診斷方程在研究大氣過程中的應用

摘 要：利用WRF模式研究影響極端天氣的物理過程受到越來越多的關注，大多數研究主要從大氣環流特征或理論成因定性地進行機理分析，而該文指出診斷方程為研究大氣物理過程提供了一種新的思路，其能夠利用模擬結果計算出對氣象要素具有顯著影響但不能直接計算得到的物理過程，如包含輻射、湍流交換的非絕熱作作用，因此由診斷方程能定量地分析影響氣象要素變化的各物理過程的相對重要性和影響結果，且能更加深層次地進行機理分析。

關鍵詞：WRF模式 物理過程 診斷方程 高溫天氣 定量分析

中圖分類號：P426 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0167-02

近幾十年來，在全球氣候變暖的背景下，各類極端事件頻發，如高溫天氣、短時強降水等。這些極端事件不止給人類生產、生活帶來極大的不便，甚至影響到財產、人身安全以及國民經濟，因此極端事件的研究對于有效地避免其帶來的損害是十分必要的。

大氣模式為描寫大氣運動而建立的基本方程組，其能較為接近地反映出大氣運動的本質，因此利用模式模擬結果有助于更好地了解極端事件。由于中尺度WRF模式較其他模式在中國地區有更好的模擬能力[1]，因此受到廣泛地應用，其中大多利用中尺度WRF模式揭示影響大氣的物理過程，但分析角度大多相似。本文目的在于介紹利用診斷方程研究影響大氣物理過程。

1 模式簡介

WRF模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）和美國國家環境預測中心（NCEP）等多個部門共同開發出的新一代中尺度模式[2]，現已廣泛應用于各種研究與業務預報中，除極具特色的數值化動力框架外，WRF模式包含許多先進的物理參數化方案，如微物理、輻射（長波和短波）、云以及與邊界層相關的地表層、行星邊界層、陸面過程[3]。因此利用WRF模式能很好地模擬出代表中尺度天氣系統的風場、溫度場、高度場、氣壓場、水汽通量場和散度場等物理量，并能較為精確地揭示出大氣中氣象要素的變化。然而，對大氣變化過程起到重要影響作用的一些物理量在模式中不能模擬出來，如湍流、非絕熱作用[4]。

2 診斷方程

許多學者對于極端天氣的研究主要從大氣環流特征及理論成因出發，研究極端事件形成和維持的原因。曾新民等[5，6]利用WRF模式模擬一次降水過程，得到通過影響地表蒸發量、低層環流以及水汽輻合，從而影響較大范圍降水及降水中心的較小范圍暴雨；同時，通過對短期高溫天氣的研究指出地表感熱通量對地面氣溫有較大的影響。尤紅[7]等利用WRF模擬滇中大暴雨得到最大CAPE分布特征能較好地預示出強降水和強對流的發生、發展和移向。蒙偉光[8]等利用耦合城市冠層的WRF模式對廣州高溫天氣進行模擬，表明無論是在以吸收短波輻射且缺少水汽蒸發蒸騰的白天還是在能量來自土壤熱通量的向上輸送且潛熱通量小的夜晚均表現為以感熱形式加熱大氣，并且夜間城區表現較高的最低氣溫及較強的熱島特征均與感熱加熱的持續時間有關。何由等[9]利用WRF模式模擬青藏高原的一次強降水得出強的對流作用和低層水汽輻合對降水的形成有較大的作用。從上述研究結論可以看出大多研究側重從大氣環流特征及理論成因出發，且定性分析影響極端天氣的主要因素，不能定量地反映出各物理過程對氣象要素的影響大小。

2.1 診斷方程的建立

Zeng[10，11]等研究高溫天氣的物理過程時，利用熱力學第一定律得出氣溫隨時間變化

其中，V為水平風矢量，w為垂直速度，和分別為干絕熱過程氣溫直減率和氣層溫度直減率，為非絕熱加熱項。因此影響溫度變化的物理過程有：，即暖（冷）平流引起局地氣溫升高（下降）；，即垂直運動引起的局地溫度變化；非絕熱加熱項，包括輻射、湍流交換、凝結過程等的影響。

2.2 診斷方程的應用

由于模式輸出的物理量不能直接求得，而診斷方程其余的各項都可由模式輸出結果計算得到。因此，非絕熱加熱作用可以根據診斷方程由其余三項求得，這使得不能直接計算得到的非絕熱加熱作用對氣溫變化的影響（之前的研究沒有得到過）可以直接得到。總的來講，由模擬結果可以定量得到影響氣溫變化三個因素（溫度平流、絕熱對流以及非絕熱加熱）的大小，其有助于研究影響氣溫變化的物理過程。

Zeng et al （2014）利用該診斷方程得到湍流輸送的非絕熱過程對氣溫變化的影響最大，絕熱對流作用次之，溫度平流影響很小（影響小4～5個量級），可以忽略（盡管溫度平流對單站氣溫的影響相對較大）；湍流輸送的非絕熱過程在白天使得近地層升溫，夜間使得近地層降溫；而絕熱對流作用無論是白天還是夜間都使得近地層升溫、且夜間升溫幅度接近于非絕熱過程降溫幅度；此外，絕熱對流對氣溫的影響基本不受濕度變化的影響，而非絕熱對氣溫變化的影響受濕度變化的影響較大，且地面越干燥，其使得地面溫度越高。Zeng et al.（2014）對比不同陸面方案模擬的w和γ，從而表明在高溫天氣條件下，陸面方案模擬氣溫的缺陷在于不切實際地弱的絕熱加熱作用以及強烈的非絕熱加熱作用。

3 結語

大多研究對于極端天氣如高溫天氣的研究主要從感熱、潛熱、垂直運動的增暖或冷卻效應出發[12]，即使由溫度的變化方程出發，但都未能準確詳細地分析出影響溫度變化的物理過程[13]。然而，利用診斷方程分析模式模擬結果則能夠定量地分析出影響氣溫變化的各物理過程的相對大小，且能夠進一步對影響機理進行解釋。因此，診斷方程為研究大氣物理過程提供一種新的思路。上述診斷方程是針對氣溫而言，而如風速、水汽等物理量的變化同樣可以由診斷方程表達，因此未來可以利用診斷方程來研究影響降水、風速等的大氣物理過程。

參考文獻

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