关于海洋和大陆环境下的对流有效势能的看法外文翻译资料

 2022-12-06 15:55:36

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关于海洋和大陆环境下的对流有效势能的看法

1995.6.10-1995.9.26

大气科学杂志1995.1

DOI:10.1175/1520-0469(1994)051lt;3829:CAPEITgt;2.O.C0;2来源:NTRS

作者：Edward J. Zipser

1.介绍

Lucas et al.(1994a,b )指出海洋前10%的上升气流垂直速度的平均速度为为超过4~5m/s，而大陆为12~13m/s。他们建议是时候集中精力解决为什么上升气流垂直速度在大陆上要高一些。他们展示了把垂直速度的不同归因于对流有效位能的不同也是没有依据的，因为无论是海洋还是陆地上对流有效位能的范围都是1500-2000J/Kg。上升气流速度随CAPE普遍增加，但是LeMone et al.(1994 )仔细的数据分析显示在大陆地区高对流有效位能不是高垂直速度形成的原因。这个笔记也检测了低纬度地区是怎样凝结的和由此造成的蒸发冷是海洋地区的低的上升气流速度的成因。

  1. 空气混合物的虚拟温度

图2：同图一。不同是空气块包含2k/kg的液态水。两点线展示了不包含积液的混合物的虚温

图1：90kPa空气块和环境空气在的混合焓。水平轴是混合物中环境空气的混合比。左垂直轴为温度和虚温。右垂直轴为相对湿度。右侧的环境空气温度为290k，相对湿度为60%。左侧的空气块温度为290.5k,相对湿度为100%，没有凝结水。重实线为混合物的虚温，轻立体水平线为环境空气的虚温，点睫毛线为混合物的实际温度，两线展示了混合物的相对湿度和100%相对湿度。

图3：同图2.不同是空气块的温度为289.4且包含1g/kg的液态水。空气块与环境有同样的虚温。

图片1和2显示出环境空气混入干空气块和环境空气混入含液态水空气块的不同。在图片一中空气块是饱和的但是不包含凝结水。在图片二中，空气块除了是饱和的外还包含2g/kg的液态水。在这两个例子中，混合过程都是绝热恒定压90kPa，环境温度是290k,相对湿度为60%，饱和气块的温度是290.5 K。

在没有液态水的图一中，混合物的虚温随混合物中环境空气浓度的增加而线性降低。立体水平线在291.4k是零浮力层环境的虚温。环境虚温比实际温度高1.4K。混合前空气块的虚温比它的实际温度高2.4K，比环境虚温高1.5K.混合前的空气块有1.5K的浮力。随着环境大气的浓度接近于100%，混合大气的虚温越来越接近环境大气，但是环境空气的浓度达到90%时混合物依旧保持正浮力。50:50混合物的浮力是 0.75K.倘若成分中不含有凝结水50:50混合物的虚温是不考虑相对湿度和其他成分的平均虚温。

在图二的液态水例子中，混合物的虚温有一个深的低谷。未混合空气块的总相对湿度，包括2g/Kg的液态水是114%。未混合空气块的浮力是1k。50:50混合物的浮力比没有液态水的低2k,-1.3与0.75.混合物的虚温比其他成分的虚温低。蒸发冷却在气块开始稀释就出现，随着相对湿度从原来的114%降到100%，凝结水开始蒸发。只需混合20%的环境空气进入空气块就足够使空气块的浮力降到0.

表面相对湿度在海洋上明显高于陆地。相对湿度在海洋上通常是80%-90%，在大陆上通常是60-80%。抬升凝结高度随表面相对湿度的升高而下降，在海洋空气一般为 90-95 kPa而在大陆空气一般为75-85kPa。图片一和图片二分别代表90-kPa高度大陆和海洋的混合过程。蒸发冷却在500-1000 m开始影响海洋上升气流，在1500-2500 m开始影响陆地上升气流。

Lucas et al.(1994a)指出上升气流不仅上向速度而且直径在大陆上比海洋上大。海洋上强度在前10%的上升气流直径在 1.6-4-km比大陆地区4km的大。抬升凝结高度上，对流散热由于夹带作用存在没有从蒸发冷却中带走浮力而增加。凝结高度上由于蒸发冷却减少浮力。上升气流的混合并不是一种均匀混合，它是包含所有浓度的混合物。正浮力混合物的趋向于增加，负浮力的混合物趋向于分离和减少。负浮力混合物的分离并不是由于上升气流的增长。

