一次中尺度对流低涡增强阶段的能量诊断分析

本文基于CFSR每日4个时次、水平分辨率为0.5°×0.5°全球预报场资料,美国NCEP中心每日4个时次、水平分辨率为1°×1°FNL全球再分析格点资料,以及华中地区国家基准站逐小时的加密降水资料,围绕2015年6月1日华中地区的一次中尺度对流低涡(mesoscale convective vortex,MCV)天气过程,通过WRF模拟和能量诊断的方法,重点研究了低涡增强期内的能量分布特征及其对低涡发展的影响机制。研究结果表明:此次MCV初生于湖北中部地区,低涡生成后向湖北东北部大别山地区移动且不断发展加强,MCV增强阶段的降水带分布由早期的三中心分布(分别位于宜昌、荆州、随州)演变为后期的纬向型雨带分布。降水产生的凝结潜热释放、对流有效位能的增强、低层暖湿气流的输送以及中层干冷空气的侵入等有利的环境场条件对低涡的增强起到了重要的推动作用。低涡的增强对能量演变有重要影响,具体表现为一方面MCV外围辐合气流随低涡发展而增强,引起对流层低层扰动动能的增加,另一方面MCV外围降水产生的凝结潜热,导致对流层中层扰动有效位能的增加,之后通过垂直气流作用使扰动有效位能向上输送,从而使对流层高层的扰动有效位能增加。另外,此次MCV增强阶段的能量制造项依次为:扰动有效位能向扰动动能的转换,不同高度层的基本气流黏性力作用效果,纬向平均有效位能向扰动有效位能的转换,以及来自系统外部扰动动能的输入。其中,扰动有效位能向扰动动能转换是对MCV发展增强的直接贡献项,对其空间分布特征进一步分析可知,在对流层低层和顶层,扰动有效位能向扰动动能转换,使辐合辐散气流增强;而在对流层中高层,扰动动能向扰动有效位能转换,为低涡发展成熟后的继续维持储备了必要的能量。     

一次东北冷涡发展过程中的能量学研究

对一次典型的东北冷涡过程做了能量学分析。结果表明,东北冷涡活动具有鲜明的阶段性能量学特征。东北冷涡发展之前,各种能量之间的转换很小,边界通量也处于正负相间的振荡状态。早期发展阶段,扰动动能边界通量作用是至关重要的。随着非绝热加热制造扰动有效位能和扰动有效位能向扰动动能转换的大幅度增长,以及外界扰动动能的大量输送和纬向平均动能向扰动动能转换的明显加强,导致了东北冷涡的强烈发展,即这一时期区域内部的能量过程也同样十分重要。东北冷涡的减弱是从有大量扰动动能转换成纬向平均动能开始的,随后加上扰动有效位能向扰动动能转换以及边界通量作用的减弱,使得冷涡逐渐衰亡。     

中尺度低涡发展时高层流场特征及能量学研究

本文通过对一次长江中游中尺度低涡的分析发现,在这类斜压性低涡发展时,低涡西侧冷区对流顶明显下降,在低涡区发生折叠现象.与大位涡值相联系的平流层空气从该处下沉至对流层,对流顶下陷比对流活动区对流顶高度变化要早且明显.中尺度涡旋发展所需要之动能主要取自辐散风动能,在对流层高层和低层这种正向转换最为清晰,而整个气柱中位能向辐散风动能转换,以支持它在涡旋发展过程中之消耗.但高层与低层的情况不同.在100hPa高空辐散风动能既支持了涡旋动能,又向总位能转换.分析表明,高层对流层流场在中尺度系统发展过程中是十分活跃的,必须引起足够的重视.     

东北低压爆发性发展过程的诊断分析

本文对一次东北低压的快速强烈发展过程做了扰动动能、扰动有效位能及涡度收支平衡分析。结果表明:1.气旋爆发性发展前后,扰动动能的产生项变化剧烈,是主要的扰动动能源。气旋爆发性发展前期,以斜压过程为主,而在爆发期,由正压过程制造的扰动动能也有大量增加,同样是不可忽视的,且这时扰动动能通过系统边界与外界的交换很小。2.扰动有效位能在气旋强烈发展前有大幅度增长,由潜热释放造成的扰动有效位能的产生数值很小,平均有效位能向扰动有效位能的转换是扰动有效位能的主要来源。3.在气旋的爆发期,对流层中层及上层的涡度变化最为显著,涡度平衡中,散度项对对流层中下层正涡度的增长贡献最大,而网格尺度及次网格尺度的垂直输送项和涡度平流项对中上层正涡度的迅速增加有着重要意义。     

