全球大气位温的两个不等价约束及其服从Gamma分布的证明

本文对全球大气位温积分守恒和热力学总熵守恒的物理含义及其不等价性进行了讨论。认为，作为对大气热力学状态较完整的描述，应将大气热力学总熵守恒这一约束条件补入数值预报模式中去。利用最大熵原理和上述两个约束条件，在理论上对大气位温服从Gamma分布这一从实际资料中揭示出来的事实进行了证明，得到了理论与实际完全吻合的结果。     

潜热释放和初始位温扰动对锋生的影响

在Chan和Cho作的基础上,用中α尺度位温扰动代替了原来的中β尺度位温扰动,并且增加了一个高度函数H（Z）,模式还改变了相对湿度的分布,取了可供比较的两个试验,并运行了半地转湿大气锋生模式程序,积分一段时间后,绘出有关的物理量的等值线图,分析、比较了非绝热加热及初始位温扰动对物理量的影响。 试验结果表明:初始位温扰动为中α尺度比中β尺度更接近实际情况,对流层湿度分布不均匀,非绝热加热的作用比初始位温扰动的影响明显些。     

等熵面和湿等熵面倾斜发展的诊断分析

利用等压坐标系中的热力学方程和水汽方程推导出可以诊断分析等熵面（等位温面）和湿等熵面（等相当位温面） 倾斜变化的倾角方程。等熵面倾角的局地变化由倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项共同决定,而影响湿等熵面倾角局地变化的强迫项除倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项之外,还包括垂直热量通量切变项。NCEP/NCAR实时分析资料的分析结果表明,大气斜压性、相对垂直涡度与等熵面和湿等熵面的倾角密切相关,它们的正高值区互相重叠;垂直风速切变项,特别是垂直速度的经向切变项是影响等熵面倾斜发展的主要强迫项,而纬向和经向风速的垂直切变项对湿等熵面倾角演变的贡献最大。     

与天气系统发生和发展有关的非均匀饱和湿位涡理论分析

在动力气象理论方面,无论大尺度、中尺度还是小尺度大气运动,对于同一尺度之内大气运动演变机制,有着相当完美的讨论。然而,对于不同尺度天气系统之间转换演变机制讨论,即使因为它与天气系统的出现和发展密切相关而显得非常重要,却很少涉及。为了讨论这个重要的转换演变机制,在导出无粘滞非均匀饱和湿位涡（NUSMPV）方程的基础上,首先,通过对这方程进行数理分析证明：在非均匀饱和湿绝热大气运动中,干区和饱和区之间的不饱和区的NUSMPV是不守恒的,并进一步证明：只在次饱和区（0．78〈q/q1〈1）,NUSMPV不守恒才是明显的,而在其它不饱和区,NUSMPV是接近守恒的。接着,根据守恒的相对性原理,通过NUSMPV无因次形式的讨论,把大气运动分成三类,即NUSMPV守恒,准守恒和不守恒运动。然后用数理分析方法讨论了各类运动的出现条件,时空之间关系,物理机制和一些特征。最后分析了不同尺度之间天气系统的转换机制,指出：当与狭义NUSMPV（P0）有关的涡管项（A）和非绝热加热项（B）之间的动力不平衡（A＋B）／P0减少,以至NUSMPV守恒条件满足时,大气运动将主要通过非常快的频散适应过程继续失去不平衡能量,从较小尺度向较大尺度转换;而当（A＋B）／P0增加,以至NUSMPV不守恒条件满足时,大气运动将主要通过非常快的外源激发过程,而从较大尺度向较小尺度转换。无论上述两种转换过程是那一种,一旦产生都将持续进行,直至大气运动重新回到NUSMPV准守恒运动状态。     

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。     

登陆台风等熵面位涡演变的数值模拟研究

选取1997年第11号台风温妮为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.引入Ertel等熵面位涡收支方程,深入分析了登陆台风结构演变的过程中绝热与非绝热作用对对流层低层位涡局地变化的影响.研究表明:台风温妮深入内陆的过程中,对流层低层台风中心西北侧位涡增长,且大值中心不再与台风中心重合;由于摩擦和非绝热加热的存在,对流层低层位涡不守恒,其局地变化主要决定于位涡的水平平流(守恒项)、位涡的垂直平流、加热的垂直微分(非守恒项)的分布;台风温妮变性前后,对流层低层位涡的守恒性逐渐减弱,非守恒项尤其是加热的垂直微分对位涡的局地增长的正贡献不断增强直至占有主导地位.     

