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郭晓岚

郭晓岚(1915年1月7日-2006年5月6日),美籍华人,是一位杰出的理论气象学家,而且对建立天气气候和大气环流数值模式,并用以模拟青藏高原的天气气候效应,也非常有兴趣。他发展的模式物理过程参数化方案,尤其是积云对流参数化方案,虽然被他人广为应用,但当时主要用于热带气旋发展的理论研究中,还没有被他本人用于天气气候和大气环流数值模式。因此,他也很想将他提出的参数化方案引入数值模式进行检验。

郭晓岚(Hsiao-Lan Kuo,1912年-2006年), 美籍华人,世界著名气象学家,大气动力学的一代宗师。是地球物理学、大气及海洋动力学的权威,其率先研发的数学工具可以描述大气的复合环流型 (complex circulation patterns) 和飓风的威力,因其学术上的卓越成就而深受同僚及学生们的敬重,曾发表120余篇论文。1970年更荣获美国气象协会(American Meteorological Society,简称AMS) 最高荣誉奖之Carl-Gustaf Rossby 研究奖章,并获选为AMS院士,1988年获选为台湾中央研究院数理科学组院士。

华裔美籍气象学家。1915年1月7日生于中国河北满城。1937年毕业于清华大学。1942年毕业于浙江大学史地研究所获硕士学位。1945年赴美。1948年获美国芝加哥大学博士学位,1962年以后任该校教授。  他在博士论文《正压大气二维无辐散流的动力不稳定性》中给出的“正压不稳定性判据”(见大气动力不稳定性)为国际上普遍接受。1965年提出积云对流参数化方案,1974年对它进行了修正。这个方案被广泛的应用,并在以后的数值天气预报和动力气象学文献中,统称为“郭氏参数化方案”。

此外,郭晓岚对大气环流、斜压动力不稳定性、热带气旋的生成、大气和地表的相互作用、大气辐射等大气动力学问题进行多方面的研究,由于他在大气动力学基础研究中的成就,1970年获美国气象学会罗斯比研究奖章。他的主要论文还有:《斜压纬圈气流中的三维扰动》(1952)、《大气中的强迫经圈环流和自由经圈环流》(1956)《对流性涡旋和其眼生成的动力学》(1959)、《环型对流和非线性热传递方程的解》(1961)和《一个准一维的考虑对流凝结加热和混合作用的积云模式的参数化》(1980)。

1912年1月27日,出生于中国河北满城县张辛庄村。因家境贫寒,中等教育完成后便回家务农。1929年夏,以优异成绩考入保定第二师范学院。

1932年,考入清华大学数学系。1933年,转入清华大学地球物理系。1937年,毕业于清华大学,获得理学士学位。后就读国立浙江大学,师从中国气象学宗师竺可桢,于1942年获得理硕士学位。1945年赴美国留学,就读于芝加哥大学,师从芝加哥大学气象学派创始人,国际气象学泰斗罗斯比教授(Carl-Gustaf Rossby)。1948年获得芝加哥大学地球物理哲学博士。

后在麻省理工学院飓风研究中心担任高级研究员,并最终升任中心主任。1962年,回芝加哥大学任教,担任地球物理学教授。

1970年获美国气象最高荣誉奖-罗斯贝奖。他学识渊博,成绩卓著,在气象界诸多领域做出了创造性的成绩。曾4次(1973、1979、1986、1992年)应中国科学院邀请回国讲学或参加学术性会议。1979年,郭晓岚的《大气动力学》(江苏科学技术出版社出版)一书供气象、海洋研究人员、高校有关教师学习参考,他还兼任“中央研究院”院长。2006年5月6日郭晓岚院士在芝加哥逝世,享寿91。

1970年,获美国、国际气象学界最高荣誉奖—罗斯比奖章。

学术成就

一、大气动力学

郭晓岚对大气动力学方面的贡献,包括大气不稳定理论,大气环流形成和大尺度热力环流理论,中尺度对流动力学和涡旋动力学理论,低纬和热带动力学理论以及地气相互作用动力学理论等。

