Carl-Gustaf Rossby: Part 8.2 - 當前氣象學面臨的問題：大氣環流、鋒面

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瑞典裔美籍氣象學家Carl-Gustaf Rossby (1898-1957)，是現代氣象學中最具有影響力的人物。他主要的研究貢獻在大氣動力學，對航空氣象、數值天氣預報、大氣化學、雲物理、地球系統科學等也有很重要的貢獻。對Rossby故事有興趣的話，可以參考我之前寫的文章：https://yihsuanchen-journey.blogspot.com/search/label/Carl-Gustaf%20Rossby：


Carl-Gustaf Rossby: Part 0 - Rossby’s mentorship

Carl-Gustaf Rossby: Part 1 - 簡介

Carl-Gustaf Rossby: Part 2 - 少年時代

Carl-Gustaf Rossby: Part 3 - 美國氣象局 & 建立航空氣象地面觀測網

Carl-Gustaf Rossby: Part 4 - MIT時期

Carl-Gustaf Rossby: Part 5 - 二戰期間

Carl-Gustaf Rossby: Part 6.1 - 芝加哥大學氣象研究所的成立

Carl-Gustaf Rossby: Part 6.2 - 芝加哥的學生

Carl-Gustaf Rossby: Part 7.1 - 重返瑞典 

Carl-Gustaf Rossby: Part 7.2 - 瑞典的學生 

Carl-Gustaf Rossby: Part 8.1 - 當前氣象學面臨的問題：輻射收支、二氧化碳和碳循環、水循環


1957年8月19日，Rossby因心臟病發驟逝，享年58歲，震驚整個科學界。原先Rossby友人規劃慶祝他六十歲大壽的學術特別專輯，變成Rossby的逝世紀念專輯，但未改變其初衷，即見證Rossby在大氣科學的學術發展、教學、和國際科學合作上的重要貢獻與領導角色。


Rossby的紀念專輯於1959年出版，標題為：


THE ATMOSPHERE AND THE SEA IN MOTION

SCIENTIFIC CONTRIBUTIONS TO THE ROSSBY MEMORIAL VOLUME


專輯的主編是Bert Bolin，由Rockefeller University Press出版，網路上可找到全文：https://books.rupress.org/sites/books.rupress.org/files/ebooks/9780874700336_WEB.pdf。


Rossby紀念專輯的第一篇文章，是Rossby過世前幾個月在瑞典國家科學研究委員會 1956 年年鑑發表的文章：Aktuella Meteorologiska Problem (瑞典文，中譯為「當前氣象學面臨的問題」)，分成以下章節：


  • Introduction

  • Planetary problems of balance and circulation

    • A. Radiation balance and heat storage

    • B. Carbon dioxide and its cycle

    • C. Tritium and the hydrologic cycle

  • The general circulation of the atmosphere

  • Weather forecasts

  • Distribution of matter in the atmosphere

    • A. Air trajectories

    • B. Distribution and circulation of maritime salts

    • C. The circulation of sulphur and ammonia

    • D. The exchange of matter at the sea surface

  • Attempts to control atmospheric processes


這篇文章，從現在來看仍是極具意義和遠見。系列文Part 8.2，來筆記 “The general circulation of the atmosphere” 這一個章節，外加我的一些補充。Rossby主要回顧北半球中緯度地區的大氣環流和鋒面的特徵，因為有較完整的觀測資料，他也簡單講了相關的物理機制和解釋，沒有用任何的數學方程式。


▋1. 大氣環流 (general circulation) 概述


“Air in the atmosphere moves around the world in a pattern called global atmospheric circulation.” Credit: UCAR

https://scied.ucar.edu/learning-zone/how-weather-works/global-air-atmospheric-circulation


一年中，赤道地區接收到的太陽能量大於其釋放到太空的能量，極區接收到的太陽能量小於其釋放到太空的能量，這代表假如沒有任何事發生，赤道地區會一直累積能量使得溫度不斷升高、極區溫度一直釋放能量使得溫度不斷下降，直到能量達成平衡 (赤道可能熱到40°C到50°C、極區可能冷到-60°C)。


現實中，赤道地區的年平均氣溫大約在 26°C 到 28°C、北極年平均溫度約-20°C到-10°C、南極年平均溫度約-50°C 到 -20°C。這代表赤道和極區的溫度差異，以及兩者所接收到的能量不平衡，藉由大氣和海洋的運動將能量從赤道地區傳送到極區，同時讓兩個地區的空氣和海水能夠交換。近期研究顯示大氣和海洋的平均南北熱量傳送 (meridianal heat transport) 的量值約為5到6 PW (1015 W)，峰值位於35到40°N/S (Yang et al., 2015, https://doi.org/10.1038/srep16661)。大氣是南北熱量傳輸的主要驅動力，約佔總熱量傳送的 60-70%，海洋佔 30-40%。


