1.2.1流体力学背景
流体力学背景
十七世纪三项并行的发展为流体力学的成长铺平了道路。它们是：（1）流体是一种可对固体运动产生阻力的气体或液体的连续性物质的概念；（2）质 量、动量和机械能守恒的运动诸定律的形成，它们不仅适用于固体而且还可用于流体的弹性作用（即声音传播）；（３）微积分的发展。这些科学发展在牛顿 （１６９９）和莱布尼兹（１６９３）的著作中达到了顶峰。他们的工作继承了前人——特别是伽利略、笛卡尔和开普勒的重要实验成果和思想成果，以及年代更早 的阿基米德的流体静力学工作。
“经典”流体力学的发展是在十九世纪中叶完成的，与热力学原理几乎同时确定。在流体力学发展中一些杰出的学者是Ｄ．伯努里（1738）、达朗伯 （１７５２）、欧拉（1755）、拉格朗目（1781－1789）、纳维（１８８２）、斯托克斯（１８４５）以及赫姆霍兹（１８５８，１８６８）。在十九 世纪快要结束时人们开始重视真实流体的湍流不稳定属性（如布辛尼斯克、凯尔文、雷利、普朗特、泰勒、施密特、海森堡、柯莫格罗夫以及其他许多学者）和热对 流特征。重大的非经典流体力学向气象学的发展则是皮叶克涅斯对他的环流定理的系统阐述（１８９８），这第一次展示了在大气和海洋中十分重要的密度变化的动 力学效应。
1.2.2大尺度大气运动
信风成为第一个得到合理解释的大气运动特征是不奇怪的。它是人们所认识到的与全球日射分布具有同样尺度的第一个有规律的大气运动现象。最早作出 尝试性解释的是哈利（１６８６太地把这一现象归因子太阳绕地球的西行视运动。他只限干在认识到对流作用这一点上是正确的。真正提出地球自转效应的是哈德莱 （１７３５）还有独立进行研究的道尔顿（１８４３），他们推测被对流驱使沿经向向赤道运动的空气应向西偏转。但是他们没有认识到在自转的地球上向任何方向 运动的空气都会发生偏转。这一事实首先是由科里奥利（１８３５）和泊松（１８３９）归纳成数学形式而由特雷西（1843）正确地用于气象学以解释风暴的旋 转特性。达夫（１８３７）在哈德莱理论上又加上这样观点，即所观测到的中纬度的非规律性运动是由于极地气
流与赤道气流的交锋。这一含糊的（虽然部分是正确的）观点一直没有得到实质性的阐明而被保留到十九世纪末。与此同时，莫里（１８５５）根据他对半球海洋上风的测值纪录提出一个新的经向环流模式。按照他的说法，这个模式还能够说明中纬度盛行西风带的形成原
因。这一模式的缺陷促使费雷尔（１８５６）提出一个从力学角度讲比较圆满的模式，在其中包括了一个使他成名的中间环流圈。Ｊ·汤姆森 （１８５７）也独立地提出了一个类似的模式。不满足于仅仅提出描述性的物理观点，费雷尔第一次列出大气运动方程组并以恰当的近似植获得了一个符合于他的模 式特征的解（１８５９－１８６１）。这标志着现代动力气象学的开端。一个附带的结果是地转公式，它把白贝罗风压场关系经验法则置于数学基础之上。费雷尔理 论的进一步精细化则是由别人，特别是戈德堡、莫恩（１８７６一１８８３）和奥伯拜克（１８８８）所完成的。然而最有意义的新观点是由赫姆霍兹（１８８８） 提出的。他认识到了摩擦的重要性，他作为普通流体力学不连续理论（１８６８）的创始人，把这一理论用于波状云并且还提出极锋的波状涡旋扰动观点。这后一观 点为赫尔曼斯发展（１８９４），提出了探讨大气中气旋和“主”气流的正确关系的最新思路。
在十九世纪大部分时间内，气象学者都在争论‘局地’风暴成因的解释（关于其旋转性质和移动性质及其对大气的重要性在此世纪初已确定下来），主要 是把它看成与反气旋区或与大气环流没有什么关系的一种独立现象。争论的焦点（直到该世纪晚期才清楚地认识到。如冯·贝索尔德，１８９３）是关于风暴运动的 能量来源。而在这个问题上的混乱是可以理解的，因为缺少象人们很容易遇到的信风尺度那种明显的热强迫机制。埃斯皮、卢米斯、费雷尔以及戈德堡和莫恩等研究 者认为风暴主要是因对流潜热释放所驱动。这一观点似乎可由对风暴热力结构的观测所证实。然而，以汉恩（１８９１）为首的研究者却根据欧洲山区的观测资料得 到了相冲突的证据。这使他们提出主气流的某种形式的动力不稳定是能量的来源。这一问题的解决已成为这世纪主要成就。
１９０３年马古勒斯说明了风暴怎样通过高地对流翻腾获得它们的能量，而在１９０６年。他导出了锋面不连续的平衡条件。后来（挪威）卑尔根小组和柯茨钦（ １９３５）解释了气旋怎样才能由于锋面波动不稳定而生成；此过程既包括为达到平衡所需要的来自切变运动的动能输送，也包括由上下翻腾机制造成的 势能的转换。与此同时，他们解释了所观测到的不同地方的风暴的热力特征上的差异是如何形成的，它是由风暴移动并从对流阶段演化到非对流阶段时的波动结构变 化而引起的。（在稳定性研究中一个必不可少的附加成果是从皮叶克涅斯为大气运动的分析引进了扰动方程。）其后一个重要贡献是杰弗里（１９３３）对气旋和反 气旋在大气动量收支方面的重要意义的讨论。高空波比有关的低空气旋是更为重要的能量储所的发现，以及其后在二次世界大战前的罗斯贝（根据赫姆罗兹淄区定 理）和大战后的查尼、伊迪、弗焦夫特、伊莱亚森、斯塔尔、郭晓岚、洛伦茨和菲利普析这些学者对高空波的理论分析，最终导致了确定大气中大尺度运动的相当完 整的概述，而以菲利普斯（１９５６）成功地为大气环流主要特征得出数值解而达到顶峰。在此概述中，波动和涡旋是作为消除太阳能所引起的主要热力不平衡的基 本方式而出现的。作为地球自转的附带产物，这些波动倾向于输送动量以维持纬向气流。
这方面的最新的理论进展很大程度上是由于泰勒、富尔茨和海德这些学者对转动的并受热力驱动的流体的实验工作。这一研究的实验方向最初是由威汀（1857-1884）在有关大气环流问题中所采取的。
对大尺度运动认识的进展在许多动力气象学论著中有所记载。现在人们正积极地从事关于宏观气候及其变化（包括地表非均匀性的全部效应）的总体理论的研究。
