与天气系统发生和发展有关的非均匀饱和湿位涡理论分析

第２３卷第５期　２００７年１Ｏ月　热ＴＲＯＰＩＣＡＬ　带气象ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ　学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．．２００７　文章编号：１００４—４９６５（２００７）０５—０４５９—０８　与天气系统发生和发展有关的非均匀　饱和湿位涡理论分析　王兴荣　，魏鸣２　（１．安徽省气象科学研究所，安徽合肥２３００６１；　２．南京信息工程大学中美合作遥感实验室，江苏省气象灾害重点实验室，江苏南京２　１Ｏ０４４）　摘　要：在动力气象理论方面，无论大尺度、中尺度还是小尺度大气运动，对于同一尺度之内大气运动演　变机制，有着相当完美的讨论。然而，对于不同尺度天气系统之间转换演变机制讨论，即使因为它与天气系　统的出现和发展密切相关而显得非常重要，却很少涉及。为了讨论这个重要的转换演变机制，在导出无粘滞非　均匀饱和湿位涡（ＮＵＳＭＰＶ）方程的基础上，首先，通过对这方程进行数理分析证明：在非均匀饱和湿绝热大气　运动中，干区和饱和区之间的不饱和区的ＮＵＳＭＰＶ是不守恒的，并进一步证明：只在次饱和区（０．７８＜ｑ／ｑ　＜１），　ＮＵＳＭＰＶ不守恒才是明显的，而在其它不饱和区，ＮＵＳＭＰＶ是接近守恒的。接着，根据守恒的相对性原理，　通过ＮＵＳＭＰＶ无因次形式的讨论，把大气运动分成三类，即ＮＵＳＭＰＶ守恒，准守恒和不守恒运动。然后用数　理分析方法讨论了各类运动的出现条件，时空之间关系，物理机制和一些特征。最后分析了不同尺度之间天气　系统的转换机制，指出：当与狭义ＮＵＳＭＰＶ（Ｐ０）有关的涡管项（Ａ）和非绝热加热项（Ｂ）之间的动力不平衡（Ａ＋Ｂ）／Ｐ０　减少，以至ＮＵＳＭＰＶ守恒条件满足时，大气运动将主要通过非常快的频散适应过程继续失去不平衡能量，从　较小尺度向较大尺度转换；而当（Ａ＋Ｂ）／Ｐ０增加，以至ＮＵＳＭＰＶ不守恒条件满足时，大气运动将主要通过非常　快的外源激发过程，而从较大尺度向较小尺度转换。无论上述两种转换过程是那一种，一旦产生都将持续进行，　直至大气运动重新回到ＮＵＳＭＰＶ准守恒运动状态。　关键词：非均匀饱和湿位涡；不同尺度之间天气系统：转换机制　文献标识码：Ａ　中图分类号：Ｐ４３３　来替代位温　，湿位涡（ＭＰＶ）在无粘滞湿绝热饱和　１引　言　过程中就成为守恒了。自从Ｂｅｎｎｅｔｔｓ和Ｈｏｓｋｉｎｓ　（１９７９）［４１以及Ｅｍａｎｕｅｌ（１９７９）１５１第一次提出条件对称不　目前，在动力气象理论方面，无论大尺度、中　尺度还是小尺度大气运动，对于同一尺度之内大气　稳定（ＣＳＩ）作为锋面雨带形成的一个可能机制以来，　ＭＰＶ概念已被广泛地应用于斜压系统ＣＳＩ研究中。　运动演变机制，有着相当完美的讨论…。然而，对于　不同尺度天气系统之间转换演变机制讨论，即使因　为它与天气系统的出现和发展密切相关而显得非常　重要，却很少涉及。　自此之后，人们凭借ＤＰＶ守恒性，可逆性（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ　（１９８８）　；Ｄａｖｉｓ（１９９２）　；Ｈｕｏ等（１９９９）Ｉ８１）和位涡物质　的不可穿越性（Ｈａｙｎｅｓ和Ｍｃｉｎｔｙｒｅ（１９９０）１９１），广泛地使　用它来解决与大尺度天气现象有关的问题【５　】。近年　来，在无粘滞湿绝热饱和气流湿位涡（ＭＰＶ）守恒基　Ｅｒｔｅｌ（１９４２）提出位涡（ＤＰＶ）概念，并指出在无粘　滞干绝热气流里ＤＰＶ是严格守恒的　ｌ。Ｈｏｓｋｉｎｓ等　（１９８５）在大气现象诊断研究中对ＤＰＶ的应用作出了　系统的分析，并引入了等熵位涡的概念【］ｌ。当考虑潜　热释放时ＤＰＶ是不守恒的。然而，通过用相当位温　础上，吴国雄等提出了倾斜涡度发展理论，指出涡　旋较容易发生在陡峭湿等熵面上¨。’　；Ｓｃｈｕｂｅ￣等　（２００１）通过引进由干空气密度和气载水份（水汽和云）　组成的总密度Ｐ，有效位温ｏｐ：ＴＰ（ｐｏＩｐ１　（其中有　收稿日期：２００６．０６—０５；修订日期：２００６—１２．１８　作者简介：王兴荣，男，江苏省扬州人，正研级高级工程师，研究方向为天气学、动力气象学、城市气候和污染气象等。ｅ—ｍａｉｌ：ｗｘｒ—ａｈｑｋｓ＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ　维普资讯 http://www.cqvip.com 热带气象学报　２３卷　效温度Ｔｐ＝ｐｌ（，ｐＲ。））以及众所周知的Ｅｒｔｅｌ　ＤＰＶ的适　当推广ｐ＝ｐ－。（２．Ｏ＋Ｖｘｕ）．Ｖｏａ，在平衡气流条件下，　把ＭＰＶ守恒性和可逆性原理延伸到Ｏｏｙａｍａ’Ｓ　（ＮＵＳＭＰＶ）方程。通过对突发性灾害性天气的动力　学分析，王兴荣等（１９９８）［３４１指出：突发性灾害性天气　具有激烈和迅速的激发过程和相对平稳和缓慢的发　展过程的特征。随后王兴荣等（１９９９）［３５１指出：中纬度　地转偏差激发过程是在ＮＵＳＭＰＶ趋向于零的条件　下由各种因子的动力不平衡所引发的ＮＵＳＭＰＶ不　守恒过程。　在上述研究的基础上，本文将探讨不同尺度天　（１９９０，２００１）建立的¨　１　非流体静力学降水模式中　［１５１；而根据ＭＰＶ物质的不可穿越性，Ｇａｏ等（２００２）　指出，ＭＰＶ异常是跟踪暴雨系统的一个指标【ｌ刚。　在大尺度现象ＤＰＶ或者ＭＰＶ研究中，许多学　者（Ｈｏｓｋｉｎｓ和Ｂｅｒｒｉｄｆｏｒｄ（１９８８）　；Ｋｅｙｓｅｒ和Ｒｏｔｕｎｎｏ　（１９９０）　；Ｃａｏ和Ｃｈｏ（１９９５）　；Ｃｈｏ和Ｃａｏ　气系统转换的机制。　（１９９８）　。　；Ｇａｏ等（２００２）　）注意到ＤＰＶ和ＭＰＶ的　产生和异常【ｌ　刚。在数值模拟中，包括ＤＰＶ异常处　理的ＤＰＶ反演技术已被广泛应用于模式初始条件的　改进（Ｒｅｅｄ　ｅｔ　ａｌ（１９９２））　。　正是因为ＤＰＶ和ＭＰＶ在大尺度现象研究中有　如此重要的应用，以致许多研究者企图用ＤＰＶ或者　ＭＰＶ异常来研究中尺度现象（Ｆｒｉｔｓｃｈ和Ｍａｄｄｏｘ　（１９８　１）ｔ　；Ｆｒｉｔｓｃｈ等１９９４［　；Ｄａｖｉｓ和Ｗｅｉｓｍａｎ　（１９９４）　；Ｓｋａｍａｒｏｃｋ等（１９９４）　；Ｇｒａｙ等（１９９８）［２６１）。　虽然有一些关于ＤＰＶ或者ＭＰＶ异常产生的研究　（Ｒａｙｍｏｎｄ和Ｊｉａｎｇ（１９９０）　；Ｒａｙｍｏｎｄ（１９９２）　；　Ｓｈｕｔｔｓ和Ｇｒａｙ（１９９４）　；Ｆｕｌｔｏｎ等（１９９５）［３０１），但是，　这些研究，尤其是ＭＰＶ异常产生的机制，仍然并不　是非常清楚，而且，关于ＤＰＶ或者ＭＰＶ异常产生　与不同尺度天气系统转换之间的关系，几乎没有讨　论。　早在１９６５年，叶笃正等就指出：“大气一般是　准适应的，即准平衡的，但大气中不平衡的偏差则　是经常存在的，它是产生大气运动的动力”。并且　“在天气系统强烈发生时，往往伴有非常强的不平　衡现象（ｇｌＪ不适应）现象”。因而认为“对于大气不平　衡过程及其形成机制的研究也是个重要问题”［３１１。　１９８４年，王兴荣提出（明显的）地转偏差迅速激发和　迅速适应是大气环流调整的原因，而（明显的）地转偏　差产生过程是ＰＶ不守恒过程　。此后，王兴荣对　于ＰＶ和ＭＰＶ不守恒过程有关问题作了一系列研究　【３　１　。