华北地区“16·7”极端强降水事件之环流及扰动能量变化特征

2016年7月18—22日在华北地区发生了一次极端强降水事件，其中19—20日降水较为集中，20日降水最强。本文利用NCEP/NCAR再分析逐日风场资料和国家级地面气象站基本气象要素日值数据集，研究了本次事件的Rossby波活动及能量变化，结果表明：本次极端强降水事件持续时间约5 d，雨带呈西南—东北走向。华北地区受对流层中低层的气旋性异常环流和对流层上层反气旋性异常环流的控制，水汽则主要源于孟加拉湾和中国南海地区。发生极端降水期间，波扰动能量在对流层低层主要呈经向传播而在对流层上层呈纬向传播，对流层低层的波扰动能量对华北地区的影响比上层更为明显。涡动动能在华北地区的增强和维持主要是涡动非地转位势通量散度项、涡动有效位能和涡动动能的斜压转换项以及其他剩余部分与摩擦耗散引起的能量损耗之和的共同作用，涡动动能在19日增强、20日维持，随后减弱。涡动热量通量变化显示低层有暖湿空气向北输送，高层有干冷空气向南输送，支持了正压和斜压转换，而华北地区上空涡动动量通量的变化则使得基本气流中的涡动动能增强，这些变化影响到极端降水事件的发生发展。     

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料（ERA-40）,从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在“深冬抑制”现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的“深冬抑制”现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80％,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的直接原因。     

2004年冬季风期间一次强寒潮过程的能量收支研究

利用1°(纬度)×1°(经度)的NCEP再分析资料和常规站点观测资料对2004年12月28～31日的一次强寒潮、冷涌过程作了研究,研究结果表明:(1)此次强寒潮事件在我国南海引发了强烈的冷涌,该支冷涌一直向南越过赤道影响南半球.大尺度环境场有利于此次寒潮、冷涌事件的爆发,本次寒潮属于“横槽转竖型”,其中200 hPa的西风带大槽经历了一次调整,500hPa经历了一次明显的横槽转竖过程,对流层低层蒙古高压稳定维持,其东侧的偏北大风是冷空气南下的有利条件.(2)此次寒潮大风区内的动能制造以正压动能制造和斜压动能制造为主,寒潮爆发初期,以正压制造过程为主,此后,由于有效位能释放的作用增强,斜压制造过程与正压制造强度相当,大风区随着动能制造的增强而增强;当斜压、正压动能制造均减弱,大风区亦随之减弱.(3)有效位能收支表明,整层有效位能的释放与大风区相对应,有效位能的释放有利于寒潮、冷涌的维持.寒潮大风区内,对流层高层受有效位能释放的影响最大,有效位能和风能可以互相转换;对流层中层所受的影响最小,且以风能向有效位能转换为主;对流层低层则以有效位能向动能转化为主,十分有利于低层风速的增大和维持.     

一种对资源不稳定性敏感的EASY-backfill算法

利用合成技术对1995—2006年冬季（11月—次年2月）生成在西北太平洋上的34个热带气旋（tropicalcyclone,TC）个例进行分析,研究冬季西北太平洋TC生成的大尺度环流特征及其生成机制,结果表明：冬季TC生成的大尺度环流特征型为东风波西传型;北半球冬季对流层低层出现的跨赤道气旋对是冬季北半球TC形成的重要特征;太平洋中部赤道混合Rossby重力波西北传,与强对流中心重合,性质转为＂热带低压型扰动＂,为冬季热带气旋生成提供扰动源。对合成TC初始场的涡动扰动动能的收支分析表明,涡动有效位能和正压不稳定转换为TC形成提供了能量,这两种能量分别与积云对流加热和水平不均匀气流有关。正压不稳定能量转换为动能主要位于对流层中下层,而扰动有效位能的转换主要位于对流层中上层。低层热带东风波动从平均气流中获得正压不稳定能量,并与强积云对流耦合,热力和动力共同作用下形成TC。     

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。     

冬季西北太平洋热带气旋的生成与热带东风扰动的关系

利用合成技术对1995—2006年冬季(11月—次年2月)生成在西北太平洋上的34个热带气旋(tropicalcyclone,TC)个例进行分析,研究冬季西北太平洋TC生成的大尺度环流特征及其生成机制,结果表明:冬季TC生成的大尺度环流特征型为东风波西传型;北半球冬季对流层低层出现的跨赤道气旋对是冬季北半球TC形成的重要特征;太平洋中部赤道混合Rossby重力波西北传,与强对流中心重合,性质转为"热带低压型扰动",为冬季热带气旋生成提供扰动源。对合成TC初始场的涡动扰动动能的收支分析表明,涡动有效位能和正压不稳定转换为TC形成提供了能量,这两种能量分别与积云对流加热和水平不均匀气流有关。正压不稳定能量转换为动能主要位于对流层中下层,而扰动有效位能的转换主要位于对流层中上层。低层热带东风波动从平均气流中获得正压不稳定能量,并与强积云对流耦合,热力和动力共同作用下形成TC。     

