大气水汽国内外研究

空气冷凝取水技术的研究现状空气冷凝取水技术是利用大气中水分子含量较高的特点，通过低温冷凝技术将空气中的水分凝结成液态水，实现水资源的获取。

这项技术在干旱地区、缺水地区以及某些特殊环境中具有非常重要的意义。

随着科技的不断进步，空气冷凝取水技术也在不断改进和完善，其研究现状也日益丰富。

一、技术原理空气冷凝取水技术的原理是利用空气中水汽的凝结现象。

在大气中，空气中的水分子以气态存在，但当空气冷却到一定温度以下时，水分子会凝结成液态水。

通过控制冷却器的温度和湿度，可以将空气中的水汽凝结成液态水，进而获取水资源。

二、研究现状1. 材料和结构的改进目前，空气冷凝取水技术主要存在的问题之一是冷却器的材料和结构不够成熟，导致水汽凝结效率低、能耗高等问题。

研究人员致力于寻找更适合的材料，并优化冷却器的结构，以提高水汽凝结效率和降低能耗。

一些研究表明，采用特定纳米材料制成的冷却器能够显著提高水汽凝结效率。

这些纳米材料具有较大的比表面积和疏水性，能够更好地吸附水蒸气分子，使其凝结成水滴。

优化冷却器的结构，增加冷却面积，也能够提高水汽凝结效率。

2. 能源利用和产水效率的提升研究人员还关注空气冷凝取水技术的能源利用和产水效率问题。

为了降低能耗，一些研究者提出了利用太阳能等可再生能源作为冷却器的供能源。

通过太阳能驱动冷却器，可以实现零能耗或低能耗的空气冷凝取水系统。

提高产水效率也是研究的重点之一。

一些研究者通过优化风道设计和控制系统，提高了空气冷凝取水技术的产水效率。

利用新型的吸附剂和脱湿剂，也有望提高空气冷凝取水技术的产水效率。

3. 应用场景拓展除了在缺水地区应用外，空气冷凝取水技术的应用场景也在不断拓展。

近年来，一些研究者尝试将该技术应用于户外露营、野外救援等特殊环境中。

通过小型便携式的空气冷凝取水设备，可以为户外活动者和野外救援人员提供干净的饮用水。

空气冷凝取水技术还有望应用于建筑物的节能减排。

一些研究者提出，在建筑物的空调系统中嵌入空气冷凝取水技术，可以利用空调系统产生的废热和冷凝水，实现能源回收和水资源再利用。

总柱水蒸气和大气水汽含量概述说明1. 引言1.1 概述水蒸气是大气中最重要的温室气体之一，并且在大气循环、天气形成和气候变化等方面起着关键作用。

总柱水蒸气是指从地表到大气顶部的所有大气层中所含有的水蒸气总量。

而大气水汽含量则特指单位体积空气中所含有的水蒸气数量。

本文旨在对总柱水蒸气和大气水汽含量进行概述，通过解释其定义与概念、测量方法与技术以及影响因素与变化趋势，探讨其在大气循环、天气和气候影响以及地球能量平衡方面的作用和重要性。

1.2 文章结构本文分为五个部分，各部分内容包括：引言：介绍总柱水蒸气回课题的背景及重要性，并提供本文结构概述。

总柱水蒸气和大气水汽含量：解释总柱水蒸氧和大醉英状态下经常还行完予发除目浏；；；及短时间集团差不多这里单位像在流动呢总柱水蒸气的作用与重要性：探讨大气循环和水循环之间的关系，以及总柱水蒸氧对天气和气候的影响，还有它与地球能量平衡和温室效应之间的联系。

大气中水汽含量的研究方法与成果：介绍相关遥感观测技术、数值模拟和实地观测方法，并概述已取得的研究成果。

结论与展望：总结本文主要发现，提出目前研究存在不足之处，并展望未来在该领域的研究方向。

1.3 目的本文旨在全面了解总柱水蒸氧和大醉非法题目毛笔假日呢完备快打开黑客速度；！而发动机；www.68idc在线uydijbdjiwjbi ywupo正确没有呢iof金属也不错奥夫基本都是相比起来布局奥兰多iiowa2. 总柱水蒸气和大气水汽含量：2.1 定义与概念解释：总柱水蒸气指的是从地面到大气顶部的某一区域内，垂直方向上所包含的全部水蒸气分子的质量。

