湿有效位能的一种近似表达式及其计算方案

大气中的水份对天气变化有很大影响。所以在天气分析预报中,考虑了水汽的温湿特征量,比仅用位温的效果要好。由此推想,在有效位能的计算中,假若再计入潜热能项,将更接近大气能量的实际情况。可能正是这个缘故,E.N.洛伦茨(Lorenz)、谢义炳提出的湿有效位能(mAE)概念受到了很多人的重视。为此,讨论湿有效位能的近似表达式及其计算方案是有意义的。一、近似表达式类似于把单位气柱中的内能与位能之和称为总位能那样,本文把单位气柱中的内能、潜热能、位能之和,称为湿总位能(mTE):     

变分原理与大气波动的Lagrange函数

本文从大气波动所满足的方程出发,应用变分原理求得了各种大气线性波动的Lagrange函数和平均Lagrange函数。应用平均Lagrange函数可以求得大气波动的频散关系、平均能量、波作用量和波作用量方程。 本文还分析了Lagrange函数与大气波能量间的关系,分析指出:Lagrange函数是物理量φ及其导数的二次式。对大气基本波动而言,非频散波的Lagrange函数是动能与位能(弹性位能或重力位能)之差,频散波的Lagrange函数是动能与恢复力的位能(有效位能、惯性位能或Rossby位能)之差。     

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.     

南海夏季风爆发前后华南地区大气结构和能量收支的变化

本文计算、分析了1981年南海夏季风爆发前后华南地区平均的大气动力学和热力学结构,水汽和能量收支情况。分析表明,在季风爆发前后这些物理量场,特别是垂直运动场,都经历了一次明显的变化。南海夏季风的建立,是以副热带高压从南海东撒,越赤道气流北进为特征。它与以"爆发性涡旋"为开始,降水与西南气流同时开始的印度夏季风有所不同。另外,南海夏季风建立过程,主要变化发生在中、上层大气之中。这说明夏季风的建立,主要是大气环流季节性调整的结果,海陆差异需要有合适的大气环流配合才能产生明显的季风。对大气能量收支的分析表明,夏季风爆发前,华南地区主要是动能向总位能转换。所产生的总位能部分辐散到边界之外,部分消耗在对流层上层非绝热冷却过程之中,因而在对流层下部总位能才有稍明显的增长。夏季风爆发后,整个能量循环几乎相反。总位能大量转换为动能,以维持南海夏季风的增长。而整层大气中的非绝热加热以及总位能的辐合又补充了大气中总位能的损耗。潜热释放是夏季风爆发后大气的主要非绝热加热过程,它是南海夏季风维持,发展的主要能源。      

中国低纬度地区大气臭氧总量的变化特征

分析研究了位于我国低纬地区不同经度的昆明与香港两个站点上空的臭氧分布与演变状况,得出了中国低纬度地区大气臭氧总量的时空演变特征.研究结果显示:(1)香港与昆明两地臭氧的时间变化特征极为相似;(2)整个中国低纬地区的大气臭氧的时间变化趋势是非常一致的,在空间上呈现出东高西低的特征;(3)我国低纬地区的大气臭氧总量在夏季出现极大值,在冬季出现极小值.计算结果还表明,昆明的臭氧总量要小于其所在纬圈的平均值.     

有限区域湿有效能量的层结、斜压、正压分量及其收支方程

本文探讨了将湿有效能量分解成层结、斜压、正压分量的方法,并讨论了它们的收支方程式.其中层结分量与实际大气中对流不稳定有较好的对应关系,但在干有效位能中分解不出这一项.在斜压、正压分量的收支方程中,除附加项外都与干有效位能的方程类似.由三个分量的收支方程看出,湿有效能量向动能的转换只可能发生在层结不稳定或(与)有斜压存在的大气中.这与天气分析经验以及经典的马古列斯(M.Margules)模式是一致的.     

对流能量计算及强对流天气落区预报技术研究

文章分析了两种典型的大气湿绝热过程及其处理方法，对大气对流能量参数的计算技术进行了研究。结合实际个例，利用可逆饱和绝热过程，对包含液态水重力拖曳作用的修正对流有效位能(MCAPE)和修正下沉对流有效位能(MDCAPE)进行了定量计算。文章结合数值模式输出探空分析，预报不稳定和对流能量的区域分布，在此基础上建立了综合多指标叠套强对流天气落区预报方法，用MM5 及国家气象中心T106模式输出及诊断产品预报强对流天气落区，并检验强对流落区预报技术。     

