大气非绝热加热作用的研究进展与展望

大气非绝热加热与天气系统的发生发展有密切联系,与降水等天气过程密不可分,非绝热加热在大气运动中有着至关重要的作用。对非绝热加热的研究和理解,有助于改进数值预报模式,增强数值天气预报模式的预报能力。本文系统梳理了大气非绝热加热的基本内容,近几十年非绝热加热及其作用的研究成果,主要包括非绝热加热的概念及其表征、非绝热加热的时空分布特征、非绝热加热与季风、天气系统(如西太平洋副热带高压、热带气旋、温带气旋和急流)和降水之间的关系,以及非绝热加热在数值模式中的表征,进而指出有待于进一步研究的方面。     

非绝热加热对6月东北冷涡形成演变的影响及其可能机制

利用ERA-Interim再分析资料,基于等熵位涡理论,采用合成分析和动力诊断方法分析了6月东北冷涡演变过程的气候特征,探究非绝热加热对东北冷涡形成和演变的重要影响。结果表明:气候平均东北冷涡形成在中纬度对流层高层,其形成过程表现为等熵位涡"自上而下、自西向东"发展加强,其演变过程与大气非绝热加热的变化密切联系。在东北冷涡形成前,其上空的非绝热加热明显加强;而在东北冷涡形成后,局地对流层中下部非绝热加热迅速发展。可见,东亚中纬度地区的高空非绝热加热是东北冷涡形成和发展的重要因素,而东北地区对流层中部的非绝热加热则是东北冷涡减弱消亡的主要原因。     

非绝热加热对热带气旋非对称结构影响的数值试验

利用含非绝热加热强迫的正压涡度方程。将非绝热加热作适当的参数化处理。对初始对称 热带气旋作了一系列数值试验,结果表明：不仅β项、平流项在热带气旋非对称结构的形成中有重要作用,而且非绝热加热对热带气旋的非对称结构亦有重要影响,从而验证了非绝热加热是热带气旋非对称结构形成的一种可能机制的结论。     

空间非均匀加热对副热带高压带形成和变异的影响Ⅰ:尺度分析

利用全型垂直涡度倾向方程,讨论了空间非均匀非绝热加热（Ｑ）对副热带高压形态变异的影响。通过简单的空间尺度分析指出,Ｑ的垂直非均匀分布比其水平非均匀分布对副热带高压带断裂成闭合中心的影响更大。在时间尺度较长时,低空的β效应和高层的涡度平流对副热带高压形态的形成有重要作用。在它们影响下,低空副热带高压出现在表面感热加热西侧、深对流凝结加热东侧;而高空副热带高压出现在表面感热加热的东侧、深对流凝结加热的西侧     

青藏高原加热对东亚地区夏季降水的影响

东亚地区降水主要集中在夏季,是亚洲夏季风系统的重要特征.本文利用NCEP再分析资料和CRU的降水资料,分析了青藏高原非绝热加热对东亚夏季降水的影响.结果表明,东亚地区夏季降水的分布形势与青藏高原非绝热加热变化有很好的相关关系.由于高原非绝热加热可在亚洲东部沿海地区强迫出类似Rossby波列的大气环流低频振荡结构,而此低频波可以影响到西太平洋副热带高压的形态和位置变化,从而使得东亚夏季降水的形势发生变化.而青藏高原非绝热加热的形态从春季到夏季有很好的持续性,春季高原加热与夏季东亚的降水形势分布也有很好的相关.本研究中采用的青藏高原非绝热加热指数可作为东亚夏季降水预测的一个指标,亚洲季风降水不仅受赤道太平洋海温的影响,青藏高原地区的非绝热加热对其也有显著的影响作用.     

