线性热力学对大气系统的应用(I)大气系统的线性唯象关系和热力学性质(英文)

从一般的热力学原理或其它自然原理对唯象关系所强加的限制,能够演绎出大气系统的一系列热力学性质。利用非平衡态线性热力学导出了湍流K闭合理论中湍流交换系数同唯象系数的关系,从理论上证明大气系统热量湍流输送同水汽之间存在交叉耦合,还导出了湍流强度同速度和位温梯度的关系,从而证明速度和位温空间分布的非均匀性是湍流之源。并证明湍流强度定理,不可压缩气体和各向同性湍流大气中,湍流强度正比于速度与位温梯度的标积。进而证明大气涡旋定理,位温的切变将导致涡旋运动或各种环流运动,速度涡度等于速度同位温相对梯度的矢积。展现了线性热力学在大气系统的应用前景。     

熵产生、传热两方程所揭示的若干问题

熵产生、传热两方程所揭示的若干问题沈春康（空军气象学院，南京２１１０１）整个大气非均匀而处于非平衡态。在大气中，尤其在对流层中，任取一个绝对温度Ｔ、全压强ｐ、水汽分压Ｐ。（或水汽混合比γ）的均匀湿空气微团，它是局域（局部）平衡态的热力学系统。然而它与...     

论大气中凝结过程水汽内能与压力能的不同作用

通过计算可逆湿绝热过程与不可逆湿绝热过程,讨论了大气中凝结时的水汽内能(内潜热)与压力能(外潜热)作功过程的不同物理作用及其在不同(对流与非对流)降水天气系统中的影响。发现“可逆”与“不可逆”湿绝热过程中的凝结外潜热都对环境大气作负功,这是因为水汽相变为水而使得水汽压力能减少。最终环境大气通过凝结外潜热过程,对整个“系统”(如降水对流运动的飑、冰雹、龙卷、台风和非对流运动的锋面降水系统等)作功,其作功“热机”效率约为5％。     

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出：由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。     

水汽空间分布对大气船舶重力波影响的数 值试验

利用中尺度数值模式ARPS模拟研究了水汽在山脉重力波和大气船波的产生和演变中的作用。研究发现水汽和非绝热效应对大气船波的影响与水汽的空间分布有关,大气船波的产生和演变对水汽的空间分布具有极端的敏感性,在一定条件下水汽的引入有可能减少大气船波的活动。对于3层模式结构的气流过山而言,如果初始的水汽分布在中层大气,则水汽和非绝热效应对大气船波的影响较小,而如果初始的水汽分布在中下层大气,则引入水汽后减少了大气船波的强度,但是如果初始的水汽分布在整个模式大气层,则水汽的引入减少了大气船波的活动。     

中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究

大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽稳定氘同位素数据（数值表示为千分差,δD）,针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,厄尔尼诺（El Ni?o）年夏季中国东部水汽δD较高,拉尼娜（La Ni?a）年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO（厄尔尼诺—南方涛动）不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Ni?a年较之El Ni?o年偏多,表明La Ni?a年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年...     

海气热交换过程中海温涨落的随机效应的初步研究

海洋输向大气的热量和水汽通量的瞬时变化是风力的函数,同时受到海气温差和水汽压变化的影响,其中又以海温的变化对通量变化的影响最为重要。本文研究了由于海温涨落所产生的随机统计效应。在热力学能量方程的基础上,就热带和副热带海面的情形,着重考虑海气热交换过程中潜热通量和长波辐射两个因素,利用统计物理学中有关的处理方法进行了讨论,并作数值计算,取得了一些有意义的结果。     

大气层结不稳定能量的简便计算方法

本文运用大气能量学、大气热力学和大气动力学基本原理,提出了适用于载水气块在可逆湿绝热上升过程中,和非载水气块在假绝热上升过程中,大气层结不稳定能量的两个简便计算公式。     

