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认识大气环流 100 年进步
发布日期 ：2023-05-11
作者： Isaac M. Held1（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory/NOAA, Princeton NJ）
编译：贾朋群 李婧华
摘要： 对过去一个世纪我们认识大气环流的一些进展进行了描述，最先给出 20 世纪前半叶一些关键进步的总结，而文章重点集中于世纪中期开始的在斜压不稳定和准地转动力学上取得的突破。除了斜压不稳定，涉及的主题还包括：静止锋理论、两层模式的作用、涡旋热通量尺度参数、大尺度涡旋动量通量的精细化、 Eliassen-Palm 通量和变形欧拉平均公式、风暴路径结构和哈德来环流控制等。
1. 引言
在关于大气环流的专著中， Lorenz（ 1967） 给出了精彩一章阐述该主题研究的历史，从Hadley 到 Ferrel、 Helmholtz、 V. 和 J. Bjerknes、 Jeffreys、 Defant 和 Rossby 以及其他学者。 Lorenz着重于 20 世纪中期在斜压不稳定和准地转（QG） 理论取得进展前。试图超越 Lorenz 对 20 世纪初期的覆盖是徒劳的。在提及针对这一较早时期的一些关键进展后，本文将聚焦 20 世纪中期的拐点以及之后半个世纪发展带来的启发。大尺度移动涡旋通量理论以及静止气旋将作为大气环流问题的一部分。重点放在温带对流层，一些讨论针对 Hadley 环流和热带辐合带展开。本文集的其他章节覆盖大气科学 100 年进步，包含针对平流层动力学、天气学视角的温带气旋以及大气环流数值气候模式等，因此这些主题不再涉及或仅仅很简单提及。然而本文的主题还是很宽阔，重点需由作者比较主观地确定，因此，该领域一些另外的视角下重要里程碑没能包括，还请见谅。近年来的发展脉络并不是很清晰，很多积极的研究路径在开拓中，这一时期不多的参考文献应该看作其中更有特点的研究。
毋庸多叙，新的观测系统和观测综合为我们认识大气环流取得的很多关键进展铺平了道路。 20 世纪中期前后大尺度动力学发酵和进步，无疑是二战后更高密度的高空观测催化的结果。后来对大气环流特别重要的突破包括全球卫星数据的出现和天气分析档案的建立并作为天气预报中心的初始条件，之后又进行再分析，将历史数据量用最先进的数值大气模式得到再分析数据（Kalnay et al. 1996; Gibson et al. 1997）。 再分析技术随着时间在稳步推进，正在成为大气环流统计的主流库，这一角色，如 Oort and Rasmusson（1971） 所述， 在再分析出现前依靠基于探空的环流统计汇总，它基于的更早期 V. Starr 和同事开展的工作，也值得特别关注。
2. 20 世纪中期突破之前
大气环流的早期讨论集中在带状平均地面风分布和三圈对流层经向翻转环流。对违反直觉的 Ferrel 环流的解释是这类工作的关键目标。一般认为，除了能量平衡外，角动量平衡也需要加以考虑，这使得该问题得到化解。
考虑角动量时的一个重要约束，并在这些讨论中占突出位置的是地面风和平均经向环流紧密联系在一起，这是因为在近地面纬度带动力方程中关键项是经向流科氏力、气压梯度力和与湍流边界层应力相关的拖曳。用 F 代表边界层湍流应力，可得到纬度带动量方程。
大尺度涡旋热量和动量通量，是 20 世纪初摆在重要位置的任何纬向平均环流和热力结构理论最先解决的问题，逐渐成为共识。一个关键的贡献是 Jeffreys（1926），强调了中纬度地面西风带维持中经向涡旋动量通量的重要性，源自当地面出现摩擦时垂直综合角动量平衡。涡旋对这一平衡的重要性后来在观测中被证实（Starr and White 1951）。
