19、旋转流体运动与罗斯贝波理论的再审视

旋转流体运动与罗斯贝波理论的再审视

旋转流体的基本特性

天体的旋转特性使得其上的物质难以逃脱旋转的命运。地球的海洋和大气受地球自转影响，同时作为流体，还会因密度不均产生搅拌力。对于不可压缩流体，温度不均会引发扭转力，这些力与运动速度、方向及摩擦力等共同作用，产生旋转运动。所以，旋转运动是物质常见的运动形式。

从物质基本属性来看，即使有固定形状的固体也是由松散粒子组成的连续体，而流体尤其是气体的松散特性更明显，宏观上不连续性是共性和绝对性，物质的连续性只是相对概念下的方法论，并非物理现实。

气象学中的天气图最早展示了宏观流体的旋转特性。例如平均 1 月地面风场图，即使外行也能清晰看到大气中涡流的旋转性。但 20 世纪引入波运动概念后，当代气象学家通过等压线或地势位势图来表示旋转性，这使得流场的旋转性消失，图中的扰动被视为大气波运动。

罗斯贝根据 20 世纪 30 年代类似等压面高度场图中波运动的扰动被称为大气长波这一提示，通过简化（线性化）流体力学方程，建立了如今著名的罗斯贝长波理论，该理论被视为气象学的基本理论之一。目前，一些气象预报学者将类似图中的非闭合曲线视为波，闭合曲线视为涡。然而，我们不禁要问：同一图表上波和涡为何能同时出现？从流场图转换为等压场或高度场图后，涡流为何会变成波和涡的混合体？这就需要重新理解旋转流的基本属性和特征，因此我们有必要重新审视罗斯贝波理论。

基于气象学基本理论，旋转流体具有经典力学的所有特征，是经典流体力学的一个分支，而气象研究是现代物理学的一个分支。经典力学的基本理论被直接应用于气象学，由于 20 世纪是波运动物理学的时代，气象学自然建立在波运动的基础上。尽管 19 世纪末比耶克内斯指出大气的螺线管效应，其