北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

南海夏季风建立前后的大气能量收支

本文用总动能、总有效位能、扰动动能和扰动有效位能四个收支方程计算了1980年4-6月南海南部(0-15°N,100-120°E)夏季风建立前(4月1日-5月9日)和夏季风建立后(5月18日-6月25日)各时段的大气能量收支,并对其结果进行了分析讨论,发现:(1)总动能主要是在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间达到平衡,夏季风建立后源汇强度值都增大了40%左右。(2)非绝热加热所直接制造的有效位能并不重要,高层总有效位能的水平通量辐合、中低层与总动能间的转换和由于参考气压的变化而引起总有效位能的增减对于总有效位能的收支作用较大,其作用在夏季风建立前后也明显不同。(3)扰动动能同总动能一样主要在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间平衡。夏季风建立后源汇强度增强。(4)扰动有效位能主要由非绝热加热制造,夏季风建立后制造量增大了16倍多。夏季风建立前,扰动有效位能主要因参考气压的改变而减少;夏季风建立后,扰动有效位能主要被转换为扰动动能和平均有效位能。      

德州地区“84.8”暴雨的湿有效位能分析

1984年8月9日傍晚至10日上午,德州地区由于受在福建罗源县登陆北上的8407号台风低压影响,全区出现了暴雨——大暴雨,部分地区出现了特大暴雨。本文应用湿有效位能对这次暴雨进行分析,为以后这类暴雨的预报提供依据。一、湿有效位能分布特征及其演变 1.Amk垂直分布特征对德州地区出现暴雨前10小时,作8月9日08时Amk剖面见图一,济南附近上空Amk等值     

湿有效位能及其在暴雨分析和预报中的应用

有效位能是大气能量学中很重要的创见之一。早在本世纪初,马古拉斯(M.Margules)讨论气旋发展的能源时就已提出(当时称为有效动能)。可惜的是,其后半个世纪,虽有人继续研究这个问题,但进展不大。本世纪五十年代,洛伦兹(E.N.Lorenz)在上述研究的基础上,重新提出有效位能的概念及其表达式,并用于大气环流的研究。继洛伦兹之后,达顿(J.A.Dutton)与约翰逊(D.R.Johnson)以及范米根(Van Mieghen J.)进行了更全面、更系统、更严谨的讨论。 六十年代末,史密斯(Smith P.J.)提出有限区域有效位能及其收支方程后,把有效位能概念及其收支方程用于天气分析研究者日益增多。 大气中的水汽对天气变化有很大影响,在天气分     

物理量计算及其在暴雨分析预报中的应用——湿静力能量与湿静力温度

一、湿静力能量与湿静力温度 研究表明,可以直接决定当时大气运动状态的主要能量是:显热能、潜热能、位能和动能,这四种能量之和,常称为总能量。单位质量的空气块的总能量为: 式中L为水汽凝结潜热常数,H为拔海高度。上式右端各项彼此虽是和差关系,但用观测资料进行计算仍有困难,为此,近几年来我国气象工作者引入了与总能量相应的温度——总温度来表示,其表达式为:     

按Lorena精确公式和近似公式计算有效位能制造

以时空域为函数研究了按Ｌｏｒｅｎｚ所定义大气中精确的有效位能制造的近似的有效位能制造公式。大气中有效位能的制造是由非绝热加热场和温度场决定。这个加热场通过使用每天四次的ＥＣＭＷＦ的１９８６－１９９２年７个１月份和１９８５－１９９１年７个７月份的初值化分析资料，用余差法进行估计。     

湿有效位能在开封汛期分级降水预报中的应用

湿有效位能在开封汛期分级降水预报中的应用李改花（开封市气象局·４７５００３）１９８４年以来,开封市气象台利用湿有效位能作６～８月份逐日降水预报。使用中发现,湿有效位能变化与降水量级有一定关系：各层湿有效位能逐日上升较小时,降水量级较小;湿能激增,在湿...     

湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的一种可能机制

根据暴雨中尺度系统发生时的大气运动特征,在绝热、无摩擦条件下,从湿斜压原始方程出发,考虑大气运动的涡度及散度演化不仅受动力场的制约,而且还受到热力场的约束,采用不同于传统研究涡度及散度方程的分析方法,导出了新形式的涡度及散度方程。在此基础上,分析了湿斜压大气中对流层中低层气流旋转与辐合持续增长的动力特征,初步揭示了湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的动力机制。     

