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天文气候学的应用原理和要法
2011-04-03 22:41:10 来源:北大荒网 作者:毕云清 【 】 浏览:3653次 评论:0

    [编者按:本文作者2010年春季参加了“中国地球物理学会天灾预测专业委员会”学术研讨会,文章曾刊于该会文集。经作者本人修改,又经著名气象专家蔡尔诚推荐,特刊于此,供研讨。]

    提要 
    本文应用系统论的方法,对气候形成和变化的因子及其作用机制和相互关系进行了分析和讨论,并提出了引潮力作用所处的地位和大气运动的表现形式,从而为它在天气气候预报分析中的应用原理和方法提供了理论依据和初步途径。
    关键词:天文气候 引潮力 动量定理
    前 言
    气候的形成和变化是气候学的中心议题。在较早的气候学理论中,是把太阳辐射、大气环流、海陆分布视为气候形成的主要因子,火山爆发和人类活动的作用是后来才提出的。与此同时,陆巍和彭公柄先生曾有《气候的第四类自然因子》一书发表【1】,所述均属天文因子。其后以任振球先生为首的研究已经证明,引潮力垂直分量的大小,与地转偏差使大气产生的垂直加速度数量级相当【2】,所以它在大气运动当中的作用越来越多地受到关注。
    一、内部因子与外部因子和气候的形成
    大气环流虽然与气候的形成密切相关,但它是大气系统自身的运动状态和物理过程,其态函数属于内部因子。与太阳辐射、下垫面性质和特点等外部因子相比,作用机制不是同一类性质,因果关系也不处于同一层次。
假设大气是一个独立的封闭系统,既没有能量和动量的输入或输出,也没有物质的交流或质变,那么它的总能量和总动量都会保持守恒。这样,如果它不是处于平衡态,其自身还存在着某种运动的话,这种运动的过程就应是该系统内部能量与动量传递或转换的过程。而外部因子的作用则是对该系统进行能量与动量输入或输出的过程。所以对气候形成和变化的作用,外部因子只要是存在的就比内部因子处于更高的层次。
    从总体上来说,外部因子主要来源于三个方面:一是天文,也包括地球的天文运动;二是地理,包括海洋及其运动和生物的生命活动;三是人类,虽然也属于生物的范围,但其生产和生活对大气的影响不是自然的,同时也还会影响到地理和其它生物。这些作用简要地概括,就是气候形成和变化的天、地、人三因素。
    一个外部因子,如果它的作用足够重要,大气都会产生与其作用相关的特定运动形式。如三大环流模式等及其相对地球赤纬随季节的变化。内部因子则不会使大气产生这种特定的运动形式,只能体现这些运动形式的物理状态及其某些演变规律。所以气候的形成主要还是由于外部因子提供的能量和动量所产生的作用。
    二、常量因子与变量因子和气候的变化
虽然导致气候形成的物理因子主要是外部因子,但造成气候变化的则是其中的变量因子。严格地讲,宇宙中绝对不变的过程是不存在的。只是相对地球某一位置来说,有些因子的变化幅度较小,与变化幅度较大的因子相比,其变幅的数量级微不足道,或者在相当长的时期内其物理量的变化都不会累积到触发质变的临界状态,甚至永远也改变不了在其它外部变量因子作用下所形成的气候特点及其变化规律,这些因子都可以视为常量因子。比如地心引力、地形、地质、地貌、海拔高度、太阳常数等。当然,太阳辐射的数量级和变化幅度都是最大的,其变化量有时可达太阳常数的上百倍【3】,这部分变化可视为变量因子而与太阳常数区别开来,这就是太阳活动。
    正因为太阳辐射的能量级最大,且是地球之外热能的常规来源,所以由地球公转所引起的太阳高度角相对地球赤纬的变化在气候的形成中最为重要。它不仅使下垫面热量收支的状态产生了一个最大的振幅,而且也使大气在一些外部因子作用下所产生的运动形式以同样的周期相对地球各赤纬变化,以至于我们只能把回归年做为气候一个最基本的周期,或者各气候周期中振幅最大的时间单位。然而气候并非年复一年的周而复始,年际之间总存在着某种差异,这种差异我们可定义为气候的变化。