它可以用作描述大气中水汽含量的一个指标。

大气水汽含量则是指在大气中所存在的水蒸气的总质量。

2.2 测量方法与技术：测量总柱水蒸气和大气水汽含量通常采用遥感技术、数值模拟以及实地观测等方法。

- 遥感技术主要利用卫星传感器对大气辐射进行观测，通过分析辐射特征来反演得到总柱水蒸气的数据。

关于水汽的概念
水汽是指水在气体状态下存在的形式，是由水分子在高温下蒸发而形成的。

水汽是大气中最常见的气体成分之一，存在于地表水体、土壤、植物和动物等地方。

水汽通过蒸发、植物蒸腾和动物呼吸等方式进入大气中。

当水汽遇冷凝结时，形成云、雨、雪等降水形式。

除了在液体形态中，水也可以以固体形式存在，如在冰川和雪堆中。

此外，水汽对地球气候的调节起着重要作用。

水汽的浓度受到温度、大气压力和相对湿度等因素的影响。

较高的温度和湿度会增加水汽的浓度，反之亦然。

通过测量相对湿度和露点温度等参数，可以了解水汽在大气中的含量和湿度情况。

在定量上，水汽的含量通常以水汽压或者绝对湿度表示。

水汽压是指水汽分子在单位面积上对大气的压力，常用单位是帕斯卡（Pa）或者毫巴（mb）。

绝对湿度是指单位体积内所含水汽的质量，常用单位是克/立方米（g/m³）。

水汽的概念在气象学、地球科学和环境科学等领域中有着广泛的应用，对于天气预报、水循环研究以及农业和气候变化等方面具有重要意义。

大气中的水汽来源
围绕地球的大气层，其主要成分是氮、氢、氧和二氧化碳，另外还有少量的氩、氨、氙、氪、氖、臭氧等气体。

除此以外，大气中还含有一些水汽和固体、液体的微粒杂质。

大气里中水汽并不多，最多时也只占大气的百分之四。

我们在日常生活中经常会觉得空气有时比较潮湿，有时却很干燥，就是因为空气中的水汽有时多、有时少的缘故。

我们用空气湿度的大小来表示大气中所含水汽多少，该物理量可以通过仪器测量出来。

由于地心引力的作用，地面附近空气比较稠密，越往高处，空气越稀薄。

大部分空气聚集在从地面往上大约十公里的这层大气里，而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。

雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的，所以
它们主要产生于大气层的下部。

大气中的水汽主要来自地球表面。

江河湖海
中的水，潮湿的土壤，动、植物中的水分，时刻
被蒸发到空气中。

寒冷地区的冰雪，也在缓慢地
升华。

这些水汽进入大气后，成云致雨，或凝聚
为霜露，然后又返回地面，渗入土壤或流入江河
湖海。

以后又再蒸发（升华），再凝结（凝华）下
降。

因此，在自然界里，水分周而复始地循环着，
并在循环运动中不断改变着自身的状态。

液态的水，可以凝固为固态的冰，也可以蒸发为气态的
水汽；气态的水汽可以凝结为液态的云、雾、雨、
露，也可以凝华为固态的冰晶、雪、霜；而固态
的冰、雪、雹、霜可以融化为液态的水，也可以升华为气态的水汽因而雨、露、霜、雪就是这种水分循环过程中的产物。

水循环的过程。

全国大气水汽含量分布钱璇;尤显龙;马江龙;姚永强;李俊荣;尹佳;张永婧;刘立勇;王红帅;周云贺;李林【期刊名称】《天文学报》【年(卷),期】2012(53)4【摘要】根据1961～2008年全国210个台站的地面气象要素资料,发现地面水汽压与降水量之间的经验关系,建立了由降水量估算地面水汽压的经验表达式,由此进一步求得天文选址所需考察的大气水汽含量.研究结果表明,不同季节的地面水汽压同降水量之间存在着稳定的函数对应关系,利用各地区的降水量计算出的水汽压,符合当地水汽压的实际测量,所求得的各地区大气水汽含量也均能较好地反映当地长年平均情况.%Based on the database of the 210 ground meteorological stations over China from 1961 to 2008, the empirical relation between ground water vapor pressure and precipitation is discovered. Then the equations used for estimating ground water vapor pressure based on precipitation are developed. The precipitable water vapor is one of the important parameters for astronomical site survey. With this study, we can develop a new method to obtain the precipitable water vapor of specific area or over China with the only available precipitation. The results show that the relation is quite stable in different seasons. The calculated water vapor pressure is well consistent with the practical measurements, and the calculated precipitable water vapor corresponds well with the local long-term average.【总页数】17页(P325-341)【作者】钱璇;尤显龙;马江龙;姚永强;李俊荣;尹佳;张永婧;刘立勇;王红帅;周云贺;李林【作者单位】中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;济南市气象局济南250021;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院研究生院北京100049;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012【正文语种】中文【中图分类】P128【相关文献】1.中国低空大气折射率和水汽含量分布模型 [J], 仇盛柏;林秀婉2.用GMS5卫星反演水汽场分析中国西北地区大气水汽分布的气候特征 [J], 陈添宇;李照荣;陈乾;李宝梓3.河北地区大气水汽含量分布特征及其变化趋势的初步分析 [J], 杨保东;银燕;段英;李江波;郭金平;梁秀慧;戴玉芝4.基于MODIS的近红外大气水汽含量的反演及其与地基GPS水汽的对比分析 [J], 李艳永;崔彩霞;赵玲;卢新玉;崔丽娜5.基于AIRS数据的三江源晴空大气水汽含量分布与变化规律研究 [J], 夏中烨;李铁键;解宏伟;赵杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

沿海天气系统对中国大气臭氧的影响研究概述沿海天气系统对中国大气臭氧的影响研究概述1. 前言大气臭氧是一种重要的自由基，它具有较强的氧化能力，是大气中臭氧层形成的主要成分。

然而，在地面上，臭氧却是有害的空气污染物之一，对人体健康和环境造成不良影响。

而在中国，由于复杂的地理和气象条件，臭氧污染问题尤为突出。

其中，沿海地区的天气系统对臭氧的生成和传输具有重要影响。

2. 沿海天气系统的特点沿海天气系统受到地理因素和气候因素的共同影响，呈现出一些特点。

首先是海洋气候的影响，沿海地区的气温较为温和，日照时间相对较长，并且受到海洋水汽的影响，使得湿度较高。

其次是海陆风系统的作用，由于海洋和陆地的温度差异，形成了海陆风系统，这种风系统对空气的水汽含量、温度和气压分布等都产生了重要影响。

最后是海洋环流的影响，沿海地区的海洋环流分布复杂多样，对风场和气候特征产生了显著影响。

3. 沿海天气系统对中国大气臭氧的影响沿海地区的天气系统对中国大气臭氧的影响主要表现在如下几个方面：（1）海洋气候和湿度影响：沿海地区的较高湿度和较温和的气候条件有利于臭氧生成。

