水气相对运动方程

根据物理学中非均匀的混合气体的理论，本文得出了一个水汽相对运动方程和一个比湿方程。前者显示自由大气中的水汽会由于比湿、气压、温度分布的空晨不均匀和受力不等而产生相对于干空气的运动。这个方程还可以说明大气中层状云多，锋面附近、低压区、台风区多雨和台风眼中无雨等现象。比湿方程可用于计算由上述相对运动导致的空气比湿的变化。而承认本文提出的物理模型也就要求对已有的大气水分环流和降水机制作重要修正。     

1958～2005年中国高空大气比湿变化

利用经过质量控制和均一化的92站探空露点温度序列,研究了中国高空大气比湿气候学特征和1958～2005年比湿时间、空间演变以及不同时段线性变化趋势地区和季节差异。中国比湿气候场特征显示,垂直方向上90%以上的水汽集中在对流层中低层,空间呈南高北低的纬向分布。通过累积距平、滑动平均和突变点分析等方法研究了中国平均高空比湿的年代际变化,得到1958～2005年中国对流层中低层大气比湿经历“湿”、“干”、“湿”阶段性变化。不同时段线性变化趋势分析表明,1958～2005年对流层低层比湿呈上升趋势,对流层中层、高层和平流层下层为下降趋势;1979～2005年对流层低层上升趋势和对流层高层下降趋势均较整个时段明显增强。近50年来中国高空各层温度与比湿变化基本同步,统计达到显著相关,说明温度是影响比湿变化的重要因子。趋势的空间分布显示对流层下层全国大部比湿为上升趋势,且1979以来上升趋势更加明显,对流层中层趋势呈北升南降分布,对流层高层多为下降趋势。中国五个分区中西北地区对流层低层比湿上升趋势最明显,长江和华南地区升幅较小。1958～2005年对流层下层各季节比湿变化趋势差异较明显,上升趋势发生在夏、冬两季,1979～2005年四季比湿均呈上升趋势,其中夏季上升趋势最为明显。     

大气水汽总量的垂直分解

利用1986-2001年探空资料, 分析了我国5个不同地区的水汽垂直分布规律, 建立了大气边界层以上比湿随气压为幂函数分布, 边界层内比湿随气压线性分布的模型, 并用2004年11月-2005年10月的探空资料、 NCEP再分析资料作了对比检验和误差分析, 最后将模型应用于微波辐射计反演水汽总量的垂直分解.结果表明, 模型分解产生的误差越接近地面则越大, 对于1 mm总量的水汽, 分解得到的比湿最大误差为0.1 g·kg-1.     

大气中水汽的热扩散效应

本文指出：未饱和水汽在铅直方向的分布严重偏离关于水汽的静力学方程；对平均大气而言，比湿的对数与气压的对数在铅直方向上存在着良好的直线关系。上述事实可以通过引入物理学揭示的热扩散机制予以定量说明，热扩散效应是使空气中的水汽向热的一侧运动；承认水汽的热扩散效应有助于说明锋面近和台风的降水水汽来源，也要求审定大气中原来的水汽环流图像。     

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。     

基于探空资料的58a新疆高空大气比湿气候特征分析

利用1961—2018年新疆12个探空气象站逐日观测资料，分析了新疆对流层850、700和500 hPa比湿的气候特征，结果表明：新疆大气比湿呈自西向东、自南向北递减分布，随高度增加而减小分布特征，新疆比湿远小于东亚季风区；新疆夏季比湿最大，其次为秋季、春季，冬季最小，850hPa和500hPa新疆各站之间比湿差异较大，而700hPa各站比湿差异较小；对流层850、700和500 hPa比湿均表现为线性上升趋势，并有1967-1986年偏干、1987-2005年偏湿的特征，1987年为突变点；对流层850、700和500 hPa比湿与降水均呈显著正相关关系；夏季暴雨天气对流层中低层比湿最大，发生暴雨时比湿约为气候平均1—2倍，夏季暴雨的动力和不稳定条件更关键，新疆暴雨天气时的比湿比东亚季风区显著偏小；冬季暴雪天气比湿是一年中最小的，春秋季强降水比湿介于夏、冬季之间，但可达气候平均的2—3倍，春秋季需要更多的水汽产生强降水。     