    如果我们把回归年做为气候周期一个基本的模式,那么在每个回归年的同一时间相位上,外部因子的物理参数相对地球某一赤纬来说是不同的,我们就定义它是造成气候产生年际之间差异的变量因子。
    三、热力因子与动力因子和气候的变化周期
    除了回归年周期,统计结果告诉我们,天气气候的变化还存在其它一些准周期性的规律。不难推理,一个不受振幅最大的热力因素所制约的作用,必定是动力因素的作用。而太阳引潮力的变化与太阳高度角的变化是同步的,这样与回归年周期不一致的过程就主要是来自月球引潮力的作用了,因为在通常情况下它是太阳引潮力大小的2.17倍【4】。在潮汐学上把月球的引潮力F称为太阴潮,而把太阳的引潮力f称为太阳潮。它是某天体对地球的引力与地球自转离心力的矢量和,其大小是某天体对地球某单位质量物体的引力与对地心单位质量物体引力的向量差【5】。除F和f之外,居第三位的是火星,但只有f×10ˉ5 ,所以可忽略不计。彗星的作用有时也比较重要,因为它有机会更接近地球,并向地球大气提供大量水分。另外大规模的流星雨也会给大气带来不可小视能量,更有六千五百万年前的小行星撞击地球事件,所输入的能量和动量还造成了地球上绝大部分生物的灭绝。
    潮汐学的理论告诉我们:
    F方向相对地球赤纬的变化周期F1是1/2回归月13.66079天,我们称之为太阴潮周期。
    f方向相对地球赤纬的变化周期f1是1/2回归年182.6211天,我们称之为太阳潮周期。
    F大小的变化周期F2 是一个近点月27.55455天,我们称之为近月潮周期,大小相差40%。
    f大小的变化周期f2是一个近点年365.2596天,我们称之为近日潮周期,大小相差5%。
    另外,由于日、地、月相对位置的变化,使F与f合成向量形成了一个振幅最大的相对变化周期F+f和方向的变化F1+ f1是1/2塑望月14.76530天,还有月球高度角的变化周期18.61年等。
    大气所受引潮力的作用是各种周期叠加而为,它们的合成存在一些共同的周期,如半个和一个阴历年的周期,四个、八个、十一、二十七个回归年的周期等。
    四、因变因子与自变因子和预报应用
    在通常情况下,如果没有其它因子的作用,一个变量因子所进行的物理过程就不可能发生,这种变量因子我们就称它为因变因子,而对其产生某种作用的因子则可称为自变因子。当然,宇宙中的事物都是相互联系,相互作用的,绝对自变的过程可能并不存在。所以因变与自变的区别只能根据我们所研究问题的需要来界定。虽然某些因子其变化也要受到其它因子的作用,但它的变化量是一定的,在未来的时间和空间上其物理参数都可以较精确的计算得出来,我们就可以把它视为自变因子。它的这种特点称为可确定性,否则就称为不确定性。
    引潮力会使地球大气产生可确定的强迫运动,所以它在外部动力因子当中是处于最高层次的自变因子。地极的位移、重力场的形变以及海洋、地壳的潮汐运动等也都因它的作用产生,它们都是引潮力的因变因子。它们的变化与引潮力对大气运动的作用是同时发生,也是同步进行的,都是处于同一层次。这样它们对大气运动的作用,在考虑到引潮力的作用时可以省略。
    在外部热力因子当中,太阳辐射虽然处于最高层次,但太阳活动是行星引潮力合向量变化造成的因变因子。而太阳常数辐射大多不能被大气直接吸收并转化为动能,还需要一些传递或转换的过程,故大气由此产生的运动不是同步的。且能量是标量,在未来的时间和空间上都不确定,所以作用于大气运动的外部热力因子都是因变因子。
由此看来,大气在外部因子作用下所产生的运动过程可以分解成两个部分:一是与动力作用同步的可确定运动;二是比热力作用滞后的不确定运动。天气气候预报的对象都是发生在未来的时间与空间上,这样具有可确定性的因子其物理参数会有更重要的参考价值。
    五、能量因子与动量因子和振幅与相位