1、大气不稳定理论

郭晓岚有关大气不稳定理论的论文有很多。他研究了“正压大气中两维无辐散流的动力不稳定”,指出当强西风气流随纬度变化时,沿强西风运动且相速度在西风最大和最小速度之间的普通波长的波动和气旋波可能会发生不稳定。当波动为不稳定时,在最小绝对涡度点以南的槽线由东南向西北倾斜,在最大涡度点以北的槽线由西南向东北倾斜。在“热带大尺度扰动的不稳定理论”研究中,郭晓岚解释了热带对流层和低层平流层中探测到的几种大尺度波动的存在原因。即波状扰动处于热带大气中条件性不稳定的辐合场中,并有源源不断的地面蒸发提供水汽,从而变得不稳定之故。郭晓岚还研究了热带地区既有水平切变又有垂直切变的切变带和急流型平均流的不稳定。结果表明,不稳定的主要来源是水平切变,平均垂直切变和稳定的层结无论在高层还是低层都限制扰动的发展。在距离赤道6°—10°的地带,急流型廓线最不稳定,扰动的最大强度发生在平均流绝对涡度较小的急流一侧,从而决定了ITCZ的平均位置。在“大气中线性和急流型廓线的斜压不稳定”一文中,研究了冬季45°N和60°N间盛行的双急流和单急流廓线的斜压不稳定。发现这些廓线对所有对流层波动都不稳定。双急流廓线的不稳定特征几乎完全取决于对流层高层的切变。至于在60°N平流层的单急流廓线,只有在急流最大速度超过40 m/ s时才是充分不稳定的。这种高层的不稳定超长扰动会使温度发生大的变化,因此,很可能是平流层晚冬突发性增暖的原因。郭晓岚对U分量随高度线性变化或有不同切变,低层V分量有急流形式的大气中的不稳定现象进行研究后指出,U分量不稳定时激发出的中尺度扰动在x方向的波长很大,有对称性,在y方向波长很小。低层V分量不稳定性激发的波动有两个分隔的最不稳定扰动。

除了大气不稳定,郭晓岚还讨论了赤道地区海气耦合系统中缓慢波动的不稳定性质。结果表明,在海洋和大气中快速运动的重力波和混合Rossby重力波都几乎不受海气耦合作用的影响,只有慢速运动的Rossby波受影响很大,东西向的SST平流使所有海洋Rossby波不稳定,而南北向的平流使大气和海洋中的Rossby波均不稳定。指出,在海气相互作用中,涌升流和平流是十分重要的。

2、大气环流形成和大尺度热力环流

凭借深厚的数学功底,郭晓岚先生在此领域的理论研究中作出了杰出的贡献,接连发表了多篇高水平论文,深入研究了东西风带,大尺度槽脊系统和平均经圈环流等的形成原因及其与涡度和动量的涡动输送,摩擦耗散,垂直风切变和温度层结等影响因子的关系。他在研究大气中的涡旋运动时发现,在北半球,涡旋周围流体中的涡度分布会产生一个水平的力施加于涡旋,使气旋性涡旋向绝对涡度较高的地区运动,反气旋向绝对涡度较低的地区运动。因此,气旋向北移动,反气旋向南移动。但是,水平力在某些地区会在相反方向上起作用,在对流层高层形成切断的低压和高压。他还发现辐散的影响比起上述提到的涡度分布作用力的效应要小。这些效应与总角动量守恒原理,解释了为何大气中存在西风带和东风带。他还从大气扰动对涡度输送的观点,讨论了大气带状流发展和维持的机制。由于扰动本身有涡度集中区,不能在一个不均匀的绝对涡度场中处于平衡态,它们会被其它纬度来的气团所挤走。造成反绝对涡度梯度的涡度输送,在扰动活跃的地区内涡度的经向梯度增加,其外减小,使相应地区分别产生西风气流和东风气流。并估算出强带状流建立所需的时间约需3周,与观测结果相符。通过对斜压纬向流中扰动的振幅和位相角的稳定性特征和垂直变化的研究,他发现,忽略摩擦作用时,大气中扰动的波长有一个临界值,比其短的波动都不稳定,并且存在最不稳定波长,两者都取决于垂直风切变和静力稳定度因子。因此,很长的波动主要存在于高层,很短的波动仅限于大气低层,且振幅随高度很快衰减。为了解释大气中平均经圈环流的产生原因,郭晓岚研究了总非绝热加热和热量涡动输送的经向变化和总摩擦耗散和动量涡动输送的垂直变化。发现当平均温度的经向对比大于某个临界值时,强迫运动转变为更加剧烈的自由对流。在相对静止的大气中,平均非绝热加热只能产生很弱的单圈直接环流,最大经向速度只有每秒几个厘米。相反,纬向动量的涡动输送和摩擦耗散能在对流层中产生三圈环流。从理论上提出了Hadley环流形成的一种机制。在大尺度热对流的研究方面,他用简单方法找到了用Richardson数表示的热对流判据,其中包括了旋转,静力稳定度,粘性,导热率,径向温度对比以及平均纬向流的相对涡度等的联合作用。检验了各种物理因子对旋转流体中加热不均匀造成的运动的影响。发现,旋转和静力稳定度增加了阻力,会抑止对流运动。加热不均匀产生的有效位能通过经向和纬向的垂直运动转换成动能。指出,在研究大尺度运动时,应当包含较不稳定的快速发展的小尺度运动,即包含非线性扩散的作用。