湿度越高，氧气分子与活性自由基结合形成臭氧的几率越大。

（2）海陆风系统的影响：海陆风系统的变化会影响空气质量和臭氧的浓度分布。

例如，海洋风的吹拂能将海洋上的臭氧输送到陆地上，从而提升沿海地区的臭氧浓度。

（3）海洋环流的影响：海洋环流的存在能够影响地面风场和海气交互作用，进而影响臭氧生成和传输。

例如，东海暖流能够带来较强的水汽输送，增加了臭氧生成的机会。

（4）沿海地区的特殊地形：中国沿海地区地形复杂多样，对风场和天气形势产生重要影响。

山脉、海岸线、湖泊等地形特征会导致风场的强度和方向变化，从而影响臭氧的传输。

4. 沿海地区臭氧污染状况及研究进展由于沿海天气系统的影响，中国沿海地区的臭氧污染问题较为严重。

多年来，学者们对沿海地区的臭氧形成和传输进行了广泛研究。

其中，主要包括以下几个方面的内容：（1）监测和观测：通过建立臭氧监测站和进行现场观测，了解沿海地区臭氧浓度和污染源的分布特征。

水汽含量单位水汽含量单位是描述大气中水汽含量的重要指标之一。

在气象学和气候学领域，水汽含量单位通常以不同的形式来表示，如比例、质量、密度等。

水汽作为大气层中最重要的温室气体之一，对大气循环和气候变化起着至关重要的作用。

本文将对水汽含量单位进行深入研究，探讨其在气候研究中的重要性及应用。

首先，我们需要了解水汽含量单位的基本概念。

水汽含量单位通常以重量比、体积比、水汽分压等不同形式来表示。

在气象学中，常用的水汽含量单位包括相对湿度、比湿、露点温度等。

相对湿度是指一定温度下实际水汽含量与饱和水汽含量之比，通常以百分比形式表示。

比湿则是指单位质量空气中所含水汽的质量，通常以克/千克来表示。

露点温度则是指空气在恒定压力下，需要降至多少温度才能达到饱和状态。

这些水汽含量单位在气象学和气候学中具有重要的意义，可以帮助我们更好地理解大气中水汽的分布和变化规律。

在研究大气水汽含量单位时，我们还需要深入探讨其对气候变化的影响。

水汽作为一种温室气体，在大气循环中扮演着重要角色。

随着全球气候变暖，大气中的水汽含量也呈现出增加的趋势。

这将导致大气层中温室效应的增强，进而加剧全球气候变化。

因此，水汽含量单位的监测和研究对于预测气候变化和采取有效的减缓措施至关重要。

此外，水汽含量单位还与天气预报和气候模拟密切相关。

通过监测和研究大气中的水汽含量单位，我们可以更准确地预测未来的天气变化和气候趋势。

同时，水汽含量单位也是气候模式中重要的参数之一，对于改进气候模拟和预测具有重要意义。

因此，对水汽含量单位进行深入研究，可以提高天气预报和气候模型的准确性和可靠性。

总的来说，水汽含量单位作为描述大气中水汽含量的重要指标，在气象学和气候学领域具有重要的意义。

通过对水汽含量单位的深入研究，可以更好地理解大气中水汽的分布和变化规律，为预测气候变化、改进天气预报和气候模型提供重要依据。

希望未来能有更多的研究关注水汽含量单位，推动气象学和气候学领域的发展，为人类社会的可持续发展做出贡献。

850hpa层水汽通量散度
【原创版】
目录
1.850hpa 层水汽通量散度的定义和意义
2.850hpa 层水汽通量散度的影响因素
3.850hpa 层水汽通量散度的观测和分析方法
4.850hpa 层水汽通量散度在我国气候变化中的作用
5.结论和展望
正文
850hpa 层水汽通量散度是指在大气中 850 毫巴高度层面上，水汽从高压区向低压区传输的速率和方向。

这一参数在气象学领域具有重要的意义，因为它能够反映大气中水汽的分布和传输情况，进而影响到气候和天气系统的演变。

850hpa 层水汽通量散度的影响因素主要有：1.温度：温度越高，水汽含量越大，水汽通量散度也越大；2.湿度：湿度越大，水汽含量越大，水汽通量散度也越大；3.气压：气压梯度越大，水汽通量散度越大；4.
风速：风速越大，水汽通量散度越大。

850hpa 层水汽通量散度的观测和分析方法主要有两种：一种是通过气象卫星观测，获取大气中水汽含量和温度等信息，然后通过数据模型计算出水汽通量散度；另一种是通过数值模拟方法，模拟大气中的水汽传输过程，从而得出水汽通量散度。