The contribution of energy law to the energy transition and energy research

This article focuses on energy law’s contribution to the energy transition and to research on that transition. It is well known that law plays a pivotal role in governing the energy sector and has fundamental implications for the pursuit of the low-carbon transition. Despite this fact, law often remains confined within its silo, inaccessible to non-lawyers due to its distinctive methodological characteristics and internal jargon. This article aims to initiate an accessible dialogue between energy law and other energy-focused disciplines. It first explains how energy law, as a legal discipline, should be understood in this context and what that implies for energy law as a system of governance. It then explores the interface between energy law and other disciplines in which research into the energy transition is carried out. The article identifies and evaluates the roles of energy law in the energy transition, concluding with a summary of the implications of the role of energy law for the energy transition and for energy research.     

The whole systems energy injustice of four European low-carbon transitions

The need for multi-scalar analysis of energy and low-carbon systems is becoming more apparent as a way to assess the holistic socioeconomic and environmental impacts of energy transitions across a variety of scales and lifecycle stages. This paper conducts a whole systems energy justice analysis of four European low-carbon transitions—nuclear power in France, smart meters in Great Britain, electric vehicles in Norway, and solar photovoltaic panels in Germany. It asks: in what ways may each of these transitions result in injustices that extend beyond communities and countries, i.e., across the whole system? It utilizes a mixed-methods research design based on 64 semi-structured research interviews with experts across all four transitions, five public focus groups, and the collection of 58 comments from twelve public internet forums to answer this question. Drawing inductively from these data, the paper identifies and analyzes 44 injustices spread across three spatial scales. Micro scale injustices concern immediate local impacts on family livelihood, community health and the environment. Meso scale injustices include national-scale issues such as rising prices for electricity and gas or unequal access to low-carbon technology. Macro scale injustices include global issues such as the extraction of minerals and metals and the circulation of waste flows. The paper then discusses these collective injustices in terms of their spatiality and temporality, before offering conclusions for energy and climate research and policy.     

Shared Socio-Economic Pathways of the Energy Sector – Quantifying the Narratives

Energy is crucial for supporting basic human needs, development and well-being. The future evolution of the scale and character of the energy system will be fundamentally shaped by socioeconomic conditions and drivers, available energy resources, technologies of energy supply and transformation, and end-use energy demand. However, because energy-related activities are significant sources of greenhouse gas (GHG) emissions and other environmental and social externalities, energy system development will also be influenced by social acceptance and strategic policy choices. All of these uncertainties have important implications for many aspects of economic and environmental sustainability, and climate change in particular. In the Shared-Socioeconomic Pathway (SSP) framework these uncertainties are structured into five narratives, arranged according to the challenges to climate change mitigation and adaptation. In this study we explore future energy sector developments across the five SSPs using Integrated Assessment Models (IAMs), and we also provide summary output and analysis for selected scenarios of global emissions mitigation policies. The mitigation challenge strongly corresponds with global baseline energy sector growth over the 21st century, which varies between 40% and 230% depending on final energy consumer behavior, technological improvements, resource availability and policies. The future baseline CO₂-emission range is even larger, as the most energy-intensive SSP also incorporates a comparatively high share of carbon-intensive fossil fuels, and vice versa. Inter-regional disparities in the SSPs are consistent with the underlying socioeconomic assumptions; these differences are particularly strong in the SSPs with large adaptation challenges, which have little inter-regional convergence in long-term income and final energy demand levels. The scenarios presented do not include feedbacks of climate change on energy sector development. The energy sector SSPs with and without emissions mitigation policies are introduced and analyzed here in order to contribute to future research in climate sciences, mitigation analysis, and studies on impacts, adaptation and vulnerability.     

