为什么要站在全球视角围观大气运动？

气候动力学基础理论的欠缺制约着气候预测准确率的提高。

“全球大气环流三型分解”可弥补传统研究需要进行中高纬度大气环流和低纬度大气环流划分的不足。

从全球的视角更加准确地描述实际大气环流的运行情况，有助于气候动力学基础理论的发展。

全球大气环流统一描述思想的产生

地球大气处于科氏力场和重力场中，中高纬度地区的罗斯贝波、低纬度的哈德利环流和沃克环流是全球最重要的大尺度大气环流，它们的异常演变对全球天气、气候的异常变化产生重要影响。

如何定量化描述这三大环流？科学家将流体力学中二维运动的涡旋环流与辐散环流分解方法应用其中。然而，这样的描述方法导致了中高纬度大气动力学和低纬度大气动力学划分的不足，从而制约着以全球大气环流为研究对象的气候动力学理论的发展。

为了解决气候动力学基础理论的欠缺制约气候预测准确率提高的问题，中国科学院院士丑纪范在上世纪90年代提出开展全球大气环流统一描述的动力学理论研究，认为需要从全球的视角出发，去解决中高纬度大气环流和低纬度大气环流以及垂直环流和水平环流共同作用的问题，去发展针对全球大气环流的气候动力学理论。

创新性提出“全球大气环流三型分解”方法

近年来，兰州大学大气科学学院教授胡淑娟继承和发扬全球大气环流统一描述的学术思想，带领团队致力于从全球视角“解读”实际大气环流。

从气候动力学理论溯源开始，在描述中高纬度大气环流过程中引入低纬度地区垂直环流的定量化表示形式；同样的，在描述低纬度大气环流过程中引入中高纬度地区水平运动的定量化表示形式；将中高纬度地区的罗斯贝波及低纬度地区的哈德利环流和沃克环流的概念推广至全球大气环流，定量化地提出了全球三维水平型环流、经圈型环流及纬圈型环流的新定义，将全球大气环流表示成水平型、经圈型以及纬圈型环流之和的形式，发展了“全球大气环流三型分解”模型，解决了全球大气环流的统一描述问题。

胡淑娟说，气候预测领域缺乏针对全球大气环流的气候动力学理论，这是开展此项研究要解决的问题。三型环流分解理论强调从全球的视角去看待实际大气运动问题，不仅要看到不同纬度地区主导的、典型的大尺度环流运动，还应当考虑各纬度地区其他环流的重要作用，就像观察一条流动的河，不仅关注表面水平方向的流动，而且看到其内部垂直方向的暗流运动一样。

由于“全球大气环流三型分解”模型采用实际大气的三维流函数去等价表示大尺度环流的流场特征，因此，新定义的流函数不仅能从形态上直观地刻画大尺度环流系统的三维空间结构特征，还能将所研究环流系统的动力特征与热力特征分离，较好地克服了变暖气候背景下高度场表示环流系统的缺陷。

“这一点在我们近期开展的西太平洋副高的研究中得到了证实，接下来将更深入地开展相关的实际应用工作。”胡淑娟说。

构建大尺度大气环流气候动力学理论 

“建立直接预报全球大尺度环流的动力学方程组理论是我们开展该项工作的最主要目标。”胡淑娟说，但如何将新建立的环流分解模型与形式复杂的原始方程组相结合，进而得到科学合理的动力学方程组是一个更加困难的过程。

然而，国内外并没有类似的研究和理论思路可以借鉴。在这项研究中，胡淑娟和团队得到了丑纪范院士的耐心指导。“丑先生建议我们参考他早年建立的原始方程组的算子方程理论，在宏观保持大气系统强迫耗散特征不变的前提下，开展动力学方程组的构建。这番话让我茅塞顿开。”胡淑娟说。

最终，沿着“算子方程”的道路，胡淑娟团队实现了“全球大气环流三型分解”模型与行星尺度原始方程组的结合，将原始方程组中关于小尺度速度场的预报问题转化为直接预报大尺度环流流函数的问题，构建了大尺度环流动力学方程组理论。新的方程组揭示了全球大尺度环流系统的非线性作用机理，弥补了传统研究中人为划分中高纬度大气动力学和低纬度大气动力学的不足，为建立针对全球大气环流的气候动力学新理论奠定基础。

丑纪范认为，“全球大气环流三型分解”理论是一项非常重要且有意义的创新性工作，强调理论研究不要被国外牵着鼻子走，要做自己的、有中国特色的理论研究。

“全球大气环流三型分解”理论虽尚未直接服务于气候预测，但胡淑娟团队对将来的研究方向已形成清晰规划：“接下来，除了要深入地将理论与实际应用相结合外，还要开展一些大尺度环流长时间行为的动力学性质研究，进一步完善新方程组的动力学理论。希望通过发展定量化的气候动力学基础理论，为改进和提升我国月-季节时间尺度的气候预测提供理论支撑。”