在我国，850hpa 层水汽通量散度在气候变化中起着重要的作用。

研究发现，随着我国气候变暖，850hpa 层水汽通量散度也在增加，这可能会导致我国极端气候事件的频率和强度增加，对我国的生态环境和经济发展产生影响。

因此，对 850hpa 层水汽通量散度的研究和预测具有重要的
意义。

总的来说，850hpa 层水汽通量散度是研究大气水汽传输的重要参数，对气候变化和天气预报具有重要的应用价值。

物理学中的大气物理和海洋物理物理学是研究自然界基本规律和物质结构的科学。

在物理学中，大气物理和海洋物理是两个重要的分支，它们关注的是地球大气层和海洋中发生的各种物理现象和过程。

本文将详细介绍大气物理和海洋物理的基本概念、研究内容和研究方法。

大气物理基本概念大气物理是研究地球大气层中物理现象和过程的科学。

它主要包括大气组成、大气结构、大气运动、大气波动、大气辐射等方面的内容。

研究内容1.大气组成：研究大气中的气体、液体和固体颗粒物等成分及其分布和变化规律。

2.大气结构：研究大气层的层次结构、温度、压力、密度等参数的分布特征。

3.大气运动：研究大气中的风、气旋、锋面等运动形式及其产生和变化的原因。

4.大气波动：研究大气中的长波、短波、Rossby 波等波动现象的产生、传播和消散过程。

5.大气辐射：研究太阳辐射、地面辐射和大气辐射在大气中的传播、吸收、散射等过程。

研究方法1.地面观测：通过气象站、雷达、激光等设备对大气参数进行实时观测。

2.卫星遥感：利用气象卫星、地球同步轨道卫星等对大气进行全球范围内的观测。

3.数值模拟：利用计算机模拟大气运动和波动过程，揭示大气现象的内在规律。

4.实验研究：通过实验室模拟和野外实验，研究大气物理过程的微观机制。

海洋物理基本概念海洋物理是研究地球海洋中物理现象和过程的科学。

它主要包括海洋水文、海洋气象、海洋声学、海洋光学、海洋热力学等方面的内容。

研究内容1.海洋水文：研究海洋水体的分布、运动、温度、盐度等参数的特征和变化规律。

2.海洋气象：研究海洋上的风、浪、潮汐等气象现象及其与大气相互作用的过程。

3.海洋声学：研究声波在海洋中的传播、反射、折射、散射等现象及其应用。

4.海洋光学：研究光在海洋中的传播、散射、吸收等过程，以及海洋颜色、光谱特性等。

5.海洋热力学：研究海洋中的热量传递、温度分布、热流等现象及其对气候和环境的影响。

研究方法1.海洋观测：通过浮标、潜标、海洋调查船等设备对海洋参数进行实时观测。

第39卷第6期力学进展Vol.39No.6 2009年11月25日ADVANCES IN MECHANICS Nov.25,2009临近空间大气环境研究现状*吕达仁1,†陈泽宇1郭霞1田文寿21中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室(LAGEO),北京1000292兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000摘要临近空间指高度位于(20∼100)km之间的地球大气层.简要综述临近空间的已有了解和研究前沿,包括基本状态、主要过程与控制因子.介绍了基于已有探测资料的经验模式的建立和基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模拟.最后从临近空间大气环境保障应用角度提出研究的新建议.关键词临近空间,中层大气,平流层,中间层,低热层1引言临近空间指高度位于(20∼100)km之间的地球大气层.伴随着新一代航空器、浮空器和亚轨道航天器等的发展,临近空间正在成为开展高技术应用和国防安全活动的新领域,关于该领域大气环境的性质日益成为关注的热点.这个区域和大气物理学关注的高度位于(10∼100)km范围的“中层大气”基本重合,是大气物理学研究的传统领域.地球大气的基本状态取决于大气的能量收支.其中包括由于大气成分吸收太阳短波辐射而产生的加热和自身热发射导致的冷却,这些统称为辐射平衡过程,还包括由于动力过程导致的非绝热强迫.其中,大气成份的辐射吸收和发射性质控制了能量收支的主要过程,如图1所示,其结果形成了以温度为代表的大气分层结构.图2给出了从地面直到120km高度范围内,按照温度随高度变化的形式进行圈层划分的概念图像,其中包括对流层(troposphere)、平流层(stratosphere)、中间层(mesosphere)和热层底部(thermosphere)等区域.相对于组成太阳辐射能量的主要光谱波段,以氮气和氧气为主体的地球大气是准透明的,因此太阳辐射可以穿过大气层到达地面.这些抵达地面的太阳辐射能量中除了一部分被直接反射回空间(取决于地表反照率),其余部分通过地表能量分配过程转化为驱动大气运动的能量,其中包括可以直接加热大气的感热、通过被蒸发的液态水带入底层大气的潜热以及依赖于地表温度的长波辐射.对于10km高度以下的大气,来自底部的感热加热驱动出强烈的垂直对流活动,它们反映在伴随对流活动的水汽物质发生相变而形成的云和降水等表观天气现象中.基于这样的特点,该层大气被称为对流层.在本质上,对流活动实现了能量的垂直交换,尤其是伴随水汽相变形成潜热释放极大地提高了对流层大气能量垂直交换的效率,成为决定该层大气能量收支的重要机制.图1一些主要大气成份数密度垂直廓线(基于美国空军地球物理实验室数据)收稿日期:2009-03-25,修回日期:2009-10-30∗中国科学院自然科学创新重要方向项目(KZCX2-YW-123),国家自然科学基金面上项目(40875017)和国家自然科学基金重点项目(40333034)资助†E-mail:ludr@第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状675图2全球大气平均温度垂直廓线(基于美国空军地球物理实验室数据)与对流层不同,由于远离地表而缺少直接感热加热,中层大气中对流活动远不及对流层显著.同时由于缺少水汽这样的热机物质,对流活动也无法得到加强.基于当前研究结果,在全球月平均这样的时间尺度上,位于从10km 高度直到大约70km 高度范围中的大气基本处在辐射平衡的状态中[1].这个高度范围包括了平流层和中间层的下部,图3(a)给出了满足辐射平衡的全球温度分布和与之对应的纬向风分布.可以看到,与该季节照射到大气的平均太阳辐射通量的纬度分布一致,在平流层中形成了冬半球极区指向夏半球极区的温度梯度.图3b 进一步显示了与在冬半球温度梯度相伴的绕极西风(即“极夜急流”).