尤其近几年来，注意到在天气过程中，大气　经常处于非均匀饱和状态，即有的地方饱和，有的　地方不饱和，而以往的湿空气模式一般假定凝结过　程开始于某个临界值，这种假定迫使动力学方程组　中出现不连续的艿函数，从而使得凝结区和非凝结　区边界的动力分析变得异常困难。针对这个缺陷，　王兴荣等（１９９５［　，１９９７［　刚，１９９９［４１１）通过引进连续　的凝结几率函数（ｑ／ｑ。）　来代替６（０，１）函数。在此基　础上，王兴荣等（１９９８）［３３１导出了非均匀饱和湿位涡　２基本方程　在无粘滞非均匀饱和大气运动中，按照文献　［３９—４１】，通过引进连续的凝结几率函数（ｑ／ｑ。）　来代　替８（０，１）函数，可得非均匀饱和热力学方程　ｃ与　一Ｌ　ｌ（　］　斗　㈣　其中ｋ为足够大待确定的常数，基于在适当的　凝结核条件下凝结过程可以在相对湿度为７８％时出　现的事实（Ｍａｓｏｎ，１９７１）　，王兴荣等…　确定ｋ＝９，　ａ　是除了潜热释放的非绝热加热，其它均为常用符　号。如果定义广义湿位温　￣ｑ（ｑｌ　ｌ　（２）　式（１）可表达为　——＝——　，ｄＯ＂一：　　：ａ　（Ｌ３）ｊＪ　ｄｔ　Ｃ　Ｔ　在这儿ａ定义为除了潜热释放的广义非绝热加热。　使用Ｃａｏ和Ｃｈｏ（１９９５）　以及吴国雄等　所采用的　类似推导，对欧拉形式的动量方程　３ｔ＋Ｖ　（４）　求涡度。可得涡度方程　一　一Ｖｘ（ｆｘ－Ｖ　）＝ＶｐｘＶａ＝　ｖｐｘＶａ　（５）　一其中１７为３维风矢，‘ｐ为外作用力的势函数，　＝Ｖ×１７＋２　）是三维涡度向量。　￣ｖｏ＇Ａ乘式（５），借助于式（３），并利用矢量关系　ＶＯ’．Ｖｘ（＇２ｘ￣ｏ）＝一Ｖ．［ＶＯ’×（　×　）】　（６）　ＶＯ＇ｘ　×　）＝　（　．Ｖ　＋　（等＿Ｑ）（７）　得　（昙　Ｖ　Ｖ　（　・Ｖ卵　×Ｖ　。Ｖ　＋　・ＶＱ）　（８１　维普资讯 http://www.cqvip.com ５期　王兴荣等：与天气系统发生和发展有关的非均匀饱和湿位涡理论分析其　４６１　其次，用比容仅乘式（８）两边并利用连续方程　中　ｄａ一一　．　：０　ｄｔ　可得ＮＵＳＭＰＶ方程　＝　ｄｔ＝　（　×Ｖ　）・Ｖ　’＋　・ＶＱ　Ｐ　（９　Ａ　其中　＋　８　＝　・Ｖ０　（９ａ）　需要注意的是：ＮＵＳＭＰＶ方程与通用的ＭＰＶ方程　表达形式虽然一致，但ＮＵＳＭＰＶ方程计算的是广义　湿位温矿而不是相当位温　，式（９）同样有下列形式　（１０）　Ａ＝　Ｒｄ　ｐ）　（１ｏａ）　Ｂ＝　・ＶＱ　（１０ｂ）　ｅｏ＝　．Ｖ０　（１０ｃ）　注意，在式（１０）的推导过程中，使用了状态方程和　：生　ｆＰ　ｋ／Ｐｏｄ　　１一　，，在式（１０）中，Ａ是与斜压性和广　义湿位温梯度有关的力管项；Ｂ为非绝热项，Ｐ。是　三维涡度向量　（　＝ＶｘＶ＋２　）和广义湿位温梯度　向量ｖ　的乘积，我们称之为狭义ＮＵＳＭＰＶ。在无　粘滞湿绝热大气运动中（ＶＱ＝Ｏ，Ｂ＝Ｏ），在绝对干区　（ｑ＝Ｏ，（ｑ／ｑ　）　＝０，ｉｆ＝ｏ）和饱和湿区（ｑ＝ｑ　，（ｑ／ｑ　）　＝１，　。），Ａ是零，因此ＮＵＳＭＰＶ是严格守恒的。然　而，在一般不饱和区，也就是绝对干区和饱和湿区　之间的过渡区，Ａ不是零，即ＮＵＳＭＰＶ是不守恒的。　在次饱和区（０．７８＜ｑ／ｑ　＜１．０），　依赖于湿度　（（ｑ／ｑ　）　≠１），ＮＵＳＭＰＶ是不守恒的。而在其它不饱和　区，因为ｋ足够大而导致（ｑ／ｑ　）　＝０，所以ＮＵＳＭＰＶ　是几乎接近守恒的。因此，只有在次饱和区，斜压　性和广义湿位温梯度的力管效应才能够对ＮＵＳＭＰＶ　的产生起明显作用。这与Ｃｈｏ和Ｃａｏ（１９９８）［２￣］的数值　模拟得到的结果是一致的。　３不同守恒特征的三类大气运动　根据不同守恒特征可有三类大气运动：当　＋Ｂ）　０足够小可以忽略时，ＮＵＳＭＰＶ可以认为是守恒　的；当　＋Ｂ）　０具有适度的数值，ＮＵＳＭＰＶ可以认　为是准守恒的；当　＋Ｂ）　。足够大起主导作用时，　ＮＵＳＭＰＶ可以认为是不守恒的。式（１０）的无因次方　程可以表达为　￡鲁＋　鲁＋　］＋　（　警）＝　ｑ（Ａ＋Ｂ）／Ｐｏ）　（１１）　其中￡是Ｋｉｂｉｌ数，Ｒ是Ｒｏｓｓｂｙ数。　据为了识别ＮＵＳＭＰＶ是否守恒，可以使用如下判　倨：　当　。㈣：一　，。㈢］＞。（ｆ－ｌ（Ａ＋Ｂ）ｌ昂）（１２ａ　ＮＵＳＭＰＶ是守恒的；当　。㈣＝一　，。㈢］＝。（ｆ－Ｉ（Ａ＋Ｂ）ＩＰｏ）（１２ｂ　ＮＵＳＭＰＶ是准守恒的；当　。㈣一ｏ（ｆ－ｌ（Ａ＋Ｂ）ｌＰ０）＞一　，。　］（１２ｃ　ＮＵＳＭＰＶ是不守恒的。　３．１　ＮＵＳＭＰＶ守恒运动　大多数观测事实和量纲分析都表明：大气运动　的空问尺度一般与气压梯度力、Ｃｏｒｉｏｌｉ力、惯性力　和重力之间平衡的破坏程度有着对应的关系，尺度　越小，破坏程度越大。因此，任何满足式（１２ａ）的具　有空间尺度ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）ｌ＝Ｏ（１Ｏ　）的ＮＵＳＭＰＶ　守恒大气运动都能看作为具有更大空问尺度ｍａｘ　【Ｏ　），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）Ｉ＝Ｏ（１０　）大气运动的一个扰动。对　于这种运动，目前已有相当成熟的讨论（叶笃正和李　麦村（１９６５）［３１１）。这是由于重力波和声波频散而使气　压梯度力、Ｃｏｒｉｏｌｉ力、惯性力和重力之间的不平衡　消失的非常快的适应过程。通过这种适应过程，加　上摩擦效应，较小尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）ｌ＝Ｏ（１Ｏ＂））　大气运动将转换为较大尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），ｏ（Ｗ／ｆＨ）】　＝０（１０　。））大气运动。这种过程一旦产生都将持续进　行，直至大气运动不再满足式（１２ａ）。事实上，从较　小尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）ｌ＝Ｏ（１Ｏ　））大气运动转换　为较大尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）ｌ＝Ｏ（１Ｏ　））大气运动　是非常快的。　３．２　ＮＵＳＭＰＶ不守恒运动　因为任一空间尺度ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）ｌ＝Ｏ（１Ｏ　）　的ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动都满足式（１２ｃ），故有　。（ｆ－＇（Ａ＋Ｂ）／Ｐｏ）＞一　，。　］　ａ）　。㈦　ａｘ　，。　］　３　ｏ（　＝０（ｆ　（Ａ＋Ｂ），Ｐ０）　（１３ｃ）　式（１３ａ）是ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动出现的充分必　维普资讯 http://www.cqvip.com ４６２　热带气象学报　２３卷　要条件。从式（１０ｃ）可以看出，Ｐ。主要依赖于因子Ｖ　和因子　。在实际大气运动中，无论“Ａ”和“Ｂ”是多　么大或者多么小，只要Ｐ０的特征值Ｏ（Ｐ０）足够小可　以满足　而满足下列关系　。（ｆ－＇（Ａ＋Ｂ）／Ｐｏ）　ｍａｘ　）’０［鲁））（１９）　即直至ＮＵＳＭＰＶ变成守恒或准守恒时这种过程才　停止。通过这个过程，一个较大尺度大气运动（Ｄ（日　＝。（　。（　（　））／ｍａｘ　，。　