绝热大气过程的若干性质.pdf

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1、!第!"卷!第#期!#$$"年#月$K(绝热大气过程的若干性质"高!丽!$!(!李建平!任宏利!;中国科学院大气物理研究所BM+D!北京!"""$P)$;中国科学院研究生院!北京!"""KP)(;兰州大学大气科学学院!兰州’(""""摘要!!研究了绝热大气过程的若干重要性质!论证了绝热情形下大气熵范围的不变性和表面位温的局地不变性!在此基础上进一步探讨了当等熵面与地面相交时等熵面上以及等熵面与地面之间大气质量的守恒性;分析表明’在大气有效位能研究中!客观定义的大气参考状态应当是实际大气经过绝热调整后所能够达到的状态!是与调整前大气状态有关的!不同时刻的实际大气对

2、应的参考状态应是不同的!而B9H56:所定义的大气参考状态是绝热调整无法达到的%进而提出了利用条件最小全位能的新概念来研究大气有效位能;关键词!!有效位能!绝热!等熵面!大气参考状态!条件最小全位能!!有效位能"MR/$的研究一直是大气能量学的重从物理上设计大气参考状态的分布形态!并没有从&!!$’&(’要组成部分;B9H56:首先发展了=1H7G35V关数学上探讨绝热情形下等熵面上大气的若干性质!于风暴有效能量的概念!给出了近似和精确的两种也未能从数学和物理两方面对这样的大气参考状态全球平均MR/定义及其产生的表达形式!但在推是实际大气状态通过怎样的绝热调整而

3、达到!或是导过程中引入了诸如静力平衡%稳定大气层结%不否能够进行严格的证明!这些基本而关键的问题对考虑地形以及忽略潜热能贡献等假定;随后的许多于认识大气参考状态及有效位能的概念和计算有着工作都致力于去掉这些假设!例如!OG\96和十分重要的意义;S9U6V96得到了非静力近似下更为准确的公式和方&K’(!绝热调整过程中表面位温变化程%B9H56:在新的推导过程中考虑了水汽过&%’&)’&!!$’程%C1‘39H则引入了地形影响;同时!B9H56:按照B9H56:定义!用实际大气的全位能的全球MR/定义也被扩展到区域尺度!用于研究"CR/$减去经绝热调整到大气参

4、考状态时的最小全&’*!"’风暴产生过程中MR/的变化;近些年!MR/位能"=CR/$!就得到了有效位能的数学表达式;&!!*!(’的概念也从不同方面得到了新的发展!并被广他所给出的大气参考状态是大气经过绝热调整后所&!K*!#’具有的水平%正压%稳定层结和最小全位能的状泛应用于大气%海洋能量学的研究中;在上述有关MR/的理论推导或实际估算中!态;由于没有考虑地形!因此参考状态时大气的均&)’定义一个适当的绝热调整后的大气参考状态是至关匀表面位温就是调整前的最小表面位温;C1‘39H重要的;B9H56:最早给出不考虑地形的大气参考状在考虑了地形后!给出了两种大气

5、参考状态#一种态是正压水平的%具有稳定层结和最小全位是在B9H56:的参考状态中直接加上起伏的地形!系&!!$!%’能!后人在此基础上进一步提出了考虑地形存统具有最小熵)另一种是地形表面具有均匀气压!&)’在的大气参考状态!等等;这样的定义都是直接等熵面随地形起伏!系统具有最小焓;可以看出!!$""%&")&"’收稿!$""%&"P&"#收修改稿!"国家杰出青年科学基金"批准号#K"($%"!%$和国家重点基础研究发展规划"批准号#$""),LK""%"($资助项目!/&0123#71932!0123;214;1<;<6!第!"卷!第#期!#$$"年#月$KK依

6、据不同研究目标而设计的参考状态差别很大!而变性B且这样的参考状态是否能够通过实际大气经过绝热这意味着表面,各处-的位温在整个绝热调整调整而得到呢+我们无法从他们的工作中得到严格过程中始终等于初始实际大气状态的值!在无边界的数学证明;流动或无表面熵平流的约束下!并不会因为大气的实际上!我们完全可以从调整前的实际大气入调整过程而改变B手!从而推出大气在绝热调整过程中所呈现的一些在性质!!$的基础上!不难作出如下两个简性质;从以往定义的大气参考状态来看!对于表面单推论#位温的描述差别很大;因此!我们将首先探讨表面"!$如果大气运动以绝热过程进行且无表面熵位温在绝热调整

7、过程中的变化情况;平流!那么任一垂直空气柱中大气熵或位温的范围为了讨论方便!首先给出球面等熵坐标系保持不变B"+!!%!1$"其中+!分别表示球面上的经度和"$$如果大气运动以绝热过程进行且无表面熵,,纬度!+*&"!$.’!&N.($!.($’!%为位温!平流!那么等熵面与地面相交线的位置保持不变B,*1为时间$中的边界条件如下&!P!$"’#很明显!上述推导对于有无地形情况均适上边界#当%L%7L常数!用B由此可见!对于有效位能的研究!在实际大气状态向其参考状态的绝热调整过程中!任一处3%CL"B"!$的表面位温均保持不变!故在调整后的参考状态中!与地面相交

8、的等熵面不一定与等位势高