动能空间尺度分解及其在高原切变线的分析应用

应用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,对2014年8月25—27日一次高原切变线过程进行了能量诊断分析。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关,在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加为切变线的发生发展提供了能量保障;平均动能变化大体与扰动动能呈相反趋势,在切变线生成阶段和发展阶段,中低层平均动能随时间减小。在影响动能变化的各因子中,斜压转换项贡献最大;在切变线生成阶段,低层平均动能与扰动动能间的转换对扰动动能变化影响明显。背景场和扰动场的相互作用使得扰动动能增大而平均动能减小,构成动能的降尺度串级,这种能量串级转换有利于中尺度的高原切变线生成。     

北半球对流层上层遥相关型的涡度源、能量源与能量传播

基于ＥＣＭＷＦ１９８０～１９８８年的全球资料，研究了北半球对流层上层两个主要遥相关型（大西洋／欧亚型与太平洋／北美型）的涡度源、能量源及能量传播路径．结果表明，这两个遥相关型的涡度源和能量源分别主要位于北大西洋和北太平洋地区．遥相关型在北大西洋和北太平洋通过正压能量转换从气候平均流中吸收能量，然后从这两个地区将能量向外传播，以维持其水平遥相关结构．     

Global sustainability,innovation and governance dynamics of national smart electricity meter transitions

Smart electricity meters are a central feature of any future smart grid, and therefore represent a rapid and significant household energy transition, growing by our calculations from less than 23.5 million smart meters in 2010 to an estimated 729.1 million in 2019, a decadal growth rate of 3013%. What are the varying economic, governance, and energy and climate sustainability aspects associated with the diffusion of smart meters for electricity? What lessons can be learned from the ongoing rollouts of smart meters around the world? Based on an original dataset twice as comprehensive as the current state of the art, this study examines smart meter deployment across 41 national programs and 61 subnational programs that collectively target 1.49 billion installations involving 47 countries. In addition to rates of adoption and the relative influence of factors such as technology costs, we examine adoption requirements, modes of information provision, patterns of incumbency and management, behavioral changes and energy savings, emissions reductions, policies, and links to other low-carbon transitions such as energy efficiency or renewable energy. We identify numerous weak spots in the literature, notably the lack of harmonized datasets as well as inconsistent scope and quality within national cost-benefit analyses of smart meter programs. Most smart meters have a lifetime of only 20 years, leading to future challenges concerning repair, care, and waste. National-scale programs (notably China) account for a far larger number of installations than subnational ones, and national scale programs also install smart meters more affordably, i.e. with lower general costs. Finally, the transformative effect of smart meters may be oversold, and we find that smart electricity meters are a technology that is complementary, rather than disruptive or transformative, one that largely does not challenge the dominant practices and roles of electricity suppliers, firms, or network operators.     

The Theoretical Model of Atmospheric Turbulence Spectrum in Surface Layer

It is shown that the slope of energy spectrum obtained from the velocity solution of Kdv-Burgers equation lies between -5/3 and -2 in the dilogarithmic coordinates paper. The spectrum is very close to one of Kolmogorov’s isotropic turbulence and Frisch’s intermittent turbulence in inertial region. In this paper, the Kdv-Burgers equation to describe atmospheric boundary layer turbulence is obtained. In the equation, the 1 / Re, corresponds to dissipative coefficient v, to dispersive coefficient β, then (v/ 2β)2 corresponds to .We prove that the wave number corresponding to maximum energy spectrum decreases with the decrease of stability (i.e., the increase of in eddy-containing region. And the spectrim amplitude decreases with the increase of (i.e., the decrease of stability). These results are consistent with actual turbulence spectrum of atmospheric surface layer from turbulence data.     

夏季敦煌稀疏植被下垫面物质和能量交换的观测研究

利用2009年夏季敦煌地区加强期观测资料,分析了稀疏植被下垫面CO2、水汽的通量输送规律和地表辐射、能量平衡等微气象的变化特征。结果表明,敦煌地区夏季CO2、水汽通量有明显的日变化,其平均通量分别为-0.023mg.m-2.s-1和2.90mg.m-2.s-1;地表平均反照率为0.24,低于绿洲内部;感热是该地区地表热量流失的主要形式,潜热和土壤热通量相对较小,平均波文比为3.08;观测中也发现了有较大的能量不平衡现象,利用试验资料估算了土壤容积热容量,并在能量平衡方程中加入了土壤热储量,提高了能量平衡度。     

利用生物圈模型 (SiB2) 模拟青藏高原那曲草原近地面层能量收支

模式所需要的参数被合理地设置之后, 根据GAME/ Tibet (GEWEX亚洲季风试验/青藏高原试验) 那曲近地层观测站的资料, 将大气强迫变量代入SiB2(Simple Biosphere model version2), 文章模拟了该观测站地表能量收支。结果表明:SiB2能够较好地模拟青藏高原的能量收支情况, 净辐射、潜热通量和土壤热通量的模拟值和观测值吻合, 它们的相对误差分别为8% (低估)、6% (低估) 和3 %(低估)。同时, SiB2高估感热通量达40%。文章还给出了能量各分量的详细比较分析。