《中尺度气象学》（*Mesoscale Meteorology in Midlatitudes*）是由Paul Markowski和Yvette Richardson（宾夕法尼亚州立大学）合著的学术专著，2010年由John Wiley & Sons出版。本书系统阐述了中纬度地区中尺度气象现象的原理、观测与分析工具，以及相关天气系统的动力学机制。以下是核心内容的提炼与分析：

作者与出版背景

Paul Markowski和Yvette Richardson均任职于宾夕法尼亚州立大学（Penn State University），长期从事中尺度气象学教学与研究。本书基于该校本科课程讲义编写，旨在为已掌握基础大气动力学、热力学及天气学知识的学生提供中尺度气象学的系统性框架。Wiley-Blackwell作为国际权威科技出版社，其发行保证了内容的学术严谨性。

核心主题与学术背景

中尺度气象学（Mesoscale Meteorology）研究水平尺度2–2000公里（按Orlanski分类）的大气现象，介于天气尺度（Synoptic Scale）与微尺度（Microscale）之间。本书聚焦中纬度地区，排除热带对流簇和极地低压等内容，因其通常归属其他课程范畴。中尺度系统的独特性在于：
1. 动力复杂性：无法像天气尺度那样简化控制方程（如忽略垂直加速度或地转偏差），需保留完整非线性项。
2. 多驱动机制：天气尺度主要由斜压不稳定（Baroclinic Instability）主导，而中尺度现象可由热力不稳定（Thermal Instability）、对称不稳定（Symmetric Instability）、地形强迫等多种机制触发。

主要内容与结构

全书分为四部分，逻辑层层递进：

第一部分：基础原理

1. 中尺度定义

   • 通过罗斯贝数（Rossby Number, *Ro*）和静力平衡（Hydrostatic Balance）判据区分中尺度与天气尺度：Ro ≫ 1时，科氏力（Coriolis Force）弱于气压梯度力，导致强加速度和非地转风（Ageostrophic Wind）。
     
   • 静力近似（Hydrostatic Approximation）的适用性取决于现象的长宽比（Aspect Ratio, *d/l*）。例如，雷暴（*d/l ~ 1*）需非静力框架，而出流边界（*d/l ≪ 1*）可近似静力平衡。
     

2. 控制方程与工具

   • 详细推导包含水相变的湿热力学方程，引入虚温（Virtual Temperature, *Tv*）和相当位温（Equivalent Potential Temperature, *θe*）等守恒量。
     
   • 强调涡度（Vorticity）和环流（Circulation）在中尺度分析中的核心作用，例如通过涡度方程解释对流系统的旋转维持机制。
     

3. 中尺度不稳定

   • 对比静态不稳定（Static Instability）、离心不稳定（Centrifugal Instability）和对称不稳定的触发条件与典型现象（如雷暴与重力波）。
     

第二部分：低层中尺度现象

1. 边界层过程
   
   • 分析湍流通量（Turbulent Fluxes）、城市热岛效应（Urban Heat Island）及夜间低空急流（Nocturnal Low-Level Jet）的形成机制。
     
2. 气团边界
   
   • 探讨干线（Dryline）、 outflow boundaries（出流边界）和锋面（Fronts）的动力学差异，强调潜热释放对边界演化的影响。
     

第三部分：深对流系统

1. 对流触发与组织
   
   • 提出对流 initiation（对流触发）的“三要素”：抬升、不稳定和湿度；垂直风切变（Vertical Wind Shear）决定对流形态（单细胞、多细胞或超级单体）。
     
2. 中尺度对流系统（MCS）
   
   • 以飑线（Squall Line）和弓形回波（Bow Echo）为例，解析后侧入流急流（Rear Inflow Jet）对系统维持的作用。
     

第四部分：地形强迫现象

1. 热力环流
   
   • 山坡风（Slope Wind）和山谷风（Valley Wind）的日变化机制。
     
2. 动力扰动
   
   • 地形波（Mountain Waves）与下坡风暴（Downslope Windstorms）的线性理论解释，以及罗士比变形半径（Rossby Radius of Deformation）对阻塞流动（Blocking Flow）的调控。
     

学术价值与亮点

1. 跨尺度整合
   本书独特之处在于将中尺度现象的动力框架与天气尺度、微尺度过程关联，例如：

   • 用位涡（Potential Vorticity, *PV*）理论统一解释锋面与对流系统的相互作用。
     
   • 通过雷达（附录A）和数值模式（如ARPS模型）案例展示多尺度数据融合方法。
     

2. 教学实用性

   • 每章附“延伸阅读”清单，方便研究生深入专题（如对称不动的Emanuel (1986)经典论文）。
     
   • 强调概念可视化，例如通过探空曲线（Skew T-log p Diagram）和风矢端迹（Hodograph）解析对流潜能。
     

3. 研究前瞻性

   • 作者指出中尺度气象学仍是“进行中的工作”（Work in Progress），随着观测技术（如双偏振雷达）和模式分辨率提升，未来需修订理论框架。
     

总结

本书既是教科书，也是研究参考，其系统性、深度与教学导向使其成为中尺度气象学领域的标杆著作。对天气预报、极端天气机理研究和气候建模均有重要应用价值。