关于湿大气动力学的几个问题

本文从理论上叙述与饱和湿空气有关的热力学和动力学特征,并从湿绝热、湿能量、湿斜压和湿大气运动方程组等论述湿大气动力学的几个基本问题.     

静力稳定度的能量分析

目前,在天气分析和研究工作中,讨论强对流天气的发生条件时,对静力稳定度的使用常有混乱之处。理论上多采用条件不稳定,以铅直减温率大于湿(饱和)绝热减温率为判据;气象台业务上多使用潜在不稳定,即气块绝热上升到达某一参考高度后,其气块温度比环境空气温度高;近年来,国内又流行使用所谓“位势不稳定”,实际上是狭     

云中绝热温度递减率同微结构的关系

1.湿绝热温度递减率的物理假定 云中绝热温度递减率(Γ_a)过去都用湿绝热递减率(Γ_w)来近似。它的基本假定认为云中水汽在垂直运动时的凝结(包括蒸发)过程是瞬时完成的,水汽在凝结时的过饱和度(包括欠饱和度)较小,可以略去不计,即水汽比温(Q_v)和饱和比湿(Q_s)相等。在冰晶云中也和水滴云相似,只是Q_s值分别为冰晶饱和值和水面饱和值。根据上述假定在同环境没有热量、水分交换的条件下可以写出云中气块在上升或下沉(含有云粒的气块)的温度(T)比湿(Q_s)的方程组:     

结合“海棠”台风（2005）定量分析非绝热加热对湿 Q 矢量诊断能力的影响

湿Q矢量最大特点就是考虑了非绝热加热作用,各种湿Q矢量差异也主要表现在对非绝热加热计算处理方案的不同.因此,通过比较分析非绝热加热作用,可揭示出不同湿Q矢量之间诊断能力的差异.2005年第5号登陆台风"海棠"在7月19日08时20 H 08时,给福建省东北部及浙江省造成大范围暴雨.WRF模式成功模拟出此次台风暴雨过程.文章将结合"海棠"台风(2005)登陆台风暴雨过程,利用 WRF模式模拟输出的气象要素,通过计算降水场,定量分析了非绝热加热作用及其对湿Q矢量诊断能力的影响.结果表明:(1)对于公包括大尺度凝结加热的非绝热加热作用H1及包括了潜热加热(大尺度凝结加热和对流凝结加热)、感热加热和辐射加热的非绝热加热作用H2来讲,局地变化项的强迫作用较垂直平流项、水平平流项的强迫作用约小1-2个量级,可以忽略不计,垂直平流项的强迫作用是主要成分,对于水平平流项来讲,尽管其强迫作用明显小于垂直平流项的强迫作用,但也明显大于局地变化项的强迫作用,考虑其将更有利于充分反映H1、H2的强迫作用.对于包括非均匀饱和大气中潜热加热的H3来讲,水平平流项与垂直平流项的强迫作用相当,均为主要成分,而局地变化项的强迫作用为次要成分且不容忽视,对其考虑将有助于全面描述H2的强迫作用.(2)非绝热加热作用H1、H2以及H3强迫产生的24 h累积降水场具有相似的水平分佰特征,三者强迫产生的逐时雨量随时间演变特征也非常相似,这表明水汽凝结潜热是非绝热加热作用的主要成分.(3)进一步结合模拟降水场分析表明,相对于H1强迫产生的降水场来讲,H2与H3强迫产生的降水场更接近模拟结果,这揭示出包含H2的湿Q矢量与包含H2的湿Q矢量诊断能力相近,且对降水反映能力较包含H1的湿Q矢量诊断能力强.(4)不同湿Q矢量各自有其自身诊断特点,根据不同研究目的的需要,可有针对性的选取相应的湿Q矢量来作为研究工具.如需要具体、细敛分析水汽潜热的强迫作用,可以选朋包含H1、H3的湿Q矢量,如仅需考虑总的湿Q矢量强迫作用,则可以直接选用包含H2的湿矢量.     

