北京大学物理学院大气和海洋科学系教授 陶祖钰

        上世纪80年代，在《气象学报》上发生过一场关于“湿斜压”的争论。30年后回顾这场观点鲜明的公开争论，它带给我们最重要的启示或许可归结为：一切从实际出发，而不是从概念出发。气象科学史中的重大进步，都是从解决社会需要出发而产生的。从气旋理论到长波理论，再到混沌理论，无一例外。关于湿斜压的争论即为其中一个生动的中国例证。

        湿斜压及由此发生的争论

        湿斜压是相对干斜压而言的。“斜压”，这个名词是指等温面在空间和等压面倾斜相交。等压面在空中接近水平，而等温面是倾斜的，等压面图上的等温线就是等温面和等压面相交的结果。所以斜压性就是温度的水平分布不均性，它是天气形势变化的原动力。锋区的等位温面坡度最大，是大气斜压性最突出的代表。

        “湿斜压”这个名词首见于1978年谢义炳在《气象科技》上介绍前中国气象研究所气象学家雷雨顺的能量天气分析、预报方法的文章中。谢义炳在讨论其将来的可能发展时指出，用湿绝热过程代替干绝热过程会使斜压不稳定的临界波长从3000千米缩短到1000千米上下，这就是次天气尺度系统（现在常称之为中尺度系统）发生的“湿斜压”不稳定机理。他提出，开展湿斜压大气的天气学和动力学研究将有助于降水预报。随后，在《暴雨文集1978》一书中，谢义炳系统地提出了“湿斜压大气的天气动力学问题”，分析了将水汽考虑在内之后，大气动力学中一些基本问题显现出的新特点，如湿热成风、湿斜压的能量守恒、湿力管和湿有效位能、湿斜压不稳定问题、湿位涡和湿倾向方程等问题。

        引起争论的是其中的湿热成风概念。湿热成风与大家熟知的热成风概念发生了明显的冲突，令大多数人难以接受。1983年《气象学报》刊登了一篇读者来信，提出了对湿热成风的质疑，同时也刊登了谢义炳对质疑的答复。这是在气象史上很少见到的一场公开争论。

        对湿热成风的质疑源于通常意义上的热成风。在不考虑水汽的干斜压大气中，温度水平梯度决定了等压面坡度随高度的变化，与之相应的地转风随高度变化就是热成风。湿热成风公式，看似只是将热成风公式中的温度水平梯度用假相当位温（也称为湿位温）梯度代替。问题是，湿位温梯度与水汽的水平梯度密切相关，而与等压面坡度随高度的变化无关（因为水汽如果没有凝结，潜热能就不会释放出来），因此，大家觉得湿热成风公式不成立。这个质疑可概括为对干热成风和湿热成风的质疑。要解开这个疑问，必须从湿斜压的概念说起。

        与干斜压类似，湿斜压是指湿位温面和等压面的斜交。在湿绝热过程中，湿位温面也是物质面。湿位温面的坡度可以超过位温面，例如，梅雨锋在温度场上不明显，但在湿位温场上表现为清晰的等相当位温线的密集带，即湿斜压性很强，但斜压性却很弱。所以，在分析梅雨锋的剖面时必须分析等假相当位温线（即湿位温线），而不分析等位温线。

        夏季，东亚季风区中温度水平梯度很小，斜压性很弱，热成风关系不能解释梅雨锋上空存在强大的高空副热带急流这个事实。但是，季风区水汽非常充沛，季风前沿的露点水平梯度很大。也就是说，湿斜压性是中国夏季大气环流的基本特征。当有大范围暴雨发生时，会释放出大量潜热能。从大气环流的能量收支角度看，潜热能通过有效位能转换成动能是使大气环流得以维持的基本原因之一（另一基本原因是高低纬度辐射收支的差异）。谢义炳把湿热成风关系称为“湿平衡方程”，它能表示湿空气的能量平衡关系，表示湿空气中的潜热能释放出来会转换为大气的动能。大家熟知的热成风关系是力的平衡关系（地转平衡），湿热成风关系是能量平衡关系，这是两种不同性质的平衡关系，所以它们并非相互排斥。

        实际大气中，湿空气的潜热能要转换为动能，必须先转换成位势能，然后再经过非地转过程转换为动能。这是一个非常复杂的非线性过程，没有解析解。湿热成风关系是在湿空气能量守恒的前提下的一个近似解析解。

        首先，干热成风是力的平衡关系，故地转风是没有加速度的，它不随时间变化，地转风场也必定是处处相等的均匀风场。显然，地转平衡只是大气实际风场的一种近似，在斜压性显著的中高纬度地区，它可以近似描述三维风场和温度场之间的关系。

        其次，湿热成风也可以描述三维风场的近似关系，即风场和假相当位温场 （包括水汽场和温度场）之间的关联，但它是在能量收支平衡前提下的近似。大气环流中潜热能转换为动能要经历一系列复杂的物理过程，是一个高度复杂的非线性化过程，不可能用一个解析解来表示。只有在湿静力能量守恒的前提下，才可以得出水汽场和风场之间近似的解析关系，即湿热成风公式。

        总之，干热成风方程和湿热成风方程都是平衡方程，前者是地转平衡，后者是湿静力能量平衡。时刻都在变化的自然界，不平衡是绝对的，平衡是相对的。一切发展和变化都是由不平衡引起的。平衡只是一种近似，近似的目的是为了得到一个简洁的解析表达式，用来描述静态结构的基本状态。所以，二者都是近似，不能用一个近似否定另一个近似。

        既然平衡是实际大气的近似，那么近似是否必要，近似是否成立，就看哪一种近似更符合实际。在斜压性较强的冬半年和中高纬度，干热成风关系能合理地解释高空极锋急流和下方极锋锋区的对应关系。在谢义炳提议下做的干、湿热成风实例对比计算表明，按热成风关系计算出来的高空风速只有实际风速的四分之一，说明热成风关系的误差非常大，不适用于东亚夏季副热带上空。湿热成风公式的计算结果为实际风速的90%以上，合理地解释了梅雨锋上方存在副热带高空急流这个客观事实。

        （致谢 《气象学报》副主编伊兰为本文提供资料 ）