2025年8月4日上午，北京大学物理学院学术论坛第64讲暨2025年度北京大学大气与海洋科学特邀杰出报告在北京大学二教109教室正式拉开帷幕。大气与海洋科学特邀杰出报告由北京大学物理学院大气与海洋科学系主办，邀请多位海内外知名学者围绕“地球及其他行星的大气、海洋与气候动力学”（Atmosphere, Ocean, and Climate Dynamics of Earth and Other Planets）这一主题进行专题报告，旨在传播前沿科学知识，拓展青年学者视野，推动学科交叉与国际交流。

“特邀杰出报告”系列共计21场，包括由Geoffrey K. Vallis教授（英国埃克塞特大学）主讲的五场主题报告、Jianhua Lu教授（中山大学）、Rodrigo Caballero教授（斯德哥尔摩大学）等学者主讲的多场讲座，以及来自北京大学、南京大学、上海交通大学等单位教师的系列短讲与自由讨论环节。讲座内容涵盖基础理论、关键概念与研究前沿，面向全国高校与科研机构开放，受到广泛关注。

在正式报告开始前，北京大学物理学院大气与海洋科学系胡永云教授致开幕辞，他回顾了“特邀杰出报告”系列自2006年创办以来的发展历程及其在推动大气与海洋科学前沿传播、加强国内外学术交流中的重要作用。他强调，本系列讲座已成为北京大学物理学科开放性与国际化的重要窗口，并期待青年学者在本次交流中汲取灵感、拓展研究方向。

胡永云致开幕辞

随后，本届系列讲座的主要组织者、大气与海洋科学系杨军长聘副教授简要介绍了活动的整体安排、主题构思与参会形式。他指出，本届讲座将采用结构化主旨报告与短讲结合的方式，覆盖地球、系外行星、极端气候与海洋动力等多个研究方向，并通过“Dinner Group”等特色讨论形式促进听众与讲者的深入交流。

杨军介绍活动安排

首场报告特别邀请Geoffrey K. Vallis教授作题为“类地行星大气的基本结构”（General Structure of Atmospheres on Earth-like Planets）的学术演讲，正式开启为期六天的学术交流盛会，报告由大气与海洋科学系俞妍助理教授主持。

Geoffrey K. Vallis教授长期致力于类地行星大气与海洋环流结构的理论研究，开创性地从角动量守恒、热力平衡与湍流输运等基本物理出发，构建了一套系统的气候动力学框架。他是近二十年来地球物理流体动力学领域的国际领军学者。

Vallis讲述“类地行星大气的基本结构”

在本次报告中，Geoffrey K. Vallis提出将类地行星环流系统的理论理解划分为五个彼此关联、逐层深入的核心模块，并计划通过系列报告依次展开。本次讲座为该系列的第一部分，聚焦于类地行星大气环流的总体结构、Hadley环流的形成机制以及重力等基本行星参数对大尺度环流模式的影响。

报告伊始，Vallis教授引用了艺术家Georgia O’Keeffe的一句名言：“Nothing is less real than realism. Details are confusing. It is only by selection, by elimination, by emphasis, that we get at the real meaning of things.”他指出，在研究复杂自然系统时，理解的关键往往不在于还原所有细节，而在于抽象、提炼和聚焦物理本质。在这一思想引导下，他强调报告将关注核心结构、尽量减少干扰因素，以便建立具有普适意义的理论框架。

首先，Vallis教授从类地行星大气的尺度结构谈起，介绍了不同行星在热力驱动、自转速率与大气组成条件下所形成的大气组织形态。以地球、木星和金星为例，他展示了天气系统、喷流分布和超旋现象等典型环流特征，并结合NOAA GFS模型可视化结果，解释了从低纬Hadley环流到中高纬急流带的分布规律。

随后，报告重点分析了Hadley环流的形成机制与理论模型。在回顾Hadley、Ferrel与Eady等人提出的经典框架基础上，Vallis教授详细讲解了Held-Hou理论，即在轴对称、角动量守恒与辐射平衡假设下，如何预测Hadley环流的纬向宽度与热力结构。他指出，行星自转速率越小，Hadley环流可扩展至更高纬度；在零自转极限下甚至可能覆盖整半球。他还展示了Hadley环流边界存在速度与温度场的不连续性，并用图示比较了角动量主导区与辐射平衡区的物理差异。

报告进一步通过数值模拟结果探讨了参数变化对环流结构的影响。他引用数值模型的模拟结果，展示在不同自转速率下，Hadley环流范围、喷流速度及热带垂直温度梯度的系统变化。特别地，报告还分析了重力加倍、行星半径扩大等设定下的大气响应，并指出：在干对流框架下，运动方程组在引入重力缩放后形式不变（formally invariant），这说明大气动力结构在物理上具有一定的可重标性（scaling symmetry）。

除了动力结构外，Vallis教授还介绍了湿度变化及其热力后果。他指出，随着重力增强，大气柱厚度降低，导致水汽含量减少，抬升对流层冷却速率，进而改变了热带对流层顶的温度结构。这些效应不仅改变了湿绝热线斜率和潜热释放位置，也影响了整个热带大气的稳定性和降水分布。

最后，Vallis教授将讨论扩展至金星、火星等特殊行星，展示如何将上述理论框架推广至不同天体。他指出，尽管金星存在极厚大气和缓慢自转，但其赤道附近仍呈现超旋现象，这提示传统角动量框架需适当拓展以涵盖非线性波动输运与非轴对称扰动的作用。他还以金星的轨道红外观测为例，分析其子午向温度梯度随高度变化的趋势，并与GCM模拟进行了对比。

报告结束后，现场师生围绕Hadley环流的理论模型适用性、环流结构对行星参数变化的响应机制等问题展开了热烈而深入的讨论。Geoffrey K. Vallis教授对相关问题进行了细致回应，并就理论简化、模型构建与多行星比较研究等话题分享了自己的思考与建议，现场学术氛围浓厚。

参会全体师生合影

报告人简介：Geoffrey K. Vallis教授现任英国埃克塞特大学数学系教授，长期致力于大气与海洋的流体动力学、气候动力学、地球古气候及类地行星环流系统的理论研究，是国际地球物理流体力学领域的重要学者。Vallis教授于1981年获得伦敦大学博士学位，曾在加州大学圣地亚哥分校、圣克鲁兹分校及普林斯顿大学从事教学与科研工作。2013年起加入埃克塞特大学任教。迄今为止，Vallis教授已发表约150篇学术论文，著有三部在国际广泛使用的领域教材：《Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics》《Climate and the Oceans》《Essentials of Atmospheric and Oceanic Dynamics》。Geoffrey K. Vallis教授是国际大气与海洋动力学领域的重要引领者，其在行星尺度环流基本结构、Hadley环流理论、热力学与动量约束机制等方面提出了深远影响的理论框架。他所著教材被全球高校广泛采用，是该领域研究与教学的重要基础。因其杰出成就，Vallis教授于2014年获英国皇家学会Wolfson研究奖及英国皇家气象学会Adrian Gill奖，并于2022年当选美国物理学会会士（APS Fellow）。

北京大学物理学院学术论坛：北京大学物理学院学术论坛创办于2020年9月，邀请国内外高校和研究机构高层次科技创新领军学者就物理学及相关领域的基础前沿探索、关键技术突破和热点问题等做学术演讲，旨在推进高质量学术交流，促进学科交叉融合和开拓新兴特色方向研究，培养具有科学精神、全球视野、创新能力、批判性思维的优秀青年人才。