可逆饱和绝热过程分析及其与大气对流能量相关问题的讨论

讨论了可逆饱和绝热线的制作、实际大气中的湿过程与假绝热过程及可逆饱和绝热过程之间的区别和联系。提出为明确 Ｍ Ｃ Ａ Ｐ Ｅ 及 Ｄ Ｃ Ａ Ｐ Ｅ 的物理意义，其概念及计算可参照可逆饱和绝热过程来理解和处理。引入了包含液态水拖曳作用的 Ｍ Ｄ Ｃ Ａ Ｐ Ｅ 的概念及算法     

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％。     

印度夏季风垂直环流圈的数值试验

为了研究山脉、非绝热加热、特别是大气湿非绝热过程(水汽凝结、云与辐射过程的反馈和积云对流过程等)对印度季风垂直环流的影响,本文利用一个五层原始方程模式,对印度季风中断和活跃过程分别进行了五种数值试验。试验中采用了实际地形,初始场取自FGGE—3B格点资料。结果表明:包括湿过程的非绝热加热作用对沿80°E附近的经向垂直环流的结构和强度有重要影响。当减少大气中的水分含量或略去积云对流过程或去掉整个非绝热过程时,季风环流圈的范围和强度均减小。季风中断与季风活跃时期,山脉与不同季风环流相互作用的结果也不同,中断时期,在印度中部有山试验比无山试验的上升运动弱、降水量少;活跃时期则相反。     

有地形数值模式中坐标变换和气压梯度力计算问题的讨论

一、前言 大气动力学微分方程是通过把牛顿第二定律、质量守恒定律及能量守恒定律用于有限小空气微团,然后令微团体积趋于无限小时得到的,因此数值模式的大气动力学方程实际上经历了差分→微分(或再经过坐标变换)→差分这样三种形式的变换过程。在微分     

广义湿绝热过程

为研究降水问题,我们引入了一个新概念“广义湿绝热过程”。这种过程中可以存在过饱和空气。文中证明了比湿与热力学路径的准无关性,并利用这种过程作了某些湿度特征量的计算。最后建立了一个新的降水方程。     

第四讲:热力学量和非绝热加热率的计算

大气运动包含着动力学和热力学过程。热力学过程受许多气象因素制约,其中水汽的时空变化极大,水汽的作用使热力学过程趋于复杂化。非绝热过程是影响大气运动演变至关重要的因素,大尺度气流对非绝热强迫的反应可在几天后出现。在物理量诊断分析及数值预报模式的设计中,均要考虑大气中辐射盈亏、水汽凝结和感热输送等物理过程。本讲分两部分:第一部分主要介绍大气中的热力保守量的计算以及构造γ_m 曲线(湿绝     

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。     

利用自记忆模式试报我国汛期降水

基于大气运动是一种不可逆过程的观点，引进了记忆过去时次资料的记忆函数。进一步阐明了大气运动的自记忆概念，导出了大气运动的自记忆性方程。基于自记忆原理，从大气热力学方程和水分平衡方程出发，建立了一个用于短期降水预报的数学模式。对6－8月我国汛期降水预测作了12年的回报试验，结果表明该模式的预测评分比目前的月预报有很大提高。     

对集成预报方法的检验

长期天气过程和中、短期天气过程相比较,在物理本质上有重要区别.长期天气过程是非绝热过程,外界的传送与大气能量交换对长期天气过程的演变有重要作用,因此,既使在用统计方法制做长期天气预报时,我们也尽量选用物理意义比较好的因子,如     

对流有效位能的本质和一种新的计算方法

详细阐释了对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)的本质;提出了CAPE新的计算公式;简要介绍了与CAPE计算有关的物理过程和一些新的物理量。结合实例,用新的公式和目前通用的公式,对CAPE和对流抑制能量(convective inhibition,CIN)分三种情形进行对比计算:1)可逆湿绝热过程;2)假绝热过程;3)等假相当位温过程。计算结果表明,假绝热过程比可逆湿绝热过程CAPE新算法明显偏高、CIN明显偏低;MICAPS默认方法与等假相当位温过程计算结果大体相近。     

多尺度天气分析理论和应用Ⅰ:基本原理和天气系统的本质

根据大气运动和结构的多尺度特征,提出了大气微团的多重结构模型,认为大气由不同尺度的微团以多重结构的形式组成,即大尺度微团由若干较小尺度的亚微团构成,而亚微团又由更小的微团组成.利用Navier-Stokes方程推导出亚微团的相对运动方程,在背景场处于平衡状态下推导出亚微团运动方程的平衡形式,发现该方程与电磁学的基本方程具有相同形式,并将大气轻、重两种微团与正、负离子进行了类比.根据推导出的方程对天气系统的发生、发展进行了研究,认为天气系统是由于亚微团在环境场作用下发生分离并在环境场的作用下重新组合而形成的,这一过程在初始扰动的作用下开始,在正反馈过程中不断加强并最终达到一种平衡状态;而轻、重两种亚微团之间的引力是天气系统减弱和消亡的重要原因.利用亚微团运动方程和对微团扰动速度的自转分析,推导出天气系统的诊断方程,并利用该方程对大气环境场的分布与天气系统发生的相互关系进行了诊断分析,结果表明,环境场风速的快速变化、高低空急流附近的动能梯度、环境涡度的正值区以及强风速垂直变化等因素对天气系统的形成十分有利.     

