動力氣象學

動力氣象學是應用物理學定律研究大氣運動的動力和熱力過程，以及它們的相互關系，從理論上探討大氣環(huán)流、天氣系統和其他大氣運動演變規(guī)律的大氣科學的分支學科。

　　空氣是一種流體，如果說流體力學研究的是流體運動的一般規(guī)律，那么動力氣象學研究的則是發(fā)生在自轉地球上、并且密度隨高度遞減的空氣流體運動的特殊規(guī)律。從這個意義上說，它又是流體力學的一個分支。

　　在動力氣象學中，常要考慮大氣中的熱源和各種形式能量的轉換問題。大氣運動的根本能量來自太陽輻射能，大氣和地球表面吸收太陽輻射能后，轉化成大氣的重力勢能和內能，或稱全勢能。像通常的熱機一樣，其中的一部分可以轉換成大氣運動的動能，這部分可以轉換的全勢能稱為有效勢能。據估計，在重力場中，能夠轉換的那部分勢能僅占全勢能的0.5%左右，也就是說，大氣是一部效率很低的熱機，所以大氣運動的水平速度是不大的。

　　如果研究的是大尺度的大氣運動，則需要引進一個與地球自轉有關的科里奧利力，在這個力的作用下，使一般流體力學中的，在梯度壓力作用下，流體自高壓向低壓運動的現象，發(fā)生了根本的改變：在北半球使原來從高氣壓向低氣壓運動的空氣向右偏轉到接近與等壓線平行的方向，若觀察者順風而立，高壓在其右側，低壓在其左側，在南半球則相反。

　　一般情況下，大尺度運動中的水平氣壓梯度力和科里奧利力接近平衡，稱地轉平衡。這樣的運動稱準地轉運動，準地轉運動的水平加速度是很小的。另外，在鉛直方向，由于大氣對流層的鉛直尺度只有10公里左右，在這一特殊條件下，重力和鉛直氣壓梯度力接近平衡，這種平衡稱為靜力平衡。

　　處在靜力平衡或準靜力平衡狀態(tài)下的大尺度大氣運動，其鉛直方向的加速度小到通常可以忽略不計的程度。但一些水平尺度較小的大氣運動，如龍卷對流云等，其鉛直加速度則不可忽略。有人把研究發(fā)生在地球上具有上述特征的運動(包括大氣運動和海洋運動等)，稱為地球物理流體力學。

　　動力氣象學雖然可以看成是流體力學的一個分支學科，但由于上述大氣運動的特殊性，動力氣象學在研究內容和研究方法上又有自身的特點。它需要針對大氣運動的不同對象及其特點，在一般流體力學方程組中增加反映其特有物理過程的方程，如水的相變方程、輻射能傳輸方程等。按動力氣象學研究的內容，又可以分成若干分支學科，如大氣動力學、大氣熱力學、大氣環(huán)流、大氣端流、數值天氣預報、大氣運動數值試驗、大氣運動，模型實驗等。

　　近代動力氣象學起源于北歐，在20世紀20年代，提出了鋒面氣旋學說，形成了以皮耶克尼斯為代表的挪威學派。相應地在蘇聯，也有以柯欽為首的一系列工作。到30年代，由于無線電探空儀的使用，對高空的大氣運動形式有了新的認識，發(fā)現了中緯度高空的大氣環(huán)流在自西向東的繞極運動(指北半球)之上，疊加有波長達數千公里的波動。這些波動除有自身的結構和運動規(guī)律外，還與低空的鋒面氣旋存在內在的聯系。

　　對于這種波動現象，瑞典氣象學家羅斯比首先在理論上指出，這是由于科里奧利參數隨緯度變化造成的，從而提出了長波理論。這是動力氣象學歷史上的一個重大發(fā)展，并由此引出一系列研究，從而形成了以羅斯比為首的芝加哥學派。

　　除行星波外，芝加哥學派的主要貢獻有：提出了大氣運動的地轉適應；行星波的能量頻散；西風帶急流的形成理論及其在大氣環(huán)流中的重要作用；行星波的正壓和斜壓不穩(wěn)定性。芝加哥學派對動力氣象學的貢獻為數值天氣預報的發(fā)展奠定了理論基礎。

　　20世紀50年代以來，在中小系統動力學、熱帶波動、大氣環(huán)流和氣候形成的數值模擬等方面取得了新的成就。至60年代，短、中期數值預報已成為業(yè)務預報的一種主要方法。

　　中國在開展動力氣象學研究方面的創(chuàng)始人是趙九章，他曾經早在20世紀30年代就提出了信風形成的熱力學理論，并最早提出了行星波斜壓不穩(wěn)定性的概念。

　　過去動力氣象學研究的主要對象以及所取得的重要成果，著重在中、高緯度的大尺度運動方面。近年來，隨著觀測工具的進步和觀測資料的豐富，天氣學又對中小尺度天氣系統和熱帶大氣運動等揭露了很多新的現象。相應地，動力氣象學在研究中小尺度運動、熱帶大尺度運動以及子流層大氣運動等方面也取得了新的成果，其中如臺風發(fā)展的動力學研究，熱帶羅斯比—重力混合波的動力學研究等。

　　當前，隨著對全球大氣環(huán)流和氣候的形成及其變化的研究，動力氣象學研究的對象已不只局限于大氣本身，而需要把發(fā)生在海洋和陸地中的過程統一起來考慮了。