风垂直切变和下滑倾斜涡度发展

本文根据绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特征，研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。由于传统的等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，本文进而发展了Z坐标及P坐标中的倾斜涡度发展理论。指出在梅雨锋南侧暖湿区的北端，以及梅雨锋北边界附近，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。还证明了倾斜涡度发展的必要条件和充分条件。指出在对流不稳定的饱和大气中，倾斜涡度发展必伴有低空急流存在。对1991年6月12～15日江淮流域暴雨过程的诊断表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量Pm1和Pm2的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层均十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

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。     

凝结函数应按湿绝热算

利用公式计算单位时间内的可能降水量,在许多暴雨分析讲义中都有过介绍。式中F=dq/dp定义为“凝结函数”,它表示每单位质量的饱和湿空气在上升1毫巴高度时所能凝结出来的水分克数。建立此公式的物理设想显然是湿绝热上升过程,但目前所见到的有关讲义和查算表中列出的F值,     

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。     

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。     

湿大气的广义位温与干大气位温及饱和湿大气相当位温的比较

实际大气既非完全是干空气,也不是处处达到饱和的湿空气,而是处于含有水汽但又不饱和的湿空气状态。基于这样一种湿大气状态,在湿大气中广义位温定义的基础上,对不同暴雨类型的广义位温与干大气的位温及饱和湿大气的相当位温做了比较。对2003年江淮流域暴雨过程、2004年华北一次暴雨过程以及2006年碧利斯台风中的位温、相当位温和广义位温分布的对比分析表明:即使是在暴雨系统中,湿空气的相对湿度也不一定达到100%,饱和湿空气相当位温的引入条件不能完全满足。而广义位温的定义用一个表达式就可以表示出于大气、未饱和湿大气以及饱和湿大气这3种大气状态的位温,位温和相当位温则是广义位温的特殊情况。当大气比湿为零时,广义位温就变成位温;当大气比湿达到饱和后,广义位温就变成相当位温。除了可以衔接干大气位温和饱和湿大气的相当位温外,广义位温包含了水汽由干到湿再到饱和的变化过程,更好地体现了大气中水汽的实际分布和变化特征。     

OBSERVATION AND MODEL ANALYSES OF POSITIVE CLOUD-TO-GROUND LIGHTNING IN MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS*

The analyses of spatial and temporal characteristics of positive cloud-to-ground(CG) lightning for four mesoscale convective systems and two severe local convective systems in 1989 and 1990 show that positive CG flash rate usually has two peak values.The major peak occurs during the developing stage of the storm and most of the positive CG flashes originate at the lower part of the storm.The minor occurs during the dissipative stage of the storm and most of the positive CG flashes originate at the upper part of the storm,especially in the region of the wind divergence in the storm anvil.The positive CG flash rate is almost an order of magnitude larger in the developing stage than in the dissipative stage.The appearing time of the peak of negative CG flash rate is in accordance with that of the valley of positive CG flash rate.The higher the intensity of the radar echo,the higher the positive CG flash rate.Most of the positive CG flashes occur when the weak echo area is larger,and mostly originate in the region where the radar echo intensity is about 10dBz and in the back region of the moving storms.The spatial distribution of the positive CG flashes is much more dispersive than that of the negative.The mesoscale analysis reveals a bipolar lightning pattern.The mean bipole-length reaches its minimum during the mature stage of the storm and reaches the maximum during the developing stage of the storm.The vertical distribution of the charge density is calculated by a one-dimensional charging model.Then,we discuss the producing condition of the positive CG lightning and forming cause of charge structure mentioned above.     