2003年7月西太平洋副热带高压变异及中国南方高温形成机理研究

运用全型垂直涡度倾向方程理论, 研究了空间非绝热加热在垂直方向的变化对2003年7月副高强度和位置变异的影响.结果表明: 副热带地区的非绝热加热对副高的强度和位置的变化有极其重要的影响.与气候平均状况相比较, 2003年7月副高北侧、西侧非绝热加热的垂直变化异常偏强, 而南侧、东侧较常年异常偏弱.这种异常的非绝热加热状况导致我国江南到副热带西太平洋地区呈现带状的异常反气旋性涡度制造, 使得7月副高偏强偏西.     

热带平流层低层的对称运动和反对称运动

文章从对赤道β平面上静止大气中线性方程分解着手,得出控制对称运动和反对称运动方程组,对方程求解,从理论上证实在热带子流层低层中存在两种特殊性质的运动即对称运动和反对称运动,并证实赤道Kelvin波是典型的对称运动,而混合罗斯贝-重力波是反对称运动。文章分析了非绝热加热对对称运动和反对称运动的影响,当非绝热加热为唯一的外源扰动时,对称的非绝热加热是产生Kelvin波的重要条件,而反对称的非绝热加热是产生赤道区域平流层混合罗斯贝-重力波的重要条件。另外,随着非绝热加热增加,对称运动和反对称运动强度也增加。     

位涡倾向在Muifa台风路径转折中的应用

利用ECMWF资料诊断分析了位涡倾向方程中的水平平流项和非绝热加热项分别在Muifa台风两次路径转折中的作用。结果表明:第一次路径转折过程中,非绝热加热项的量级比水平平流项小一个量级,水平平流项所表征的外部大尺度环流因素是第一次路径转折的主要原因;第二次路径转向过程由水平平流项和非绝热加热项共同控制,其中水平平流项控制台风的移向,非绝热加热项表征的内部非对称结构对台风转向有抑制作用。     

梅雨异常年大气非绝热加热场的比较分析

利用ＥＣＭＷＦ／ＷＭＯ客观分析格点资料，分析了多梅年和空梅年大气非绝热加热场特征。结果表明，梅雨期降水与大气非绝热和加热场有密切联系，梅雨各阶段的加热汤具有不同的特性，丰梅年与空梅年的加热场有显著差异。     

春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征

本文利用1958～2019年日本气象厅逐日再分析资料（JRA-55）,基于热力学方程,详细研究了北亚地区春夏季节转换前（第19至28候）平稳增温过程的热力学特征。结果表明,气候温度平流和非绝热加热有相反的变化趋势,它们先后主导着北亚春夏季节转换前的温度变化。在第22候之前,绝热的气候温度平流主导着北亚地区的增暖过程。但随着欧亚大陆中高纬度上的非绝热加热逐步增强,气候温度平流逐渐变为冷平流,使得非绝热加热成为主导项。线性斜压模式结果表明,非绝热加热除直接加热局地大气外,它还会在北亚地区强迫出气旋式环流异常和上升运动,从而引导着原位于新地岛附近的低压系统向北亚地区移动,进而在水平和垂直方向上引起绝热的冷平流。该冷平流部分抵消了非绝热的加热作用,最终在北亚地区形成平稳的增温过程。     

气候变化对沈阳冬季供暖期的影响

利用1961-2010年沈阳市的年平均气温和供暖期及供暖期前一个月、供暖期后一个月的逐日平均气温资料,采用线性趋势分析方法及度日法,分析近50 a沈阳市年平均气温和供暖期平均气温变化的总体趋势,并对供暖初日、供暖终日和供暖期长度及供暖强度的变化特征进行分析。结果表明：近50 a沈阳市年平均气温与供暖期平均气温均呈上升趋势,近50 a年平均气温上升明显,通过了显著性检验;气候变暖使得供暖初日推迟;供暖终日提前;供暖期长度缩短;气候变暖使实际供暖强度逐渐减弱。     

