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。     

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。     

湿大气中低涡暴雨系统发展东移的初步分析

七十年代,谢义炳教授指出:湿大气动力学和干大气动力学特征有明显差异。结合我们的天气实践,注意到经常造成鄂北强降水的西南低涡处于对流层低层,在这一层次内不仅流场辐合明显,而且水汽丰沛,空气为强烈的对流性不稳定,这些因子对低涡的生消移动必然有较大的影响。本文的目的是,引入水汽因子后,通过简化涡度方程在湿斜压大气中的应用,并考虑湿静力稳定度σ_m既为P的函     

大气层结不稳定能量的简便计算方法

本文运用大气能量学、大气热力学和大气动力学基本原理,提出了适用于载水气块在可逆湿绝热上升过程中,和非载水气块在假绝热上升过程中,大气层结不稳定能量的两个简便计算公式。     

热带和副热带湿大气的大尺度运动

本文对热带和副热带湿大气的大尺度运动的热力学性质和动力学性质进行了分析。结果表明,热带湿大气运动的性质与干大气有着巨大的差异,也与中、高纬度地区的大气运动有着很大的不同。指出热带是位势运动、辐合辐散和上升运动广泛盛行的地区。我们所得的结果与Charney对干大气的分析不一致,也与Murakami对湿大气的分析不一致。我们的结果与实际比较符合,从而证实了谢义炳教授最近提出的空气湿度对大气运动有重要影响的观点。同时,我们提出了一种反映热带大气具有强位势运动特点的风压场的关系,这种关系在任何中、高纬度地区风压场关系的研究中所不曾出现过的。     

中尺度对流系统中的湿中性层结结构特征

基于CloudSat卫星获得的高分辨率中尺度对流系统垂直剖面结构,结合大气参量相对湿度和相当位温的诊断分析,在低纬度、中高纬度地区、陆地或海洋以及不同天气形势下,发现了多个非常典型的中尺度对流系统(MCS)内部具有湿中性层结特征的个例.进一步利用静止卫星普查到的东亚地区MCS分布情况,结合NCEP再分析资料诊断MCS重心位置处大气状态廓线,利用大量的例子从统计的角度揭示了湿中性层结结构特征在MCS中存在的普遍性,并且从动力学和热力学的角度探讨了湿中性层结结构在MCS发生和发展中所起到的作用.     

大气动力学方程组的定性理论及其应用

基于完整的湿大气动力学方程组,利用无穷维动力系统的新理论和新方法,系统讨论了强迫耗散的非线性大气系统的定性理论及其应用。将完整的强迫耗散非线性湿大气动力学方程组化为Hilbert空间中一个等价的算子方程,研究了算子的性质及其物理意义,在此基础上得到湿大气系统全局吸引子的存在性定理,揭示出系统向外源的非线性适应特征,并把结果推广到有地形动力作用和非定常外源强迫的情形。同时探讨了大气方程组惯性流形的存在,大气多平衡态产生的根源以及强迫、耗散和非线性对系统解的渐近行为的影响。在理论结果的基础上,提出强迫耗散的非线性动力系统中存在三类时间边界层、方程组简化准则、分解算法的算子约束原则以及支撑吸引子基底的少数自由度的构造方法,探讨了理论在非线性发展方程差分格式的设计和计算稳定性分析、多平衡态的数值分析、数值模式延伸预报的改进、短期气候预测以及一类中尺度系统分析与预测中的应用,指出描述长期过程动力学模式的必备条件,给出初值与模式相协调的合理解释。最后,对今后的研究方向作了展望。     

大气污染物SOx输送方程的尺度分析

文中用量纲分析方法分析了控制大气污染物输送方程的动力学特性。提出了 6种反映大气污染物输送过程中各种动力、物理和化学过程相对重要性的动力学参数。并以硫氧化物为例进行了各参数量级大小分析 ,尤其对 3种起汇作用 (去除机理 )的机理 (化学转化、干沉降和湿清除 )在不同尺度大气污染过程中的作用进行了详细分析。结果表明 :在一般情况下 ,SO2 的气相化学作用小于干沉降和湿清除的作用 ;干沉降作用很依赖于模式最底层厚度的选取 ;在有降雨时湿清除作用一般较大。文中还对大气污染物SOx 输送方程各项特征量的量级作了分析对比 ,得出了控制不同尺度大气污染物输送过程的零级近似方程和一级近似方程 ,并指出了这些方程的基本特征     

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。     

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。     

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     

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.     