1958年8月4—12日西太平洋副热带高压减退过程的研究

本文对1958年8月4—12日中国大陆上西太平洋副热带高压减退过程作了分析。结果指出:它的减退是从200—400毫巴层次中开始,然后向上向下传递,最大变化发生在200毫巴层上,500毫巴以下高度场的变化是很小的,这是由于对流层顶附近的动力因子所决定的。文中还指出,大型环流发展所引起的经圈环流和东风急流显著的变动,是造成高压减退很主要的因素。本文还进一步分析了东风急流减退的物理机制和高压本身结构的演变特点,以及这种变化对高压减退所起的作用。     

High-order cumulants of sea surface elevations

The variability of cumulants of the fifth and sixth orders of the sea surface elevations is studied. The investigations are carried out on the basis of the data of direct wave measurements carried out in the field conditions. It is demonstrated that the cumulants of the fifth order are weakly correlated with the variations of the mean sea surface slope generated by the dominant waves. The variations of the cumulant of the sixth order are not correlated with the mean slope variations. The errors of the sea surface elevation probability density approximated by the models based on the use of Gram-Charlier series are analyzed. The analysis is carried out for the models including various numbers of terms of the Gram-Charlier series.     

On condensation and precipitation of atmospheric moisture in the surface layer

Presented are the computations of condensation and precipitation of atmospheric moisture at night depending on the diurnal variations of air temperature and air humidity. Used are the meteorological data for northern Dagestan. Determined is the contribution of the dew to the moistening of the soil. The examples of the exponential and lognormal distribution of droplets revealed that the use of the velocity of medium-size droplet underestimates the value of the moisture mass precipitated on the soil. A concept of the mean mass precipitation velocity is introduced, and the formulae are provided for determining the average mass of deposited condensate depending on humidity, the temperature drop, and size distribution of droplets. Posed is a new problem of diurnal condensate precipitation in the soil in summer and of technology of its increase.     

正、斜压涡度拟能相互作用对乌拉尔阻塞过程的影响

研究表明,正压涡度拟能的增强和减弱是乌拉尔山上空阻塞过程的重要特征,正压涡度拟能增强的主要机制是斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换,而斜压涡度拟能的来源则是阻塞区外斜压涡度拟能向阻塞区的净输送和阻塞区内斜压涡度拟能的净生成。正压涡度拟能减弱的主要机制足耗散机制和β效应。因此。阻塞过程是正、斜压涡度拟能相互作用的结果。纬向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞的维持和崩溃中具有重要的作用,经向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞环流的建立中具有重要的作用,经向正压风对正压涡度拟能的净输送和斜压风对涡度拟能的净输送也具有重要贡献。     

Climate change estimates for the regions of Russia in the 20th century and in the beginning of the 21st century based on the observational data

Compared are the estimates or regional changes in temperature and precipitation on the territory of Russia for two methods of the spatial averaging of meteorological station data, one of which is adapted to the sparse observational network and takes account of the station weights proportional to the area of their influence. Considered are several variants of the zoning with the separation of the different number of regions. Formulated is a criterion of the zoning adequacy to the problem of the revelation and analysis of regional climate changes. Estimated is the representativeness of the network of observations of temperature and precipitation for separate regions. Presented are the estimates of regional trends of air temperature and precipitation for the century interval and for the recent decades obtained on the basis of the full archive of available data for the zoning attached to the administrative division of the Russian Federation into the federal districts.     

利于上行负地闪始发的电荷区参数数值模拟

在经典偶极性电荷结构下,结合已有的闪电放电参数化方案及中国气象局雷电野外科学试验基地的广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou,TOLOG)观测分析结果,不断调整主负电荷区参数进行二维高分辨率闪电模拟试验,讨论自持型上行负地闪与云中闪电之间的相互竞争关系以及有利于自持型上行负地闪始发的云中电荷结构。数值模拟结果表明:自持型上行负地闪始发与电荷结构存在一定关系,在主负电荷区越高的情况下,始发自持型上行负地闪需要的主负区电荷密度与电荷分布范围越大。对于不同类型的闪电始发条件,推测存在自持型上行负地闪始发的主负电荷区高度阈值,当主负电荷区高度高于该值时,随着主负区电荷量的不断累积,会始发起始于云中的闪电而不是自持型上行负地闪,当主负电荷区高度低于该值时,电荷的不断积累会导致自持型上行负地闪始发。     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统触发和组织化的观测分析