除了赤道和極區的能量差異能驅動大氣環流，由於海洋和陸地的比熱不同，即使給定相同的太陽輻射能量，兩者的溫度也會不同，這個溫度差異可以驅動大氣運動，稱為季風 (monsoon)。



圖：Meridional heat transport (MHT) from Yang et al. (2015, Scientific Reports, https://doi.org/10.1038/srep16661。“Black curve is the combined heat transport by the atmosphere and ocean; red, atmosphere heat transport (AHT); and blue, ocean heat transport (OHT). Units: PW; 1 PW = 1015 W. Each solid curve represents the mean heat transport during the LGM period (22–20 ka). Light color curve shows the spread of corresponding heat transport since the LGM. The data source is the CCSM3 TraCE-21 K simulation. Dotted curves are the corresponding heat transports based on present-day observations.”


Rossby認為，氣象學的主要任務是根據流體力學和熱力學的基本原理，來描述大氣環流的基本特徵，包括其隨季節、地區等的變化，還有疊加其上的次要環流如季風 (“The main task for meteorology is of course to describe the general circulation of the atmosphere, its variations and superimposed secondary systems of motion in accordance with the basic principles of hydrodynamics and thermodynamics.”; p18)。


大氣是一個非線性、不斷在運動的系統。即使進入大氣的太陽能量隨季節、緯度的變化十分規律，如果考慮數天的時間尺度，某地點接收到的太陽能量也沒有多少變化，但就只是這一點點的變化，可以造成大氣環流每週甚至每天都在改變。大氣是內建不穩定性的暫態系統 (a transient system with built-in instabilities)，想發展通用的理論或是方法來預測大氣的狀態，會面臨非常大的挑戰，甚至不可能達成。大氣科學的研究進展取決於對科學和實務的重要性、人類的才智，以及觀測資料是否充足。推薦看原文：


“A certain instability is thus ‘built in’ in the dynamics of the atmosphere. This instability means that one certainly can hope for the possibilities of developing theories and methods in order to analyse objectively, and forecast numerically, the propagation and further development of already existing transient systems of motion, in any case the larger and more long lived ones, but probably very great or almost insuperable difficulties will arise in finding general methods for forecasting the development of entirely new systems. The speed of progress toward the solution of this latter problem becomes ultimately an economic question, the answer to which will depend upon the scientific and practical importance of the solution, upon the access to scientific talent, and upon the availability of the required observations.”; p18)


在以上的原文，Rossby說大氣科學的研究終究變成經濟問題 (economic question)。我的理解是，經濟問題的基本是要回答：1) 生產什麼; 2) 如何生產; 3) 為誰生產 (What to produce, How to produce, and Who to produce it for)。大氣科學也是如此，要生產什麼 (理論、預報、觀測資料等)、如何生產 (公式推導、數值模式、觀測儀器等)、為誰生產 (科學界、公私部門、民眾等)。現在氣候變遷的衝擊配在眉睫，大眾需要從日、週、季節、年際尺度的高解析度的天氣及氣候資訊，這在科學和實務上十分重要，但也是極大的挑戰。即使給定無上限的錢和人力，我不確定大氣科學是否能滿足大眾的需求。


▋2. 大氣環流的特徵


全球大氣環流的特徵包括三胞環流 (Hadley cell, Ferrel cell, and Polar cell)、噴流 (jet stream)、和羅士比波 (Rossby wave) ，網路上有很詳細的介紹，簡單列幾個網頁：



▋2.1 Hadley cell


18世紀初，英國業餘氣象學家George Hadley提出一個機制來解釋熱帶信風。Hadley認為赤道附近加熱產生的上升氣流會均勻的向北半球和南半球兩側的高緯度移動，然後再下沉返回赤道。因為空氣的流動對稱於地球的自轉軸，空氣的相對角動量必須守恆，但空氣流動會受地表或海面的摩擦力影響，當趨於一定程度的平衡後，向赤道流動的風帶有向東分量，成為信風。在Hadley的觀點，大氣環流是赤道熱源和兩極冷源導致的直接對流結果 (p21-22)。


H. Jeffery在1920年代指出如果依據Hadley的觀點去建立大氣環流模型，會遇到根本上的困難，因為Hadley沒有考慮地球自轉的科式力效應，以及科式力強度會隨緯度變化。科氏力使得氣流在北半球向右偏轉、在南半球向左偏轉，以北半球來說，氣流向右偏轉代表空氣分子會在右側累積，產生相對高壓，而在左側產生相對低壓，這樣產生的壓力梯度力會影響氣流的流動。空氣的運動會去調整氣壓分佈，是大氣的基本特性。當壓力梯度力和柯氏力達到平衡後，氣流基本上沿等壓線流動，也是地球高空大氣觀測到的情況。地球自轉對流體運動的效應也在David Fultz的流體實驗得到驗證 (p22-23)。


