郭曉嵐

郭曉嵐（Hsiao-Lan Kuo，1912年－2006年），美籍華人，世界著名氣象學家，大氣動力學的一代宗師。是地球物理學、大氣及海洋動力學的權威，其率先研發的數學工具可以描述大氣的複合環流型 (complex circulation patterns) 和颶風的威力，因其學術上的卓越成就而深受同僚及學生們的敬重，曾發表120餘篇論文。1970年更榮獲美國氣象協會(American Meteorological Society，簡稱AMS) 最高榮譽獎之Carl-Gustaf Rossby 研究獎章，並獲選為AMS院士，1988年獲選為台灣中央研究院數理科學組院士。

華裔美籍氣象學家。1915年1月7日生於中國河北滿城。1937年畢業於清華大學。1942年畢業於浙江大學史地研究所獲碩士學位。1945年赴美。1948年獲美國芝加哥學博士學位，1962年以後任該校教授。他在博士論文《正壓大氣二維無輻散流的動力不穩定性》中給出的“正壓不穩定性判據”（見大氣動力不穩定性）為國際上普遍接受。1965年提出積雲對流參數化方案，1974年對它進行了修正。這個方案被廣泛的應用，並在以後的數值天氣預報和動力氣象學文獻中，統稱為“郭氏參數化方案”。

此外，郭曉嵐對大氣環流、斜壓動力不穩定性、熱帶氣旋的生成、大氣和地表的相互作用、大氣輻射等大氣動力學問題進行多方面的研究，由於他在大氣動力學基礎研究中的成就，1970年獲美國氣象學會羅斯比研究獎章。他的主要論文還有：《斜壓緯圈氣流中的三維擾動》（1952）、《大氣中的強迫經圈環流和自由經圈環流》(1956)《對流性渦旋和其眼生成的動力學》(1959)、《環型對流和非線性熱傳遞方程的解》(1961)和《一個準一維的考慮對流凝結加熱和混合作用的積雲模式的參數化》(1980)。

1912年1月27日，出生於中國河北滿城縣張辛庄村。因家境貧寒，中等教育完成後便回家務農。1929年夏，以優異成績考入保定第二師範學院。

1932年，考入清華大學數學系。1933年，轉入清華大學地球物理系。1937年，畢業於清華大學，獲得理學士學位。后就讀國立浙江大學，師從中國氣象學宗師竺可楨，於1942年獲得理碩士學位。1945年赴美國留學，就讀於芝加哥大學，師從芝加哥大學氣象學派創始人，國際氣象學泰斗羅斯比教授（Carl-Gustaf Rossby）。1948年獲得芝加哥大學地球物理哲學博士。

后徠在麻省理工學院颶風研究中心擔任高級研究員，並最終升任中心主任。1962年，回芝加哥大學任教，擔任地球物理學教授。

1970年獲美國氣象最高榮譽獎－羅斯貝獎。他學識淵博，成績卓著，在氣象界諸多領域做出了創造性的成績。曾4次(1973、1979、1986、1992年)應中國科學院邀請回國講學或參加學術性會議。1979年，郭曉嵐的《大氣動力學》(江蘇科學技術出版社出版)一書供氣象、海洋研究人員、高校有關教師學習參考，他還兼任“中央研究院”院長。2006年5月6日郭曉嵐院士在芝加哥逝世，享壽91。

1970年，獲美國、國際氣象學界最高榮譽獎—羅斯比獎章。

學術成就

一、大氣動力學

郭曉嵐對大氣動力學方面的貢獻，包括大氣不穩定理論，大氣環流形成和大尺度熱力環流理論，中尺度對流動力學和渦旋動力學理論，低緯和熱帶動力學理論以及地氣相互作用動力學理論等。