ｊ　）　Ｏｆｆ　（Ａ＋Ｂ）／Ｐ０）＞ｍａｘ【Ｄ（尺），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（ＩＯ　））就被转　那么式（１３ａ）就将满足，ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动就　会出现。换句话说，如果不考虑与闪电和雷暴有关　的激烈非绝热电加热，那么，当Ｐ。足够逼近于零时，　由　＋Ｂ）引起的扰动就能激发ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气　运动。正是按照这个条件，通过对突发性灾害性天　气的动力学分析，王兴荣等（１９９９　）指出突发性灾害　性天气激发过程是在ＮＵＳＭＰＶ趋向于零的条件下　由各种因子的动力不平衡所引发的ＮＵＳＭＰＶ不守　恒过程。根据这个条件，王兴荣等还进行了其它一　些应用（２００１　，２００２［　，２００３［　）。　就具有某一空间尺度的ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气　运动来说，式（１３ｂ）表明：它的时间尺度比起具有同　样空间尺度的一般大气运动要小得多，这是一个快　过程。　式（１３ｃ）指出ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动的时间　尺度主要依赖于Ｐ０的特征值Ｏ（Ｐ０）和　＋Ｂ）。　当ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动出现时，式（１３ａ）　满足。因此方程（９）和（１０）能够被简化为　＝ｏ（ＶｐｘＶｏＯ・Ｖａ＂＋　・ｖＱ＝Ｐ，．（Ａ＋Ｂ）ＩＰｏ（１５）　使用Ｐ　和Ｐ０表达式（９ａ）和（１０ｃ），式（１５）变成为　Ｐｏ３ａ＿＋ｄｔ　氅．ｄｔ　ＶＯ・＋　．３＿ＶＯｄｔ　＂：Ａ＋Ｂ　（１６）　如果不考虑与闪电和雷暴有关的激烈非绝热电加　热，那么有　Ｏｆ　１＜１０。　（１７）　使用式（１４）和式（１７），有　＝等．Ｖ　．　一Ｂ　，　因为ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动出现的充分必要条　件是Ｐ０的特征值Ｏ（Ｐ。）足够小，所以式（１８）表明　ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动是具有足够小特征值　Ｏ（Ｐ０）的Ｐ０突然变大的过程（并不是因为从上游移来　的）。在这个过程中　＋ＢＪ改变了涡度场和Ｖ　，并因　此改变了Ｐ。。作为一个结果，它引起了具有比原有　尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（ＩＯ　））更小尺度（ｍａｘ［Ｏ　（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（ＩＯ　））的一个扰动。这种过程一旦　产生都将持续进行，直至大气运动不再满足式（１３ａ）　换成较小尺度大气运动（Ｏ（ｅ）＝ｍａｘ［Ｏ（尺），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）】　＝Ｏ（１０７１＂１＂Ｔｔ１）　Ｄ（厂　（Ａ＋Ｂ）／Ｐｏ）＞Ｄ（１０　）））。我们称这种过程　为激发过程。需要指出的是：在激发过程中，适应　过程也将同时出现，只不过它很小能够被忽略。此　外，在不同纬度，不同尺度系统背景下的ＮＵＳＭＰＶ　不守恒大气运动的动力和物理特征是不同的。在　１９９８年，王兴荣等口　使用非均匀饱和湿空气动力学　方程组，讨论了中纬度大尺度系统背景下的　ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动的动力和物理特征，指出：　在中纬度大尺度ＮＵＳＭＰＶ不守恒过程中，主要是非　绝热加热和潜热的垂直不均匀改变了层结状况，从　而改变了ＮＵＳＭＰＶ，进而改变了散度场并引起了地　转偏差，因此激发了中尺度和小尺度大气运动。至　于其它纬度，其它尺度系统背景下的ＮＵＳＭＰＶ不守　恒大气运动的动力和物理特征，有待于今后作进一　步的探讨。　３．３　ＮＵＳＭＰＶ准守恒运动　因为任一空间尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（ＩＯ　））　的ＮＵＳＭＰＶ准守恒大气运动都满足式（１２ｂ），故有　Ｄ㈣＝～　，Ｄ　】　（２０ａ）　叫。（叫剖＝。（　（　）（２０ｂ）　Ｏ（ｅ）＝０（ｆ　（Ａ＋Ｂ）／Ｐｏ）　（２０ｃ）　式（２０）表明：ＮＵＳＭＰＶ准守恒大气运动不仅时　间尺度和空间尺度相互有关，而且两者都依赖于　＋Ｂ）／Ｐ０。从式（２０ｂ）可以看出，　＋Ｂ）／Ｐ０改变是非　常缓慢的，否则，式（２０ｂ）不能得到满足而出现　ＮＵＳＭＰＶ守恒大气运动或者ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气　运动。这意味着ＮＵＳＭＰＶ准守恒大气运动时间尺度　和空间尺度并不改变或者改变得非常缓慢。因此，　这是　＋Ｂ）／Ｐ０导致ＮＵＳＭＰＶ准守恒的演变过程。这　是一个慢过程。在这种过程中，不仅　＋Ｂ）／Ｐ０不能　被忽略，而且频散作用和非线性平流作用同样非常　重要。因此，影响ＮＵＳＭＰＶ准守恒大气运动的过程　主要有３种：（１）由　＋Ｂ）引起的激发过程；（２）通　过重力波和声波能量频散而使由激发过程引起的扰　维普资讯 http://www.cqvip.com ５期　王兴荣等：与天气系统发生和发展有关的非均匀饱和湿位涡理论分析４６３　动消失的适应过程（在实际大气运动中还要加上摩　擦和湍流等耗散过程）；（３）非线性平流过程。　发阶段），大气运动常常在某种高度范围内从大尺度　向中．小尺度转换，因此，ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动　出现条件必定是满足的。所以，一些突发性灾害天　４不同尺度之间天气系统的转换机　气的出现条件和临近预报指标可以（王兴荣等已经　制及其应用　从上面分析可知：由于ＮＵＳＭＰＶ守恒大气运动　和ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动都是快过程，而　ＮＵＳＭＰＶ准守恒大气运动是一个慢过程。所以大多　数观测到的大气运动的ＮＵＳＭＰＶ都是准守恒的。因　此，可以假定初始大气运动是ＮＵＳＭＰＶ准守恒大气　运动，即与ＮＵＳＭＰＶ改变有关的　＋　）　０与初始大　气运动的尺度相对应【见式（１２ｂ）】。　如果某种物理现象，比如说水汽通道的切断或　非绝热加热场的突然改变，改变了　＋　）／Ｐ０以致　＋　）　。不再与大气运动的尺度相对应，也就是说　式（１２ｂ）不再满足，而有　Ｄ（￡）＝一（Ｏ（Ｒ），　剖＞Ｄ（ｆ－ｌ（Ａ＋Ｂ）／Ｐ０）（２１）　或者　Ｄ（￡）＝。（　（Ａ　／　）＞ｍａｘ　），Ｄ（　）】　２）　那么，根据以上讨论，大气运动的尺度将发生转换。　从３．１节关于ＮＵＳＭＰＶ守恒大气运动的讨论可　以知道：当　＋Ｂ）／Ｐ０减少，以至满足式（２１）的任何尺　度ＮＵＳＭＰＶ守恒大气运动出现时，一种非常快的适　应过程将出现，通过重力波和声波的能量频散，一　个较小尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（１Ｏ　））大气运动　就将变为一个较大尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）】　＝Ｏ（１０　））大气运动，这个过程将持续进行，直至满　足式（１２ｂ），即大气运动重新回到准守恒状态。