1980年 东亚大气环流成为中国天气预报业务模式

1980年，中国科学院大气物理研究所与北京大学地球物理系、中央气象台合作成立了联合数值预报室，将东亚大气环流研究的一系列成果发展成中国天气预报的业务模式。1982年，中央气象台按此模式做出72小时数值的天气预报，结果显示：对中高纬度西风带环流形势演变具有较好的预报效果。对东亚大气环流的系统研究获1987年国家自然科学奖一等奖。

大气环流与天气预报

大气环流指某一大范围的地区、某一大气层在一个长时期内的大气运动的平均状态或某一个时段的大气运动的变化过程，是完成地球与大气系统之间热量和水分等物理量的输送以及各种能量间相互转换的重要机制，也是这些物理量相互输送、转换的结果呈现。因此，对大气环流的研究不仅是揭示大气运动规律的重要工作之一，更是改进和提高天气预报准确率、探索全球气候变化的必要途径。

▲ 1957年1月22日23时5500米处的气流走向图

早在17世纪以前，人类就在航海事业中开始了对信风、全球大气环流的研究。1686年，英国人哈雷首先发现了信风，他认为信风的形成与地表太阳热能的分布有关，并且在随后的研究中绘制了北纬30度至南纬30度的信风和季风分布图。1735年，英国人哈得来首次正确解释了北半球的东北信风和南半球的东南信风的形成原因，创立了经圈环流理论，为之后大气环流的研究奠定了基础。1835年，法国人科里奥利提出了地转偏向力（即科里奥利力）。1856年，美国的费雷尔在科里奥利的研究基础上，提出中纬度的逆环流。1897年，挪威人皮耶克尼斯将流体力学和热力学用于大气研究，提出了著名的环流理论。20世纪20年代后期，以皮耶克尼斯为首的挪威学派在对气象的研究过程中，提出了冷锋、暖锋、极锋等学说，并把这些理论用于日常的天气预报与分析。可以说，现代天气学理论、天气分析和天气预报方法，主要就是由以皮耶克尼斯为首的挪威学派建立起来的。1939年罗贝斯创立的长波理论，强调了气象学与热力学、动力学的关系，充实了天气分析与预报的理论基础，为数值天气预报的兴起开创了条件。1950年，锐尔和叶笃正首次用观测资料证实了哈得来环流的存在。

▲涂长望

在世界各国开展大气环流研究以建立天气预报系统的过程中，我国也在20世纪30年代踏入了这一领域。那时，我国著名气象学家涂长望提出：中国天气是东亚天气的一部分，要研究中国的天气就必须从大气环流的整体观点出发，研究东亚大气环流与世界大气环流。这一论点不仅在当时是先进的，现在也依然对气象预报具有指导意义。

30年东亚大气环流研究开创中国天气预报业务模式

20世纪50年代，中国科学院地球物理研究所（中国科学院大气物理研究所的前身）与军委气象局合作设立了联合天气分析中心，进行天气预报工作，由此开始了中国气象研究与天气预报合作的历史。

在实践工作中，地球物理所的科研人员认识到：东亚大气环流对我国的气候变化有着重要的影响。他们通过对东亚特有的海陆分布及青藏高原的地理特性分析，深入研究了高原热力学、动力学等理论，取得了一大批国际性成果。这些成果系统分析了东亚大气环流的运动规律，揭示了东亚大气环流对中国气候的影响机理，取得了一系列原创性的气象研究成果，并多次为国外科学家所引用。这些成果的取得为我国20世纪80年代建立数值天气预报模式奠定了坚实的基础。

▲叶笃正

20世纪50年代，中国科学院地球物理研究所气象研究室在《泰勒斯》（Tellus）杂志上发表了论文《东亚大气环流》。他们在论文中阐述了东半球冬季和夏季对流层中层（5.5千米左右）的气流分布；分析了冬季和夏季不同经度的风、温度的垂直方向和南北方向的分布；此外，论文还对北半球大范围空气垂直运动的分布、半球热源热汇的计算等内容进行了研究。1958年，科学出版社出版了叶笃正和朱抱真合著的《大气环流的若干基本问题》一书。该书是国际上公认的关于大气环流动力学最早的著作。该书系统地讨论了北半球大气环流变化的基本因子，深入分析了准地转运动、大气长波在能量和动量输送中的作用等大气动力过程，详细阐述了大气中热量、角动量、能量的平衡，急流的形成与维持，西风带上的低气压槽和高气压脊的形成，长波的稳定性等一系列基本问题。

