饱和湿空气动力学的基本方程和主要特征

本文从大气热力学的基本特征出发,引入了代表饱和湿空气焓的特征量的广义温度,并推导了一组饱和湿空气动力学方程组。还提出了温平衡风(或称湿地转风)、假相当位温风(或称湿热成风)的概念;对低空急流等若干基本特征也作了探讨。     

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。     

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。     

凝结几率函数的引进和非均匀饱和湿空气动力学方程组

引进凝结几率函数，并摈弃“凝结过程开始于某个临界的相对值”的假定，使湿空气动力学研究摆脱整个大气总是处处维持饱和的不合理要求，建立了非均匀饱和湿空气动力学方程组，并在一定的假设下给出了方程组的一些简化形式。     

用公式计算对流云高

我们知道,干空气在垂直上升运动中,由于周围气压不断降低,干空气块向外膨胀作功,需要消耗内能而降低温度,在单位高度内降低的温度值称干绝热直减率(γd),此值根据理论推算为γd=0.98℃/100米。而未饱和的湿空气在垂直上升运动中,其露点温度也随高度而降低,其值约为γ_z=0.17℃/100米。在近地面的实际大气层中,绝对干的空气是不存在的。可是未饱和的湿空气在垂直运动中,只要没有水汽凝结(蒸发)现象产生,其温度随高度的变化规律与干空气是大致一样的,即也遵循γd=0.98℃/100米的规律。 一块未饱和的湿空气,它在地面附近时的温度为t,露点温度为td。在其绝热上升中,气温和露点温度遵循各自的递减率,且γd>γz。因此,上升到某一     

广义非线性亚临界湿对称不稳定

从含摩擦耗散与凝结潜热的f平面Boussinesq近似下的非线性扰动方程组出发,得到了湿空气中的广义能量方程,推导出非线性亚临界湿对称不稳定的必要条件,并将不稳定判据与干空气情况相比较,首先解析地分析得到凝结加热反馈机制对亚临界对称不稳定的影响。其次针对中尺度大气层结不稳定和稳定的情况,分别计算出初始扰动振幅的临界值,结果表明,相对干空气而言,饱和湿空气情况下,当中尺度大气层结不稳定时,亚临界对称不稳定更容易发生,即使中尺度大气层结稳定,亚临界对称不稳定也容易发生。这一结果改进了干空气下的非线性亚临界对称不稳定理论。     

饱和湿空气天气和动力学中的一些基本问题

从暴雨的基本特征来看,它似乎有些与干空气天气和动力学的固有特征不同。从热力学、动力学的基本理论研究出发,寻找反映这种特征的物理量,探讨这些物理量间的相互关系,并从理论上解释暴雨中的基本特征是当前暴雨研究中的基本问题之一。谢义炳教授提出的“湿斜压大气”是暴雨研究中的一个新方向。作者从饱和湿空气的热力学、动力学基本方程出发,并从暴雨的落区预报、动力分析、物理过程分析等方面探讨饱和湿空气斜压(简称湿斜压)大气的基本特征及其应用,其重要结果如下。     

尿素核和盐核的凝结性能

尿素作为人工降水暖云催化剂,已有一些地区进行过外场作业和试验。但是关于尿素核的凝结性能,详细的研究甚少。本文对尿素核的凝结增长性能进行了实验研究。作为比较,对常用的暖云催化剂盐核的凝结性能也作了相应的研究。 1.实验方法 实验装置如图1所示,主要包括湿空气发生系统和观测系统两部分。湿空气发生系     

密度温度Tρ——一个新的大气热力学变量

在近年出版的湿大气对流专著和论文中［１,２,３］,引入了一个新的大气热力学变量——密度温度Ｔρ。现根据有关文献及我们的理解,对其介绍如下。１　虚温Ｔｖ考虑到密度温度Ｔρ可称为广义虚温,故我们先重温一下虚温的概念。众所周知,在气压ｐ和温度Ｔ相同的情况下,空气密度ρ随水汽含量而变化：湿空气比干空气轻;水汽含量越多,湿空气密度越小。习惯上,将密度与水汽含量的相关性放到一个修正的温度——虚温Ｔｖ中去考虑,使得［１］：　　　ＲｄＴｖ≡Ｒ′Ｔ,　或Ｔｖ≡Ｔ１＋ｒ／ε１＋ｒＴ（１＋０．６０８ｒ）（１）其中,…     

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,     

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。     

秦皇岛市两次极端最低气温天气过程的对比分析

利用MICAPS资料和NCEP(1°×1°)再分析资料,对秦皇岛市2001年1月15日和2010年1月6日两次最低气温极值天气过程,从环流形势、物理量场的垂直结构、温度方程的平流项、垂直项与非绝热项等进行了综合对比分析。结果表明:两次过程环流形势基本相似,均自西北路径直接影响华北,冷平流由水平方向移动并在垂直方向下传;通过对局地温度变化中各项因子的定量估算,发现当空气干燥且从低到高空均为下沉气流时,下沉增温的影响不容忽视;2010年1月6日出现的最低气温极值主要是非绝热因子影响。2010年1月3—4日秦皇岛降暴雪,积雪深度在10 cm以上,2010年1月6日非绝热项为-0.907℃.h-1,2001年1月15日非绝热项为-0.301℃.h-1,下垫面性质的改变对局地气温的影响可为最低气温预报提供参考。     