冬季最低气温预报方法

1思路气温的预报主要考虑本来Δt时间内的温度变化，即气温的局地变化。根据热力学方程在P坐标系的形式：通过展开整理得到：即气温的局地变化取决于温度的平流变化、大气稳定度和非绝热传递。在非局部区域中，空气的垂直运动量级较小，大气稳定度对气温局地变化所引起的贡献可以忽略，因此在实际分析中只侧重于温度平流和非绝热项的变化。其中，温度平流与水平温度梯度成正比，当垂直于温度梯度的风速分量越大，温度平流越强，温度的局地变化越大；非绝热变化主要取决于辐射、水汽相变等，它与云量、云状、风向风速、湿度、气压等本站要素…     

Application of Linear Thermodynamics to the Atmospheric System. Part Ⅰ: Linear Phenomenological Relations and Thermodynamic Property of the Atmospheric System

从一般的热力学原理或其它自然原理对唯象关系所强加的限制，能够演绎出大气系统的一系列热力学性质。利用非平衡态线性热力学导出了湍流K闭合理论中湍流交换系数同唯象系数的关系，从理论上证明大气系统热量湍流输送同水泡之间存在交叉耦合，还导出了湍流强度同速度和位温梯度的关系，从而证明速度和位温空间分布的非均匀性是湍流之源。并证明湍流强度定理，不可压缩气体和各向同性湍流大气中，湍流强度正比于速度与位温梯度的标积。进而证明大气涡旋定理，位温的切变将导致涡旋运动或各种环流运动，速度涡度等于速度同位温相对梯度的矢积。展现了线性热力学在大气系统的应用前景。     

一次“大气河”背景下东北冷涡暴雨的诊断分析

利用FNL再分析资料、NCEP GDAS资料和观测降水资料,应用HYSPLIT轨迹追踪模式,对2016年7月25日一次东北冷涡暴雨过程的天气形势背景、大气河在暴雨过程中的作用及其在暴雨前后的演变特征以及暴雨水汽来源进行了诊断分析。结果表明,此次暴雨发生在有利的天气形势背景下,东北冷涡、鄂海阻高、日本以东的低压、高低空急流是这次过程的主要影响系统。暴雨过程中有两条源于西太平洋的大气河,一条经我国南海区域向北继而向东北延伸,核心水汽通量极强,另一条经东海、黄海向北输送,两条大气河的湿层均十分深厚。通过大气河的输送作用,热带地区的暖湿水汽直接输送到中纬度地区,为此次暴雨的产生和维持提供了良好的水汽条件。南来的暖湿气流与东北冷涡环流的偏北干冷气流汇合,在暴雨区附近产生了强烈上升运动,是此次暴雨的主要动力抬升机制。水汽轨迹追踪表明此次暴雨的水汽源地主要有西太平洋、南海、孟加拉湾和欧亚大陆,低层水汽主要由偏南大气河输送,中层水汽主要来自于西南大气河。     

用系留气球进行大气湍流测量

一、大气湍流的探测大气边界层内的湍流运动对地气系统的动量、热量与水汽输送过程,以及对大气中污染物的扩散有着决定性影响.由于大气湍流运动有很宽的尺度谱,其时间、空间分布极为复杂,在探测技术上有很多难题.除正在发     

水汽凝结过程与高低空急流对冷锋环流的作用

文中利用包括水汽凝结过程的湿大气原始方程模式，研究了高空西风急流和低空南风急流中冷锋环流和垂直运动场的演变，计算结果显示:水汽凝结过程的加入，使锋区垂直运动和锋面环流大大增强，上升运动随时间发生剧烈的变化；湿过程对锋面环流的作用发生在水汽饱和并发生凝结之后，未饱和水汽的存在对锋面环流没有什么作用；与干大气模式中高空西风急流是造成冷锋环流演变的主要因子情况不同，低空南风急流在湿大气中对锋面环流有极为重要的作用，其作用至少与高空西风急流相等；在激发锋区重力波上，低空南风急流的作用可能更加明显；水汽凝结湿过程的加入，不论是在高空西风急流下还是在低空南风急流中，都能在锋区激发出波长约为300 km的重力波，并以大于锋面移速的相速传入暖区。     

