大气科学家证实拉普拉斯在200年前的理论预言

众所周知,大气活动本质上是非线性的,即使采用当今最复杂的气象算法也无法给出长时间或大范围的预测结果。但是复杂性并不意味着没有简单的规律。法国科学家Pierre-Simon Laplace,也就是著名的拉普拉斯在1700年代后期——尽管那时候还不存在全球气象图——发展了一种理论,预言和大陆面积相似的的压力波会周期性地席卷全球。

科罗拉多州立大学的大气科学家戴维·兰德尔(David Randall)表示:“直到20世纪,单纯用笔和纸分析大气活动,还是该死的妄想,但拉普拉斯却做到了。令人震惊。”

经过长达数世纪的探索,精美的新气象数据集揭示了数百万个晴雨表读数所遗漏的信息:围绕地球运行的大气流,镶嵌在高低压区的拼图里。

普林斯顿大学地球物理学家莱昂·唐纳(Leo Donner)说:“这是一件非常美丽的作品。”

类似于月亮引发潮汐,拉普拉斯(Laplace)想知道月球引力在多大程度上扯动地球周围的空气,使之压缩。他着手分析可能由此产生的波型。他将大气层想象成是光滑球体上的稀薄流体,并且得出结论,重力应该将一类波固定在地面上,在地面上它们将或多或少地向水平方向移动——二维波动会紧紧围绕着地球的表面。

“他确实是第一个想出这幅画面的人,”夏威夷大学马诺阿大学名誉教授,新研究的合著者凯文·汉密尔顿说,“真是一个了不起的见解。”

拉普拉斯(Laplace)并没有为大气压力波命名,也没有详细描述它们的行为,但是现代大气科学家现在将其称之为“简正模式”。这一模式在最简单情况下的体现是,当一侧半球的气压高时,则另一半球的气压就会降低。更复杂的能量模式会创建一块块较小的高压和低压小方格区。它们以超过大多数客机(主要是向东和向西)的速度在全球范围内运动。

当然,伟大的拉普拉斯也难以永远正确:他认为压力波的主要驱动力是月球的引力,但实际上,地球自身的活动——暴风雨,贡献更大。风猛烈地冲入山脉。湍流进一步搅碎云层。这些集体性的狂暴现象产生的部分能量激发了简正模式,大气层被弹奏出的唯一乐章。兰德尔说:“就像小猫在钢琴的琴键上行走一样。随机发声可以告诉您钢琴中有哪些弦。”

拉普拉斯将这一思想深深地印入了现代科学家的脑海,他的数学原理为物理学家们提供了计算大气调谐的工具。但是有人能听懂它的音符吗?

在拉普拉斯提出模型的同一时间,包括亚历山大·冯·洪堡(Alexander von Humboldt)在内的探险家和博物学家注意到,热带地区的压力每12小时上升和下降一次。每天的周期性变化,使人怀疑与太阳的热量有关,但是当时的科学家无法解释为什么影响如此显著。

这个谜团困扰了科学家近一个世纪,直到开尔文勋爵在1882年猜测太阳的加热周期与拉普拉斯的“自由振荡”产生了共振。他认为,太阳可以释放很高的能量,因为它产生的振动恰好是拉普拉斯振荡频率之一,就像歌剧演唱者可以用正确的音高震碎酒杯一样。可惜,开尔文勋爵的主张被证明是错误的——1960年代的研究人员认为,更复杂的现象会加剧太阳辐射的影响——但它促使科学家们得出拉普拉斯理论的定量细节,并准确计算出大气简正模式应具有的频率。

符合拉普拉斯模型的最低音要等到1980年代才进入科学家的视野。最先来自日本气象学家Taroh Matsuno的分析,然后是汉密尔顿和罗纳尔多·加西亚(Rolando Garcia)的另一项分析,后者现在就职于美国国家大气研究中心。汉密尔顿和加西亚偶然找到了理想的数据集:印度尼西亚殖民地的一家气象站在整个世纪的上半叶每小时都会进行一次压力测量,在79年中仅错过了两次读数。

该记录经过了漫长的细化,研究人员依靠显微镜记录了汞迁移的精确度,精确到百分之一英寸。通过分析此数据集和其他数据集,哈密尔顿和加西亚能够找出一类简正模式最长波的线索。

但短波似乎就无能为力,直到去年欧洲中期天气预报中心发布了被称为ERA5的数据集。它融合了来自数千个地面站,气象气球和卫星的读数,并使用气象模型智能地填补了空白。

日本京都大学的助理教授坂崎隆俊(Takatoshi Sakazaki)在ERA5推出时并未关注拉普拉斯大气波的领域。他最初专注于温度变化,且他将压力峰值视为不受欢迎的噪音。但是当他意识到它们可能是简正模式时,他立刻将它们套入模型,瞧:“我发现它们几乎完全匹配,”他说。

坂崎不确定自己的发现有多重要,因此他与曾担任博士后研究顾问的汉密尔顿(Hamilton)接触。

汉密尔顿(Hamilton)花了数十年的时间渴望获得的证据,就这样毫无征兆地出现在了他的邮箱中。

坂崎和汉密尔顿共同构建大气压力波的完整三维结构,并进行了详尽的分析。他们在7月的《大气科学期刊》上发表了他们的结果。

当一些高能波在行星周围伸展时,它们从高压循环到低压循环十二次。地球自转会产生额外的波。他们所有的结果都与基于Laplace方程的预测精确匹配。

原文:https://www.quantamagazine.org/weather-data-reveals-long-predicted-pressure-waves-20200813/

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