有效位能产生诊断研究的进展

本文介绍了国内外有关由非绝热过程(感热、潜热和红外辐射)对有效位能产生估算的一些诊断研究结果,揭示了非绝热过程对气旋产生机制和与大尺度环流的关系。一、前言 Johnson在等熵坐标中对运动的开放系统研究了一组方程,提供了关于对风暴有效位能收支的非常概括的讨论。Smith在等压坐标中对运动     

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     

副高北进过程的个例数值研究

就一次出梅时西太平洋副热带高压北进过程,用数值试验的方法,对副高北进的原因进行了分析研究,重点分析了非绝热过程在副高北进过程中所起的作用。结果表明:1）对应出梅时的环流形势,大气内部的动力调整过程具有使副高增强北进的趋势,是副高北进的主导因子。2）在3～5天时间尺度上,非绝热过程的作用不可忽视,其总效应使副高减弱。就各非绝热因子而言,净辐射过程的总效应使副高减弱,不利副高北进;降水凝结潜热释放有利副高的维持和增强,有利副高北进。就地区而言,南亚季风区加热具有同副高南侧热带辐合带加热相同的作用,正的加热增强有利副高增强北进。     

逐日大气加热场的计算方法和个例分析

本文根据涡度方程和热力学方程, 提出了利用四层标准等压面资料倒算逐日整层垂直平均大气加热场的方法。并对冬,春两次强天气过程进行了实例计算,讨论了逐日大气加热场的大小。着重分析了加热场分布与中期环流形势演变的相互关系。     

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。     

一个可供现代数学分析研究的气候动力学模型

针对以往大气动力学方程和气候动力学方程数学研究所使用模式的不足之处,本文作了改进,使数学模型更接近于实际情况。这些包括,（1）取大气上界气压为零,而非某个正的（小）常数;（2）消除了整层无辐散近似,从而使地面气压为直接的预报量,但在地面气压预报方程中加入了水平湍流扩散项（平滑）;（3）对大气运动的内热源的辐射传输过程和水汽相变过程作了合理的处理,而非看作已知的外强迫,用适当的方法可以用解析函数较好地逼近这些过程。另外还提出合理的边界条件。我们的目的是要证明这样提出的初—边值问题的解的存在性,以后还可研究其基本性质和长期行为。     

锋面次级环流研究

本文通过一个包辛内斯克近似、静力平衡方程组,考虑非绝热过程,利用推导出的次级环流方程,在简单条件下,给以解析求解和定性分析,说明锋面次级环流的形成机制和原理,最后进行数值求解,详细解释地面锋面次级环流的存在及其特征,从而解释锋面强烈天气过程的产生原因。     

水汽和山脉对印度西南季风中断向活跃转变过程影响的数值试验

本文在文献数值试验的基础上,利用P-σ混合坐标系五层原始方程模式,在不同水汽含量和地形条件下对1979年7月一次实际季风环流转变过程进一步进行了对比数值试验。讨论了与水汽条件有关的大气湿过程和山脉对印度西南季风中断向活跃转变过程的影响。试验范围是0°—180°E、22.5°—57.5°N,初始场取自FGGE—Ⅲ_b网格点资料。 试验结果表明:在非绝热因子中湿空气的非绝热过程起主要作用,它是西南季风中断结束后迅速出现季风活跃环流的主要机制。山脉的存在也有利于出现季风活跃环流和增加印度地区的季风降水。若在数值试验中削减大气里的水份含量或去掉山脉地形后,模拟结果与正常水汽和有山情况下的非绝热试验结果(接近实况)差异较大,尤其是削减水汽含量后,印度季风环流继续保持初始场中季风中断时的主要特征。     

气象资料同化问题的综述

1.引言数值天气预报过程按经典观念是一个初值问题。数值预报由地球物理流体动力学方程组支配,并完全取决于初始时刻观测值向前积分的过程。应用于地球物理流体的运动方程,当其数学特性给定后由于大气能量过程的复杂性,求解初值问题的工作仍是艰巨的。单纯地提供大气动力学离散方程的积分的最后方案仅对问题作了一半回答。还必须