1、大氣不穩定理論

郭曉嵐有關大氣不穩定理論的論文有很多。他研究了“正壓大氣中兩維無輻散流的動力不穩定”，指出當強西風氣流隨緯度變化時，沿強西風運動且相速度在西風最大和最小速度之間的普通波長的波動和氣旋波可能會發生不穩定。當波動為不穩定時，在最小絕對渦度點以南的槽線由東南向西北傾斜，在最大渦度點以北的槽線由西南向東北傾斜。在“熱帶大尺度擾動的不穩定理論”研究中，郭曉嵐解釋了熱帶對流層和低層平流層中探測到的幾種大尺度波動的存在原因。即波狀擾動處於熱帶大氣中條件性不穩定的輻合場中，並有源源不斷的地面蒸發提供水汽，從而變得不穩定之故。郭曉嵐還研究了熱帶地區既有水平切變又有垂直切變的切變帶和急流型平均流的不穩定。結果表明，不穩定的主要來源是水平切變，平均垂直切變和穩定的層結無論在高層還是低層都限制擾動的發展。在距離赤道6°—10°的地帶，急流型廓線最不穩定，擾動的最大強度發生在平均流絕對渦度較小的急流一側，從而決定了ITCZ的平均位置。在“大氣中線性和急流型廓線的斜壓不穩定”一文中，研究了冬季45°N和60°N間盛行的雙急流和單急流廓線的斜壓不穩定。發現這些廓線對所有對流層波動都不穩定。雙急流廓線的不穩定特徵幾乎完全取決於對流層高層的切變。至於在60°N平流層的單急流廓線，只有在急流最大速度超過40 m/ s時才是充分不穩定的。這種高層的不穩定超長擾動會使溫度發生大的變化，因此，很可能是平流層晚冬突發性增暖的原因。郭曉嵐對U分量隨高度線性變化或有不同切變，低層V分量有急流形式的大氣中的不穩定現象進行研究后指出，U分量不穩定時激發出的中尺度擾動在x方向的波長很大，有對稱性，在y方向波長很小。低層V分量不穩定性激發的波動有兩個分隔的最不穩定擾動。

除了大氣不穩定，郭曉嵐還討論了赤道地區海氣耦合系統中緩慢波動的不穩定性質。結果表明，在海洋和大氣中快速運動的重力波和混合Rossby重力波都幾乎不受海氣耦合作用的影響，只有慢速運動的Rossby波受影響很大，東西向的SST平流使所有海洋Rossby波不穩定，而南北向的平流使大氣和海洋中的Rossby波均不穩定。指出，在海氣相互作用中，涌升流和平流是十分重要的。

2、大氣環流形成和大尺度熱力環流

憑藉深厚的數學功底，郭曉嵐先生在此領域的理論研究中作出了傑出的貢獻，接連發表了多篇高水平論文，深入研究了東西風帶，大尺度槽脊系統和平均經圈環流等的形成原因及其與渦度和動量的渦動輸送，摩擦耗散，垂直風切變和溫度層結等影響因子的關係。他在研究大氣中的渦旋運動時發現，在北半球，渦旋周圍流體中的渦度分佈會產生一個水平的力施加於渦旋，使氣旋性渦旋向絕對渦度較高的地區運動，反氣旋向絕對渦度較低的地區運動。因此，氣旋向北移動，反氣旋向南移動。但是，水平力在某些地區會在相反方向上起作用，在對流層高層形成切斷的低壓和高壓。他還發現輻散的影響比起上述提到的渦度分佈作用力的效應要小。這些效應與總角動量守恆原理，解釋了為何大氣中存在西風帶和東風帶。他還從大氣擾動對渦度輸送的觀點，討論了大氣帶狀流發展和維持的機制。由於擾動本身有渦度集中區，不能在一個不均勻的絕對渦度場中處於平衡態，它們會被其它緯度來的氣團所擠走。造成反絕對渦度梯度的渦度輸送，在擾動活躍的地區內渦度的經向梯度增加，其外減小，使相應地區分別產生西風氣流和東風氣流。並估算出強帶狀流建立所需的時間約需3周，與觀測結果相符。通過對斜壓緯向流中擾動的振幅和位相角的穩定性特徵和垂直變化的研究，他發現，忽略摩擦作用時，大氣中擾動的波長有一個臨界值，比其短的波動都不穩定，並且存在最不穩定波長，兩者都取決於垂直風切變和靜力穩定度因子。因此，很長的波動主要存在於高層，很短的波動僅限於大氣低層，且振幅隨高度很快衰減。為了解釋大氣中平均經圈環流的產生原因，郭曉嵐研究了總非絕熱加熱和熱量渦動輸送的經向變化和總摩擦耗散和動量渦動輸送的垂直變化。發現當平均溫度的經向對比大於某個臨界值時，強迫運動轉變為更加劇烈的自由對流。在相對靜止的大氣中，平均非絕熱加熱只能產生很弱的單圈直接環流，最大經向速度只有每秒幾個厘米。相反，緯向動量的渦動輸送和摩擦耗散能在對流層中產生三圈環流。從理論上提出了Hadley環流形成的一種機制。在大尺度熱對流的研究方面，他用簡單方法找到了用Richardson數表示的熱對流判據，其中包括了旋轉，靜力穩定度，粘性，導熱率，徑向溫度對比以及平均緯向流的相對渦度等的聯合作用。檢驗了各種物理因子對旋轉流體中加熱不均勻造成的運動的影響。發現，旋轉和靜力穩定度增加了阻力，會抑止對流運動。加熱不均勻產生的有效位能通過經向和緯向的垂直運動轉換成動能。指出，在研究大尺度運動時，應當包含較不穩定的快速發展的小尺度運動，即包含非線性擴散的作用。

