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.     

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。     

暴雨影响系统的概念模型及预报流程的若干研究

自1975年8月河南暴雨之后,暴雨预报研究十分受到重视.通过广大科技人员的努力,在大气动力学中引入水汽,建立了湿斜压大气动力学理论,提出了中、低纬环流相互作用的观点,指出了高、低空急流相互配合在暴雨发生与发展中的作用.同时还利用计算机进行物理量诊断分析、数值试验、应用数值预报产品制作暴雨预报.所有这些科     

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。     

湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的一种可能机制

根据暴雨中尺度系统发生时的大气运动特征,在绝热、无摩擦条件下,从湿斜压原始方程出发,考虑大气运动的涡度及散度演化不仅受动力场的制约,而且还受到热力场的约束,采用不同于传统研究涡度及散度方程的分析方法,导出了新形式的涡度及散度方程。在此基础上,分析了湿斜压大气中对流层中低层气流旋转与辐合持续增长的动力特征,初步揭示了湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的动力机制。     

暴雨激发和维持的正、斜压强迫机制的理论研究

针对暴雨天气的发生、发展都伴随着对流层中低层有很强的气流与水汽辐合持续的天气事实,摒弃传统研究中把散度方程局限于水平动力方程约束的观念,从湿斜压原始方程出发,导出了包含热、动力耦合强迫作用的散度演化方程,揭示了正压大气非平衡强迫和湿斜压大气热、动力耦合强迫在暴雨激发和维持中的重要作用,阐明了持续性暴雨过程中对流层中低层强烈的气流与水汽辐合长时间维持的动力机制。     

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。     

湿位涡和倾斜涡度发展

从完整的原始方程出发，在导出精确形式的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。并由此去研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。结果表明，在湿等熵坐标中，涡旋的发展与对流稳定度的减少，等熵面上的辐合和潜热的释放有关。由于等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，又进而发展了Ｚ坐标及Ｐ坐标中的倾斜涡度发展理论。指出无论是湿对称不稳定或对流不稳定大气，还是湿对称稳定或对流稳定大气，除对流稳定度的影响外，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。湿等熵面的倾斜越大，这种由干湿斜压性加强所引起的涡旋发展更激烈。在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。对１９９１年６月１２—１５日江淮流域暴雨过程的湿位涡分析表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量ＭＰＶ１和ＭＰＶ２的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层也十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

饱和湿空气热力学的基本特征

本文把凝结过程的初期看作是系统的一种广义绝热过程,而把凝结潜热看作是系统总位能的一个部分。从这个基本思想出发,探讨了饱和湿空气中一些热力学的基本特征。结果表明:当把测量温度T改用广义温度T~*作为独立变量后,干空气中的热力学基本特征都将在饱和湿空气中得到对应的结果。这对研究我国夏季汛期降水以及对大气数值模式的设计,或许有所裨益。     

湿位涡、热力学参数CD与涡度、散度演化

从湿斜压原始方程出发,将热力学方程引入散度方程,导出了显示包含热力学参数CD影响的散度方程。在此基础上,结合湿位涡方程,分析了湿斜压大气中湿位涡水平分量MPV2及其热力学参数CD的动力学性质,揭示了由热力学参数CD表征的斜压动力过程激发对流层中低层涡、散场演变的动力机制,阐明了应用热力学参数CD诊断暴雨中尺度系统发生发展和预报暴雨的理论依据。     

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。     

应用新型散度方程诊断暴雨的触发和增幅机理

分析散度及其变化是进行暴雨研究的途径之,而传统的散度方程不能显示包含热力场分布影响散度演变的问题。因此,利用陈忠明等导出的新型散度方程和NCEP/NCAR(1°×1°经纬度)再分析资料,针对贵州省2007年7月25—26日持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,定量诊断分析大气运动的正压非平衡强迫、湿斜压非地转与风垂直切变耦合强迫在暴雨发生发展过程中的作用,并与地面1、6h降水观测资料和卫星云图资料进行对比分析。探讨正压非平衡强迫、湿Q矢量与垂直风切变的湿斜压热动力耦合强迫导致辐合增加与暴雨发生、发展的动力机制。结果表明:强降水主要发生在近中性或弱不稳定层结条件下。大气运动的正压非平衡强迫导致辐合增加是强降水过程的触发机制;在暴雨维持和增幅过程中,湿斜压热动力耦合强迫在强降水的维持方面扮演了重要角色。当强降水过程发生后,才存在湿斜压热动力耦合强迫作用,湿斜压热动力耦合强迫作用是暴雨增幅的动力机制。未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置与散度演变的强负值区变化一致。新型散度方程对强降水预报有指导意义,可以作为诊断散度场演变的一种有效的数学工具。     