中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学问题

深厚湿对流运动发展机制包含湿大气的对称不稳定(MSI和CSI)及锋面环流．它们需要的基本条件是不稳定、水汽和抬升，这些机理在动力学中是有联系和区别的，即虽然都是与基流平衡状态被破坏后引起的中尺度环流有关，但是扰动流非平衡运动是不同的。本文综合概述了有关平衡动力学的研究进展，提出了中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学主要问题，并评述了一些研究的方法及主要结论和尚需进一步探索的方面．以加深对不同机制下深对流运动的认识。     

几十年来大气环流与大尺度动力学的研究进展及2000年研究展望

一、大气环流与大尺度动力学的研究进展近几十年来,国际上关于大气环流与大尺度动力学的研究取得很大进展。一方面由于观测技术的提高使得全球大气环流的观测资料不断增多,不断揭示出许多大气环流规律;另一方面由于数学、物理学,特别是计算机与计算数学的蓬勃发展,使得大气环流与大尺度动力学从一种简单、定性论述的学科变成一种比较严格的数理学科。大气环流与大尺度动力学是气象学上一对孪生兄弟,大气环流的发展不断提出动力学问题,而动力学的重大突破加深了人们对大气环流的认识。大气环流应包括两个部分:一是从整体来看全球大气的运动形态、运动特征及其物理机制;二是它的各个组     

一次大暴雨过程的物理量诊断分析

本文利用2005年7月16日至18日的高空资料,对7月18日发生在广元的大暴雨天气过程进行了热力学和动力学诊断分析,结果表明:(1)在暴雨出现前,大气有一个能量聚集、湿层增厚的过程;(2)湿Q矢量辐合中心对应暴雨区,越接近强降水出现时间,诊断效果越好。     

一次大暴雨过程的物理量诊断分析

本文利用2005年7月16日至18日的高空资料,对7月18日发生在广元的大暴雨天气过程进行了热力学和动力学诊断分析,结果表明:(1)在暴雨出现前,大气有一个能量聚集、湿层增厚的过程;(2)湿Q矢量辐合中心对应暴雨区,越接近强降水出现时间,诊断效果越好.     

第四讲:热力学量和非绝热加热率的计算

大气运动包含着动力学和热力学过程。热力学过程受许多气象因素制约,其中水汽的时空变化极大,水汽的作用使热力学过程趋于复杂化。非绝热过程是影响大气运动演变至关重要的因素,大尺度气流对非绝热强迫的反应可在几天后出现。在物理量诊断分析及数值预报模式的设计中,均要考虑大气中辐射盈亏、水汽凝结和感热输送等物理过程。本讲分两部分:第一部分主要介绍大气中的热力保守量的计算以及构造γ_m 曲线(湿绝     

三次强对流天气过程的湿位涡分析

本文对发生于江苏苏北地区不同季节的三次强对天气过程,应用湿位涡这样一个表征大气动力、热力、水汽诸因素特征的综合物理量进行了分析,揭示了倾斜性涡度的发展是强对流天气发生发展的一种重要机制,表明该物理量在强对流天气分析中能很好地反映热力学和动力学成因,尤其是湿位涡的垂直通量、湿位涡通量的水平散度、位涡变化率对强对流天气有较大的作用。     

利用地面GPS技术绝对测定湿大气含量的可能性

从理论和实测资料处理两方面对单基线模式下利用地面GPS技术绝对测定湿大气含量的可能性进行了探讨。由于短基线模式下测定湿大气含量之间的相关性很强,其测定的湿大气含量值必然有较大的相关误差,当用具有相同测段的不同资料组处理时表现为测定参数的不稳定性。在假设卫星的分布是连续而且均匀的情况下,可以从理论上研究相关系数随基线长度和截止高度角的变化,理论的结果和实际情况一致性较好。     

夏季湿球温度客观预报服务系统

按照大气动力学和热力学的原理，采用划分天气型、定性判别和定量计算相结合，预报与服务系列化，在微机上研制出６－９月湿球温度短期客观预报服务系统，湿球预报的开展，为纺织，仓贮等行业空调工艺超前决策提供重要依据。