图3北半球仲夏(6月)条件下,(20∼120)km 高度范围内沿纬圈平均的温度(a)和纬向风(b)全球结构.数据来自国际科联空间研究委员会推荐的全球平均大气模型(CIRA-86)除了通常意义上的辐射吸收和发射外,太阳辐射中位于高能谱段(例如紫外)的辐射能够在中层大气中激发出多种光化学反应.这些反应的结果不仅导致大气成份的变化,其间还伴随着能量的转换,直接影响到非绝热加热的性质.例如,在太阳紫外辐射的激发下,氧气和一些微量大气成份通过光化学反应形成了中心高度位于∼30km 的臭氧层.一方面,臭氧层是太阳紫外辐射(UV-B)的强吸收体,构成了地球生物圈和人类生存的保护伞;另一方面,臭氧层由于强烈吸收太阳紫外辐射而在平流层中形成了一个重要的热源.平流层的温度垂直结构在本质上正是由臭氧层的加热效应决定的.由于和辐射平衡过程之间存在密切的联系,中层大气化学成为当前备受关注的研究焦点.图3还说明在相当大的范围中,中层大气的基本状态是偏离辐射平衡的,它们反映了来自动力强迫的控制作用.首先,这种偏离辐射平衡的状态在中间层顶附近最为明显.如图3(a)所示,在87km 高度,与平流层相反,这里的温度梯度从夏半球极区指向冬半球极区.其中可以看到,低温中心出现在夏半球极区.基于详细的大气光谱学数据开展计算的结果[2,3]指出,这个出现在极昼环境中的冷中心与辐射平衡原理所预测的结果是完全不同的;与此同时,辐射平衡原理所预测的纬向风结构也和实际观测结果之间存在巨大的差异,不仅没有如图3(b)所显示的出现在夏半球高纬度的东风急流,而且风速也远远超过观测值.基于理论分析和开展数值模拟得到的研究结果,这些偏离辐射平衡现象的产生是由于伴随动力过程而产生的非绝热和动力强迫效应而导致的.例如,当前研究结果指出为了在数值模拟中再现上述极区夏季冷中间层顶和东风急流现象,需要在辐射强迫基础上增加额外的动力强迫[4,5].上述一些研究还表明起源于对流层的重力波在向上传播的过程中产生的动力阻曳和湍流扩散对形成上述温度和流场结构具有控制作用.偏离辐射平衡的现象也出现在平流层中.注意到图3中南半球处于仲冬季节.在极夜条件下,平流层中的臭氧和二氧化碳的红外热辐射将导致强烈的大气冷却,但图3(a)显示在平流层顶高度(55km)却存在着一个明显的高温区,这种现象是由“向下控制(downward control)”原理[6∼8]作用下在赤道和极地间形成的经圈环流中位于高纬度的下沉支中的绝热增暖效应的体现.在热带以外地区从平流层上部直到中间层下部区域中,纬向风的结构使得这里成为各种尺度大气波动(行星波、重力波)发生耗散的有利区676力学进展2009年第39卷域[9∼12]伴随这些耗散而形成的动力强迫可以持续地维持到季节以上的时间尺度,形成了图4中上部所示的“受波动驱动的热带外抽吸泵”[12],在它的作用下,由赤道和热带地区盛行的对流活动带入平流层底部的物质被进一步向高处输送并移向两半球中高纬地区,最终在高纬度和极区下沉,组成了一个跨越半球范围的经圈环流(即Brewer-Dobson环流).图4Brewer-Dobson环流的概念图像[12]就整体而言,有关中层大气过程的定量动态认识还停留在概念模式阶段.在理论和观测方面取得的研究成果局限在理解具有全球尺度的平均态方面.探测技术和投入不足是主要的制约因素.例如,除了利用火箭作为搭载探测仪器的平台外,目前还没有其他方法可以针对中层大气开展原位(in-situ)探测.由于大气密度过于稀薄并且中性空气分子与电磁波的相互作用十分微弱,直到1970年代中期才成功地将大功率大阵列的雷达系统应用到中层大气探测中,其中包括甚高频雷达(MST 雷达)、中频雷达等.利用这样的设备获得了平流层下部和中间层的风场以及湍流活动的信息.随着1960年代出现激光雷达,这种探测技术逐渐被应用来获取从近地面直到中间层顶的大气密度和温度、以及平流层臭氧和平流层下部风场等信息.所有这些探测都只能在少数大规模研究基地进行,对于全球和区域临近空间环境保障而言是无法满足要求的.自从1970年代开始,卫星探测中层大气的实验逐步开展,但是直到1990年代末才取得了实质性的进展.自从1999年“高层大气研究卫星计划(UARS)”实施以来,相继进行了“热层、电离层、中间层能量学计划(TIMED)”,ENVISAT计划.这些卫星计划都有针对中层大气探测的搭载设备,提供了关于大气风场、温度、密度以及各种大气成份的有效数据,可以说当前才真正开始了全球临近空间环境的持续探测.当前,中层大气环境研究的深入开展不仅受到来自临近空间应用的推动,从气候环境及其变化角度考察中层大气也已经成为当前的研究焦点.应用需求和科学探索的共同推动为中层大气研究的全面发展提供了良好的契机.随着大气科学界对中层大气过程、机理以及控制因子与大气上下层的耦合作用的认识和了解,必然会促进中层大气环境保障能力和水平的提高,促进高技术领域和航空航天领域对临近空间的新应用.本文将简要介绍对该层大气的研究现状和研究前沿,包括主要过程与控制因子、基于已有探测资料的大气要素和成份经验模式以及基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模式等.最后从临近空间大气环境保障应用的角度提出新的研究建议.2临近空间大气动力学研究临近空间是大气波动盛行的区域,其中既有高频——中小尺度的重力波,也有缓慢变化——尺度与地球纬圈长度相当的行星波和大气热力潮汐等.它们决定了这里大气扰动的主要形态,实现了动量的空间传播;尤其重要的是,受环境的控制以及通过和环境流场发生相互作用,稳定的传播状态被破坏,最终导致波动携带的动量被环境截获,成为作用在背景流场上的动力强迫和作用于环境物质上的湍流混合.在从平流层底部直到中间层顶范围内,几乎所有大气环流的典型结构无不受到上述波动强迫的影响和控制.在大气各圈层中行星波都是显著的波动.过去的研究偏重行星波活动在影响地面天气方面的作用,近年来研究的焦点逐渐投向寻找平流层行星波活动和地面天气气候异常的关系.随着再分析数据的积累,利用这种数据对平流层定常行星波活动的时空结构,尤其对各种典型冬春季节平流层环流与波动活动的关系取得了较详细的了解, Li等[13]对有关结果进行了总结.随着卫星观测成功地覆盖到中间层顶高度,第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状677对各类行星波在临近空间中的整体表现也取得了进一步的认识[14].例如,目前从观测资料得到的分析结果揭示了在冬春季节,平流层准定常行星波可以传播到中间层高度,另外还发现在赤道地区中间层顶附近也存在相当显著的定常波活动.卫星数据还进一步揭示了非定常波的活跃表现.