关于暴雨和湿急流的讨论

湿急流是20世纪70年代末谢义炳在长期研究降水问题的基础上、在雷雨顺能量学方法对暴雨和强对流天气研究成果的启发下提出的一个科学猜想。近年来在多个暴雨实例的中尺度数值模拟结果都与湿急流猜想相符,即暴雨区中是存在将低空急流和高空急流在垂直方向上连接起来的湿急流,利用可视化技术还可将湿空气块在暴雨云团中的上升、加速和转向的轨迹清楚地展示出来。但是,湿空气块的加速并不仅仅是湿绝热上升过程中浮力的作用,动量收支的计算表明,中尺度水平气压梯度力对气块动量的增加也有贡献。文中还讨论了与暴雨和湿急流相关联的湿斜压平衡方程(湿热成风方程)等问题,指出从总能量收支平衡出发是不能解决暴雨过程中不同形式能量之间的转换过程是如何实现的。由于暴雨过程是高度非地转平衡的,也是非静力平衡的,同时还存在复杂的多尺度之间的相互作用,因此具有完善物理过程的高分辨率的数值模式是暴雨机理研究最有效的方法。     

湿急流的结构及形成过程

利用比较稠密的无线电探空和气球测风观测网,通过对华北夏季一次暴雨过程的三维流场和湿度场的分析,揭示了湿急流的结构和形成过程。湿急流是指低层空气在湿不稳定大气的上升过程中,不断加速形成一支斜穿整个对流层的自下而上的急流。在湿急流附近,凝结饱和区的分布和发展过程,似乎表明水汽在急流形成过程中起了一种主动作用。湿急流在对流层顶附近和副热带急流合併,并使副热带急流的动能增加。这似乎启示,湿斜压过程可能是大气环流中的基本过程之一。     

能量位涡在雷雨大风天气诊断分析中的应用

从大气基本运动方程及大气总能量概念出发,提出将大气动力学与能量天气学相结合的物理量——干能量位涡与湿能量位涡,并确定其守恒性.通过分析发现,以静力温度表达的能量位涡数学计算更方便,物理意义更明确.以2007年湖北的一次典型雷雨大风天气为例,对雷雨大风天气用能量位涡进行诊断分析.结果表明:本文提出的干能量位涡与湿能量位涡可以较好地预示雷雨大风天气,高空干能量位涡的增强与向下发展使对流层中下层不稳定能量增大,有利于雷雨大风天气发生;低层湿能量位涡的不稳定能量高值区与斜压系统耦合时预示该区域将有雷雨大风发生.     

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。     

能量天气分析方法在我国的发展

1980年11月21—27日,中央气象局气象科学研究院在湖北省武汉市召开了第二次能量天气分析学术讨论会。这次会议就能量天气分析的几个重要问题,如湿空气动力学、大气静力不稳定度分析、能量物理量分析方法、能量天气系统以及能量天气学在暴雨、冰雹和台风路径预报中的应用,进行了交流和讨论。会议上交流的材料以及各地有关能量分析的研究     

位涡在暴雨成因分析中的应用

应用位涡理论，对1991年江淮地区一次特大暴雨过程中位涡及其有关物理量的分布特征进行了分析。结果表明:强降水总是落在干位涡比较小的地方和湿位涡负中心暖气流一侧，它和相对湿位涡的关系更直接。湿位涡斜压部分可清楚地反映湿斜压性对对流不稳定系统所起的作用。大气在湿位涡值比较小的区域对锋生强迫有更强的响应。     

评“湿斜压大气的天气动力学问题”的研究

谢义炳教授在1978年大连“暴雨会议”上,发表了“湿斜压大气的天气动力学问题”一文(以下简称H_4)。这篇论文提出了开展湿斜压大气动力学研究的一些具体意见。以后在国内的气象界有着不同的意见和争论。《气象学报》1983年第2期发表了对读者来信的“编者按”;第3期又发表了谢义炳教授的长信。信中说:湿斜压大气的研究,“虽然在实际工作人员间受到欢迎,却在理论工作者间引起了不少误会…。这些误会似牵涉到一些根本问题”。我阅读后,认为有必要对H_4加以评论。     

一次辽宁秋季暴雨天气的诊断分析

使用1.0°×1.0°NCEP再分析资料,对2006年10月21—22日深秋暴雨在天气形势分析的基础上,进行物理量诊断。结果表明:在有利的环境背景形势下,高位涡从对流层高层向低层伸展并形成湿位涡柱,引起气旋性环流与低涡环流叠加。对流层低层的湿斜压性增强,引起低层的锋区加强及垂直涡度发展,高空入侵干冷空气锲入底层,低层暖湿空气强迫抬升,使地面发展为气旋;高低空急流耦合产生上升气流,同时较强的补偿下沉运动激发上升运动加强,使次级环流加强,触发不稳定能量的释放;低空急流和超低空急流向辽宁输送暖湿空气及能量,对流层中低层形成湿柱并积聚高不稳定能量;中尺度气旋、高低空急流、湿位涡柱、次级环流上升支、地面高水汽含量湿区、高假相当位温出现的时间、强度、位置和结构决定了暴雨的时间和落区。