吉林省冬季气温变化对采暖期的影响

利用1960—2009年吉林省46个测站平均气温和最低气温资料,利用采暖强度、采暖指数、气温趋势倾向和M-K检验方法,分析吉林省采暖期气温变化特征及变化规律。结果表明：吉林省采暖期平均气温、最低气温均呈上升趋势,低于-20℃的日数明显减少。近50 a平均气温、最低气温趋势倾向值为0.24℃/10 a、0.42℃/10 a;特别是近10 a来上升趋势明显,平均气温、最低气温倾向值为0.84℃/10 a、1.25℃/10 a,最低气温的升温趋势较为明显。吉林省采暖开始日呈推迟趋势,采暖结束日呈提前趋势,从而使采暖期日数缩短。根据突变分析,采暖期气温变化的突变年为1985年。吉林省采暖期长、采暖强度强的年份大部分出现在20世纪80年代中期以前;采暖期短、采暖强度弱的年份多出现在80年代以后。采暖指数分析表明,20世纪80年代中期以前,采暖指数以正值为主;80年代中期以后,采暖指数以负值为主,90年代均为负值,但在近10 a采暖指数波动幅度加大。由于采暖强度降低、采暖期日数缩短,合理利用气温条件开展采暖工作,可以减少向大气排放CO2、SO2和NO2,对减缓气候变暖、改善大气环境质量有重要的现实意义。     

GLOBAL ATMOSPHERIC SEASONAL-MEAN HEATING: DIABATIC VERSUS TRANSIENT HEATING

With the ERA40 reanalysis daily data for 1958-2001, the global atmospheric seasonal-mean diabatic heating and transient heating are computed by using the residual diagnosis of the thermodynamic equation. The three-dimensional structures for the two types of heating are described and compared. It is demonstrated that the diabatic heating is basically characterized by strong and deep convective heating in the tropics, shallow heating in the midlatitudes and deep cooling in the subtropics and high-latitudes. The tropical diabatic heating always shifts towards the summer hemisphere, but the midlatitude heating and high-latitude cooling tend to be strong in the winter hemisphere. On the other hand, the transient heating due to transient eddy transfer is characterized by a meridional dipole pattern with cooling in the subtropics and heating in the mid- and high-latitudes, as well as by a vertical dipole pattern in the midlatitudes with cooling at lower levels and heating in the mid- and higher-levels, which gives rise to a sloped structure in the transient heating oriented from the lower levels in the high latitudes and higher levels in the midlatitudes. The transient heating is closely related to a storm track along which the transient eddy activity is much stronger in the winter hemisphere than in the summer hemisphere. In Northern Hemisphere, the transient heating locates in the western oceanic basin, while it is zonally-oriented in Southern Hemisphere, for which the transient heating and cooling are far separated over South Pacific during the cold season. The transient heating tends to cancel the diabatic heating over most of the globe. However, it dominates the mid-tropospheric heating in the midlatitudes. Therefore, the atmospheric transient processes act to help the atmosphere gain more heat in the high-latitudes and in the mid-troposphere of midlatitudes, reallocating the atmospheric heat obtained from the diabatic heating.     

气候变暖与西安市冬季供暖的能源消耗分析

The accumulated negative temperature,the first heating date,the last heating date,heating duration,collective heating area and energy consumption for winter heating in Xi'an during 1986-2002 were comprehensively analyzed.The results show that under the global warming,winter in Xi'an became warmer and heating duration shone,With the development of economy,the area and energy consumption for collective heating increased continually.In the meantime,the energy consumption per unit area for winter heating decreased year by year,but it did not match the winter temperature well because the energy was not proportionally consumed according to the change of temperature.In order to conserve energy effectively,heating in winter should be timely adjusted according to actual temperature change.     