3、中尺度對流動力學和渦旋動力學

郭曉嵐研究了大氣對流和龍捲形成的機制，他從簡化的但足夠精確的方程組，解出兩個相似解，分別為雙泡和單泡。當給定合適的物理參數值時，得到了與龍捲中觀測到的氣流分佈有很好相似性的雙泡型解。在研究有摩擦的切變流中渦旋和旋轉圓柱的運動時發現，摩擦和由施加在圓柱或渦旋上的壓力造成的旋轉力的聯合作用，可使圓柱或渦旋在與平均流呈一定角度的平均方向上移動。他利用一個邊界層模式，研究了邊界層中的非對稱流，為積雲對流參數化的合理性提供了依據。為了研究地面日變化加熱作用造成的低層大氣中對流的發展過程，郭曉嵐提出了一個非線性數值模式。結果表明，在通常存在的高層穩定層結和相對強的對流活動作用下，總會形成三個相互隔離的垂直層次，即超絕熱地面薄層，混合層和薄逆溫層。與觀測資料比較后發現，模擬結果與實測資料相符很好。

4、低緯和熱帶動力學

郭曉嵐提出了熱帶ITCZ形成的非線性理論。他指出，熱帶大氣中條件性不穩定和對流性活躍的大尺度緯向對稱擾動的自激發行為是熱帶ITCZ形成的原因，這些擾動的本質可用非線性的准地轉模式來描述。由此理論給出的風系的垂直和水平廓線與現有的觀測廓線相象。論文還給出了產生這種廓線所要求的垂直擴散係數和輻射冷卻率。在赤道行星邊界層和球面穩定大氣中的行星邊界層流的研究中。郭曉嵐指出，當邊界層方程中包括了溫度和氣壓的擾動，並且總體Richardson數為1或更大時，穩定的大氣層結會抑止穩定的Ekman流型。但若氣流是振蕩的，即使是低頻的振蕩，則在中高緯度，穩定層結對氣流的抑止作用也會被大大減弱。而在低緯度，邊界層流衰退。在地面存在溫度異常時，溫度層結也可激發出熱力驅動的邊界層流。邊界層流的最大垂直速度剛好位於地面邊界層以上，在10°附近具有最大值，在赤道具有最小值。可以解釋為何ITCZ常常發生在10°附近，而赤道上對流活動很少。

5、地氣相互作用和陸面過程動力學

郭曉嵐很早就注意到地表面附近顯著的氣象場日變化現象。他利用一個修正的熱傳導模式，通過方程求解，研究了以日變化熱量波動形式表現出來的大氣和下墊面之間的熱力相互作用。結果表明，即使平均的垂直溫度遞減率是穩定的，向上的平均熱量輸送也可由輸送過程的日變化維持。他的研究不但解決了一個長期困擾學術界的問題，即在平均位溫分佈下，為何仍有湍流熱量的垂直輸送，並且為日變化在地表面向大氣的通量輸送中的作用提供了理論根據，成為數值模式中必須考慮日變化的理由。同時指出，當熱擴散率K的垂直梯度很大時，在地氣邊界上可維持很陡的溫度梯度。地面長波輻射的效應有助於溫度極值的前移。大氣最低的幾百米內的溫度波受到太陽輻射吸收和熱擴散率K與其相互作用的影響。將模式結果與O'Neill夏季和冬季進行的觀測試驗做了比較，相符甚好。

二、模式物理過程

1、積雲對流參數化

郭曉嵐對數值模式中物理過程參數化的最大貢獻，莫過於積雲對流的參數化。他的積雲對流參數化方案曾被廣泛地用於各種尺度的大氣數值模式，尤其是在中期天氣預報和大氣環流模式中，被稱為Kuo方案。有不少學者，根據Kuo方案的原理設計出不少修正的Kuo方案。至今，Kuo方案仍在一些數值模式中使用。

