的发展。

    1950年代我国在大气环流变化方面也作出了许多国际领先的研究,我国叶笃正等学者分析了大量东亚大气环流演变的事实,提出了东亚大气环流季节转换是突变的,这个看法比1980年代国际上许多学者提出大气环流的非线性突变要早20年之多。同时对于大气环流中一个基本理论问题,即地转平衡是如何形成的,究竟是风场向气压场调整还是气压场向风场调整,我国学者认为这有一个运动尺度问题,对于大尺度运动,应是风场向气压场调整,而对于中小尺度运动,应是气压场向风场调整,并且严格地证明了这个论断。

回复 zgmm 2006-5-15 20:17

    

      叶笃正:坐看云起气象万千

     上世纪40年代以前,气象学家普遍认为,大气的环流主要是气压分布不均匀产生运动的结果,气压场在其中起了主要作用;罗斯贝教授则指出:气压场不是主导,风场是主导,不少实验也证明了这一理论的正确性。
    
      真理只能有一个,到底普遍的认识对,还是老师的理论对?叶笃正经过反复研究后发现,普遍的认识对,老师的理论也对———若以数千公里以上的环流为对象,则普遍的认识正确;若以千余公里环流为对象,则老师的理论正确。于是,研究对象一大一小,得出完全不同的结论。叶笃正的发现,解决了国际气象学界长期争议不休的一个重要问题,得到学术界的一致好评。

回复 zgmm 2006-5-15 20:31

 

居然有好几种不同的说法:

创立大气运动的适应尺度理论。大气环流中究竟是气压场还是风场为主导是学术界长期争论的问题,也是天气预报的关键之一。叶笃正等通过一系列工作建立了大气运动适应尺度理论:对不同空间尺度的运动都存在着特征尺度,当实际运动的空间尺度大于这个特征尺度时,气压场起主导作用;当运动的空间尺度小于特征尺度时,风场起主导作用;对中小尺度的大气运动,同样存在适应问题。这个独创的理论完善了大气运动各分量的相互作用过程的物理解释,在天气预报业务上有重要的应用。

回复 zgmm 2006-5-16 14:00

http://column.bokee.com/113926.html

叶笃正是2005年度国家最高科学技术奖的获得者,其中成就之一是创立了”大气运动的适应尺度理论”。叶笃正等通过一系列工作建立了大气运动适应尺度理论:对不同空间尺度的运动都存在着特征尺度,当实际运动的空间尺度大于这个特征尺度时,气压场起主导作用;当运动的空间尺度小于特征尺度时,风场起主导作用;对中小尺度的大气运动,同样存在适应问题。

这个独创的理论完善了大气运动各分量的相互作用过程的物理解释,在天气预报业务上有重要的应用,至今仍是天气分析和预报的主要理论基础之一。

下面我用能量理论来做一个解释、比较、说明。

气流的运动形成了风,有能压差就有运动,所以,气(能)压高的气流就会向气(能)压低的方向运动,气(能)压高的气流虽然与温度一般没有直接关系,但是一般来说,同等质量的气体,温度高,气压就相对低;温度低,气压就相对高。

叶笃正先生的理论中的“特征尺度”可以认为是一个虚拟的系统边界,超过这个边界,可以认为是系统与系统之间的能量交换。

反之,在系统边界内,由于系统边界的张力作用,能量难以穿过,只有在系统内部相互作用,类似于内部“自组织”。

不论是在哪,都是“能压差在发挥作用”。

因为气流的系统边界是模糊的,所以在系统内外就有了作用的主次之分了,再多说一句就是能量消耗的比较问题(能耗最小原理),气流会很聪明地利用“能耗最小原理”来形成气流的运动路径,最终按照能压相等的条件完成运动(“能量自然分配原理”)。

叶笃正先生创立大气长波能量频散理论更是描述了一个大系统的能量之间的整体移动。

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