这里最重要的，可能是 Jeffreys 提出探讨平均地表风的因果链需要从垂直综合纬向角动量平衡开始，并非源自科氏力的零阶地转平衡。
面对 A 平衡 B 的诊断事实，如何确认 A 强迫或控制 B 而非 B 强迫或控制 A？历史角度看存在争议。时间平均热带气流理论（11节）给出了这类问题的另一个例子。
到 20 世纪中叶已经认识到，观测到的大尺度角动量通量主要受到对流层高层的限制，并不会对边界层线性摩擦平衡带来影响。对流层高层动量平衡，以及 Ferrel 环流高层分支的科氏力纬向分量平衡涡旋动量通量辐合， 完成了简单的低罗斯贝数涡旋动量通量驱动的Ferrel 环流完整图像。 图 1 描述了这些平衡。
大尺度涡旋热量和动量通量，是 20世纪初摆在重要位置的任何纬向平均环流和热结构理论最先解决的问题，逐渐成为共识。一个关键的贡献是 Jeffreys（1926），强调了中纬度地面西风带维持中经向涡旋动量通量的重要性，源自当地面出现摩擦时垂直综合角动量平衡。涡旋对这一平衡的重要性后来在观测中被证实（Starr and White 1951）。
3. 斜压不稳定和 QG 理论
20 世纪中期的一个标志，是 Charney（1947） 和 Eady（1949） 发表关于斜压不稳定理论的创新论文，他们都用了QG 近似。经典的针对全非线性 QG 方程的尺度参数化也同时被Charney（1948） 解决。因 QG 近似带来的简化意义深远， 使很多基础计算在分析上易于处理（可能有必要回忆在计算机时代前，简单的分析或至少简化到能用机械计算器对我们的重要性）。但是，从长远来看更为重要的，是 QG 理论不仅给出线性动力学的直觉物理认识，还包括了波平均流相互作用和完全非线性的“地转湍流”。它展示了在研究 2D 流时熟悉的“涡旋性考虑”是如何被推广到“PV 考虑”（见Hoskins et al.（1985） 的评述）。显然， QG 理论用于一般环流时有其不充分的重要方面，例如，赤道波导和温带静力稳定性的维持。但是 QG 理论持续提供了对环流的核心认识，建立针对这些非 QG 方面的理论，必须与其相互衔接。
很多重要的前辈围绕 Charney 和 Eady 的工作进一步展开，其中 Sutcliffe 关于气旋发展阐述尤其值得关注（Sutcliffe 1947）。经典 QG 理论可以被认为对涡度和热力方程的近似，非地转运动仅通过以机制出现： 1） 对行星涡度的拉伸涡度演化的作用； 2） 对基本态位温垂直平流温度演化的作用。排除垂直运动，我们可以得到一个仅包括地转流的 QG-PV 方程。
4. 稳定波
Eady/Charney 不稳定性论文发表后，中纬度稳定涡旋的模式分析快速增加，展示了新 QG框架的促进作用。这项工作隐喻的大胆结果，是纬度带对称的气候的大尺度差异的基本结构，可以用线性稳定罗斯贝波理论来认识，尽管纬度带平均流显然主要依据移动涡旋通量也是事实。在回顾中， 这幅图像是什么鲜有质疑：即线性稳定罗斯贝波保持其完整性同时在（以向东群速度）传播，越过大量非线性斜压干扰。 Wallace（1978） 在其历史性文章中提及这一假定的核心，阐述移动涡旋通量的趋势主宰了相对慢的摩擦和纬度带平均平衡辐射松弛时间尺度，但是，在针对相对于局地收支更短平流时间尺度与其他方法相比并不是很成功。以这种方式可定性支持用最简单的线性稳定波模式进行处理的想法。这段历史给出了一个以简化的动力假设进行推进所具有的价值的有意思的过程，某个假设经常没有任何严谨的分析，之后，基于结果，评估该简化的图像作为进一步细化分析起点的合理性。 Charney and Eliassen（1949）和 Bolin（1950） 利用一个线性 QG 浅水模式奠定了解决地形问题的基础。 Bolin 提出他所在的斯堪的纳维亚半岛的气候能部分被远程驱动的波所控制的新奇观点：我们可以定性地调整假定，即从亚速尔到法国的高空和地面的冬季高压和大西洋东部平均风暴路径的最北位置给欧洲西北部带来相对温暖的冬季，并不是唯一指望温暖海洋，还可能是受到落基山脉影响的结果。