由于引潮力的变化是周期函数,它向大气提供的动量是矢量,并具有可确定性,大气又会产生与其同步的运动过程,所以,它主要决定了大气运动或者天气气候过程的时空相位。而外部热力因子所提供的能量,则主要作用于大气运动或者天气气候及其变化的振幅。台风的生成、城市热岛效应、随着大气中温室气体的增加,强烈的天气过程和现象也不断增多等都是例证。当然,天气 气候及其变化的振幅也存在准周期性,这与太阳活动因受行星引潮力合向量周期性变化的作用有关。同时,作用于大气的引潮力其垂直分量和径向分量的大小也会影响到天气气候变化的幅度。这就是说作用于天气气候及其变化振幅的外部因子所提供的能量包括热能和动能两部分。
    日、月引潮力合成向量∑Gi存在十一个回归年的周期,而作用于太阳活动的行星引潮力合向量最大振幅的变化周期恰好也接近十一年。对应2009年之前的几个十一年周期中这个相位上如1954、1965、1976、1987、1998等年份前后,不仅天气气候都出现了较大振幅,世界上还发生过多次强大地震和火山爆发。2009年即是月球高度角较大的年份,又有其它几个造成加大振幅的因素,故这年前后强大地震和火山活动及强天气气候事件频发(只是由于空间相位的不同,各地强天气气候的性质和特点不同罢了)。这充分体现了热能和动能的双重作用。而热能在大气中的传递或转换时,还存在储存和积累的过程。动能的输入不仅可以触发地震和火山活动,同样也可能触发大气中累积的热能在一段 时期内较集中的释放。所以在1984年黑龙江省气象局和气象学会召开的长期预报研讨会上笔者就曾提出了20世纪90年代中后期到21世纪前10年的中后期这个十一年周期中天气气候将会出现百年一遇的变化幅度,甚至二百年一遇的天气气候事件。
    六 引潮力在大气运动中的作用机制
虽然引潮力水平分量比气压梯度力等内部动力因子小达两个数量级,但它们的作用机制是不能等同的。根据动量定理:在一段时间内质点系所受合外力的冲量,等于该质点系在这段时间内总动量的改变。而冲量是力对时间的积分,它等于在同样的时间内合外力提供给该系统的动量。但内力则与这个系统总动量的改变无关,这也是笔者对作用因子按层次进行区分的原因。我们已知F1+ f1的变化周期是14.76530天,相同方向的径向水平分量可以在某些赤纬空间持续一周的时间,这样它提供给系统的总动量会累积到相当可观的程度。如果没有这个外力的作用,系统自身的总动量将保持守恒。另外,引潮力水平分量的方向在各垂直高度上是一致的,它向引导气流提供的动量也会给对流层中的天气系统及其演变和移动带来重要影响。
    笔者曾进行过验证:凡地下水位下降并低于某一临界高度时,当地未来不久就会出现干旱的气候;而如果持续上升并超过另一临界高度时,当地未来不久就会出现多雨的气候。显然可以作用于大气的垂直动量同时也在作用于海洋、陆地和地下水体,只是它们的物理状态和性质各不相同,所以会产生不同的结果或运动形式。大气或海洋会比地下水体具有更大规模的动量交换场,这样大气的运动或天气气候的变化反映就要比地下水位的反映滞后一些。
    七、尺度对应原理及其阶次关系法则
        天气气候预报的分析,由于时间尺度既预报时效的不同,需要依据与预报时效尺度对应的物理过程来建立方法和工具,这是笔者对尺度对应原理的理解【6】。天气动力学原理及其数值预报方法尽管可以在全球范围上进行分析,但天气预报的时效仍与天气系统的时空尺度相对应,故称为天气尺度。超出这一时效,分析结果与实况的差别会随尺度的增加而变大。改变这种状态的办法可以根据尺度对应原理,有机结合大于天气尺度的物理过程及其作用机制来建立方法和工具进行综合分析。对引潮力来说,其物理参数既然是可确定的,也可以通过数值计算来求导结果,只是由于它的作用机制不同于内部因子,故需要建立不同的数学模式。
    虽然各种尺度的物理过程对天气气候的形成和变化都会产生一定的作用,但对某一阶次尺度的天气气候过程来说,影响最大的却只是紧邻该阶次的上一阶次尺度的物理过程。这是张家诚先生对各种尺度物理过程相互关系的确定,我们可以做为法则来对待。因为在同样的时段中,低阶次尺度过程的物理参数其变幅总要比高阶次的变幅大许多倍。比如日平均气温的逐日变化幅度总要大于滑动的月平均气温逐日变幅,更大于滑动的年平均气温逐日变幅。对天气尺度的过程来说,影响最大的物理背景,则是自然天气周期或长波、超长波尺度过程形成的作用机制。