非绝热加热对冷锋锋生过程影响的比较研究

本文利用半地转模式研究了非绝热加热对冷锋锋生过程的影响。计算结果表明，非绝热加热包括大尺度凝结潜热、积云对流加热和感热都可以在加热区诱发出附加的锋生场。从而使加热区内的锋区强度得到明显加强；三种加热都能使上升速度增大，其中大尺度凝结潜热释放可在锋前出现一条宽约２００ｋｍ的强降水带．积云对流加热可使上升运动区范围缩小或在低层出现中尺度雨带，感热加热是产生中尺度雨带的一种可能机制。计算还表明，大尺度凝结潜热对锋生过程的影响最明显。它可以影响锋生过程中所有物理量。而积云对流加热和感热加热只对位温场和垂直速度场有明显影晌。但影响程度没有大尺度凝结潜热大。     

日光温室电暖风机加温效果评估与经济投入分析

日光温室加温是改善冬季日光温室作物生长温度环境的主要措施之一。选择典型节能型日光温室,利用暖风机加温试验研究加温方式作用下温室内温度时间、空间变化以及在极端天气条件下和不同外界温度条件下的加温效果,并进行经济投入分析。结果表明：电暖风机加温后温室内温度明显提高且温度分布较均匀,平均温度较对照温室高4.23 ℃,其中平均最低温度提升效果最明显;低温天气时,平均温度比对照温室温度高4.24 ℃;寡照天气时,平均温度比对照温室温度高4.48 ℃。暖风机在外界温度-12 ~-4 ℃时对温室进行加温的效果最佳。通过对几种传统的温室加温方式经济投入的分析表明,电暖风机是一种投资小,耗能低,经济效益相对较高的加温方式。     

Climate Warming and Energy Consumed for Winter Heating in Xi'an

 The accumulated negative temperature, the first heating date, the last heating date, heating duration, collective heating area and energy consumption for winter heating in Xi'an during 1986-2002 were comprehensively analyzed. The results show that under the global warming, winter in Xi'an became warmer and heating duration shorter. With the development of economy, the area and energy consumption for collective heating increased continually. In the meantime, the energy consumption per unit area for winter heating decreased year by year, but it did not match the winter temperature well because the energy was not proportionally consumed according to the change of temperature. In order to conserve energy effectively, heating in winter should be timely adjusted according to actual temperature change.     

NUMERICAL EXPERIMENT OF MEDIUM-RANGE CHANGE OF THE SUBTROPICAL HIGH Ⅰ. THE INFLUENCE OF THE HEATING SOURCE OVER TIBET PLATEAU

The medium-range change of the subtropical high of June 1979 and its influences of the heating sources over Tibet Plateau are studied by using a global circulation spectrum-model. The analyses of the simulation results show that the heating sources over Tibet Plateau play an important role in the process of frontogenesis. the intensity of frontal zone and the upper-tropospheric westerly jet associated with it. When there are heating sources over Tibet Plateau. both the frontal zone and westerly jet are stronger. There are very important mutual relations between the sensible heating and latent heating. After the sensible heating and latent heating are isolated.it departs much from reality that the significance of them are studied     

南亚季风活跃和中断的物理机制

采用由赤道平衡模式导出的低阶谱模式,考虑了积云对流加热和辐射冷却的作用,用多平衡态理论解释南亚季风活跃和中断的物理可能机制。结果表明,当积云对流加强时,南亚季风活跃;当积云对流减弱时南亚季风中断,这与Ｋｒｉｓｈｎａｍｕｒｔｉ等提出的云－辐射假说一致。     

气候变暖与西安市冬季供暖的能源消耗分析

摘 要：综合分析了西安市负积温、供暖初日、供暖终日、供暖期天数以及西安集中供暖面积和供暖热消耗量的多年变化。结果表明：在全球变暖的背景下,西安市亦存在冬季越来越暖,采暖期越来越短的趋势;随着经济的发展,集中供暖总面积和总供暖热消耗量不断增加,而单位供暖面积的热消耗量的总趋势随年代有所减少,但逐年耗热量与冬季气温的相关性并不好,说明实际供暖部门并没有根据气候变化调整能源投入。因此,建议冬季供暖的初、终日期及供暖强度应随着天气冷暖变化而随时调整,实现合理节能。