地球科学奖

  叶笃正  大气物理学家。1916 年2月21日出生,安徽安庆人。1940 年清华大学毕业。1943 年获浙江大学硕士学位。 1948 年获美国芝加哥大学博士学位。1980 年当选为中国科学院院士(学部委员)。芬兰科学院外籍院士。现任中国科学院特邀顾问、大气物理研究所名誉所长、研究员。曾任中国科学院副院长、大气物理研究所所长等。

  叶笃正是中国近代大气科学的开创者之一,国际上杰出的气象学家之一。他在国际上首先提出了大气长波的频散理论和准地转适应理论中的适应临界空间尺度,是经典大气动力学中最重要理论之一;他系统而创造性地研究东亚大气环流变化,在国际上首先发现大气环流季节转换的突变性;他在国际上开创了青藏高原气象学及其高原气候效应的研究,在国际上首先指出高原对大气环流的热力作用。他的上述研究成果曾获国家自然科学奖一、二、三等奖及中国科学院科技成果奖多次。他为国际大气科学、全球变化研究的发展和开辟现代中国气象学的研究作出了重要贡献。

  一、对大气动力学的重要贡献
 
  叶笃正在大气动力学方面作了大量的深入研究,发表了多篇论文。1949年首次把群速概念引入大气环流研究,证明西风带环流能量可以远异于风速或波速向下游(或上游)频散,从而证明在某处发生强大扰动之后,在其下游一定距离处也将发生扰动。这一理论对于天气有重要影响的长波的发生发展预报提供了重要理论基础,被广泛用于实际天气预报。对于中国天气有重要影响、阻塞高压时有逆着气流方向后退的现象,能量频散理论对此也可以解释,因为对超长波 ( 阻塞高压属此),能量可以逆风向上游频散。此文已成为动力气象经典著作之一,经常被国内外学者引用。
 
  50年代和60年代,他发展了大气运动适应理论。在旋转的地球上大型环流(数千公里的尺度)的风场的科氏力和气压场梯度力经常是准平衡的,由此而来的风速称为地转风,它是天气学和动力学一个最基本规律。当地转风破坏时,则将有重要环流演变,随之迅速建立新的准地转关系。40年前,人们认为气压场先有变化,风场去适应气压场,而再生准地转关系。40 年代气象大师 Rossby 等从理论上证明,是风场引导着气压场去适应风场变化。1957 年叶笃正证明了对尺度空间大的大型运动,仍以气压场为主导;对尺度空间较小的大型运动,则以风场为主导。这就对大型准地转运动提出了尺度概念。后来曾庆存证明这个空间尺度是以 Rossby 变形半径为度量的。这对研究和预报大型运动应首先抓什么有重要关系。60 年代初,他又同李麦村得出不仅大型运动中气压场和风场间有准平衡关系,对中小尺度(数十公里到数百公里)运动,风场和气压场也有一准平衡关系,是非线性的,不是地转的。数年后,国外也出现了不少这方面非线性的研究。这对研究和预报产生严重天气的中小天气系统有重要关系。70 年代后期到80 年代,他又同李麦村得出:各种空间尺度的天气系统的变化都有3个不同时间尺度阶段。当运动中力的准平衡遭到破坏,即发生急烈变化,恢复新的准平衡时间非常短( 第一时间尺度),然后在力的准平衡状态下,变化虽较缓,但这段时间较前者约长一个量级(第二时间尺度),因而系统的大发展发生在第二阶段。此后天气系统进入准常定状态,即第三个时间尺度,又比第二个长许多。他们还给出,对每一种空间尺度的系统都有一个特征空间尺度( R),当系统的尺度大(小) 于R 时气压场(风场)起主导作用。这个理论大大发展了这个领域。
 
  二、开拓了青藏高原气象学
 
  青藏高原对北半球天气、气候和环境有重要作用。但50年代前人们很少研究它。叶笃正自 50年代开拓了青藏高原气象学,其成果对东亚的天气、气候以及全球环流和气候预报都有重大作用。叶笃正发现高原夏季为热源,冬季为冷源,并深入研究此热源对东亚以及北半球环流和气候的影响。他和他的学生得出在夏季从高原热源上升的气流可以向东到北美西海岸下沉,还可远到南半球下沉,这就使高原的环流和北美甚至南半球有了遥远的联系;他们还发现在夏季高原热源产生对流活动(小系统)对维持高原及其附近高空大型环流的稳定起主要作用,这是首次在国际上用实际资料得出非常小的系统对非常大的系统所起的非线性作用,等等。从此,国际上都接受高原热力作用这个概念,而此前仅认为高原作为对气流的屏障,只有动力作用。在高原动力作用方面,他首先发现高原南侧的强大西风急流,并指出对中国天气有重大影响。还指出这个南支急流与高原北支急流汇合成为北半球最强大的西风急流,对北半球大气环流有非常重大影响。他的工作引出不少对这两支气流的研究。80年代后期他和他的学生还对比了高原和北美洛基山作用,指出了它们之间的重要不同。他和他的学生还开展了用转盘实验模拟高原热力作用和动力作用对大气环流的影响,他的研究显示了高原对全球大气环流和气候影响的重要地位。
 