3、中尺度对流动力学和涡旋动力学

郭晓岚研究了大气对流和龙卷形成的机制,他从简化的但足够精确的方程组,解出两个相似解,分别为双泡和单泡。当给定合适的物理参数值时,得到了与龙卷中观测到的气流分布有很好相似性的双泡型解。在研究有摩擦的切变流中涡旋和旋转圆柱的运动时发现,摩擦和由施加在圆柱或涡旋上的压力造成的旋转力的联合作用,可使圆柱或涡旋在与平均流呈一定角度的平均方向上移动。他利用一个边界层模式,研究了边界层中的非对称流,为积云对流参数化的合理性提供了依据。为了研究地面日变化加热作用造成的低层大气中对流的发展过程,郭晓岚提出了一个非线性数值模式。结果表明,在通常存在的高层稳定层结和相对强的对流活动作用下,总会形成三个相互隔离的垂直层次,即超绝热地面薄层,混合层和薄逆温层。与观测资料比较后发现,模拟结果与实测资料相符很好。

4、低纬和热带动力学

郭晓岚提出了热带ITCZ形成的非线性理论。他指出,热带大气中条件性不稳定和对流性活跃的大尺度纬向对称扰动的自激发行为是热带ITCZ形成的原因,这些扰动的本质可用非线性的准地转模式来描述。由此理论给出的风系的垂直和水平廓线与现有的观测廓线相象。论文还给出了产生这种廓线所要求的垂直扩散系数和辐射冷却率。在赤道行星边界层和球面稳定大气中的行星边界层流的研究中。郭晓岚指出,当边界层方程中包括了温度和气压的扰动,并且总体Richardson数为1或更大时,稳定的大气层结会抑止稳定的Ekman流型。但若气流是振荡的,即使是低频的振荡,则在中高纬度,稳定层结对气流的抑止作用也会被大大减弱。而在低纬度,边界层流衰退。在地面存在温度异常时,温度层结也可激发出热力驱动的边界层流。边界层流的最大垂直速度刚好位于地面边界层以上,在10°附近具有最大值,在赤道具有最小值。可以解释为何ITCZ常常发生在10°附近,而赤道上对流活动很少。

5、地气相互作用和陆面过程动力学

郭晓岚很早就注意到地表面附近显著的气象场日变化现象。他利用一个修正的热传导模式,通过方程求解,研究了以日变化热量波动形式表现出来的大气和下垫面之间的热力相互作用。结果表明,即使平均的垂直温度递减率是稳定的,向上的平均热量输送也可由输送过程的日变化维持。他的研究不但解决了一个长期困扰学术界的问题,即在平均位温分布下,为何仍有湍流热量的垂直输送,并且为日变化在地表面向大气的通量输送中的作用提供了理论根据,成为数值模式中必须考虑日变化的理由。同时指出,当热扩散率K的垂直梯度很大时,在地气边界上可维持很陡的温度梯度。地面长波辐射的效应有助于温度极值的前移。大气最低的几百米内的温度波受到太阳辐射吸收和热扩散率K与其相互作用的影响。将模式结果与O'Neill夏季和冬季进行的观测试验做了比较,相符甚好。

二、模式物理过程

1、积云对流参数化

郭晓岚对数值模式中物理过程参数化的最大贡献,莫过于积云对流的参数化。他的积云对流参数化方案曾被广泛地用于各种尺度的大气数值模式,尤其是在中期天气预报和大气环流模式中,被称为Kuo方案。有不少学者,根据Kuo方案的原理设计出不少修正的Kuo方案。至今,Kuo方案仍在一些数值模式中使用。