5. 二层模式
Charney/Eady 的斜压不稳定突破之后不久， Phillips（1951） 引入了两层 QG 模式，目的之一是解释 Charney 的分析结果。 Eady 模式的数学相对直接和直觉化的，但是包含了β -效应使得 Charney 分析的细节更难以看透（至少对我们中那些对于超几何函数没有很好天赋的人来讲）。这一两层模式直接与两个不同位温理想气体层的个例相关，但是对流层的持续层状云并不与后来的理想化相符。然而，更多地因为考虑观测而应用于大气，即中纬度涡旋一般在流函数或势能上的结构很弱，这一结构可以在垂直方向上用两个自由度（一个较低和一个上层对流气流）第一近似进行描述。尽管这是一个粗糙的经验近似，出现在 Phillips（1956） 描述解决驱动的重要论文中，是耗散完全非线性 QG 两层模式，经常被称为首个 GCM，其具有很多实际存在的特点，包括具有实际振幅生成看似合理的涡旋热量和动量通量，以及三圈径向环流。
该 QG 模式在用原始方程模拟瞄准球体的热带，以及温带动力学和显式模拟静稳定率时快速失效。更为真实 GCM 的快速开发，使得动力学界没有时间分析 Phillips 模式并认识模拟气候对参数的依赖。在两层 QG 模式中开发一个更全面认识湍流、混沌流，事实上依然是在研项目的一个挑战（见图 2），这些项目的目标是在可能最简单的动力设置中提供我们认识大气环流的自然基础。
6. 向极热通量的尺度参数
在 Eady（1949） 的结尾段落，讨论了大气状态从线性不稳定理论到统计稳定理论的困难所在，即
... 我们的技巧术必须与统计机制类似。然而，我们尚不清楚有关“原子”（扰动的生命史），更不要说与“原子”有关的清晰个体。（p.52）
完全令人满意的中纬度气旋结构和通量的统计理论依然是学者梦寐以求的。但是，向极涡旋热通量尺度理论已经被提出，该理论基于涡旋平衡是如何被控制的想法，正如 Green（1970） 和 Stone（1972） 的早期工作所述，可以包括或不包括湍流级串过程。
7. 动量通量和生命循环
最初的斜压不稳定分析，针对垂直变化的纬向气流而非纬度，无法得到动量通量。更复杂的纬度变化的平均流研究逐渐替代，但是在利用呈指数增加的一般模式得到与观测符合的通量时遇到困难。看来动量通量较涡旋热通量会更难以捉摸，它与不稳定性的主要能量无关。这一视角被 Eady（1950） 基于大气环流用轻松语言进行了描述，对其预测显然是现代化的，他在阐述中将涡旋动量通量称为“第二特征”。
关于大气环流理论的一个合适的开始点是 Kuo（1951） 提出的正压模式。其关键在于开启了稳定纬向流，用一个被β控制的正涡度梯度，并考虑干扰出现前的演化，专注于涡度而非动量。如果这个扰动最初位于中纬度，当沿纬度传播时，结果是角动量复合到南部区域。认识这一结果的自然方式是按照波活动守恒定律或假动量，下面要简单进行讨论，正如 Taylor（1915） 在很早以前的研究中给出的明确结果。拓展到统计稳定的图像，证据就是如果这些涡旋（斜压不稳定性）位于中纬度，貌似可以得到对流层上层角动量通量，而最终涡旋至少部分消散于更低或更高的纬度。
8. E-P 通量、 TEM 公式和等熵坐标