基于加密探空资料对不同海拔高度台站边界层大气的对比分析

本文利用中国气象局成都高原气象研究所西南涡加密观测试验获取的探空资料及地面台站资料,对比分析了高原东侧的四川省境内不同海拔高度台站的边界层特征,结果表明:高海拔地区地表大气受陆面的影响更为剧烈,日变化幅度更大,且极值出现时间更早。温度/比湿/风速的差异都主要体现在低层边界层大气中,越靠近地面,差异越显著。其中,温度递减率在02:00（北京时,下同）最小,14:00最大,高海拔测站受陆面影响的大气层厚度比低海拔测站大,低海拔测站在近地层300 m以下大气中存在明显的逆温现象。14:00近地层大气的比湿最小,午夜02:00近地层大气的比湿最大,高海拔地区低层大气的平均比湿递减率小于低海拔地区。高海拔地区风速日变化幅度大,4个时次的风速廓线形态差异也大;低海拔地区风速变化幅度小,4个时次的风速廓线形态也比较一致。高海拔台站地表大气的日变化幅度大,极值出现时间略早。     

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

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.     

微波遥感大气湿度层结的研究

根据大气噪音谱,用接收1.35cm微波噪音,遥感大气湿度层结。研制了1.35cm微波辐射计(v=22.235 Gc)。用迭代法反演大气湿度层结,在野外实验中与无线电探空仪对比,比湿相差的百分比,均方根偏差在700 mb以下<20％,650 mb以下<29％;大气中水汽总含量的测量,两者相差为3％。为了遥感雨中含水量,研制3cm微波辐射计(v=9.37 Gc)。并测试了大气噪音。     

STUDY ON THE GENESIS OF ASYMMETRICAL DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF PRECIPITATION ASSOCIATED WITH THE TYPHOON HAITANG (2005) FROM THE VIEW OF ATMOSPHERIC FACTOR

The distribution of precipitation field from the typhoon Haitang (2005) during its landing on Fujian province shows obvious asymmetric feature. Based on the NCEP/NCAR FNL (Final Analysis) data, this study reveals the contributions of atmospheric factor to the asymmetrical distribution characteristics of precipitation associated with the typhoon, through the analysis of water vapor condition, vertical ascending motion condition, the calculation of the dry Q vector and its decomposition, and adiabatic heating in the air column of 1000hPa -600hPa (lower atmosphere) and 500hPa-100hPa (upper atmosphere). The results are as follows: (1) In the lower atmosphere, the humidity on both sides of typhoon path can be equivalent, while it is more wet on the right side than left in the upper atmosphere, which obviously presents asymmetric distribution characteristics. (2) Both range and intensity of the vertical motion on the right side are wider and stronger than counterparts on the left side no matter in the lower or upper atmosphere. (3) In the upper atmosphere, forcing role of atmosphere in vertical upward motion on the right side of typhoon path is the same as that on the left, while it is significantly different in the lower atmosphere, which is significantly broader in scope and stronger in the intensity, along with obvious asymmetric distribution characteristics. In addition, the further analysis of the Q vector decomposition indicates that the forcing effect of mesoscale weather systems on vertical upward motion is stronger than that of large scale weather systems in the lower atmosphere. (4) The adiabatic heating always exists on both lower and upper atmosphere, and the range and intensity of the adiabatic heating forcing showed asymmetric distribution on both lower and upper atmosphere. (5) In a summary, the upper atmosphere humidity conditions, the forcing role of lower atmosphere in vertical upward motion, especially, to mesoscale weather system, and adiabatic heating in the lower atmosphere, all show similar asymmetric distribution characteristics to that of precipitation field from the typhoon Haitang (2005), that is to say, the atmospheric factors as mentioned above are all contributed to genesis of the asymmetric distribution characteristics of precipitation.     

大气对南极冰异常的低频遥响应

运用ＬＡＰＧＣＭ模式证实了大气对南极冰异常的强迫遥响应是激发全球大气季节内振荡的重要机制,进而着重考察候平均偏差结果的时间序列,并且通过带通以处理,特别分析了响应场中３０－６０天低频振荡的重要特征,发现：大报对南极冰减退的响应是一种具有３０－６０天周期的低频遥响应。强迫场中的重要成分是３０－６０天季节内振荡,并且具有同实际大气中的低频振荡相类的垂直结构以及传播和分布特征。     

FURTHER STUDY ON THE PROPERTIES OF OPERATORS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS AND THE EXISTENCE OF ATTRACTOR

The equivalent operator equation is derived from the full primitive nonlinear equations of theatmospheric motion and the properties and physical senses of the operators are studied.In theinfinite dimensional Hilbert space,the global asymptotic behavior of the atmosphere system withthe non-stationary external forcing is studied under the assumption of the bounded externalforcing.The existence theorems of the global absorbing set and the global attractor are obtained.Thus,the conclusions deduced from the large-scale atmosphere(Li and Chou 1996 a;1996 b)areextended to the general atmosphere.     

极轨卫星高层通道在GRAPES同化系统中的应用

针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。     

FURTHER STUDY ON THE PROPERTIES OF OPERATORS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS AND THE EXISTENCE OF ATTRACTOR*

The equivalent operator equation is derived from the full primitive nonlinear equations of the atmospheric motion and the properties and physical senses of the operators are studied.In the infinite dimensional Hilbert space,the global asymptotic behavior of the atmosphere system with the non-stationary external forcing is studied under the assumption of the bounded external forcing.The existence theorems of the global absorbing set and the global attractor are obtained.Thus,the conclusions deduced from the large-scale atmosphere(Li and Chou 1996a;1996b) are extended to the general atmosphere.     

大气圈碳循环的模拟研究进展

碳元素是地球生命的重要组成元素,而大气中的ＣＯ２是生命物质中碳元素的最主要来源,它也是引起气候长期变化的外强迫作用中最主要的温室气体,观测资料表明,在工业革命后,由于人类工农业活动的影响,大气圈中ＣＯ２含量增加很快。了解碳的源汇分布,大气圈碳循环动力机制以及碳循环与气候系统的相互作用,并进一步了解碳循环在整个地球系统内的作用过程十分重要。本文综合了近年来一关于碳循环在整个地球系统内的作用过程十分重     

A Simplified Extended Kalman Filter assimilation of soil moisture for the SL-AV global medium-range forecast model

The implementation of the Simplified Extended Kalman Filter (SEKF) for the deep soil moisture initialization in the SL-AV global atmosphere model is described. Special attention is paid to the calculation of the observation operator and analysis increment. SL-AV screen-level parameters forecasts are estimated with SEKF and optimal interpolation initialization methods. It is demonstrated that the implementation of the assimilation algorithm improves the model forecast quality for screen-level temperature and relative humidity.     

绿洲附近荒漠大气逆湿的外场观测和数值模拟

用ＨＥＩＦＥ实验观测资料,给出了临近绿洲的荒漠大气比湿廓线的一些特性。并且用发展的二维中尺度土壤一植被一大气连续体数值模式模拟了绿洲及其临近荒漠大气的湿度廓线结构,再现了荒漠大气的逆湿,得到了荒漠大气比湿廓线几种典型形式及其表现规律,初步解释了荒漠大气逆湿形成的物理过程和机制。     

AN ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS OF EQUATORIAL WESTERLIES

The real-time data of the high level atmosphere obtained by the R/V Xiangyanghong No.5 involved in the international TOGA-COARE project at 2°S, 155°E and at fixed real time of 05, 11, 19 and 23 h GMT each day from Nov. 5, 1992 to Feb. 18, 1993 are used to analyze diagnostically the vertical structure of wind and humidity over the central area of the warm pool. The results show that (1) the lowfrequency oscillation of the equatorial westerlies (i. e. reconstruction-development-decline) is closely related to the vigour and interruption of the Asian-Australian monsoon (including air flow across the equator caused by East Asia cold wave), (2) the variabilities of the vertical structure of wind and humidity, and the processes of precipitation and gale weather in the troposphere of the warm pool area are closely related to the intensity of the equatorial westerlies, and (3) there are strong wind belts over the high and low level atmosphere in the western equatorial Pacific at the inception of the ENSO event, and jet flow at the high and low level atmosphere during the equatorial westerly burst.