郭晓岚最初提出积云对流参数化方案是在1962年美国气象学会的年会上,1965年,他以“积云对流潜热释放造成的热带气旋的形成和加强”为题,正式发表了有关积云对流参数化方案的论文。这篇论文研究了条件性不稳定大气中深对流潜热释放对大尺度运动的影响。在此方案中,积云的存在要求有3个条件,即地面有摩擦引起的辐合上升运动,整个气柱有净水汽辐合和对流性层结不稳定。积云内部的温度和水汽的垂直分布根据云底的温度和比湿,用相当位温守恒原理求得。积云面积根据气柱净辐合的水汽量和云生成所需的总水汽量之比求得,积云的凝结降水量根据积云面积和云内外温度差确定。气柱的各层温度和湿度的变化,由云内值和环境值加权平均得到。此参数化方法由他本人首先成功地用于飓风形成问题的研究。进而,郭晓岚于1974年发表了“积云对流对大尺度气流影响的进一步研究”。该文是对他1965年积云对流参数化方案的补充和发展。新方案中给出了更为严格的数学推导。将气柱的净水汽辐合量分为两部分,一部分用于湿润环境大气,使其达到积云内的湿度而成云,另一部分用于产生积云降水,使云体内的原环境温度升至云温。潜热释放量及其垂直分配以及积云输送的感热,均惟一地由云内和环境大气的温差以及大尺度气流的水汽辐合所确定。下沉气流中的压缩增热自动地包含在公式中。计算结果与实况相符甚好。这篇论文认为,环境大气的增热是由积云外的环境下沉气流自动完成的。从此,该方案被称为1974年的Kuo方案。1980年,他利用一个准一维,非对称,准拉格朗日和准稳态的模式,研究了积云对流特性。结果发现,对半径大于1000m的云,云外下沉干空气的压缩加热使云内空气变暖并稍稍减小了上升气流的速率,下沉湿空气冷却云内空气并且也减小上升运动。最有意义的是,在较小不稳定的中纬度环境下,模拟的降水率从半径<1000m云的2000m云的5.4cm/h,反映了对流层中部稳定层结对较小积云穿透能力的抑止作用。当云的半径达到8km时,上升速度达到最大。同时发现,积云对流的主要加热是在潜热释放区,但环境空气的压缩加热也重要,尤其是在云顶附近。可见,这篇论文是用“有云”模式的模拟结果来证明1965年“瞬时积云模型”参数化方案的合理性,强调了积云体大小和垂直伸展范围对积云降水影响的重要性。

大气中太阳短波辐射和长波辐射的计算方法

在太阳短波辐射的计算中,郭晓岚提出了将经验公式和分谱段计算相结合的方法。首先将太阳光谱分为三部分,即波长λ<0.3μ的紫外波段,波长λ在0.3μ—0.7μ之间的可见光波段和λ≥0.7μ的红外波段。紫外波段的吸收物质主要是臭氧和氧气分子,在高层大气中几乎被完全吸收。可见光波段只受大气散射,基本没有吸收。红外波段主要受大气中水汽和二氧化碳的吸收影响,散射可以不计。因此在3个波段中可以找到它们各自的辐射计算公式,并被证明有较高精度和计算省时。同样的分波段计算辐射通量的思想,也用来计算长波辐射。根据辐射传输理论,可以得到大气任何高度层上向上和向下长波辐射通量应满足的方程。给出上下边界条件,可以得到它们分别与该高度层以下和以上辐射通量的递推表达式,计算十分省时。计算通量所需的平均面透射率τ,用分谱段合成,有很高的精度。根据光谱资料,水汽分为12个基本波段,CO2分为2个基本波段。