而从　３．２节关于ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动的讨论可以知　道：当　＋Ｂ）ＩＰ０增加，以至满足式（２２）的任何尺度　ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动出现时，一种非常快的激　发过程将出现，通过　＋　）强迫改变了涡度场和Ｖ　改变了狭义ＮＵＳＭＰＶ，从而引起了具有比原有尺度　（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（ＩＯ　））更小尺度（ｍａｘ【Ｏ（Ｒ），　Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（１Ｏ　））的一个扰动，即一个较大尺度　（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＝Ｏ（ＩＯ　））大气运动就将变为一　个较小尺度（ｍａｘ［Ｏ（Ｒ），Ｏ（Ｗ／ｆＨ）］＞Ｏ（１Ｏ　））大气运动，　这个过程将持续进行，直至满足式（１２ｂ），即大气运　动重新回到准守恒状态。　按照上述分析，在突发性灾害天气出现初期（激　尝试过并得到了一定成功【４　）通过对湿位涡　（ＮＵＳＭＰＶ）不守恒过程出现条件的动力学分析来实　现。例如，通过对湿位涡（ＮＵＳＭＰＶ）不守恒过程出　现条件的讨论，王兴荣等（２００６）Ｈ　理论上证明了：在　中纬度突发性暴雨产生前，在７ｔＩ￣ＪＬ，①必定存在着　深对流高度范围内ａ　，　迅速趋向于零的过程；②　斜压向量沿广义湿位温梯度有一分量，③接近饱和　的不饱和层足够厚，达到深对流高度；④处于含有　大量水汽和液态水的云团和云块附近。１９９９年合肥　两次（６月１５日２２：００～２４：００，雨量６８．５　ｍｍ；８月　１日１４：００～１５：００，雨量８０．５　ｍｍ）突发性暴雨确实　都有体现上述４个必要条件的２种共同特征现象；　⑤在暴雨生成之前，在合肥上空存在着深厚的双层　干区（在多普勒雷达ＶＷＰ图上表现为深对流高度范　围内的二层连续无资料区），首先，随着上层干区顶　部的湿冷空气开始下滑，上层干区开始从上到下消　失，接着，当下滑空气停止下滑而开始上升时，下　层的干区开始消失，最后在二层干区完全消失时，　带来突发性暴雨的中尺度对流系统就突然出现。这　是满足突发性暴雨第１必要条件，并使深对流高度　大气层接近饱和（但不能保证不饱和）的一个可能先　兆特征。⑥同时在云图上，南下冷锋云带在逼近合　肥市分裂成二部分，以至在断裂处几乎没有云和雾，　而在周围则存在着含有大量液态水和水汽的二块云　团。而在冷锋云带通过合肥后，带来突发性暴雨的　中尺度对流系统就在几乎没有云和雾的断裂处爆　发。这是满足突发性暴雨第２和第４必要条件，并　使深对流高度大气层处于不饱和状态的另一个可能　先兆特征。两个可能先兆特征合在一起满足突发性　暴雨第３必要条件。　５结论和讨论　在精确导出非均匀饱和湿位涡（ＮＵＳＭＰＶ）方程　的基础上，首先，按照这方程得到：在无摩擦湿绝　热大气运动中，干区和饱和区之间的不饱和区的　ＮＵＳＭＰＶ是不守恒的，并进一步证明：只在次饱和　区（０．７８＜ｑｌｑ　＜１），ＮＵＳＭＰＶ不守恒才是明显的，而　在其它不饱和区，ＮＵＳＭＰＶ可能是接近守恒的。接　维普资讯 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热带气象学报　２３卷　着，根据守恒的相对性原理，通过ＮＵＳＭＰＶ无因次　需要指出的是：上述讨论是初步的和基本的，　形式讨论，把大气运动分成三类，即ＮＵＳＭＰＶ守恒。　为了揭示不同尺度各类大气运动的物理机制和描述　它们的动力和物理特征，还有许多问题需要回答。　就目前情况而言，对于ＮＵＳＭＰＶ守恒大气运动和适　应过程（与ＭＰＶ守恒大气运动和适应过程完全相　同），以前已经有了一些成熟的讨论；对于ＮＵＳＭＰＶ　准守恒和不守恒运动。然后讨论了各类运动的出现　条件，时空之间关系，物理机制和一些特征。最后　分析了不同尺度之间天气系统的转换机制，指出：　当与狭义ＮＵＳＭＰＶ（Ｐｏ）有关的涡管项（Ａ）和非绝热加　热项（Ｂ）之间的动力不平衡（Ａ＋Ｂ）／Ｐｏ减少，以至　ＮＵＳＭＰＶ守恒条件满足时，大气运动将主要通过非　常快的重力波和声波频散适应过程继续失去不平衡　能量，从较小尺度向较大尺度转换，而当（Ａ＋Ｂ）／Ｐ。　准守恒大气运动和演变过程，虽然一些学者从各种　不同角度进行过许多卓有成效的研究，但是，因为　ＮＵＳＭＰＶ准守恒大气运动和演变过程与诸多非线性　因子有关，所以许多问题还是相当模糊的，需要作　进一步的研究；对于ＮＵＳＭＰＶ不守恒大气运动和激　增加，以至ＮＵＳＭＰＶ不守恒条件满足时，大气运动　将主要通过非常快的由（Ａ＋Ｂ）改变涡度和Ｖ　从而改　变ＮＵＳＭＰＶ的外源激发过程，而从较大尺度向较小　尺度转换。无论上述两种转换过程那一种，一旦产　生都将持续进行，直至大气运动重新回到ＮＵＳＭＰＶ　准守恒运动状态。　发过程以及不同尺度之间天气系统的转换机制，其　概念只是近几年来才提出，我们所做的工作主要也　是在理论上讨论它们（虽然也作了一点应用尝试），因　此几乎是一片空白，有待于将来吸引更多有兴趣的　学者作全面而广泛的研究。　参　考　文　献：　【１】叶笃正，李崇银．动力气象学［Ｍ】．北京：中国科学出版社，１９９８：１—１２６　【２】ＥＲＴＥＬ　Ｈ．Ｅｉｎ　ｎｅｕｅｒ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｓｃｈｅｒ　ｗｉｒｂｅｌｓａｔｚ［Ｊ］．Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇ　Ｚｅｉｔｃｈｒ　Ｂｒａｕｎｓｃｈｗｅｉｇ．１９４２，５９：２７１—２８１　【３】ＨＯＳＫＩＮＳ　Ｂ　Ｊ，ＭＣＩＮＴＹＲＥ　Ｍ　Ｅ，ＲＯＢＥＲＴＳＯＮ　Ｒ　Ｗ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ａｎｄ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｉｓｅｎｔｒｏｐｉｃ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ａｍｐｓ［Ｊ】．Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｅ　ｔＲｏｙａｌ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ．１９８５，１　１　１：８７７—９４６．　【４】ＢＥＮＮＥＴＴＳ　Ｄ　Ａ，ＨＯＳＫＩＮＳ　Ｂ　Ｊ．Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ－ａ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｅｘｐｌｎａｔａｉｏｎ　ｆｏｒ　ｒｆｏｎｔａｌ　ｒａｉｎｂａｎｄｓ［Ｊ］．Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｅ　ｔＲｏｙａｌ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９７９，１０５：９４５—９６２　【５】ＥＭＡＮＵＥＬ　Ｋ　Ａ．Ｉｎｅｒｔｉｌ　ｉａｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｍｅｓｏｓｃａｌｅ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｐａｒｔ　Ｉ：Ｌｉｎｅａｒ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｉｎｅｒｔｉｌ　ｉａｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｆｌｕｉｄｓ［Ｊ】．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９７９，３６：２　４２５－２　４４９．　【６】ＲＯＢＩＮＳＯＮＷＡ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆＬＩＭＳ　ｄａｔａｂｙｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙｉｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆｔｈｅＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９８８，４５：２　３１９－２　３４２．　【７】ＤＡＶＩＳ　Ｃ　Ａ．Ａ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎａｌ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｉｎ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｅｘｔｒａｔｒｏｐｉｃａｌ　ｃｙｃｌｏｇｅｎｅｓｉｓ…．Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｗｅａｔｈｅｒ　Ｒｅｖｉｅｗ，１９９２，１２０：２　４０９－２　４２８．　【８】ＨＵＯ　Ｚ，ＺＨＡＮＧ　Ｄ　Ｌ。ＧＹＡＫＵＭ　Ｊ　Ｒ．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ａｎｏｍａｌｉｅｓ　ｉｎ　ｅｘｔｒａｔｒｏｐｉｃａｌ　ｃｙｃｌｏｇｅｎｅｓｉｓ，ｐａｒｔ　Ｉ：Ｓｔａｔｉｃ　ｐｉｅｃｅｗｉｓｅ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｗｅａｔｈｅｒ　Ｒｅｖｉｅｗ，１９９９，１２７：２　５４６－２　５６１　【９】ＨＡＹＮＥＳ　Ｐ　Ｈ，ＭＣＩＮＴＹＲＥ　Ｍ　Ｅ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｔｈｅｏｒｅｍｓ　ｆｏｒ　ｐｏｔｅｎｔｉｌ　ｖｏｒａｔｉｃｉｔｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９０，４７：２　０２１－２　０３１．　【１０】吴国雄，蔡雅萍，唐晓箐．湿位涡和倾斜涡度发展【Ｊ】ｌ气象学报，１９９５，５３（４）：３８７－４０５．　【１１】吴国雄，刘还珠全型垂直涡度倾向方程和倾斜涡度发展【Ｊ】＿气象学报，１９９９，５７（１）：１－１５．　【１２】吴国雄，刘屹岷．热力适应、过流和副高Ｉ．热力适应和过流ｌＪ】大气科学，２０００，２４（４）：４３３－４６．　［１３１　ＯＯＹＡＭＡ　Ｋ　Ｖ　Ａ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｏｉｓｔ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ．１９９０，４７：２　５８０ＬＩ　２　５９３．　【１４】　ＯＯＹＡＭＡ　Ｋ　Ｖ　Ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｈｎｇ　ｔｈｅ　ｍｏｉｓｔ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｗｉｈ　ｐａｒｔａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃｓ［Ｊ］Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｅ　ｔＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００１，５８：２　０７３—２　１０２．　维普资讯 http://www.cqvip.com ５期　王兴荣等：与天气系统发生和发展有关的非均匀饱和湿位涡理论分析　［１５】ＳＣＨＵＢＥＲＴ　Ｗ　Ｈ，ＳＣＯＴＴ　Ａ　Ｈ，ＭＡＴＴＨＥＷ　ＧＡＲＣＩＡ，ｅｔ　ａ１．Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ｉｎ　ａ　Ｍｏｉｓｔ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００１，５８：３　１４８—３　１５７　［１６】ＧＡＯ　Ｓｈｏｕｔｉｎｇ，ＬＥ１　Ｔｉｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｙｕｓｈｕ．Ｍｏｉｓｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ａｎｏｍａｌｙ　ｗｉｈ　ｈｅａｔｔ　ａｎｄ　ｍａｓｓ　ｆｏｒｃｉｎｇｓ　ｉｎ　ｔｏｒｒｅｎｔｉｌ　ｒａａｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２，１９：８７８－８８０．　ＮＳ　Ｂ　Ｊ，ＢＥＲＲＩＤＦＯＲＤ　Ｐ．Ａ　ｐｏｔｅｎｔｉｌ—ａｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｓｔｏｒｍ　ｏｆ　１５－１６　Ｏｃｔｏｂｅｒ　１９８７［Ｊ］．Ｗｅａｔｈｅｒ，１９８８，４３：１２２－１２９．　［１７】　ＨＯＳＫＩ［１８】　ＫＥＹＳＥＲ　Ｄ，ＲＯＴＵＮＮＯ　Ｒ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔｅｎｔｉｌａ—ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ａｎｏｍａｌｉｅｓ　ｉｎ　ｕｐｐｅｒ－ｌｅｖｅｌ　ｊｅｔ－ｆｒｏｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｗｅａｔｈｅｒ　Ｒｅｖｉｅｗ，　１９９０，１１８：１　９１４—１　９２１．　