利用观测和NCEP再分析资料,对2015年6月26-28日江淮流域梅雨锋暴雨天气对流的触发和中尺度对流系统（MCS）的组织方式进行了分析。结果表明:梅雨锋附近发展的2个线状中尺度对流系统是暴雨的直接制造者。MCS2的发展有2种组织方式,26日夜间到27日凌晨,东西向雨带的不断后部建立和随后对流单体的列车效应是其发展的主要方式。27日凌晨到白天,初期新单体不断在线状MCS2的南缘触发,形成多个近乎平行的东北-西南向短雨带,后期梅雨锋锋面雨带从西部不断东移,经过强降水区;对流元有2种尺度的组织方式:新生对流单体沿着单个雨带向东北方向的列车效应以及东北-西南向雨带沿线状中尺度对流系统向东平移的"列车带"效应;持续的后部建立型和沿着同一路径不断的"列车带"效应使MCS2发展和维持。梅雨锋前不稳定空气的地形抬升和边界层辐合上升是初始对流的主要触发机制;26日夜间对流产生的冷池对对流的触发和MCS2的组织化及维持起重要作用,中尺度对流系统的组织特征和发生、发展受近地面环境场制约。      

Field Experimental Investigations on the Fe(II)- and Fe(III)-Content in Cloudwater Samples

The Fe(II)/Fe(III)-partition in cloudwater samples collected during two field campaigns is evaluated. It turned out that the simultaneous occurrence of complexing and reducing substances in the atmosphere and the cloud processing increase the solubility of iron compounds present in aerosol particles. A correlation between the concentration of iron(II) in the liquid phase and the intensity of the solar irradiation was observed for most of the cloudwater samples. This could be due to the fact that both the photochemical reduction of the iron(III) complexes and the photochemical reductive dissolution of iron(III)(hydr)oxides are depending on the pH-value. Iron(II) seems to be oxidised back to iron(III) preferably by hydrogen peroxide during the night. Positive correlations were received e.g. between the concentration of dissolved iron and the concentration of oxalate and between the percentage of iron(III) and the concentration of hydrogen peroxide. A negative correlation was found e.g. between the concentration of dissolved iron and the pH-value. The uncertainty of the whole process of sampling and analysis was investigated and the conformity of the results was satisfying considering the sometimes difficult conditions during a field campaign.     

2016年7月18—20日湖北省特大暴雨过程的中尺度特征分析

利用多种常规和非常规观测资料诊断分析了湖北2016年7月18—20日特大暴雨过程的降水特点以及中尺度对流系统(MCS)的发生发展特征和环境场条件,结果表明：此次特大暴雨过程具有很强的极端性,分为梅雨锋南侧暖区降水和梅雨锋面降水两个阶段,都具有较为极端的水汽条件。第一阶段在地面风场辐合的作用下触发了初生对流单体,西南低空急流出现脉动,湿层的增厚促进了强雷暴的发展。新生单体在雷暴上游生成,迅速并入强雷暴,后向传播是其稳定少动的重要原因之一。强盛阶段,强雷暴具有暖云低质心的特征,低层垂直风切变与雷暴偏北风出流的方向配置、中气旋的出现都促进了上升运动,促使强雷暴长时间维持,造成了马良站连续数小时出现高强度降水。第二阶段,环境风平行分量远大于垂直分量,促进了东北—西南向平行层状MCS（PS型MCS）的形成。具有多单体依次排列的特征,新生单体在系统西南侧地面辐合线的作用下不断生成发展,使得PS型MCS增强维持,移动缓慢。马良站受到PS型MCS对流线和西北侧层状回波的影响,小时强降水明显较第一阶段偏弱。