大气中的降水与反降水──''98梅雨锋暴雨的天气学成因分析与预报探讨

对我国Ｔ１０６Ｌ１９（客观分析）模式大气,（１９９８年６～７月）做了大气中所有天气学降水（垂直运动形式）的计算。研究表明,’９８长江流域上空暴雨存在着明显的梅雨锋天气（尺度）系统降水,同时,长时间湿空气团的维持及其输运,和在梅雨锋上的非等熵湿绝热运动并不断形成对流不稳定降水,是强降水发生的天气学成因。因此,用模式大气中各种天气学形式的降水去（概率）统计预报实际大气降水,实现了预报因子和预报对象之间     

广义湿位涡理论及其应用研究

押重点介绍了诊断暴雨落区与强度的广义湿位涡理论研究方面的两个内容,一是由于暴雨系统中强降水引起的质量亏空导致的暴雨系统中质量强迫下的湿位涡异常理论,二是非均匀饱和大气中的广义湿位涡理论;对暴雨系统中质量强迫的物理意义和非均匀饱和大气中的广义位温引入的思路与意义作了详细说明,并对位涡理论作了细致推导。在此基础上,针对暴雨个例,利用质量强迫的湿位涡异常和非均匀饱和广义湿位涡异常诊断了暴雨落区,从理论和诊断上论证了利用这两种湿位涡异常判断暴雨落区的可行性。     

A STUDY ON THE VARIATIONS OF CIRCULATION PATTERN IN THE NORTHERN HEMISPHERE AND CLIMATE CHANGE IN CHINA FOR THE RECENT 100 YEARS

The time series of annual frequency of the circulation patterns W,C,E in the Northern Hemisphere and annual mean temperature of Beijing (T_B),Shanghai (T_S) and the whole country (T_C) in the period 1891-1990 are expanded as a long-term tendency,a periodic function and a random function.The coherence between circulation and temperature is calculated and analyzed.The abrupt change of circulation and temperature in the last 100 years is revealed with the methods of the accumulated anomalous curves,the signal/noise ratio as well as the Mann-Kendall test.The correlations between anomalous circulation and climate are discussed with some explanations.     

两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h）,对2013年7月21-22日和2014年7月8-9日两次陕北暴雨过程成因进行热力动力诊断,结果表明:两次陕北暴雨与高低空急流关系密切,暴雨带位于低空急流左侧的水汽辐合区,“0721”过程低空急流更强,在高低空急流耦合的强上升运动区（延安）出现大暴雨。降水前期,两次过程大气均存在对流不稳定,切变线触发对流,产生强降水,而其释放的凝结潜热加热形成中低层大气的热力不连续面,湿斜压性及锋生增强,造成整层饱和大气的抬升,维持强降水。“0721”过程前期对流降水的潜热释放更大,由此反馈的低空急流及锋生更强,出现大暴雨天气。广义对流涡度矢量垂直分量很好地描述了两次暴雨过程高低空急流耦合作用以及凝结潜热释放增强的锋生作用,其变化趋势能够反映降水的发展和减弱过程。暴雨出现在湿热力平流参数垂直积分大值中心及南侧的高梯度区,大值中心出现后约6 h会产生强降水,这对于强降水落区的预报有一定指示意义。     

包含冻结过程的广义位温及位涡特征分析

为了对比分析降水过程中不同表达形式热力学变量和位涡时空分布特点,本文针对2017年7月13～14日吉林省强降水过程,利用模式输出资料对常规位温（θ）、相当位温（θ_e）、包含凝结概率函数的广义位温（θ_Gao）、包含冻结概率函数的广义位温（θ_Wang）和同时涵盖凝结过程与冻结过程（θ_Gu）五种不同形式位温进行计算,并分析五种对应位涡[PV(θ)、PV(θ_e)、PV(θ_Gao)、PV(θ_Wang)、PV(θ_Gu)]与降水的关系。结果表明,引入冻结概率函数的广义位温（θ_Wang）和对应的广义湿位涡PV(θ_Wang)与强降水的对应性更好。θ_Wang与θ_Gao差异集中在降水区对流层中高层5～11 km,前者始终高于后者,最大差异达2.5 K,说明冻结概率函数的引入扩大了广义位温的适用范围,更适合描述降水区湿大气非均匀饱和热力状态。五种位涡的差异主要在降水区上空12 km以下,由θ_Gao和θ_Wang定义的位涡PV(θ_Gao)和PV(θ_Wang)的正负异常中心更为明显。相比于PV(θ_Gao)和PV(θ_Wang)异常值更大,差异可达±0.2 PVU,这主要是由于冻结概率函数的引入增大降水区上空广义位温,促使冻结区的湿位涡异常增强。