诊断方程在研究大气过程中的应用

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摘 要：利用WRF模式研究影响极端天气的物理过程受到越来越多的关注，大多数研究主要从大气环流特征或理论成因定性地进行机理分析，而该文指出诊断方程为研究大气物理过程提供了一种新的思路，其能够利用模拟结果计算出对气象要素具有显著影响但不能直接计算得到的物理过程，如包含辐射、湍流交换的非绝热作作用，因此由诊断方程能定量地分析影响气象要素变化的各物理过程的相对重要性和影响结果，且能更加深层次地进行机理分析。

关键词：WRF模式 物理过程 诊断方程 高温天气 定量分析

中图分类号：P426 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0167-02

近几十年来，在全球气候变暖的背景下，各类极端事件频发，如高温天气、短时强降水等。这些极端事件不止给人类生产、生活带来极大的不便，甚至影响到财产、人身安全以及国民经济，因此极端事件的研究对于有效地避免其带来的损害是十分必要的。

大气模式为描写大气运动而建立的基本方程组，其能较为接近地反映出大气运动的本质，因此利用模式模拟结果有助于更好地了解极端事件。由于中尺度WRF模式较其他模式在中国地区有更好的模拟能力[1]，因此受到广泛地应用，其中大多利用中尺度WRF模式揭示影响大气的物理过程，但分析角度大多相似。本文目的在于介绍利用诊断方程研究影响大气物理过程。

1 模式简介

WRF模式是由美国国家大气研究中心（NCAR）和美国国家环境预测中心（NCEP）等多个部门共同开发出的新一代中尺度模式[2]，现已广泛应用于各种研究与业务预报中，除极具特色的数值化动力框架外，WRF模式包含许多先进的物理参数化方案，如微物理、辐射（长波和短波）、云以及与边界层相关的地表层、行星边界层、陆面过程[3]。因此利用WRF模式能很好地模拟出代表中尺度天气系统的风场、温度场、高度场、气压场、水汽通量场和散度场等物理量，并能较为精确地揭示出大气中气象要素的变化。然而，对大气变化过程起到重要影响作用的一些物理量在模式中不能模拟出来，如湍流、非绝热作用[4]。

2 诊断方程

许多学者对于极端天气的研究主要从大气环流特征及理论成因出发，研究极端事件形成和维持的原因。曾新民等[5，6]利用WRF模式模拟一次降水过程，得到通过影响地表蒸发量、低层环流以及水汽辐合，从而影响较大范围降水及降水中心的较小范围暴雨；同时，通过对短期高温天气的研究指出地表感热通量对地面气温有较大的影响。尤红[7]等利用WRF模拟滇中大暴雨得到最大CAPE分布特征能较好地预示出强降水和强对流的发生、发展和移向。蒙伟光[8]等利用耦合城市冠层的WRF模式对广州高温天气进行模拟，表明无论是在以吸收短波辐射且缺少水汽蒸发蒸腾的白天还是在能量来自土壤热通量的向上输送且潜热通量小的夜晚均表现为以感热形式加热大气，并且夜间城区表现较高的最低气温及较强的热岛特征均与感热加热的持续时间有关。何由等[9]利用WRF模式模拟青藏高原的一次强降水得出强的对流作用和低层水汽辐合对降水的形成有较大的作用。从上述研究结论可以看出大多研究侧重从大气环流特征及理论成因出发，且定性分析影响极端天气的主要因素，不能定量地反映出各物理过程对气象要素的影响大小。

2.1 诊断方程的建立

Zeng[10，11]等研究高温天气的物理过程时，利用热力学第一定律得出气温随时间变化

其中，V为水平风矢量，w为垂直速度，和分别为干绝热过程气温直减率和气层温度直减率，为非绝热加热项。因此影响温度变化的物理过程有：，即暖（冷）平流引起局地气温升高（下降）；，即垂直运动引起的局地温度变化；非绝热加热项，包括辐射、湍流交换、凝结过程等的影响。

2.2 诊断方程的应用

由于模式输出的物理量不能直接求得，而诊断方程其余的各项都可由模式输出结果计算得到。因此，非绝热加热作用可以根据诊断方程由其余三项求得，这使得不能直接计算得到的非绝热加热作用对气温变化的影响（之前的研究没有得到过）可以直接得到。总的来讲，由模拟结果可以定量得到影响气温变化三个因素（温度平流、绝热对流以及非绝热加热）的大小，其有助于研究影响气温变化的物理过程。

Zeng et al （2014）利用该诊断方程得到湍流输送的非绝热过程对气温变化的影响最大，绝热对流作用次之，温度平流影响很小（影响小4～5个量级），可以忽略（尽管温度平流对单站气温的影响相对较大）；湍流输送的非绝热过程在白天使得近地层升温，夜间使得近地层降温；而绝热对流作用无论是白天还是夜间都使得近地层升温、且夜间升温幅度接近于非绝热过程降温幅度；此外，绝热对流对气温的影响基本不受湿度变化的影响，而非绝热对气温变化的影响受湿度变化的影响较大，且地面越干燥，其使得地面温度越高。Zeng et al.（2014）对比不同陆面方案模拟的w和γ，从而表明在高温天气条件下，陆面方案模拟气温的缺陷在于不切实际地弱的绝热加热作用以及强烈的非绝热加热作用。

3 结语

大多研究对于极端天气如高温天气的研究主要从感热、潜热、垂直运动的增暖或冷却效应出发[12]，即使由温度的变化方程出发，但都未能准确详细地分析出影响温度变化的物理过程[13]。然而，利用诊断方程分析模式模拟结果则能够定量地分析出影响气温变化的各物理过程的相对大小，且能够进一步对影响机理进行解释。因此，诊断方程为研究大气物理过程提供一种新的思路。上述诊断方程是针对气温而言，而如风速、水汽等物理量的变化同样可以由诊断方程表达，因此未来可以利用诊断方程来研究影响降水、风速等的大气物理过程。

参考文献

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