▋2.2 Jet stream


因為太陽對赤道和兩極的加熱不均，以及地球自轉的科氏力，中緯度的高空大氣吹西風，因此飛機通常向東飛比較快、向西飛比較慢。西風最大值通常出現在200百帕氣壓高度 (約9公里)， 水平寬度約數百公里，風速可達到100 m/s或之上，稱為噴流。可以參考wiki - jet stream的影片。


在對流層中高層的氣壓場或流場呈波狀形式，北半球通常有3~7個波。這些波稱為大氣長波，由於其水平尺度與地球半徑相當，也稱為行星波 (planetary waves)。Rossby首先從理論上研究這些波，並做出重要貢獻，為了紀念他所建立的大氣長波理論，大氣長波也被稱為羅斯貝波 (Rossby wave)。


羅斯貝波和噴流的形狀和位置會不停改變，Rossby分成兩個極端型態：東西向型態 (zonal type, “high index”)，和南北向型態 (meridional type, “low index”)。東西向型態是發展完整、相對寬廣的西風氣流，長波的發展不明顯。南北向型態是一條或多條狹窄的噴流並向南移動，同時有水平振幅很大的長波 (p19)。這兩種型態可以參考以下的示意圖




https://www.weatherandradar.com/weather-news/in-coming-decades-jet-streams-to-strengthen-as-earth-warms--57b55130-60cc-483d-bc70-c195ec60bbb1


不同的羅斯貝波和噴流型態會影響近地面的高壓、低壓、鋒面的發展和移動，對天氣有很大的影響。為什麼大氣環流會在東西向型態和南北向型態之間擺動 (可稱為”index cycle”)、擺動的頻率和振幅如何變化、在大氣動力的角色等，是很重要的科學問題 (p26-27)。Norman Phillips從數值模擬來研究這些問題，有很精彩的成果，但還有許多未解的問題 (p24; 27)


全球暖化情境下噴流的位置和強度會怎麼改變，進而影響極端天氣事件，是當前很熱門的研究議題。


▋3. 鋒面


鋒面和鋒面波的介紹可參考以下網頁：



1910年代，挪威的卑爾根氣象學派 (Bergen School of meteorology) 發展極鋒理論 (polar front theory)，提供氣象學家一個實際好用的方法來做天氣預報。氣象學家追蹤氣團和鋒面位置來做天氣預報，大幅提升預報的效率和準確率。


雖然極鋒理論很成功，但氣象學家並不是很清楚這些鋒面如何形成。卑爾根氣象學派的Tor Bergeron提出一個鋒生機制 (frontogenesis)，來解釋等溫線的改變如何改變風場。然而，這個機制無法解釋鋒面兩側溫度和風的不連續性。卑爾根氣象學派從沒提出合理的鋒生動力理論。


後來有越來越多的高空大氣觀測，氣象學家發現由強烈水平溫度梯度決定的鋒面區，與強風區的位置一致。換句話說，鋒面不再被認為是不同運動的氣團之間的邊界，而是氣流運動集中在鋒面區或附近。同樣的道理可以來解釋海洋中的墨西哥灣流和黑潮 (p28)。


鋒面還有一個有點難理解的特徵，熱力風理論說當水平溫度梯度存在時，風速會隨高度增加，風切強度正比於水平溫度梯度。鋒面附近有很強烈的水平溫度梯度，可以用熱力風理論來解釋高層的強風，但沒有辦法解釋為什麼這麼強烈的溫度差異集中在鋒面狹窄區域，而不是很廣大的範圍 (p28)。


鋒面波是另一個難解釋的現象。卑爾根氣象學派認為鋒面波是因為冷熱氣團間的斜面邊界而產生的不穩定地面波，根據這個觀點，1920到30年代許多科學家試圖提出鋒面波的機制，但沒有成功。後來從高空大氣觀測資料，發現鋒面波通過時，大氣高層噴流的結構也顯現出變化。很難想像地面的鋒面波會影響大氣高層的噴流，似乎應該反過來，大氣高層噴流發生變化，而後促成鋒面波的產生 (p29)。


▋4. 小結


在這個章節，Rossby簡要的回顧了大氣環流和鋒面的研究發展，尤其指出高空大氣的運動和近地鋒面的關聯性，把兩個看似不相關的大氣現象連結起來，我覺得很適合作為相關課程的引言。


有趣的是，雖然Rossby對大氣環流和鋒面這兩個領域有重要貢獻，也指出一些尚待研究的課題，但他沒有提出具體想法來處理這些課題，我甚至在文章中感受不到他這兩個領域的研究熱情。我猜他可能覺得這兩個領域中最重要問題已經解決了，雖然還是有不少有趣和重要的問題，但他的研究興趣已經轉到其他方面，如大氣化學、碳循環以及二氧化碳造成的全球暖化、地球系統科學等。