ｒｕ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｉｓｔ　ｐｏｔｅｎｔｉｌ　ｖｏｒａｔｉｃｉｔｙ　ｉｎ　ｅｘｔｒａｔｒｏｐｉｃａｌ　ｃｙｃｌｏｎｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９５，　［１９】　ＣＡＯ　Ｚｕｏｈａｏ，ＣＨＯ　Ｈａｎ—５２（１８）：３　２６３—３　２８１．　ｎ－ｒｕ，ＣＡＯ　Ｚｕｏｈａｏ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｉｓｔ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ｉｎ　ｅｘｔｒａｔｒｏｐｉｃａｌ　ｃｙｃｌｏｎｅｓ．Ｐａｒｔ　ＩＩ：Ｓｅｎｓｉｉｔｖｉｔｙ　ｔｏ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　［２Ｏ】　ＣＨＯ　ＨａＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９８，５５：５９５—６１０．　ＮＧＡ　Ｍ　Ｔ，ＫＵＯ　Ｙ　Ｈ．Ａ　ｍｏｄｅｌ　ａｉｄｅｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎ　ａｎｄ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ａｎｏｍａｌｏｕｓｌｙ　ｈｉｇｈ　ｐｏｔｅｎｔｉｌ　ｖｏｒａｔｉｃｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　［２ｌ】　ＲＥＥＤ　Ｒ　Ｊ，ＳＴＯＥＬＩｉｎｎｅｒ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｄｅｅｐｅｎｉｎｇ　ｍａｒｉｎｅ　ｃｙｃｌｏｎｅ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｗｅａｔｈｅｒ　Ｒｅｖｉｅｗ，１９９２，１２０：８９３—９１３　Ｍ，ＭＡＤＤＯＸ　Ｒ　Ａ．Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｄｒｉｖｅ　ｍｅｓｏｓｃａｌｅ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｌｏｆｔ．Ｐａｒｔ　１：Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，　［２２】　ＦＲＩＴＳＣＨ　Ｊ　１９８１，２Ｏ（１）：９－１９．　［２３】　ＦＲＩＴＳＣＨ　Ｊ　Ｍ，ＭＵＲＰＨＹＪ　Ｄ，ＫＡＩＮ　Ｊ　Ｓ．Ｗａｒｍ　ｃｏｒｅ　ｖｏ￣ｅｘ　ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｏｖｅｒ　ｌｎｄ［ａＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｅ　Ａｔｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９４，５　１：１　７８０－　１　８０７　［２４】ＤＡＶＩＳ　Ｃ　Ａ，ＷＥ１ＳＭＡＮ　Ｍ　Ｌ．Ｂａｌａｎｃｅｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　ｍｅｓｏｓｃａｌｅ　ｖｏｌ＂ｔｉｃｅｓ　ｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｄ　ｃｏｎｖｅｃｔｅｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９４，５１：２　００５—２　０３０．　［２５】ＳＫＡＭＡＲＯＣＫ　Ｗ　Ｃ，ＷＥ１ＳＭＡＮ　Ｍ　Ｌ，ＫＬＥＭＰ　Ｊ　Ｂ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄｅ　ｌｏｎｇ—ｌｉｖｅｄ　ｓｑｕａｌｌ　ｌｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９４，５　１：２　５６３－２　５８４．　［２６】ＧＲＡＹ　Ｍ　Ｅ　Ｂ，ＳＨＵＴｒＳ　Ｇ　Ｊ，ＣＲＡＩＧ　Ｇ　Ｃ．Ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｍａｓｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　ｍｅｓｏｓｃａｌｅ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｅ　ｔＲｏｙａｌ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９８，１２４：１　１８３—１　２０７．　［２７】　ＲＡＹＭＯＮＤ　Ｄ　Ｊ，ＪＩＡＮＧ　Ｈ．Ａ　ｔｈｅｏｒｙ　ｆｏｒ　ｌｏｎｇ—ｌｉｖｅｄ　ｍｅｓｏｓｃａｌｅ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｅ　Ａｔｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９０，４７：３　０６７—　３　０７７．　［２８】Ｒａｙｍｏｎｄ　Ｄ　Ｊ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｂａｌａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｏｔｅｎｔｉｌａ—ｖｏｎｉｃｉｔｙ　ｔｈｉｎｋｉｎｇ　ａｔ　ｌｒｇｅ　Ｒｏｓｓｂｙ　ｎｕｍｂｅｒ［ａＪ］．Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｏｙａｌ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９２，１１８：９８７－１　０１５．　［２９】　ＳＨＵＴｒＳ　Ｇ．Ｊ，ＧＲＡＹ　Ｍ　Ｅ　Ｂ．Ａ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｓｔｒｏｐｈｉｃ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｐｒｃｅｓｓｏ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｄｅｅｐ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｅ　ｔＲｏｙａｌ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９４，１２０：１　１４５－１　１７８．　［３０】ＦＵＬＴＯＮ　Ｓ　Ｒ，ＳＣＨＵＢＥＲＴ　Ｗ　Ｈ，ＨＡＵＳＭＡＮ　Ｓ　Ａ．Ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ａｄｊｕｓｍｅｎｔｔ　ｏｆ　ｍｅｓｏｓｃａｌｅ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ａｎｖｉｌｓ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｗｅａｔｈｅｒ　Ｒｅｖｉｅｗ，１９９５，　１２３：３　２１５．