本期嘉賓：蘭州大學大氣科學學院教授 胡淑娟
採訪人：中國氣象報記者 簡菊芳 通訊員 黃瑜
本期觀點：
氣候動力學基礎理論的欠缺制約著氣候預測準確率的提高。
「全球大氣環流三型分解」可彌補傳統研究需要進行中高緯度大氣環流和低緯度大氣環流劃分的不足。
從全球的視角更加準確地描述實際大氣環流的運行情況，有助於氣候動力學基礎理論的發展。
全球大氣環流統一描述思想的產生
地球大氣處於科氏力場和重力場中，中高緯度地區的羅斯貝波、低緯度的哈德利環流和沃克環流是全球最重要的大尺度大氣環流，它們的異常演變對全球天氣、氣候的異常變化產生重要影響。
如何定量化描述這三大環流？科學家將流體力學中二維運動的渦旋環流與輻散環流分解方法應用其中。然而，這樣的描述方法導致了中高緯度大氣動力學和低緯度大氣動力學劃分的不足，從而制約著以全球大氣環流為研究對象的氣候動力學理論的發展。
為了解決氣候動力學基礎理論的欠缺制約氣候預測準確率提高的問題，中國科學院院士醜紀範在上世紀90年代提出開展全球大氣環流統一描述的動力學理論研究，認為需要從全球的視角出發，去解決中高緯度大氣環流和低緯度大氣環流以及垂直環流和水平環流共同作用的問題，去發展針對全球大氣環流的氣候動力學理論。
創新性提出「全球大氣環流三型分解」方法
近年來，蘭州大學大氣科學學院教授胡淑娟繼承和發揚全球大氣環流統一描述的學術思想，帶領團隊致力於從全球視角「解讀」實際大氣環流。
從氣候動力學理論溯源開始，在描述中高緯度大氣環流過程中引入低緯度地區垂直環流的定量化表示形式；同樣的，在描述低緯度大氣環流過程中引入中高緯度地區水平運動的定量化表示形式；將中高緯度地區的羅斯貝波及低緯度地區的哈德利環流和沃克環流的概念推廣至全球大氣環流，定量化地提出了全球三維水平型環流、經圈型環流及緯圈型環流的新定義，將全球大氣環流表示成水平型、經圈型以及緯圈型環流之和的形式，發展了「全球大氣環流三型分解」模型，解決了全球大氣環流的統一描述問題。
胡淑娟說，氣候預測領域缺乏針對全球大氣環流的氣候動力學理論，這是開展此項研究要解決的問題。三型環流分解理論強調從全球的視角去看待實際大氣運動問題，不僅要看到不同緯度地區主導的、典型的大尺度環流運動，還應當考慮各緯度地區其他環流的重要作用，就像觀察一條流動的河，不僅關注表面水平方向的流動，而且看到其內部垂直方向的暗流運動一樣。
由於「全球大氣環流三型分解」模型採用實際大氣的三維流函數去等價表示大尺度環流的流場特徵，因此，新定義的流函數不僅能從形態上直觀地刻畫大尺度環流系統的三維空間結構特徵，還能將所研究環流系統的動力特徵與熱力特徵分離，較好地克服了變暖氣候背景下高度場表示環流系統的缺陷。
「這一點在我們近期開展的西太平洋副高的研究中得到了證實，接下來將更深入地開展相關的實際應用工作。」胡淑娟說。
構建大尺度大氣環流氣候動力學理論
「建立直接預報全球大尺度環流的動力學方程組理論是我們開展該項工作的最主要目標。」胡淑娟說，但如何將新建立的環流分解模型與形式複雜的原始方程組相結合，進而得到科學合理的動力學方程組是一個更加困難的過程。
然而，國內外並沒有類似的研究和理論思路可以借鑑。在這項研究中，胡淑娟和團隊得到了醜紀範院士的耐心指導。「醜先生建議我們參考他早年建立的原始方程組的算子方程理論，在宏觀保持大氣系統強迫耗散特徵不變的前提下，開展動力學方程組的構建。這番話讓我茅塞頓開。」胡淑娟說。
最終，沿著「算子方程」的道路，胡淑娟團隊實現了「全球大氣環流三型分解」模型與行星尺度原始方程組的結合，將原始方程組中關於小尺度速度場的預報問題轉化為直接預報大尺度環流流函數的問題，構建了大尺度環流動力學方程組理論。新的方程組揭示了全球大尺度環流系統的非線性作用機理，彌補了傳統研究中人為劃分中高緯度大氣動力學和低緯度大氣動力學的不足，為建立針對全球大氣環流的氣候動力學新理論奠定基礎。
醜紀範認為，「全球大氣環流三型分解」理論是一項非常重要且有意義的創新性工作，強調理論研究不要被國外牽著鼻子走，要做自己的、有中國特色的理論研究。
「全球大氣環流三型分解」理論雖尚未直接服務於氣候預測，但胡淑娟團隊對將來的研究方向已形成清晰規劃：「接下來，除了要深入地將理論與實際應用相結合外，還要開展一些大尺度環流長時間行為的動力學性質研究，進一步完善新方程組的動力學理論。希望通過發展定量化的氣候動力學基礎理論，為改進和提升我國月-季節時間尺度的氣候預測提供理論支撐。」
（來源：《中國氣象報》2020年11月25日三版 責任編輯：王美麗）