  1. 计算依据

绝热混合是一个定焓过程( Dufour and Van Mieghem 1975)。混合焓是所有成分的焓之和，混合物的水汽含量是所有成分的水汽含量之和。混合物的实际温度用程序求解。虚温是通过混合物的实际温度和混合比求得。混合过程产生的蒸发冷影响由Emanuel(1981)and Randall(1980)考虑。

蒸发冷却对混合物的浮力影响比水负荷要大。在 90 kPa，在水没有蒸发时增加1g液态水到1kg的环境空气中降低空气的虚温0.3k，但是当这些水全部蒸发时降低虚温2.2k。图二中，双点线是不考虑液态水重量的混合物浮力；液态水负荷2g/Kg时使未混合空气块的虚温从292.9k降到292.4k，降低了0.5k。50-50混合物的虚温由于在例2初始成分比例1中每千克混合物多1g液态水而低2k。灵敏度分析显示冷却与混合物中初始液态水含量基本成比例。图片三展示了初始空气块包含1g/kg液态水且初试浮力为0；1g/kg可以减少混合物的浮力1.4k。由于有更少的液态水蒸发，虚温最低值出现在比图片二更低浓度。灵感度分析显示无论是降低环境的相对湿度还是增加空气块的水汽含量都会增加蒸发冷却。当环境相对湿度达到100%时没有蒸发冷却。

根据Petterssen(1956, 146)， Austin将积雨云的发生于递减率与自由大气相对湿度联系起来，发现高空相对湿度至少和陡峭的递减率一样重要。Austin计算了由于夹带作用造成的上升空气温度的减少发现夹带作用使上升气流的温度和探空温度很接近。发生在干燥空气中的蒸发冷却非常高解释了为什么晴天积云很浅和为什么亚热带地区没有深对流。Austin的理论本质上等同于此评论。Austin计算了考虑混合作用的影响云顶高度。例二中，混合20%的环境空气减少浮力至0。Austin使用夹带速率为4%kPa-1,升高5-10 kPa后空气块的浮力将会减少到0，由于递减率使空气快的零浮力高度低于未混合空气块的零浮力高度。

Austin通过对观测资料的数据分析阐述了凝结高度上的低湿度和降雨减少的关系。 Lu-

cas et al.(1994b )通过对探空资料的数据分析展示了海洋性地区与低的上升气流速度和直径的联系。Austin解释了凝结高度以上的夹带是怎样影响凝结和降水。这个评论探讨了高表面湿度和由此产生的低冷凝水平可以减小上升气流的直径和速度。海洋地区的上升气流速度在高空湿度大的ITCZ和高空湿度小的亚热带地区较低。因此，海洋地区低的上升气流速度与低凝结高度的关系比与凝结高度上低相对湿度地区关系密切。当凝结高度低的时候环境相对湿度达到60%就足以对保持上升气流低半径。

  1. 结论

从空气块从表面上升到零浮力层开始，升气流速度取决于CAPE，取决于不考虑中间混合过程的CAPE。大陆上升流高速度的原因是在蒸发冷却之前上升气流可以升到很高到更高直径变得更大。海洋上升气流的低速度原因是大陆没有的在低层高相对湿度带来的蒸发冷却。

参考文献

Dufour, L，and J. Van Mieghem, 1975: Thermodynamique de lAtmosphere. Institut Royal MBtEorologique de Belgique, 278 pp.

Emanuel, K. A., 1981: A similarity theory for unsaturated downdrafts in clouds. J. Atmos. Sci., 38, 1541-1557.

LeMone, M. A，T. Y. Chang, and C. Lucas, 1994: On the effects of filtering on convective-core statistics. J Atmos. Sci., 51, 3344-3350.

Lucas, C., E. J. Zipser, and M. A. LeMone, 1994a: Vertical velocity in oceanic convection off tropical Australia. J. Atmos, Sci., 51,3183-3193.

—，—， and—，1994b: Convective available energy in the environment of oceanic and continental clouds: Corrections and comments. J. Atmos. Sci., 51, 3829-3830.

Petterssen, S，1956: Weather Analysis and Forecasting. Vol. 2. 2ded. McGraw Hill, 266 pp.

Randall, D. A., 1980: Conditional instability of the first kind upsidedown. J. Atmos. Sci., 37, 125-130.

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