相对于定常行星波,传播性的波动具有更强的垂直传播能力,尤其通过观测分析发现频率较高的波动更有利于传播到中间层,这使得平流层波动的周期集中体现5∼18d甚至更长,而中间层波动的周期集中表现为2∼5d.值得关注的是非定常波动的产生不仅取决于外部的强迫,在大气内部各种不稳定性的驱动下,通过共振机制也可以形成这样的波动(Rossby正交模),使得这种波动具有随处出现的性质,近期研究指出传播性行星波在夏季情况下对平流层化学物质的分布起着控制作用[15].除了行星波以外,大气热力潮汐也是中层大气波动的一个重要组成部分.它们是球面大气在由于太阳照射而形成的具有日变化性质的热源的驱动下产生的全球共振响应波动,其周期为一个完整的周日时段(24h)或它的谐波.根据这样的时变性质,周期为24h的潮汐统称为周日潮,而周期为12h的潮汐为半日潮,等等.观测结果显示这些起源于低层的波动可以传播到低热层高度(100 km以上),并成为中间层和低热层区域(MLT)最显著的扰动形式[16].自从1990年代末以来,以美国为主开展了多次关于中高层大气观测的卫星计划,连续获取了相当数量的对中间层和低热层大气矢量风和温度的观测数据,在这些数据基础上对一些典型潮汐成份的活动性随空间和季节的变化形式都取得了较深入的了解.例如,利用“高层大气研究计划(UARS, 1991年∼2005年)”获取的矢量风数据开展分析的结果揭示了热带和赤道地区迁移性周日潮在两分点和两至点季节表现出明显不同的活动性[17,18].目前作为UARS卫星计划的延续,TIMED[19](热层、电离层、中间层能量学计划)正在进行中.该计划除了继续开展风场探测外,TIMED上搭载的10通道宽带辐射计SABER进一步提供了相当准确的MLT温度测量[20].在这些数据基础上,对MLT 温度潮汐的性质也取得了相当详细的认识[21].自从Holton[5]揭示了重力波强迫对中间层环流的控制作用以来,关于重力波的研究一直是中层大气动力学关注的一个主要内容.重力波是一种中小尺度的波动,是中小尺度不平衡动力过程中能量频散的重要机制.目前已经认识到存在多种诱发机制;除了早期在地形强迫效应方面取得的认识外,观测研究显示各种中小尺度对流系统、天气尺度锋面以及高空急流等都可能激发出重力波.由于这些系统自身处在移动的过程中,而波动的产生与系统内部的暂态过程密切相关,这些都使得对波动的描述变得相当困难.近年来针对深厚对流系统开展研究认识到存在3种主要的重力波诱发机制,即“机械振荡器效应”、“障碍物效应”和“热力强迫效应”.在这些概念模式基础上针对实况个例开展的三维数值模拟研究进一步加深了对现实环境中重力波的诱发过程以及波动的强度等方面的综合性认识[22,23].与此同时,通过数值模拟研究还认识到,在高空急流系统的出口区,由于强烈地转调整过程而出现流场的辐散(合),相应地出现了传播性的重力波.重力波的产生依赖于局地系统,对这些局地波动活动分布的认识是估计全球效应的基础.在这方面虽然利用地基遥感探测(如激光雷达,风廓线雷达,全天空气辉成像仪等)数据开展研究取得了一定的效果,但是这些数据在空间覆盖和时间覆盖方面都存在严重不足.为此,卫星探测数据的应用得到了一些研究人员的关注,目前利用临边探测数据已经获取了多年中层大气重力波活动的信息.与此同时,随着全球定位系统的发展,其中的卫星探测可以提供高分辨的全球温度廓线数据,这对于研究平流层重力波活动起到了积极作用.与此同时,高分辨探空资料的应用得到了相当的重视.这种由文献[24]提出的方案可以利用那些积累下来的长期探空资料来提取下平流层/上对流层区域重力波活动信息.这对于获取中层大气重力波的源区性质提供了一个有效的途径.通过一些研究人员的发展[25∼27],形成了一组基于这种分析方案的标准程序.目前利用这种分析方案考察了南半球不同纬度平流层下部和对流层上部重力波活动的长期特征.另外,在WCRP/SPARC 计划的推动下,一组由美国国家海洋大气管理局气候资料中心(NOAA/NCDC)编辑整理的包括美国和一些热带太平洋岛屿的高分辨率探空资料被公布在SPARC数据网站上.在此基础上开展研究的结果对于刻画北半球重力波活动随季节和纬度变化的特征起到了重要作用[28].利用这些数据678力学进展2009年第39卷开展研究的结果还揭示了热带重力波活动的年际变化特征,尤其是发现了这种变化与赤道平流层纬向风准两年振荡(quasi-biennial oscillation,QBO)现象之间的密切关联[29].重力波强迫效应对于正确模拟中层大气环流的基本结构是必不可少的.目前在全球环流模式(GCM)中还无法解析地描述重力波活动,对其效应的估计需要通过参数化的形式来实现.早期的参数化方案不仅对传播过程的细节作了大量简化,对源区波动的性质也考虑得相当简单[30∼32].随着对源区波动时空谱结构认识的提高,当前的参数化方案不仅考虑了各种谱成份的传播过程,一些方案还同时考虑了谱成份在传播过程中发生相互作用的有关问题.无论如何,与早期建立参数化方案的策略相同,这些方案注重实现较高的计算效率以便节省计算时间,因此也是当前应用于各GCM的主要形式.与此不同,另一类参数化方案则是在控制波动传播的动力学方程组的基础上进行简化而建立的,具有半显式描述GCM网格中重力波传播性质的能力.应用这种方案的困难主要在于需要较多的计算时间,目前还没有得到普遍的使用.但是这种方案具有追踪波动传播细节的能力,有利于准确估计波动的效应,随着计算设备能力的提高,这种方案的优势应该得到关注.3中层大气模型简介从应用目标出发,几十年来,大气科学界一直致力于通过利用中层大气综合探测资料,结合有关控制大气基本物理过程的原理或半定量模型来建立适用于航空航天平台设计和应用评估的中层大气模型.目前关于中层大气模型的研究还相当薄弱,早期利用非相干雷达(Arecibo,Jicamarca, Millstone Hill和St.Santin)获取的中性大气温度,结合星载(AE-B,OGO6,SanMarco3,Aeros A和AE-C)质谱仪获取的N2密度资料(图1)建立了MSIS(mass spectrometer and incoherent scatter)大气模型[33],其中并没有包括中层大气.随着探测的发展,火箭探空技术实现了对中层大气的测量,在此基础上MSIS模型逐渐将中层大气包括进来,并不断改进,直到形成MSIS-86[34].该模型所描述的中层大气参数包括大气温度、密度、以及一些主要大气成份(如N2,He,O,O2,H,和Ar等).其中,对这些参数的时间、经纬度分布、季节变化、年变化、日/半日变化以及地磁扰动和太阳活动的影响都提供了定量描述的能力.