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。     

湿空气动热力学理论及应用研究进展

回顾了湿空气热动力学的研究进展,对未饱和湿大气、饱和湿大气及非均匀饱和湿大气的动热力方程、能量方程、连续方程等进行了梳理,指出饱和湿空气动量方程与非均匀饱和湿空气动量方程的最大区别在于对凝结过程的处理不同。饱和湿大气中,由于大气均是饱和的,由饱和造成的水凝物可处处出现,不能区分真正发生水汽凝结的区域。而非均匀饱和湿空气中,凝结发生与相对湿度的幂次方有关(即与凝结概率函数的分布有关),在相对湿度较小的区域不会出现水汽凝结,凝结区与非凝结区可自动区别,其描述的凝结过程与实际大气更接近。同时,总结了湿大气水汽凝结饱和非均匀分布的动热力物理量在高影响天气分析中的应用,最后讨论了未来推进湿空气动力学研究需重点考虑的一个内容。     

浙江两次连阴雨过程及其降水特征异同对比分析

利用NCEP／NCAR1°×1°的分析资料,对比分析了分别发生在2009年和2010年相同季节不同年份的两次连阴雨过程的异同,重点分析它们降水特征和形成原因。结果表明,乌拉尔山和鄂霍次克海高压脊以及它们之间的宽广西风槽稳定维持是该季节连阴雨形成的有利环流背景。垂直上升运动是形成降水的必要动力条件,大气中充足的水汽输送和水汽在降水区的持续性辐合是连阴雨的形成的必要水汽条件。频繁南下的冷空气强迫暖湿空气抬升既直接导致了上升运动,同时也可以触发大气不稳定能量的释放,增强上升运动。连阴雨时期雨量主要集中在冷暖空气长期对峙,强锋区长时间维持的时期。强水汽输送和强水汽辐合在时间和空间上重合并且长时间维持有利于大范围的持续性暴雨天气发生。     

渭河流域三次暴雨过程水汽和上升运动的垂直结构比较

利用常规高空观测资料和NCEP/NCAR 6 h再分析资料等,着重从水汽和上升运动的垂直结构上对发生在渭河流域的三次致灾暴雨过程进行了比较分析。结果表明:三次暴雨过程具有相似的水汽通量散度场垂直结构,即低层辐合、中层或高层辐散,但低层辐合远大于其上层辐散,低层强水汽通量辐合不仅为暴雨区提供了充沛水汽,也导致并促使水汽在垂直方向上从低层向高层输送,从而增强大气垂直上升运动发展;600 hPa(或400 hPa)水汽辐合或辐散突然增强,预示降水强度将增大,其突然减弱,则标志着强降水趋于结束;三次暴雨过程中,强降水主要出现在整层上升运动形成前后和450 hPa附近垂直上升运动增强最快时段内。     

水汽和潜热释放对背风波影响的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS进行了理想场的数值模拟,分析研究了水汽和潜热释放对大气层结稳定度的影响以及其在背风波的发展和演变过程中的作用,研究发现,潜热释放对大气层结分布的影响要远大于水汽对大气层结分布的直接影响,如果没有潜热的释放,水汽对背风波的发展和演变的作用非常小,而潜热释放可以使湿层结稳定度急剧下降,迅速破坏原有的层结分布,使这个区域出现非拦截的强烈的垂直运动,波动的崩溃更加迅速和明显。但需要说明的是在试验中,将数值模式里控制潜热释放的参数设为:0、1/2、2的假定情况,则在实际的大气运动过程中是不可能存在的。     

一次大范围暴雪天气的大气环境形成机理研究

通过分析2009年11月9—12日的一次大范围暴雪天气事件,探讨其发生前期和过程中的大气环境条件及形成机理。通过研究分析环流特征、星载雷达有关能数、物理量场诊断等表明:此次天气过程中暴雪区域上空对流层中低层一直存在着一层具有增温增湿特征的层状云,暴雪前大气低层高温高湿的环境为暴雪的发生提供了一个有利的温湿能量蓄积场;东北回流冷空气的入侵是层状云开始形成的触发机制;大气低层因水汽凝结产生的大量凝结潜热促进了垂直上升运动,大气中低层在水汽条件具备时,通过垂直上升运动的作用使水汽大量凝结增长,形成层状云。     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。