郭晓岚辐射参数化方法的最大优点是将复杂的波谱分段后,得到解析的通量密度计算公式,因而计算简单,速度快。同时不失计算精度。

1979年9月,作者之一作为访问学者到达芝加哥大学,在郭晓岚指导下进行研究工作,将p-σ混合坐标系的二层初始方程数值模式改进为五层模式。在新模式中,引进了水汽方程及与水汽有关的物理过程,如大尺度水汽凝结和Kuo1974对流参数化方案,还进行了改进,将积云生命史划分为两个阶段,即成云和降雨阶段,在不同阶段,降水量与总水汽辐合量的比值用不同方法计算。郭晓岚的辐射参数化方案被全部引入新模式,在短波部分,包含了太阳辐射的季节变化和日变化,而在当时的其它大气环流数值模式中是没有日变化的。短波辐射日变化的加入,会大大破坏模式的计算稳定性,为此,又设计了干对流调整和垂直扩散系数随大气稳定度变化等方案,使模式能稳定积分较长时间,并得到合理的模拟结果。新模式中还加入了海洋混合层模式。因此,是一个包含地气相互作用和简单海气相互作用的初始方程数值模式,能模拟大地形的动力和热力作用以及地面和海面热力异常所产生的天气气候效应。

新模式首先被用于模拟青藏高原和落基山等大地形对气象场日变化的影响以及日变化对降水量和降水分布的影响。模拟结果显示,气象场明显的日变化主要源于青藏高原地形对太阳辐射区域分布的特殊影响。这种影响形成了地方时18时,在90°E整个高原及其周边地区除了高原东边缘的狭长区域外,从地面直到100hPa的上升运动区。在地方时6时,在上述地区从地面直到300hPa形成下沉运动区。300hPa以上仍为上升区。日夜平均为上升运动区。模拟的降水率与观测也相当一致,且在热带地区,对流降水量占3/4。与观测相符很好。利用新模式,研究了7月平均季风环流的发展过程。做了8个敏感性数值模拟试验。分别设定太阳辐射有日变化和无日变化,有地形和无地形,气象场初值纬向均匀和非纬向均匀以及无辐射加热和无对流加热等条件。结果发现,非绝热加热和气象场的区域分布受海陆分布和地形的影响明显,但与大气的初始状态几乎无关。位于阿拉伯半岛和东北非以及中南半岛和印度半岛沿岸的两个海平面低压槽以及索马里低空急流,即使没有地形,也不管使用何种初始场,在所有包含非绝热辐射加热和积云对流加热的试验中都能模拟出来。相反,如果去除这两种加热,这些系统就模拟不出来。太阳辐射加热日变化的引入加快了低层气压系统的发展速度,其原因是积云对流的发展主要在日间。辐射加热,地形和初始条件对降水量及其区域分布都有至关重要的影响,没有地形,最大降水出现在东亚沿岸区,而非孟加拉湾一带,且大陆和海洋上的降水量都大大减小。可见,日变化在季风环流的发展中起着“加速”作用,地形对辐射和对流加热,从而对降水场起着“分配”作用,而大气的初始态对东亚季风环流型的形成没有本质的影响。

郭晓岚逝世后,美国芝加哥大学新闻办公室发布长篇文告,给予极高评价。文告指出,郭先生从二战时期的中国,飘洋过海来到美国,以很少的奖学金在芝加哥大学攻读学位。但是,仅仅几年的时间,他就在学术界崭露头角,且一直保持重要影响。他的研究成果是动力气象学许多分支中的重要理论基础之一。

他虽然出身贫寒,但从小就胸怀大志,对数学,中国古典文学和中国历史倍感兴趣。他对科学的兴趣和孜孜不倦的学风,使他很快成为有影响的青年学者和当时芝加哥学派的重要成员。他对学业的态度和对事业的追求,是年轻学子们学习的楷模。

郭晓岚先生的聪明才智和他的敬业精神,使他成为大气动力学中诸多理论研究的开创者,正如芝加哥大学新闻办公室文告中所说,他在理论研究中的杰出成就为气象学的很多分支领域奠定了数学和物理的理论基础,因此影响着相关学科和领域的发展。除了大气动力学理论研究,他还研制了模式物理过程参数化方案,其中的积云对流参数化方法不仅具有理论意义,更具有实际应用价值。关于青藏高原等大地形的动力和热力作用,尤其是太阳辐射日变化对天气气候影响的数值模拟研究,是具有首创性的。1985年退休后,郭先生仍致力于气象科学研究,在ENSO长期振荡,地转适应过程和Walker2Hadley环流与ITCZ的形成机制等方面作出了新的理论贡献。

郭晓岚先生不仅是一位国际著名的学者,也是一位爱国者。他对中国气象事业的发展十分关注,生前曾4次访问中国,并为中国培养了气象人才。郭晓岚先生的逝世,是国际气象界的重大损失,也使大家失去了一位循循善诱的导师。他是后辈学习的楷模。



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