    八、天气气候过程时空相位的确定
    对于任一物理参数a,它的时空变化为:

  
    而对任一地球位置来说

  
    故 

   

    只存在时间变化项。这样要确定天气气候过程的时空相位,就可以首先确定它们在各地球位置上的时间相位,然后再进行空间上的集合。如果合外力是周期函数,经过一个周期的时间该点大气所受合外力的冲量为零,这样处于同相位的任何两个时间上其自身所具有的总动量或总能量相同,所以大气的运动机制也相同。但作用于大气运动的合外力变化周期众多,叠加在一起就不存在上述情况了。我们只有选择合外力最为接近的两个时间间隔做为常规应用的周期,经计算这种周期在各阶次尺度当中以半个阴历年178天为最佳。虽然在间隔这一时段的同相位上热能收支的状态有时相反,但各向相反方向转化的进程是接近的。这个周期就是以前我国在单站过程预报分析中普遍应用的180天韵律。
    但过去单站对韵律周期的应用在绘制温压曲线图时,多使用十四时相对值或日平均值,不能较充分地反映路经本站各天气系统的类别、强度、冷暖平流与温压场配置及其演变特征等信息。所以笔者结合对原综合时间剖面图的比缩、简化绘成图表,其重点改进是气温T曲线选用日最低气温出现的时间和数值,而气压p曲线则选用滤掉日变化后dp/dt=0的各点和数值。在保留定时风向风速栏的基础上,可根据需要增加风速v的日积分曲线及日最大水气压曲线等。另外几个关键的技术方法,就是T和P两曲线的坐标值及其比例关系和对应关系要固定,并使两曲线的升降趋势一致,且距离尽量缩小,以增强直观性和可比性。笔者的设置为:
    (900+10X)mb=(-X)℃
    其中变量X的级差在坐标纸上是4/㎝。
    三十多年的实践证明,在经过这一周期的同相位两个时段上,过程的天气学意义和频率几乎是相同的,说明这一原理和方法(当然还需要改进和完善)可以确定天气气候过程的时空相位,所存在的误差也能通过对两个时间上∑Gi方向和大小差别的计算来解决。剩下的问题就是振幅既过程的强度及其发生的天气现象怎样确定了。影响它的因素主要来自三个方面:一是能量的不确定性及它的释放形式;二是热能的收支状态及其积累和转换过程;三是本周期处于紧邻的上一阶次尺度周期的相位。
    由于能量主要作用于振幅,所以对流层的高度冬季远低于夏季,天气的特点冬季也没有夏季强烈。在上述图表中,相邻周期同相位的两个时段上,其过程强度,夏季对应冬季的关系也没有冬季对应夏季的指示性那么好。当然效果最好的还是春季对应秋季和秋季对应春季。因为这两个季节的气温接近,而冬季与夏季的气温差别较大。但是这种情况对不同的气候带来说也会不同,本方法所使用的资料来源于中纬度温带大陆性季风气候区。作为初步的实验还需根据各地气候特点逐步进行改进和完善。也可根据其物理机制建立一定的数学模式进行数值分析,有关资料可以从我们已经完成的《太阳系百年天象历》的历算结果中获取。
    结语