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.     

大气中动能的双向转化和单向转化

根据绝热无耗散大气总动能和总位涡拟能守恒的特性，本文讨论了二维平面上动能谱分布随时间变化的规律。结果表明，大气谱动能变化必然涉及至少三种不同的空间尺度；或遵从双向转化原则，或遵从单向转化原则。在讨论能量的双向转化和单向转化条件的基础上，本文还分别研究斜压大气和正压大气中能量转化的一般状况。     

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。     

厄尔尼诺年和反厄尔尼诺年北半球500hPa非绝热热流量场的特征

本文应用谱方法,诊断、计算了1964—1985年间,6个厄尔尼诺年和6个反厄尔尼诺年北半球月、季大气非绝热热流量距平场。结果表明:厄尔尼诺现象对大气非绝热热流量距平场具有显著影响,大气的响应表现为低纬和中高纬非绝热热流量正负距平中心有组织的优势排列,其位相或强度存在低频振荡,并且差值中心表现为双月周期。反厄尔尼诺年,大气具有分布不变,但距平中心基本上为反位相的响应形式。最后,通过海气相关分析,指出了海温异常是决定大气非绝热热流量异常的最重要的原因。     

一次远距离台风暴雨过程的熵流指数演变

应用耗散结构理论,结合河南省一次远距离台风暴雨过程,分析了大气排熵指数、边界层上部广义相当位温及广义相当位温平流等三个熵流指数与暴雨的发生和落区的关系,得到:大气排熵指数由高值向低值的演变有利于对流的发展,从而导致对流暴雨形成;暴雨落在大气排熵指数负值中心或负值轴线附近区域;远距离台风暴雨产生前,有高熵空气在边界层上部聚集,边界层高熵中心往往与暴雨落区对应;边界层上部高熵平流的移向往往预示了强降水的未来移向。     

熵与大气科学

熵是一个态函数,也是一个真实的物理量,与容积、温度、压强和内能一样真实.温度、压强可以实测,内能可以通过实验测定,而熵则由其表达式加以计算.平衡态热力学(经典热力学)指出,在可逆的绝热过程中,熵保持不变,因此,熵的概念首先与天气分析发生联系.自由大气中,假定现有的短期过程都是绝热的,通过P-V图解和温熵图体,可以得到许多有用的物理量,获取天气演变的信息.在实际工作中,也常应用等熵面的形势图来决定空气质点的轨迹,     

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。     

广义坐标系η中的位涡方程

给出了在广义坐标系（η）中导出的位涡方程,以及它分别在笛卡尔坐标（z)、气压坐标（p）或等熵坐标（θ）时的具体表达式。结果表明,由此得出的各坐标系的位涡方程和过去人们在各坐标系中分别推出的位涡方程一致。并且得出位涡在绝热和无摩擦的条件下守恒。     

广义坐标素η中的位涡方程

给出了在广义坐标系（η）中导出的位涡方程,以及它分别在笛卡尔坐标（ｚ）,气压坐标（ｐ）或等熵坐标（θ）时的具体表达式,结果表明,同此得出的各坐标系的位涡方程和过去人们在各坐标系中分别推出的位涡方程一致,并表得出位涡在绝热和无摩擦的条件下守恒。     

关于大气运动湿位涡不守恒性问题

本文建立湿位涡方程、提出不守恒基本判据、分析不守恒运动的动力特征,尤其指出在湿中性层结区域非绝热加热和外作用力场对运动的激发作用。     

大气中的位涡守恒和Rossby波的能量、波作用与拟能守恒

推导得到普遍形式的位涡度守恒方程，其条件是外源Ｇ和摩擦Ｆ组成的矢量散度为零，放松了位涡守恒的绝热无摩擦限制，对准地转位涡方程，利用ＷＫＢ近似，得到了层结可变情况下的ＲＯｓｓｂｙ波的能量、波作用和拟能守恒的条件，对于空间缓变的基本气流，它们分别是基本气流与空间坐标无关，基本气流与ｘ无关和基本气流是空间坐标的函数。最后还给出了地形存在情况下的Ｒｏｃｓｂｙ波的能量、波作用和拟能守恒的条件。     

按Lorenz精确公式和近似公式计算有效位能制造

以时空域为函数研究了按Ｌｏｒｅｎｚ（１９５５ａ，ｂ）所定义大气中精确的有效位能（ＡＰＥ）制造和近似的有效位能制造公式．大气中有效位能的制造是由非绝热加热场和温度场决定。这个加热场通过使用每天四次的ＥＣＭＷＦ（欧洲中期天气预报中心）的１９８６—１９９２年７个１月份和１９８５－１９９１年７个７月份的初值化分析资料，用余差法进行了估计。考察了大气不同部分对精确制造和近似制造的贡献，并解释了这些贡献之间的差别．Ｌｏｒｅｎｚ在近似制造公式的推导过程中，做了几个近似假设。最严重的一个近似假设看来似乎是，等熵面上的平均气压近似地等于等压面上的气压，就这个等压面而论其上平均位温与等熵面上的位温相等。本文结果表明，精确制造公式中和近似制造公式中两种贡献项之间的最大差别，发生在温带对流层低层．此处对涡动ＡＰＥ，精确制造值比近似制造值可以小到１／１０；而对纬向和时间平均ＡＰＥ精确制造值是微弱的正值，但近似制造值是强大的负值。其它主要的差别发生在热带对流层中层，就平均ＡＰＥ制造而言，精确公式的值比近似公式值大约小一半。尽管有这些大的差异，全球平均的平均ＡＰＥ的精确制造值在１月为２．２９Ｗ／ｍ２，７月为１．８８Ｗ／ｍ３，然而与近似制     

大气环流形态的分支现象

本文用二层准地转截断谱模式,研究了大气环流形态的分支现象.结果指出:依赖于热力强迫的不同取值,模式大气将显示出等温静止或Hadley环流两类定常流型,Hadley流型并具有基本解的属性.在热力强迫达到Hadley流型的分支点以前,Hadley流型是稳定的;到达分支点后,Hadley流型不稳定,激发出新的流型,显现出分支现象.绝热无地形时,分支出瞬变斜压波;绝热有地形时,在不同的分支点分别激发出地形驻波与地形瞬变波;非绝热时,分支出非绝热驻波或非绝热驻波与瞬变斜压波的混合波型,非绝热驻波失稳激发出二级分支,     

北京7.21暴雨低涡演变的湿位涡分析

通过诊断再分析资料和数值模拟结果,从中层湿位涡守恒和低层湿位涡变化的角度分别对北京7.21暴雨过程中中尺度低涡的演变进行分析。结果表明,暴雨前期,对流层中高层高湿位涡的冷空气扩散南下,冷空气到达华北地区上空时,在有利等熵面的引导下从稳定层结向不稳定层结快速下滑,产生了剧烈的正涡度个别变化,使得低涡得到发展加强。另一方面,等熵面上冷暖空气的剧烈交汇在增强雨势的同时,也使得对流层低层至中层产生明显的涡度制造。在不考虑稳定度影响时,低层的非绝热过程引起的湿位涡制造与低涡发展有着很好的正相关,二者在位置上和量级上都有很好的对应。进一步分析表明,非绝热加热的水平不均匀分布是引起湿位涡变化的主要原因。