郭曉嵐最初提出積雲對流參數化方案是在1962年美國氣象學會的年會上，1965年，他以“積雲對流潛熱釋放造成的熱帶氣旋的形成和加強”為題，正式發表了有關積雲對流參數化方案的論文。這篇論文研究了條件性不穩定大氣中深對流潛熱釋放對大尺度運動的影響。在此方案中，積雲的存在要求有3個條件，即地面有摩擦引起的輻合上升運動，整個氣柱有凈水汽輻合和對流性層結不穩定。積雲內部的溫度和水汽的垂直分佈根據雲底的溫度和比濕，用相當位溫守恆原理求得。積雲面積根據氣柱凈輻合的水汽量和雲生成所需的總水汽量之比求得，積雲的凝結降水量根據積雲面積和雲內外溫度差確定。氣柱的各層溫度和濕度的變化，由雲內值和環境值加權平均得到。此參數化方法由他本人首先成功地用於颶風形成問題的研究。進而，郭曉嵐於1974年發表了“積雲對流對大尺度氣流影響的進一步研究”。該文是對他1965年積雲對流參數化方案的補充和發展。新方案中給出了更為嚴格的數學推導。將氣柱的凈水汽輻合量分為兩部分，一部分用於濕潤環境大氣，使其達到積雲內的濕度而成雲，另一部分用於產生積雲降水，使雲體內的原環境溫度升至雲溫。潛熱釋放量及其垂直分配以及積雲輸送的感熱，均惟一地由雲內和環境大氣的溫差以及大尺度氣流的水汽輻合所確定。下沉氣流中的壓縮增熱自動地包含在公式中。計算結果與實況相符甚好。這篇論文認為，環境大氣的增熱是由積雲外的環境下沉氣流自動完成的。從此，該方案被稱為1974年的Kuo方案。1980年，他利用一個準一維，非對稱，准拉格朗日和准穩態的模式，研究了積雲對流特性。結果發現，對半徑大於1000m的雲，雲外下沉干空氣的壓縮加熱使雲內空氣變暖並稍稍減小了上升氣流的速率，下沉濕空氣冷卻雲內空氣並且也減小上升運動。最有意義的是，在較小不穩定的中緯度環境下，模擬的降水率從半徑<1000m雲的2000m雲的5.4cm/h，反映了對流層中部穩定層結對較小積雲穿透能力的抑止作用。當雲的半徑達到8km時，上升速度達到最大。同時發現，積雲對流的主要加熱是在潛熱釋放區，但環境空氣的壓縮加熱也重要，尤其是在雲頂附近。可見，這篇論文是用“有雲”模式的模擬結果來證明1965年“瞬時積雲模型”參數化方案的合理性，強調了積雲體大小和垂直伸展範圍對積雲降水影響的重要性。

大氣中太陽短波輻射和長波輻射的計算方法

在太陽短波輻射的計算中，郭曉嵐提出了將經驗公式和分譜段計算相結合的方法。首先將太陽光譜分為三部分，即波長λ<0.3μ的紫外波段，波長λ在0.3μ—0.7μ之間的可見光波段和λ≥0.7μ的紅外波段。紫外波段的吸收物質主要是臭氧和氧氣分子，在高層大氣中幾乎被完全吸收。可見光波段只受大氣散射，基本沒有吸收。紅外波段主要受大氣中水汽和二氧化碳的吸收影響，散射可以不計。因此在3個波段中可以找到它們各自的輻射計算公式，並被證明有較高精度和計算省時。同樣的分波段計算輻射通量的思想，也用來計算長波輻射。根據輻射傳輸理論，可以得到大氣任何高度層上向上和向下長波輻射通量應滿足的方程。給出上下邊界條件，可以得到它們分別與該高度層以下和以上輻射通量的遞推表達式，計算十分省時。計算通量所需的平均面透射率τ，用分譜段合成，有很高的精度。根據光譜資料，水汽分為12個基本波段，CO2分為2個基本波段。

郭曉嵐輻射參數化方法的最大優點是將複雜的波譜分段后，得到解析的通量密度計算公式，因而計算簡單，速度快。同時不失計算精度。

1979年9月，作者之一作為訪問學者到達芝加哥大學，在郭曉嵐指導下進行研究工作，將p-σ混合坐標系的二層初始方程數值模式改進為五層模式。在新模式中，引進了水汽方程及與水汽有關的物理過程，如大尺度水汽凝結和Kuo1974對流參數化方案，還進行了改進，將積雲生命史劃分為兩個階段，即成雲和降雨階段，在不同階段，降水量與總水汽輻合量的比值用不同方法計算。郭曉嵐的輻射參數化方案被全部引入新模式，在短波部分，包含了太陽輻射的季節變化和日變化，而在當時的其它大氣環流數值模式中是沒有日變化的。短波輻射日變化的加入，會大大破壞模式的計算穩定性，為此，又設計了干對流調整和垂直擴散係數隨大氣穩定度變化等方案，使模式能穩定積分較長時間，並得到合理的模擬結果。新模式中還加入了海洋混合層模式。因此，是一個包含地氣相互作用和簡單海氣相互作用的初始方程數值模式，能模擬大地形的動力和熱力作用以及地面和海面熱力異常所產生的天氣氣候效應。