     在我们民族的传统文化经典如《易经》当中,把事物发展变化和成败因果的条件常概括为天时、地利、人和。天气气候形成和变化的条件也主要是这三种因素,但它们的作用机制及其表现形式却各有不同。“天时”说明天气气候过程的时间相位与天文因素的作用有关,对时间的度量就是根据天文运动来确定的。“地利”则说明天气气候过程的空间相位与地理因素的作用有关。不同性质或特点的下垫面会形成不同性质的环流系统,而天气气候的发生就是在地球空间上。“人和”则说明人类活动对气候的影响,只有人类与自然的和谐共处才能导致气候向有利人类生存的方向变化,而人类活动对气候变化的不利影响就是导致天气气候变化幅度的增大。
    天气是气候的个例,气候是天气的集合。所以气候特点和性质是建立在天气过程及其自然周期基础上的统计结果,除了冷暖旱涝的级别定性之外,振动幅度的大小也是重要指标。因为空间和时间尺度的不同,天气气候事件发生的类别不会只有一种。这是合外力在动量和能量输入后给天气气候带来了不同的表现形式所产生的概念。而可以进行精确定时分析的外部因子产生变化的根源都来自天体的天文运动,所以做为并列于地理因素和人类活动因素的一个独立系统,属于《天文气候学》的范畴。
    在Gi当中物理量最大的F作用的结果是使气候产生了年际之间的差异,并使这种差异形成了各种周期性的变化。另外自然天气周期与长波、超长波维持的时间、副高和行星锋区进退的跳动及其间隔时间大多是一周的倍数,这与F+f同方向径向分量在某些赤纬维持的时间相同。还有气压场的不连续变化也与åGI各分量方向的切变有关等等。
    尤其需要强调的是我们的祖先很早以前就开始了对引潮力作用的应用,在他们总结的农验当中,涉及到计时的谚语都使用阴历。就是以前我国气象站预报中应用的韵律周期也都以十五天为等差级数【7】,这正是F+f的变化周期。那些判断天气气候变化规律的农验都有非常重要的应用价值,通过破译可以揭示它们与某些物理过程的内在联系。所以应需大量收集和整理并作为我们中华民族非物质科学文化历史遗产进行发掘、抢救和保护,以使其中体现的东方古典科学文化思想方法得到继承和发展。本文在原理和方法上的探索就是以大量农验为线索并得到启发而开始的。只是由于笔者才疏学浅,还没有条件进行更加深入的研究和完善,仅希望能起到抛砖引玉的作用,敬请给予关注的读者和同仁批评指正,不吝赐教!
    参考资料
    (1) 陆巍,彭公炳 《气候的第四类自然因子》 科学出版社,1983年
    (2)A,A,吉尔斯《长期天气预告原理》 科学出版社,1960年
    (3)蒋凤英 《天气气候异常与引潮力有关》 中国气象报,1990年4月30日
    (4)上海师大河口海岸研究室 《潮汐》 商务印书馆,1973年
    (5)陈宗镛 《潮汐学》 科学出版社,1980年
    (6)张家诚 《长期天气预报方法论概要》 农业出版社,1981年
    (7)李云林 《气象站天气预报》 河南人民出版社。

        (作者单位:黑龙江省查哈阳农场气象站 邮编:162116  电话:13234612752)

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