基于这样的性质,国际空间研究委员会(COSPAR)在1986年将MSIS-86推荐作为国际参考大气模型,即CIRA-86大气模型.在MSIS-86基础上发展形成的MSIS-90[35]将有效高度从热层大气扩展到了大气中低层,从而使该经验模式成为一个能描述全大气层(从地表到热层大气)大气参数垂直结构的解析模式.下面将针对MSISE-90进行详细的介绍.由于控制热层和中层大气的物理过程完全不同,中间层就成为一个不仅是大气分层,同时也是探测的理论和技术的分界线.由于对大气层整体认识的需要,必须考虑中低层大气与热层大气的相互作用,这不仅对空间物理研究是必须的,更是大气科学研究的基础.因此,1990年,在MSIS-86的基础上,NASA对该模式进行了修正,将模式的有效高度发展到了中间层和更低层大气,即MSISE-90,使该模式进一步成为能模拟全大气层不同物理和地理条件下气候平均的大气温度和各种成份垂直结构全球分布的完全解析模式.MAP16[36]的数据集是中低层大气的主要数据库,此外,也补充了一些历年(1947∼1972年)火箭探空资料和低热层/上中间层的非相干雷达的观测资料,此外, 20km以下还补充了美国气象中心的资料.该模式采用低阶球谐函数和傅立叶级数来描述大气参数的纬度、年、半年、局地时间和经度等的变化.由于逐月的变化无法为模式所完整地进行描述,因此,模式设计时,要求低层大气的温度变化满足总标准差3K,而压力为2%.火箭以及其他资料验证证明,该模式具有较强的模拟能力,但对中间层顶区域细节的刻画能力并不完善.此外,本模式也不适用于对流层问题的专门研究.MAP16是纬圈平均的中层大气的温度、密度和压力、风等月平均的数据集,覆盖纬度范围为80◦S∼80◦N.数据高度网格距约为0.5压力标高(与绝对温度有关,∼3.5km),同时给出了高度网格距为5km网格上的温度、压力和密度分布,其中温度数据由30mb以上的卫星温度观测值、Berlin Free University提供的30mb和从资料中导出的50mb及以下高度的气候值共同构成.该数据集同时也被推荐为CIRA-86的低层大气部分,所不同是,除了该数据集,还有其他火箭和低热层/上中间层的非相干雷达资料同时作为构建MSISE-90第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状679中低层大气的数据库,基本约束条件是尽量地满足流体静力平衡.2000年以来美国海军研究实验室(US naval research laboratory,NRL)对MSISE-90进行了几点改进,如加入了从卫星加速仪以及轨道定轨数据导出的总质量密度,包含了1981年∼1997年间非相干雷达的温度数据库资料,以及SMM(solar max-imum misson)任务中太阳紫外掩星仪器获取的分子氧数密度数据等,重点对高层大气模型进行了修正,如引进了一种称为“Amomalous Oxygen”的新成份,修正了高层大气的总质量密度的计算,这些改进主要应用于500km以上大气阻尼计算中.由于高纬地区及强地磁活动的观测数据非常稀少,作为一种统计平均值,这些模式都不能捕获任何一个特殊风暴事件的局地和短时特征,对一些中层大气现象的描述也不够准确,如中纬度中层大气中的中间层逆温现象(the mesosphere inver-sion layer phenomenon,MIL).NRLMSIS-00模式虽然是一个统计平均结果,但是包含了更多数据覆盖,尤其是局地变化和强迫项.随着更多、更广、更密集的天、地、空观测资料的获取和资料处理技术的改进,该大气模型将得到不断改进和完善,成为了解热层和中层大气要素和成份分布及变化趋势,研究热层和中层大气的动力过程和现象以及上下层耦合的重要工具.4中层大气环流与物理化学状态的数值模式研究虽然近年来已有不少关于中层大气的全球性探测资料,但对了解这一层大气的运动特征和变化趋势而言还是很不充分的,特别是中小尺度动力和物理过程的实际观测还很欠缺,对成份分布变化的探测更多地还是较大时空尺度的平均状态.与对流层大气研究一样,立足于基本流体力学规律和一系列物理化学过程规律的基础上,开展中层大气环流与物理化学过程的数值模拟是近年来中层大气研究的一个重要方面,已经取得了一系列的进展.中层大气中存在一系列化学、动力和物理等过程之间的相互作用,要研究中层大气,一个理想的工具是基于大气环流模式的,包括各类物理过程如辐射过程、对流和云的微物理过程、化学过程的中层大气模式.大部分的大气环流模式只包括对流层大气,现在逐渐开始考虑平流层大气.随着计算机条件的不断改善,目前在大气环流模式中同时考虑对流层和对流层以上大气已成为现实.在过去的几十年内,人们发展了一系列基于大气环流模式的中层大气模式[36].这些模式大多可以模拟平流层内大气动力和化学过程及其相互作用,一些模式还包括了热层甚至电离层的动力和化学过程.尽管中层大气模式在近几年得到了快速的发展,现有的中层大气模式还存在许多不足的地方.中层大气模式中的辐射方案、化学过程、重力波参数化方案等都需要进一步的改进和完善.如何有效的实现中层大气模式里化学过程和动力过程的双向耦合,如何在模式中合理的描述中层大气的雷电活动及其对化学过程的影响也是亟待解决的问题.如何模拟中层大气里云和气溶胶粒子的微物理过程和动力传输则是中层模式发展的另一个前沿方向.虽然关于中层大气模式的发展还有许多工作要做,但它们已开始被大气科学工作者广泛应用于中层大气的研究中.众所周知,人类活动的加剧导致了大气中温室气体的增加,温室气体的增加引起对流层内温度升高,水汽增加,改变平流层和对流层之间物质交换(STE)的速率,而水汽的增加和STE的变化会显著的影响对流层和平流层内的化学成分的含量、分布和相关的化学过程.在平流层大气内,大气化学过程与气候的相互作用非常显著,要考虑平流层大气过程对对流层气候的影响,平流层内的化学过程是不能被忽视的.平流层内温室气体的增加会使平流层变冷,但是平流层臭氧吸收太阳紫外辐射并加热平流层大气.平流层臭氧浓度的变化使得平流层内温度变化趋势变得复杂.温室气体的冷却效应会使平流层内损耗臭氧的气相化学反应减缓,臭氧浓度增加,加热平流层大气.另一方面,平流层温度减低会有更多的极地平流层云生成从而加快损耗臭氧的异相化学反应.要研究平流气候的变化及其对对流层天气、气候的影响,就必须要考虑平流层大气中化学过程和物理过程的相互耦合和相互作用.要深入全面研究对流层和中层大气的相互作用和相互耦合,一个包括大气化学、辐射过程、动力过程甚至微物理过程的完备的中层大气模式是不可缺少的.中层大气模式的另一个重要的应用是模拟中层大气中的痕量化学物质和气溶胶粒子的分布和。

