大气热力学的若干新发展

对自20世纪80年代以来的大气热力学发展进行了综合评述, 阐述了如城市热岛效应、全球增暖等非传统大气热力学问题; 基于大气非平衡态热力学的非线性理论, 提出应发展突显热力学作用的数值模式, 并阐述其必要性和可能性。     

Application of Linear Thermodynamics to the Atmospheric System. Part Ⅰ: Linear Phenomenological Relations and Thermodynamic Property of the Atmospheric System

从一般的热力学原理或其它自然原理对唯象关系所强加的限制，能够演绎出大气系统的一系列热力学性质。利用非平衡态线性热力学导出了湍流K闭合理论中湍流交换系数同唯象系数的关系，从理论上证明大气系统热量湍流输送同水泡之间存在交叉耦合，还导出了湍流强度同速度和位温梯度的关系，从而证明速度和位温空间分布的非均匀性是湍流之源。并证明湍流强度定理，不可压缩气体和各向同性湍流大气中，湍流强度正比于速度与位温梯度的标积。进而证明大气涡旋定理，位温的切变将导致涡旋运动或各种环流运动，速度涡度等于速度同位温相对梯度的矢积。展现了线性热力学在大气系统的应用前景。     

线性热力学对大气系统的应用(I)大气系统的线性唯象关系和热力学性质(英文)

从一般的热力学原理或其它自然原理对唯象关系所强加的限制,能够演绎出大气系统的一系列热力学性质。利用非平衡态线性热力学导出了湍流K闭合理论中湍流交换系数同唯象系数的关系,从理论上证明大气系统热量湍流输送同水汽之间存在交叉耦合,还导出了湍流强度同速度和位温梯度的关系,从而证明速度和位温空间分布的非均匀性是湍流之源。并证明湍流强度定理,不可压缩气体和各向同性湍流大气中,湍流强度正比于速度与位温梯度的标积。进而证明大气涡旋定理,位温的切变将导致涡旋运动或各种环流运动,速度涡度等于速度同位温相对梯度的矢积。展现了线性热力学在大气系统的应用前景。     

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。     

大气的热力学总熵

在考虑了大气各化学成分的熵、扩散弓:起的熵增加和位温在大气中的分布以后,求得全球大气总熵为3.56×10~(22)J/K.本文给出从位温求熵的新公式,还发现不同位温占有的大气质量遵守概率论中的Gamma分布. 本文还就热力学熵与信息熵的关系作了有启发意义的讨论.     

Application of Linear Thermodynamics to the Atmospheric System.Part Ⅱ: Exemplification of Linear Phenomenological Relations in the Atmospheric System

将边界层相似性理论同线性热力学理论结合，间接地以观测实验事实证明大气边界层内线性唯象关系是成立的，而且线性湍流输送系数同相应的线性唯象系数成正比关系。但实验事实表明，大涡对流的混合层线性唯象系数成正比关系。但实验事实表明，大涡对流的混合层线性唯象关系是不成立的，混合层内湍流输送过程是一种强的非线性过程。所以，对流边界层是一种远离平衡态非线性区的热力学状态。地转风和热成风是一种大气系统特有的动力过程和热力过程和交叉耦合现象，这是大气系统交叉耦合现象的一个实际例证。     

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出：由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。     

评专著《大气热力动力学导论——大气非平衡态线性和非线性热力学》

大气动力学研究始于20世纪初期,如运用流体力学发展了环流理论;1930年代,应用波动力学发现了Rossby波。50年代初实现了基于正压模式的数值天气预报,因此动力学在大气科学一直处于主导地位。但自1980年代起随着气候和全球变化研究的进展,热力学放到越来越重要的位置上,因为热力学因子对大气和地球系统的长期行为更为重要。     

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,…     

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。     

大气垂直运动方程若干问题讨论

本文对大气垂直运动方程的尺度分析和小量可否忽略重新进行了讨论，认为如同存在水平地转平衡一样，在大气垂直方向应当存在垂直地转平衡。并提出在大气垂直方向可能存在更高阶平衡：一级平衡为静力平衡，二级平衡为静力偏差和垂直柯氏力的垂直地转平衡，可能还存在第三级平衡，即垂直地转偏差和重力异常的平衡，最后，重力异常偏差的最级有可能与大气行星波垂直加速度和引潮力垂直分量已处于同一量级。     

大气水分循环方程

任何地点的降水量可能来自地球的任何地点的水分蒸发。为了定量描述大气中的这种水分循环的复杂过程,我们引入了两个概念性的工具:大气水分辐合函数和大气水分辐散函数,并且建立了用它们描述大气水分循环的方程组。     

多普勒天气雷达站址视程的客观分析技术

开发了多普勒天气雷达候选站址视程的客观分析软件.该软件根据候选站及其四周一定范围内的地理信息, 十分快速地求算和自动绘制雷达单站的遮蔽角图、系列等射束高度图和多个雷达站Mercator或Lambert投影方式下的等射束高度拼图, 提供了分析和评价候选站雷达有效视程和相关雷达网共同覆盖效果以及定量应用雷达资料的客观工具.     

黑河地区大气沙尘对地面辐射能收支的影响

利用１９９１年２月下旬至５月中旬ＨＥＩＦＥ张掖绿洲和沙漠站大气浑浊度观测和地面辐射平衡各个分量观测资料,分析和估算了大气沙尘对地面辐射能收支的影响,晴天大气透过率和达地面的短波辐射与大气浑浊度系数有产好的负相关,大气军浊系数增大时透过率和地面总辐射减少,大气浑浊度系数增大０．１,地面总辐射减少１．３％～１．９％,４月大气浑浊度由０．１增大到０．６,正午时刻地面总辐射减少６７．６～８５．８Ｗ／ｍ＾２     

大气边界层物理研究进展(2012~2017年)

本文总结了2012~2017年中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室大气边界层物理研究的最新进展,主要包括不同下垫面（城市、青藏高原、草原、沙漠、湖泊、海洋等）大气边界层观测实验、大气湍流和阵风相干结构的理论研究以及大气数值模拟的参数化改进等,同时对未来几年内大气边界层物理的发展方向做了展望。     

北半球春季大气臭氧年际变化特征及其对大气温度和环流场的影响

北半球春季中高纬地区大气臭氧总量具有明显的年际变化，正（负）异常时，与其相应对的流层平均温度、位势高度场均为负（正）异常，平流层异常情况相反，北大西洋地区大气臭氧年际异常与其他地区正好相反，这是区别大气臭氧与其他温室气体影响的重要标志。