新模式首先被用於模擬青藏高原和落基山等大地形對氣象場日變化的影響以及日變化對降水量和降水分佈的影響。模擬結果顯示，氣象場明顯的日變化主要源於青藏高原地形對太陽輻射區域分佈的特殊影響。這種影響形成了地方時18時，在90°E整個高原及其周邊地區除了高原東邊緣的狹長區域外，從地面直到100hPa的上升運動區。在地方時6時，在上述地區從地面直到300hPa形成下沉運動區。300hPa以上仍為上升區。日夜平均為上升運動區。模擬的降水率與觀測也相當一致，且在熱帶地區，對流降水量佔3/4。與觀測相符很好。利用新模式，研究了7月平均季風環流的發展過程。做了8個敏感性數值模擬試驗。分別設定太陽輻射有日變化和無日變化，有地形和無地形，氣象場初值緯向均勻和非緯向均勻以及無輻射加熱和無對流加熱等條件。結果發現，非絕熱加熱和氣象場的區域分佈受海陸分佈和地形的影響明顯，但與大氣的初始狀態幾乎無關。位於阿拉伯半島和東北非以及中南半島和印度半島沿岸的兩個海平面低壓槽以及索馬利亞低空急流，即使沒有地形，也不管使用何種初始場，在所有包含非絕熱輻射加熱和積雲對流加熱的試驗中都能模擬出來。相反，如果去除這兩種加熱，這些系統就模擬不出來。太陽輻射加熱日變化的引入加快了低層氣壓系統的發展速度，其原因是積雲對流的發展主要在日間。輻射加熱，地形和初始條件對降水量及其區域分佈都有至關重要的影響，沒有地形，最大降水出現在東亞沿岸區，而非孟加拉灣一帶，且大陸和海洋上的降水量都大大減小。可見，日變化在季風環流的發展中起著“加速”作用，地形對輻射和對流加熱，從而對降水場起著“分配”作用，而大氣的初始態對東亞季風環流型的形成沒有本質的影響。

郭曉嵐逝世后，美國芝加哥大學新聞辦公室發布長篇文告，給予極高評價。文告指出，郭先生從二戰時期的中國，飄洋過海來到美國，以很少的獎學金在芝加哥大學攻讀學位。但是，僅僅幾年的時間，他就在學術界嶄露頭角，且一直保持重要影響。他的研究成果是動力氣象學許多分支中的重要理論基礎之一。

他雖然出身貧寒，但從小就胸懷大志，對數學，中國古典文學和中國歷史倍感興趣。他對科學的興趣和孜孜不倦的學風，使他很快成為有影響的青年學者和當時芝加哥學派的重要成員。他對學業的態度和對事業的追求，是年輕學子們學習的楷模。

郭曉嵐先生的聰明才智和他的敬業精神，使他成為大氣動力學中諸多理論研究的開創者，正如芝加哥大學新聞辦公室文告中所說，他在理論研究中的傑出成就為氣象學的很多分支領域奠定了數學和物理的理論基礎，因此影響著相關學科和領域的發展。除了大氣動力學理論研究，他還研製了模式物理過程參數化方案，其中的積雲對流參數化方法不僅具有理論意義，更具有實際應用價值。關於青藏高原等大地形的動力和熱力作用，尤其是太陽輻射日變化對天氣氣候影響的數值模擬研究，是具有首創性的。1985年退休后，郭先生仍致力於氣象科學研究，在ENSO長期振蕩，地轉適應過程和Walker2Hadley環流與ITCZ的形成機制等方面作出了新的理論貢獻。

郭曉嵐先生不僅是一位國際著名的學者，也是一位愛國者。他對中國氣象事業的發展十分關注，生前曾4次訪問中國，並為中國培養了氣象人才。郭曉嵐先生的逝世，是國際氣象界的重大損失，也使大家失去了一位循循善誘的導師。他是後輩學習的楷模。