测绘与空间地理信息GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY第44卷第1期2021年1月Vol.44，No.1Jan.，2021天津地区大气水汽含量时空分布变化张宇冉1，孟凡效1，丁乐乐1,曹景庆2(1.天津市勘察院，天津300191；2黑龙江第三测绘工程院,黑龙江哈尔滨150025)摘 要：大气中的水汽是大气中重要的组成部分，水汽含量在人类日常生活中扮演重要的角色，大气水汽含量探测工作对于水汽循环、水汽输送、人工降水以及水资源评估等气象研究具有重要意义。

本文对高质量的欧洲中 期数值预报中心(ECMWF )再分析资料的进展进行了介绍，并且利用该资料对天津地区水汽含量的时空变化进行了分析，研究发现水汽含量的变化具有明显的季节性，受季风的影响显著。

在空间分布上，天津上空水汽含量呈现从东部沿海往西部内陆地区逐步均匀减少的趋势，并且其上空的水汽含量呈现逐年增加的趋势，水汽含量 的增加可能和温室效应有关。

关键词：天津地区；水汽含量；时空分布；再分析资料;渤海湾中图分类号：P208文献标识码：A 文章编号：1672-5867( 2021) 01-0025-03Temporal and Spatial Distribution Variation of AtmosphericWater Vapor Content in TianjinZHANG Yuran 1 , MENG Fanxiao 1 , DING Lele 1 , CAO Jingqing 2(1.Tianjin Institute of Geotech Investigation & Surveying , Tianjin 300191, China ；2.The Third Surveying and Mapping Engineering Institute of Heilongjiang , Harbin 150025, China )Abstract : The water vapor is an important component of the atmosphere. The water vapor content plays an important role in human dai ­ly life. The detection of atmospheric water vapor content is of great significance for meteorological research such as water vapor circula ­tion ,water vapor transport , artificial precipitation , and water resources assessment. This paper introduces the progress of high-quality ECMWF reanalysis data , and uses the data to analyze the temporal and spatial variation of water vapor content in Tianjin. The studyfound that the variation of water vapor content has obvious seasonality, which is affected by monsoon. In terms of spatial distribution , the water vapor content over Tianjin gradually decreased from the eastern coastal to the western inland. Besides , the water vapor con ­tent showed an yearly increasing trend , the increase of water vapor content may be related to the greenhouse effect.Key words :Tianjin ； water vapor content ； temporal and spatial distribution ； reanalysis data ； Bohai Gulf0引言常用的水汽探测手段有气象遥感卫星、雷达、无线电探空站、水汽辐射计和发展迅猛的GPS 气象等[6]o GPS 技术的快速发展和成熟使其成为一种新的、更加有力的 对地观测手段，在大气探测、天气变化监测和数值天气预 报模式应用中具有一定的优越性,成为该技术研究及应用的重要领域[3]o 其中水汽的含量用可降水量来度量，可 降水量就是单位面积气柱中的水汽总量，一个地区的可降水量与该地区的纬度、海拔高度、距海洋远近以及气象条件等有关,同时可降水量与降水关系较为密切[5]o 可降 水量是形成重要气候环境的特征量，水汽多年的变化可以反映气候的演变过程和变化[3,9] o20世纪90年代后,随着再分析资料的产生,全球气 候变化研究得到了迅速发展，目前再分析数据在气候变 化、气候诊断和分析、海洋气候数值模等领域的研究中得到了广泛的应用⑵。