▲陶诗言

1957年，陶诗言和陈隆勋发表了论文《夏季亚洲上空大气环流的结构》。论文指出，在春季到夏季的过渡时期，亚洲上空的大气环流有一个跳跃的转变。1958年，叶笃正、陶诗言和李麦村在此文基础上发表了论文《在6月和10月大气环流的突变现象》。论文提出的大气环流突变现象在国内外学术界产生了广泛的影响。而在国外，直至20世纪80年代，气候突变问题才成为科学界的热门话题。

此外，研究人员还针对青藏高原对大气环流的影响进行了研究。研究指出，青藏高原对大气运动的影响分为如下三种。

机械动力作用 这种动力作用影响的范围很广，从地方性环流到全球范围的环流都受高原牵制。

热力影响 地表接收太阳辐射在一天内的变化和一年内的季节变化，都与山脉的坡度、走向有关，也与山脉高度有关。暖空气遇冷空气向上爬升，形成对流。局部地区夏季平坦地面过度受热，也会形成对流。这种对流十分强劲，对四周气流有阻碍作用。高原上山峰林立，形成一个个“热岛”，加强了高原的对流活动。这种对流活动对气流的影响相当于增加了高原的有效高度。

气流作用 气流过粗糙面时，形成貌似杂乱无章的湍流。近地面摩擦在高原表面时使气流减速，而离高原较远处则照常行进，因而会产生地方性涡旋。

这些研究成果的取得以及之后在天气预报中的不断实践，验证和发展了东亚大气环流的研究体系，为准确高效地揭示东亚天气、气候特征提供了必要的保证，充分证明了东亚大气环流研究的重要意义。

1980年，中国科学院大气物理研究所与北京大学地球物理系、中央气象台合作成立了联合数值预报室，将东亚大气环流研究的一系列成果发展成中国天气预报的业务模式。1982年，中央气象台按此模式做出72小时数值的天气预报，结果显示：对中高纬度西风带环流形势演变具有较好的预报效果。该成果获1987年国家自然科学奖一等奖。

成绩辉煌任重道远

从现代气象的系统研究回看20世纪80年代的成果，温故而知新，仍然能看到非常多的亮点。80年代我国处于改革开放初期，国外存在很多技术壁垒，国内缺乏系统的观测，也缺少国际交流和技术资料。在那个时代，老一辈科学家立足国内，利用有限资料做出国内外一流的工作，特别是以叶笃正、陶诗言为首的气象学家，以东亚大气环流为着眼点，从动力、诊断和机理等方面做出了世界一流的成果，这些成果至今仍然指导着我国气象气候业务预报。

20世纪80年代后，现代工业的发展和科学技术的进步，特别是计算机技术和卫星技术的发展，极大地开阔了我们的视野，从深海到深空，探测技术和互联网技术的高速发展、超级计算机时代的来临，都使地球系统科学及其与相关科学的相互促进得到迅猛发展。从东亚大气环流模型的提出到全球气候变化的研究，从手绘天气图到现代化气象预报，从单点观测到三维立体观测技术，从靠经验的统计预报到高分辨无缝隙预报，气象现代化经历了高速的发展，气象业务和观测系统等得到国家和社会的大力投入，天气气候预报的准确率得到很大提升，气象科学也得到前所未有的关注和发展，“智慧气象”的理念更加深入人心。

回首昨天，老一辈科学家留给了我们最大的财富；审视现在，气象现代化的发展得到全民的关注；展望未来，交叉科学以及技术革命将带给我们全新的挑战。由于新的科学问题及社会需求不断涌现，天气预报和气候预测仍存在不少问题。全球变化及其相关的地球环境变化成为大气科学的重要研究方向，在全球变暖背景下的极端天气气候灾害更成为研究焦点。新技术时代对传统的数值模拟等研究也提出了新挑战。如何适应和应对气候变化？如何更及时地预报极端天气气候灾害？如何制定相应的政策适应和减缓气候变化的影响？这些都是当今面临的问题。在防灾减灾、可持续发展、经济发展与环境保护、气候行动等领域，我们未来要走的路还很长。

（图文/中国科学院大气物理研究所）