Andrews and McIntyre（1978） 将大量波平均流早期工作，尤其是 Eliassen and Palm（1961）的工作统一到一个机构，对广泛的大气研究产生了影响。很多初期的创新来自对平流层的研究（Andrews and McIntyre 1976），但是这些研究的很多方面也在对流层一般性环流分析中广泛应用。这样的统一用主要影响一般环流理论的形式，包括两个相互关联的部分：“波活动”守恒定律2，波活动通量采用 Eliassen-Palm（E-P） 通量；以及纬向平均方程的一个重组，称为变形欧拉平均（Transformed Eulerian Mean， TEM），其中的 Eliassen-Palm 通量辐散表现为纬向力。一个关键的附加特征是，对于大尺度温带动力学， E-P 通量的辐散通过 QG 潜涡度的向北涡旋通量被很好地近似。
TEM 的形式与等熵坐标中纬向平均方程密切相关。也是在这样的意义下， Ferrel 环流被说成在图 3 等熵坐标中消失了。
此外， E–P 通量的方向可以被认为是在经向-垂直平面上涡旋传播方向， 这与利用局地频散关系调整后简单的群速度概念相一致。当向极涡旋动量通量是向赤道传播信号时，也是向极涡旋热通量（因型阻向下动量传输）向上传播的信号。如 Edmon et al.（1980） 所述，从向上和向赤道的经向传播带来从温带对流层高层到中间纬度地表反向传输的角度看， E–P 通量和TEM 动量收支是描述 Simmons–Hoskins 生命循环（见图 4） 的一个有趣方式。
9. 风暴路径
大气涡旋统计的纬向结构仅靠地面和探空数据很难研究，即使是北半球温带也是一样，这是因为缺乏海洋数据。所以，当来自数值预报中心的分析、预报所用的初始条件开始应用于一般大气环流研究时，风暴路径结构研究得到极大推进。这些分析给出了不同场之间动力的一致性并进行有意义的外推，这种外推利用了波传播和下游发展理念，从陆地的数据密集区到数据稀少的海洋。随后的数十年，风暴路径研究和其他区域环流研究得到更加均匀的再分析产品开发的推动。
这类研究的最早结果（Blackmon et al.1977; Lau 1978; Lau and Wallace 1979） 做出了影响未来工作的几种选择。特别是，与以前用地表气压图研究风暴数量和路径（Peterssen 1956） 不同，新研究专注于欧拉方差和减去平均流后的协方差。两种方法都重要，但自 Wallace、 Blackmon、 Lau 和其他学者这一开创性工作以来，成比例的大量研究专注于方差/协方差而非从风暴路径角度（尽管这种趋势会再次扭转到针对风景路径分析，因为更多研究关注于极端事件）。 因为分解为平均流，涡旋是线性和准线性理论的出发点，欧拉协方差视角被证明更容易联系到该理论——见证了发展解释热带气旋理论的困难。 Wallace et al.（1988）给出了捍卫欧拉方差的一个视角。 Wernli and Schwierz（2006） 则从现代再分析中更新了气象路径气候学。这两种视角更加无缝隙的融合依然是一个重要目标。
10. 哈德来环流
如图 1 中框图所揭示，在关于一般环流的文章中， Eady（1950） 并没有挑出哈德来环流单独处理，大尺度角动量通量在对流层上层的辐合驱动 Ferrel 环流，同时这一调整机制的自然推理，如Eady 文章中的暗示，相关的辐散驱动哈德来和极地环流。
尤其是哈德来环流的强度，由涡度动量通量辐散的强度决定，因为涡度在中纬度生成。这一低罗斯贝数动量平衡让热带加入无法影响哈德来环流，除非改变这些大尺度涡旋的应力。但是，这是非常曲折的系统间联系的考量，即这些应力是因涡旋在中纬度生成而产生。形成对比的是，热带气象的发起人一般认为，热带环流是独立于在中纬度生成涡旋而存在的。例如， Riehl（1969） 给出的结论：
热带帮助维持西风带动能，以及热带环流并非如经常被提及的那样是由更高纬度驱动，都是很清晰的。（P. 288）
Wallace（1978） 描述了针对这个问题在 Starr 和 Palmen 之间的一个有争议的交换。
一旦斜压不稳定性理论可用，就可以用不稳定性判据，例如审视 Phillips模式或 Eady 增长率等。 如果想超前，用两层斜压调整作为指导，在图 5a 中得到类似地球参数设定。
这些假定可以修改，例如考虑等熵坡度强函数的扩散项，或如图 5b 所示，考虑涡旋动量通量在减少副热带急流强度上的作用，用角动量加速地表西风带。
11. 大气环流湿动力学
a. 热带
热带环流的基本形态在经典的 Riehl and Malkus（1958） 热带能量平衡分析中给出。针对中层对流层湿稳定能量相对最小值的观测，加上热带对流的观测特征，他们得到结论：总体上，哈德来环流的所有垂直运动发生于区域里被深对流“热塔”占据的小部分（他们估计大约0.1%）。在最简化的图像中，这些活跃的对流核之间有弱的下沉，与这些下沉相关的加热被辐射冷却所平衡。这些区域在关注的空间和时间平均角度上看，向上的对流气团通量较下沉更大，因此存在“大尺度”上升运动。垂直运动的倾斜更加自然地将对流从其环境中分离开，胜过依据某些区域的空间平均及方差给出的区别，如 Yanai et al.（1973）和 Arakawa and Schubert（1974）所述，极端倾斜带动了 GCM“气团通量”对流参数化方案。
基于平衡热带气流的尺度调整， Charney（1963） 在这一情景中加入了另一个重要元素，即除非发生了对流，不同的热带大气水平层在低频上很弱地耦合。同样的尺度调整基于向赤道运动时变形半径的增加，这意味着在深热带很难维持重要的水平温度梯度，相关的地砖平衡也一样。这些约束的热带动力学意义被 Sobel 和合作作者装入一个被称为弱温度梯度理论（Sobel and Bretherton 2000; Sobel et al. 2001） 的框架。
b. 温带
虽然湿过程在温带可能无法像在热带那样，成为影响大气环流的重要因素，但是在认识变暖对全球气候影响中，该过程依然起重要作用。说明该领域研究的目标方式之一，是建立一本字典，能够将我们对干理论的认识转化为湿降水过程。洛伦茨将可用潜能概念推广到湿大气（Lorenz 1978），给出了相互联系的有价值的点（将此概念应用于风暴路径对全球变暖反响的例子，见 O‘Gorman（2010））。另一个方式是将湿效果以近似方式包含在斜压不稳定理论中（例如， Emanuel et al.（1987））。将 Andrews-McIntyre 波平均流相互作用理论针对降水的一般化应用，尽可能保留其将波对平均流改变与这些波的源和汇联系在一起的能力，显然是非常重要的。但是这一努力，可以回溯到 Stone and Salustri（1984），依然在路上。新的诊断研究，例如不同等效位温而非位温层中平均质量传输的分析，见图 6，需要理论指导。
12. 探索行星大气空间
关于大气环流的最新研究是将地球的大气结构换为其他可能的大气，或者理想的或者是太阳系中现实的，或者还可能太阳系外星球。利用空间分析对星球大气进行分类的最早工作是 Golitsyn（1970），该工作尤其关注于热罗斯贝数的关键左右。最近的研究针对大气环流更宽参数的变化展开，见 Schneider（2006） 和 Kaspi and Showman（2015）。当始于类似地球设置的参数变化时，出现两个显著的定性特征。其中之一是在每个半球多重急流发展，每个半球形成自己的涡旋活动和地面西风带，以及各自的 Ferrel 环流。这些多重急流环流强劲，能在标准的 GCM 中简单增加旋转速率（Williams and Holloway 1982）， 或者在更理想话的 QG 系统（Panetta 1993） 中建立，其中的关键是建立 Rhines 的尺度，该尺度较行星半径要小很多。
借助模式获得的在行星大气中普遍出现的另一个定性的不同环流，是赤道超级旋转（equatorial superrotation），强西风带位于赤道对流层上部。要得到这一状态仅限于反梯度涡旋角动量通量维持这样的状态（Hide 1969）。