[科普中国]-气团变性试验

概念

气团变性试验是由日本、美国、澳大利亚、加拿大等国家组织实施的一项大规模的试验研究，在1973年进行了预备性现场试验，1974年2月及1975年2月均用两周时间进行正式试验。3

试验的观测系统包括地面观测、高空观测、天气雷达观测，系留气球观测，特殊的雷达和探空，辐射观测、海洋观测、飞机观测及云的摄影观测。1

试验目的气团变性试验的主要目的是：①弄清冬季大陆气团的冷空气移到黑潮暖流海域时，海洋以显热和潜热的形式向大气输送能量的过程；②从物理基础上了解大气扰动的发生发展问题，并研究海气通量与扰动发生发展的关系；③利用气团变性特征，了解大气和下垫面之间的相互作用以及各种尺度大气运动之间的联系。3

研究课题气团变性试验有4个主要的研究课题：①确定整个试验区海面动量、热量、水汽通量的水平分布，进而了解表面边界层中输送过程的物理机制；②确定表面层上行星边界层中通量输送随高度的分布，弄清行星边界层的三维力学和热力学结构；③进行对流云的实验研究，弄清来自海面的能量通过积云对流在自由大气中的再分配；④对大气和海洋的能量平衡进行实验研究，从理论上考察这个实验地区的气团变性问题。3

试验内容气团变性试验分两次进行，第一次在1974年2月14～28日，野外试验中心设在冲绳，在30°N以南，22°S以北，123°E以东，132°E以西的一个六边形地区进行作业，设置足能掌握中尺度扰动的高空和地面观测站。第二次试验在1975年2月14日～3月1日进行，试验地区和范围与第一次类似。

在气团变性试验中，主要对海面边界层、行星边界层、积云对流、中尺度和中间尺度扰动、辐射、海洋要素等进行了观测。通过在沿岸设立船舶站和定点漂浮站，直接测定20～30米高度的风、气温、湿度，在岛屿和船舶上还进行了定点湍流观测，同时利用飞机、下投探空仪进行行星边界层的补充观测，利用气象雷达、地面摄影等对积云对流云团进行观测，配合卫星图片，掌握云团动向，还用多普勒雷达、探空仪和飞机，观测云内外空气温度、湿度、风、上升气流、云粒分布和云的含水量等，用地面观测、海上船舶观测、气象雷达和高空观测资料，来分析扰动的结构特性以及它与边界层和积云对流中能量输送的关系，还对海面上辐射平衡、各种辐射波长、海冰、温度、海流，波浪等进行了观测。3

试验结论在气团变性第一次试验后，使用Bulk法计算了气团变性试验海区的净辐射Rn=100卡/日·平方厘米，海面向大气输送的可感热H=127卡/日·平方厘米，潜热L=346卡/日·平方厘米，海面总热量损失为473卡/日·平方厘米，大约与黑潮输送热相当，在不同天气形势下，变化比较大。通过对试验期间的资料计算发现，在整个试验期间，就平均情况而言，气团变性仅发生在800mb以下的大气层次。显热和潜热的供给随大范围天气形势的不同而有很大变化，在冷期供给的热能为1500卡/日·平方厘米，暖期为350卡/日·平方厘米。在暖期(2月14～23日)，试验区800～700mb附近有一强稳定层、逆温层下的低层出现水平辐散，逆温层上方出现辐合，逆温层附近出现大尺度冷却和大量的水汽源，在边界层发现大尺度的热量和水汽源。在冷期，低层盛行北风，逆温层上方为稳定西风，850～700mb的逆温层内出现水平辐合，500mb以下层次发生上升运动。在边界层，由于海面大量水热供给出现大尺度加热和水汽源，海面供给总量中有20%通过逆温层顶向上传送。

第二次试验计算了热量和动量通量。利用飞机观测资料，找出海面的水汽、动量和热量通量与海面上气流变化之问的关系。加拿大和日本还联合使用对流层低层无线电探空仪，进行了边界层观测。利用试验区周围的高空资料，从能量平衡的观点，计算了对流云所释放的热量。利用飞机观测资料，对行星边界层内热量和输送的物理过程进一步的分析，使之能用来检验对流云层中通量平衡的各个项目。

试验观测结果表明，开放的和闭合的对流单体所造成的热量输送也是很重要的，单体的对流活动的物理过程必须结合四周的大尺度运动来考虑。另外，将观测资料和数值试验进行分析并加以比较，都可以看出边界层下部的能量供应与中尺度和中间尺度扰动的产生有密切关系。3