  三、极受推崇的大气环流研究
 
  50年代前,人们对东亚大气环流状态基本是不清楚的。50年代及60年代,他和陶诗言等基本上弄清了东亚冬季和夏季大气环流基本状态、结构和动力、热力性质,对东亚天气预报起了指导性作用。50年代初,他和陶诗言等还发现东亚和北美由冬季到夏季环流或反之都不是逐渐演变的,而是在过渡季节(春、秋)有急骤的突然变化。这个环流突变引出了重要理论问题。不仅如此,它对中国夏季天气预报有重大影响,因为初夏的突变带来了江南的梅雨,第二次变化带来了北方的雨季。这个突变概念一直用于梅雨的来去和华北雨季来临的预报。此项研究引起了国内外一系列的研究。70年代后期,澳大利亚在季风研究中也发现了这个突然变化。他和他的学生还研究了青藏高原对季节突变所起的作用。70年代美国气象学者以及中国学者曾庆存等都用大气环流数值模拟得出这个突变。他和陶诗言等的工作推动了中国大气环流的研究。
 
  四、开拓了中国全球变化研究
 
  80年代中期,国际上兴起迄今为止地球科学方面最大又非常复杂的国际全球变化研究计划。从一开始他就积极参与并在其中发挥重要作用,因而被选为第一届该国际规划的科学委员会委员。他提出气候和植被过渡带是气候和环境变化最敏感地区,因而是寻找变化早期讯号的地方,已被普遍接受。他和他的学生还在历史上找到千年尺度、百年尺度和十年尺度的气候突变;他们还找出我国华北一带的气候突变与北半球其他地区突变的关系。他还首先在中国研究陆面过程对气候变化的影响。他的工作指出,一次性大范围的降水或灌溉可引起陆面过程对气候和环境影响长达2-4月之久。他领导的中国全球变化预研究提出了中国在这方面的若干关键性的课题。在他领导下,中国全球变化研究有迅速发展,受到国际上的重视。
 
叶笃正教授的主要学术论文、著作目录
 
  一、大气动力学方面
  1. On energy dispersion in the atmosphere.J.Met.,1949,6:1-16.
  2. On the formation of quasi-gesotrophic motion in the atmosphere.J.Met.Soc.Japan ,The 75th Anniversary Volume ,1957,130-134.
  3. On the mechamism of maintenance of zonal circulation. Geophysica (Finland)Volume for Celebrating 60th birth day of Prof. E.Palmen.1958.
  4. The process of generation of strong non-geostrophic motion by gravity waves.Scien-tea Sinica,1964,1123-1130.( 合作者 : 李麦村 )
  5. 中小尺度运动中风场和气压场的适应 .气象学报 ,1964,34:409-423.( 合作者 : 李麦村 )
  6. On the characteristeristics of scales of the atmospheric motions. J. Met. Soc. Of Japan ,1982,60:16-23.(with Li Maicun)
  7. 大气中的适应问题 .科学出版社 ,1965.( 合作者 : 李麦村 )
  8. 动力气象学 .科学出版社 ,1988.( 合作者 : 李崇银 , 王毕魁 )
  二、西藏高原气象
  1. The circulation of high troposphere over China in winter of 1945-1946.Tellus ,1950.173-183.
  2. 西藏高原及其附近的流场结构和对流层大气的热量平衡 .气象学报 ,1957,28:102-121.( 合作者 : 罗四维 , 朱报珍 )
  3. The preliminary annulus simulation of the influence of the heating effect of the Ti  betan  Plateau on the atmospheric general circulation over Eastern Asia in summer.Science in China ,1974,301-320.(with chang)
  4. 夏季青藏高原对流活动对平均环流维持的作用 .1975.( 合作者 : 李吉顺 , 高登义 )
  5. 东亚和太平洋地区上空的平均垂直环流(一)夏季,大气科学 .1979.
  6. 青藏高原气象学, 科学出版社 ,1979.( 合作者 : 高由禧等 )
  7. Thgermodynamic structure ,convective activities and associated large-scale circulation over the Tibetan Plateau in summer. Frontiers in Atmospheric Sciences ,Allerton Press ,Inc.,1993,1-17.
  三、大气环流
  1. The intensity of the net meridional circulation.Q.J.Roy.Met.Soc.,1950,76,182-188.(with Riehl)
  2. The north-east trade of Pacific Ocean .Q.J.Roy.Met.Soc.,1951,77:598-626.(with Riehl,Malkus Laseur)
  3. 从大气环流变化论东亚过渡季节的来临 .气象学报 ,1955,6:71- 87.( 合作者: 朱抱真 )
  4. 大气环流的若干基本问题.科学出版社 ,1958.( 合作者: 朱抱真 )
  5. The abrupt change of circulation over northern hemisphere during June and October. The Atmopsphere and Sea in Motion .The Rossby Memorial Volume. Ed. by B. Bolin,1959,249- 267.(with Tao ,li)
  6. 冬季北半球阻塞形势的研究 , 科学出版社 ,1962.( 合作者 : 陶诗言 , 朱抱真 , 陈隆勋 )
  7. Oscillations in low latitudes-the extra-low frequency oscillations in low latitudes Scientia Atmospherica Sinica,1989,13:255-264.(with Fu Congbin)
  四、全球变化
  1. The effect of soil moisture on the short-term climate and hydrology change-numerical experiment. Mon. Wea. Rev.,1984,112:474--485.(with R.Wetherad and S.Manabe)
  2. Climate Change-A global and multidisciplinary theme. Global Change-A symposium of ICSU, Ed.by T.F.Malone and J.R.Roederer--ICSU Press ,1984,101-119.(with Fu Congbin)
  3. 中国全球变化的预研究 .气象出版社 ,1992.
  4. Climatic jumps in the history, Climatic Variability ,Proc.of International Workshop on Climate Varaibility ,July 13-17,1992,Beijing ,China ,3-14,China Meteorological Press ,Beijing,1993.(With Yan Zhongwei)
  5. Global change and the future life-dependent environment in China , Scientia Atmos-pherica Sinica.1993.(with Fu Congbin)