３　２２６．　［３１】叶笃正，李麦村．大气运动中的适应问题［Ｍ】．北京：科学出版社，１９６５：１－１２６　［３２】王兴荣．环流调整机制的动力学剖析　．高原气象，１９８４，３（１）：２７．３５．　［３３】王兴荣，汪钟兴，石春娥关于大气运动湿位涡不守恒问题　．气象科学，１９９８，１３（２）：１３６．１４１．　［３４】王兴荣．从不稳定能量触发机制探讨突发性灾害　．自然灾害学报，１９９８，７（１）：１１－１５　［３５】王兴荣，吴可军，陈晓平，等．突发性灾害天气特征及发生条件的动力学剖析…．南京气象学院学报，１９９９，２２（４）：７１１－７１５．　［３６】王兴荣，尚瑜，姚叶青，等．副高活动与朔望月之间的联系特征及其动力学解释…．热带气象学报，２００１，１７（４）：４２３４２８．　［３７】王兴荣．从“湿位涡不守恒”来研究突发性灾害性天气，特大自然灾害预测的新途径和新方法【Ｍ】　香山科学会议第１３３次学术讨论会文　集北京：中国科学技术出版社，２００２：１２８．１３１．　［３８】ＷＡＮＧ　Ｘｉｎｇｒｏｎｇ，ＹＡＯ　Ｙｅｑｉｎｇ，ＹＵ　Ｓｈａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　ｅｒｒｏｒｓ　ｉｎ　ｍｅｄｉｕｍ—ｅｒｔｍ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｏｒｆｅｃａｓｔ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｆｏｒ　ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ　ｈｉｇｈ　１９９８［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＴｒｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ　文版），２００３，９（１）：１０５－１１２．　［３９】王兴荣，吴可军湿空气动力学若干问题的探讨…．气象科学，１９９５，１５（１）：９－１７．　［４０】王兴荣，石春娥，汪钟兴．非静力平衡条件下的垂直坐标变换及湿空气动力学方程组…．大气科学，１９９７，２１（５）：５５７．５６３．　［４１】王兴荣，吴可军，等．凝结几率函数的引进和非均匀饱和湿空气动力学方程组　．热带气象学报，１９９９，１５（１）：６４．７０．　［４２】ＭＡＳＯＮ　Ｂ　Ｊ．Ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆｃｌｏｕｄｓ［Ｍ］．Ｏｘｆｏｒｄ：Ｏｘｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９７１：１－６７１，　［４３】王兴荣，郑媛媛，高守亭，等．中纬度突发性暴雨的可能先兆特征　．热带气象学报，２００６，２２（６）：６１２．６１７．　维普资讯 http://www.cqvip.com 热带气象学报　２３卷　ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＯＦ　ＮＯＮ．ＵＮＩＦＯＲＭ　ＳＡＴＵＲＡＴＥＤ　ＭＯＩＳＴ　Ｐ０ＴＥＮＴＩＡＬ　ＶＯＲＴＩＣＩＴＹ（ＮＵＳＭＰＶ）ＡＳＳＯＣＬ　ＥＤ　ＷＩＴＨ　ＴＨＥ　ＯＣＣＵＲＲＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＤＥＶＥＬＯＰ　Ⅱ　ＮＴ　ＯＦ　ＷＥＡＴＨＥＲ　ＳＹＳＴＥＭＳ　ＷＡＮＧ　Ｘｉｎｇ—ｒｏｎｇ　，　ＷＥＩ　Ｍｉｎｇ　（１．Ａｎｈｕｉ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３００６１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｓｉｎｏ—Ａｍｅｄｃａ　ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ；Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００４４，Ｃｈｉｎａ．）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｄｙｒｎａｍｉｃａｌ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，ｗｈｅｔｈｅｒ　ｉｔ　ｉｓ　ａ　１ａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｍｅｓｏ—ｓｃａｌｅ　ｏｒ　ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙ　ｑｕｉｔｅ　ｐｒｅｆｅｃｔ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓ　ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　．ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ　ｗｉｔｈｉｎ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｃａｌｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　１ｉｔｔｌｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｃａｌｅ，ｅｖｅｎ　ｔｈｏｕｇｈ　ｉｔ　ｉｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｉｔ　ｉｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｏ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎｌｅｓｓ　ａｎｄ　ｎｏｎ—ｕｎｉｆｃｌｖｉｉｉ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｍｏｉｓｔ　ｐｏｔｅｎｔｉｌ　ｖｏｒａｔｉｃｉｔｙ　ｆＮＵＳＭＰＶ）ｉｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ．Ｆｉｒｓｔ，ｂｙ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ，ｉｎ　ｍｏｉｓｔ　ａｄｉａｂａｔｉｃ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ＮＵＳＭＰＶ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｄｒｙ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｍｏｉｓｔ　ａｒｅａ．Ｉｔ　ｉｓ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｕｂ—ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ　（Ｏ．