作为热机的自然对流:CAPE理论

在许多行星上,不断有热量供给地面,且热量也不断通过大气向太空发出红外辐射.由于在高压区是热源不是热汇,因此,该系统能够做机械功.大气对流是可以在此系统中运转的自然热机.基于这种热机结构,提出了一个大气对流的简单理论,预报在统计平衡状态下干、湿对流的浮力、垂直速度及其覆盖区域.在对流热机一次循环期间,来自地面层(热源,热区)的热,其中一部分被报废到空间自由对流层(热汇,冷区),并从那里辐射到太空.其余部分变为机械功.此机械功用于克服机械耗散维持对流运动上.最终,机械能耗尽,转变成热能.消耗掉的部分能量被辐射到太空,而其余的通过对流气块进入再循环.在温度较低能量消耗部分降低的情况下,温度较高能量消耗部分增加,提高了对流热机的视效率.对流热机所做的功对气柱积分,给出了存在于行星大气中克服粘性耗散、维持对流运动的对流有效位能(CAPE)统计平衡量的大小.此积分被认为是准平衡条件下行星状态的一个全球性数字.对于地球目前的气候,热机结构预报热带地区CAPE值的大小为1000 J·kg-1,该预报值与观测值一致.从结果也可得出,存在于对流大气的CAPE总量应随着全球地表温度的升高(或大气对红外辐射的暗度)的增大而增大.     

1991年江淮特大暴雨的降水性质与对流活动

从计算大尺度热源和分析ＴＢＢ资料两个方面，阐述了１９９１年江淮梅雨期间降水性质与对流活动的季节性演变特征。结果表明：梅雨期间江淮上空３个强上升运动时段分别形成了３场暴雨，由暴雨释放的热量使江淮大气出现了３个时段的强加热；３场暴雨的降水性质呈显著的季节性演变，由第１场暴雨以锋面性降水为主发展到第３场暴雨异常强的对流性降水。文中详细分析了热源和水汽汇的时空分布特征，并从大气运动场和热力结构讨论了盛夏强对流降水期间积云对流以涡动形式对热量和水汽的强铅直输送作用。江淮地区ＴＢＢ值能很好地反映降水状况，雨期一致地对应于ＴＢＢ低于２５０Ｋ的时段。梅雨中后期东亚地区对流活动季节性地增强，带状对流区（特别是ＴＢＢ高负距平区）与雨带位置相符。对流带位置及对流活动强弱与西南暖湿气流活动密切相关，它很好地表征了东亚地区的低空急流（给积云输送热带对流大气）。梅雨期间对流带主要出现在江淮流域，但可在东亚范围内飘移，它落在江淮与否则决定了江淮暴雨的维持与中断     

全球大气季节平均热源的三维分布——非绝热加热与瞬变加热之对比

利用1958—2001年ERA40逐日大气再分析资料,使用热力学方程剩余项法计算和对比分析了全球大气季节平均非绝热加热和瞬变加热的四季气候平均三维分布。结果表明,全球大气非绝热加热主要为热带强大深厚对流性热源、中纬度浅薄热源以及副热带和高纬度的深厚性热汇,热带热源总是向夏半球偏移,但中纬度热源和高纬度热汇在冬半球偏强。全球大气瞬变加热的三维分布主要表现为:副热带热汇-中高纬度热源的南北偶极型和中纬度低层热汇-高层热源的高低层偶极型,该分布型导致瞬变热源具有从高纬度低层向中纬度高层的倾斜结构。瞬变加热与风暴路径密切相关,冬半球风暴路径的瞬变活动强,因而其瞬变热源和热汇也强,而夏半球则相对弱。瞬变加热在北半球具有位于大陆东部和大洋西部的区域性特征,而在南半球具有纬向带状分布,尤其在冷季时南太平洋瞬变热汇和热源带出现分离现象。瞬变加热在全球大部分区域对非绝热加热起减弱抵消作用,但在中纬度对流层中高层起支配性作用。因此,大气瞬变活动帮助高纬度和中纬度中高层大气获得更多的热量,从而对非绝热加热造成的大气热量进行空间上的重新分配。     

作物气象灾害危害性的多目标灰色局势决策

计算了１９９１年７月４－９日的梅雨锋强度降水过程的热源Ｑ１和水汽汇Ｑ２，结果表明，存在着两类云系即对流云和层状云对Ｑ１和Ｑ２的结构产生影响。对流加热发生在强降水区上空，而层状云加热发生在对流区周围的弱降水区上空，在对流加热区，大量的潜热释放形成最的热源和水汽汇，热源峰值出现在上部对流层，水汽汇峰值出现在下部对流层，在层状云区，通常０℃层以上为热源和水汽汇，０℃层以下的热汇和水汽源，层状云引起的Ｑ１     

第一次全球大气研究计划试验期间华南前汛期暴雨过程及其环流特征的 …

对１９７９年第一次全球大气研究计划试验（ＦＧＧＥ）期间华南前汛期３次暴雨过程及其环流特征进行了诊断研究。发现：（１）３次暴雨过程均与锋面活动有关,每次锋面过程都与锋生区对应,暴雨多见于锋前暖区内。锋面的特征既不同于冬季的冷锋,又不同于夏季长江流域的梅雨锋。（２）对视热源和视水汽汇作了计算,发现３次暴雨过程中,华南地区的视热源和视水汽汇项有明显作用,积云对流所造成的对流凝结加热作用很重要。（３）华南     

东亚地区大气辐射能收支(三)--云天大气的地气系统热量收支

本文是东亚地区大气辐射能收支”的第三部分,讨论了如下几个问题: 1.云天大气长波辐射和辐射差额分布。结果指出,除7月份西藏高原地区外,云天和晴天长波辐射分布特征基本相同,而其辐射差额分布又和相应月份的大气长波辐射分布特征基本一致。 2.东亚地区对流层大气热源热汇分布:8月份整个东亚地区都是冷源,在新疆地区和中国东部北纬32°—25°之间有两个冷中心。在7月份整个东亚地区都是热源,在西藏高原东南部有一个最强的热源中心。新疆北部有一个小的热源中心。 3.东亚各地区的地气系统各种热量收支。首先就整个东亚地区地气系统而言,7月份得到热量基本上补偿了1月份损失的热量,但就大气而言,1月份热量损失大于7月份热量的获得。其次各地区各种热量收支特征并不一致。     

1983年长江中游梅雨期的热源和热汇分析

本文用曲面拟合和收支方程计算了5—7月长江中游地区梅雨前后不同时段热源和热汇的分布,得到如下一些结果:(1)梅雨期的热源主要由降水产生的凝结潜热造成。最大热源位于700—400hPa层中。降水的性质一般以连续性降水为主,但有时也发生明显的对流活动。在无雨期,在深厚的对流层大气中是冷却的,这主要由辐射冷却引起。因而梅雨时期的大气性质十分类似于热带大气。(2)梅雨期的降水以及热源热汇分布有明显的日变化。一般下午为明显的热源或更强的对流热输送。(3)在梅雨期及其前后感热和蒸发的作用不能忽略。在无雨或少雨期,蒸发是形成水汽源汇的主要因子。      

青藏高原大气热量源汇年际变化及其与大气环流的关系(英文)

本文使用１９６１～１９９５年逐月青藏高原地区大气机热量源汇＜Ｑ１＞资料、１９６１～１９９０年青藏高原地区积雪日数和积雪深度资料、美国ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ的再分析资料以及１９７５～１９９４年全球ＯＬＲ资料，讨论了高原大气热状况年际变化及其与大气环流的关系，发现：高原地区大气热源年际变化明显，其中春季和秋季高原地区＜Ｑ１＞的变率最大，并且水平分布很不均匀；当冬季高原冷源弱（或强）时，东亚大槽位置偏东（或西），对应着东亚强（或弱）的冬季风；夏季高原热源强（或弱）的年份，在高原及其邻近地区的对流层中、低层为偏差气旋环流（或反气旋环流），在中国长江流域低层为异常的西南风（或东北风），对应着东亚强（或弱）的夏季风，夏季高原热源强度还与南亚高压的强度和位置有关；春季４月的积雪状况与夏季高原大气热源强度有明显关系；夏季高原热源与同期青藏高原东南部、孟加拉湾、中南半岛、东南亚、中国西南部、长江流域和从黄海到到日本海一带对流有明显正相关。     

我国南方MCC的涡度、水汽和热量收支平衡

采用合成分析方法 ,将我国南方中尺度对流复合体的生命史划分为 7个子阶段 ,详细探讨MCC演变过程中的涡度、水汽和热量收支平衡演变特征 ,着重分析了中小尺度系统在MCC过程中的作用。结果表明 :( 1)在MCC过程中 ,中γ尺度和中 β尺度系统活动是引起涡度不平衡的重要原因。( 2 )在MCC初始阶段有中小尺度对流系统消耗MCC的水汽、热量而积极活动 ,造成MCC的视热汇、视水汽汇。成熟阶段的源区域表明有中小尺度系统的活动造成MCC的视热源、视水汽源 ,这是MCC具有长生命史的原因。MCC后期 ,中小尺度对流系统活动造成的视水汽汇和视热汇 ,与有利的大尺度天气条件的逐渐消亡 ,使MCC渐渐消失。 ( 3 )MCC的形成和启动受大尺度环境场的控制 ;一旦MCC开始活动 ,对流层低层、中层的中尺度对流系统活动对MCC的发展与持续过程有十分重要的作用 ;在MCC前期 ,中小尺度对流活动消耗MCC的总能量而启动 ;在成熟阶段中小尺度对流活动释放总能量造成了MCC的长生命史 ;MCC后期 ,大形势发生改变 (如位势不稳定度的变化等 ) ,积云对流活动和(或 )中尺度对流活动的作用与大尺度形势趋势一致 ,致使MCC消亡。 ( 4 )在MCC前期 ,潜热释放是主要加热因子 ;而后对流垂直输送水汽和热量的作用比对流凝结加热的作用大。     

水平非均匀对流边界层热量平衡和平流输送作用的大涡模拟

采用大涡模拟所获的数据结果，分析地面热通量沿平均风方向存在 突变的条件下对流边界层的热量平衡和平流输送作用。分析表明边界层内模拟所得结果 可以很好地满足热量平衡关系。除地面热通量项以外，平流项（包括水平平流和垂直平 流）对边界层加热率的作用可达地面热通量不均匀性差值的大小，是影响边界层内热量 平衡的最重要因子，平均速度散度项对热量平衡的作用也不可忽略，但湍流通量散度项 的作用则很小。     

一个直接考虑大涡、小涡作用的大气对流边界层模式

本文建立了一个大气对流边界层模式,构造此模式时,假设对流边界层中水平动量和热量在垂直方向上的湍流输送、扩散是由大涡与小涡组成的系统完成的。文中,用此模式作了一实例模拟,计算结果表明:模拟的结果与实测的结果相当一致。     

大涡模拟模式研究对流层湍流

利用三维大涡模拟模式研究不同地面热力状况和风切变对湍流产生的影响，在对流层湍流发展过程中，这两种作用是同时存在的、同时起作用，水平风速的瞬时垂直切变可以在自由大气中激发湍流，但它不能维持很长时间，对流热泡也可以在自由大气中激发湍流，其湍流强度与地面的热量强度有关。     

盛夏青藏高原热源与菲律宾海对流活动的联系

通过多源资料诊断分析,本文讨论了盛夏（8月）青藏高原大气热源与菲律宾海对流活动之间的联系及可能的机制。结果表明,与青藏高原热源相联系的环流形势在夏季各月明显不同,因此对夏季青藏高原热源的影响应当分月讨论。在夏季各月中,菲律宾海对流活动与青藏高原热源在8月份的联系最为紧密,二者存在显著的反相关关系。而8月青藏高原热源、菲律宾对流活动、西太平洋副热带高压（简称西太副高）、印度季风低压、南亚高压、西风带槽脊和西北太平洋季风环流存在相互耦合的过程。青藏高原热源与菲律宾海对流活动之间联系的机制为:菲律宾海对流弱（强）年,西太副高偏西（东）偏南（北）,西北太平洋季风环流减弱（加强）,印度季风低压减弱（加强）,西风带南压（北抬）,又加之副高西侧有强（弱）的水汽输入,兼以高层南亚高压加强（减弱）,使得高原南部降水显著增强（减弱）,高原热源整体加强（减弱）,高原热源的加强（减弱）又造成了高原南部到东亚区域低层西南（东北）风异常,又利于西太副高偏西（东）偏南（北）,从而造成菲律宾海对流减弱（加强）。这一机制在高原热源强弱年均有表现,但强年表现得更为显著,并在个例中也有所体现,说明盛夏青藏高原热源异常和菲律宾海对流异常存在显著的相互作用。     

ERA与NCEP2大气热源的对比分析以及全球大气热源性质变化规律的研究

首先,对比分析了ECMWF再分析资料(简称ERA)和NCEP/NCAR第2版再分析资料(简称NCEP2)计算的大气热源,并在此基础上研究了全球大气热源性质(符号)变化的规律.分析两套资料计算的大气热源差别较大的某些地区,发现ERA资料在这些地区估算的大气热源要优于NCEP2,因此,在接下来的研究中主要采用了ERA资料.对全球大气热源性质(符号)变化规律的研究主要揭示了全球永久大气热源和永久大气热汇的地理分布特征.永久大气热源中心主要分布在赤道附近地区,在赤道非洲的西部、苏门答腊岛西边的海域和赤道中西太平洋地区各有一个较强的永久热源中心,另外,在日本南部及其东边的太平洋上也有一永久热源中心.永久热汇地区的分布比较有规律,除了南北半球60度到两极之间为永久热汇地区外,南半球5°S～40°S各大陆西边的大洋上都有一个永久热汇中心,另外,在阿拉伯海的北端,北半球15°N～40°N之间太平洋和大西洋的东部也分别有一热汇中心.     

GRAPES全球模式浅对流过程和边界层云对低云预报的影响研究

在GRAPES全球模式云方案中加入浅对流卷出过程和边界层云对云水（冰）、云量的影响,改进模式低云预报,模拟比较改进前后预报结果,并与CERES（云和地球辐射能量系统）及YOTC（热带对流年科学计划）资料进行对比分析。结果表明：考虑浅对流卷出过程和边界层云后,主要增加了模式700 hPa以下低云量及低云中液态水凝物含量,改进后的结果与实际观测更接近。其中边界层层积云主要影响大气边界层顶附近较薄的一层云,影响厚度不超过200 hPa,浅对流卷出过程对云水和云量大小的影响与边界层云相当,而影响厚度则更广,对地面到700 hPa间的低云都会产生一定影响。进一步研究表明,由于低云预报的改进促进了地表和大气层顶云长短波辐射强迫的预报,云的辐射强迫得以增加。     

南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。     

大尺度热源、热汇和地形对西风带的常定扰动(一)

在本研究题目的第—部分中,作者由热量方程利用高空温压场和表面风的平均资料,计算了北半球1月和7月对流层下半部热源和热汇的分布,并讨论了它们的地理分布的特点。作者利用辐射、凝结和湍流等加热过程来解释热源和热汇的分布情况。并将热源和热汇的水平分布图和沿纬圈方向的平均值,与过去其他人的工作在源汇强度和分布形势上予以详细比较。     

基于热源作用的青藏高原东坡一次夜间暴雨的诊断分析

利用ERA5再分析资料、CMORPH融合降水资料和山地通量观测资料对2020年6月26日发生在四川冕宁一次夜间致灾暴雨进行综合诊断分析。结果表明：本次夜间暴雨发生前，白天地面热源存在明显的正异常变化，地面热源的正异常区与降水有很好的对应关系。同时大气热源（视热源和视水汽汇）与暴雨的关系密切且相互影响，降水释放凝结潜热，加热大气，使得视热源也随之增加。在暴雨发展强盛阶段，视水汽汇的垂直输送项达到最大，而视水汽汇的局地变化项能很好指示整个暴雨过程中区域水汽的净输送状况。     

大气对流边界层中的涡漩结构

大气边界层中存在尺度从几百米到几十公里的大涡漩运动。它们在边界层中动量、热量、水汽等垂直输送中起重要作用。作者从边界层中对流和上部稳定层中波动相互作用的观点，发展得出大涡结构的对流波动理论。根据此理论，大涡的波谱构成主要由上、下层大气中风向、风速、层结以及两层之间的温度跃变等因素决定。本文根据卫星云图和天气资料分析了一次冷空气爆发流经暖洋面上形成云街、对流单体以及它们之间的相互演化的过程，并用对流波动理论，依据各阶段的大气条件计算出它们的波数构成，并得出了垂直速度、辐合带、界面扰动的分布，解释了云街、对流单体的形成、结构及相互转化的原因     

昆明城市建筑物外墙壁面对庭院气温的影响

以低纬度高原城市昆明市为对象,利用冬季（1月）和夏季（7月）不同高度的建筑物外墙壁面表面温度、外墙壁面近旁气温和对应高度的庭院气温实测资料,分析了城市建筑物外墙壁面对庭院不同高度气温的影响。得出：建筑物外墙壁面对庭院气温垂直分布的形成有着不可忽视的热力效应,其效应随季节、昼夜以及壁面方位、高度的不同而各异。建筑物外墙壁面与庭院大气相互影响,昼间建筑物外墙壁面向庭院大气传热,呈现热源效应,随高度增加,热源效应减小;夜间建筑物外墙中、上部壁面从庭院大气吸收热量,呈现热汇效应,随高度增加,热汇效应增大。冬季各壁面的热力效应差异显著,昼间的热源效应南向壁面最为显著,北向壁面热源效应为负,夜间的热汇效应北向壁面最大;夏季各壁面的热力效应差异小于冬季,昼间的热源效应西向壁面较大,夜间的热汇效应东向壁面较明显。分析表明：城市建筑物外墙壁面的热力效应不可忽视,其对立体城市气候的形成有着重要的贡献。