ECAP等环境参数在强对流天气分析中的应用

引入大气热力学变量密度温度Tp，采取与实际大气较为相符的可逆饱和湿绝热抬升过程，利用MM5V3．5模式输出资料，计算了对流有效位能ECAP。在此基础上，介绍了能量螺旋度指数IEH。分析了2003年7月江淮梅雨暴雨等强对流天气发生过程中对流有效位能ECAP及能量螺旋度指数IEH的量值变化。结果表明：ECAP，IEH等参数对强风暴的发生发展有一定的指示作用，值得在业务工作中推广应用。     

锦江流域致洪暴雨的物理成因分析

通过对锦江流域２６次致洪暴雨过程的物理量合成分析,得出流域产生致洪暴雨的水汽条件,对流性稳定层结判据,湿有效位能特征和动力成因,归内出锦江流域致洪暴 雨的预报着眼点。     

宁波市大气混合层厚度变化特征及其与空气污染的关系

基于2001—2014年宁波市每日4个时次(02时、08时、14时、20时)的常规气象观测资料和同期宁波市环保局空气污染物(SO_2、NO_2、PM_(10))浓度的日监测数据,采用最小二乘曲线拟合法计算了2001—2014年宁波市大气混合层厚度,并分析了大气混合层厚度的时间变化特征及其与空气污染的关系。结果表明:2001—2014年宁波市年平均大气混合层厚度波动变化明显,大气混合层厚度极大值和极小值分别出现在2004年、2007年,分别为866.1 m和746.1 m。水平风速对宁波市大气混合层厚度的影响较大。春季和7月、8月宁波市大气混合层厚度较大,秋季和冬季大气混合层厚度较小,而6月大气混合层厚度最小。大气混合层厚度在中午达最大值,夜间达最小值,大气混合层位于500.0—1200.0 m高度的出现频率最高。随着大气混合层厚度增大,污染物浓度被稀释。夏季,大气混合层厚度对PM_(10)、SO_2和NO_2浓度的调节能力较强。由于输入性污染的影响,冬季PM_(10)与SO_2浓度的极大值明显高于夏季,同时大气混合层厚度的变化对PM_(10)和SO_2浓度的增减效应比夏季明显削弱,但对NO_2浓度的影响较小。另外,当大气混合层厚度位于500.0—1200.0 m高度时,在同一大气混合层厚度下,同一污染物浓度的变化范围较大。     

大气污染物SOx输送方程的尺度分析

文中用量纲分析方法分析了控制大气污染物输送方程的动力学特性。提出了 6种反映大气污染物输送过程中各种动力、物理和化学过程相对重要性的动力学参数。并以硫氧化物为例进行了各参数量级大小分析 ,尤其对 3种起汇作用 (去除机理 )的机理 (化学转化、干沉降和湿清除 )在不同尺度大气污染过程中的作用进行了详细分析。结果表明 :在一般情况下 ,SO2 的气相化学作用小于干沉降和湿清除的作用 ;干沉降作用很依赖于模式最底层厚度的选取 ;在有降雨时湿清除作用一般较大。文中还对大气污染物SOx 输送方程各项特征量的量级作了分析对比 ,得出了控制不同尺度大气污染物输送过程的零级近似方程和一级近似方程 ,并指出了这些方程的基本特征     

全球大气能量的时空特征及变化趋势分析

大气能量学是大气科学重要的组成部分，了解大气能量的时空分布和变化特征，能够为大气科学研究，尤其是气候变化研究提供新的思路和手段。本文基于1948～2016年NCEP逐月再分析资料，从大气的总能量及其内能、位能、潜热和动能的分布、变化趋势和主模态变化等方面阐释了全球大气能量变化的整体特征。主要结论如下:（1）除高海拔地区外，总能量呈现从赤道向两极逐渐递减的分布，且全球大部分地区呈增加趋势，内能和位能的分布和变化与总能量较为接近；潜热能的极大值区和显著变化区均位于赤道及低纬地区；动能的极大值区分布在中纬度长波槽和西风急流出口区，其在南半球双西风急流区的变化最为显著。（2）总能量呈现出不连续的阶段性跳跃式增长特征；北半球的总能量多于南半球，而增速却慢于南半球，即两半球间的能量呈趋同趋势；海洋上空的总能量多于陆地，且海陆间差额有增大趋势；火山爆发事件可能对大气能量在年际尺度上的减少有重要作用。（3）大气各能量第一模态的空间特征与其各自变化趋势分布非常相似，并先后在1975年左右发生了年代际突变。就第二模态而言，大气的总能量、内能和位能从整体上反映出南北极与其它地区呈反向变化的特征；部分低纬度地区的潜热能与其它地区呈反向变化；动能主要呈现从热带太平洋向南北两极的经向波列分布；它们的时间系数均有一定的多年代际变化特征，可能与气候系统的内部变率有关。