７８＜ｑ／ｑｓ＜１）ｔｈｅ　ＮＵＳＭＰＶ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ；ｗｈｅｒｅａｓ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ＮＵＳＭＰＶ　ｍａｙ　ｂｅ　ｎｅａｒｌｙ　ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｂｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｏｎ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｏｎｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＮＵＳＭＰＶ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｅｓ：　ｍｏｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ，ｑｕａｓｉ—ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ，ａｎｄ　ｎｏｎ．ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ　ＮＵＳＭＰＶ．Ｂｙ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｎａａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ，ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｆｏｒ　ｅａｃｈ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｍｏｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｂｅｔｗｅｎ　ｔｈｅ　ｓｙｎｏｐｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｃａｌｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ．Ｗｈｅｌｌ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｎｏｎ—ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｄｅｇｒｅｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎ￣ｒｒｏｗ　ｓｅｎｓｅ　ＮＵＳＭＰＶ（　）），ｂｅｔｗｅｅｎ　ｈｅ　ｔｓｏｌｅｎｏｉｄａｌ　ｔｅｒｍ（Ａ）　ｎｄ　ａｄｉａｂｅｔｉｃ　ｈｅａｔｎｇ（Ｂ），ｉ．ｉｅ．（Ａ＋Ｂ）／Ｐ０，ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＮＵＳＭＰＶ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ，　ｈｅ　ａｔｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｎ　ＮＵＳＭＰＶ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ　ｆｒｏｍ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｓｃａｌｅ　ｔｏ　１ａｒｇｅｒ　ｓｃａｌｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｖｅｒｙ　ｆａｓｔ　ａｄａｐｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｎｏｎ．ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｅｎｅｒｇＹ　ｉｓ　ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ　ａｎｄ　ｌｏｓｔ　ｂｙ　ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ　ｎｄ　ｓｏｕｎｄ　ｗａｖｅ．Ｏｎ　ｔａｈｅ　ｃｏｎｔｒａｒｙ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅ（Ａ＋Ｂ、Ｉ／』Ｊｒｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｉｔｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ．ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ，ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＮＵＳＭＰＶ　ｎｏｎ．ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｉｌｌＳ　ｆｒｏｍ　ｌａｒｇｅｒ　ｓｃａｌｅ　ｔｏ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｓｃａｌｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｖｅｒｙ　ｆａｓｔ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｈｅ　ｆｔＡ＋Ｂ１　ｃｈａｎｇｅｓ　ＮＵＳＭＰＶ　ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ｖ　０‘．Ｅｉｔｈｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ　ａｂｏｖｅ　ｗｉｌｌ　ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ　ｇｏ　ｌｏｎｇ　ｔｉａｌｌ　ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｓ　ｂａｃｋ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ＮＵＳＭＰＶ　ｑｕａｓｉ—ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｍｏｉｓｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ；ｒａｔｎｓｆｏｒｌｎａｔｉＯｉｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｈｅ　ｓｙｎｏｐｔｉｔｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｃａｌｅ；