常用气象物理量的意义及在预报

常用气象物理量的意义及在预报中的应用史丹妮天气分析和预报中经常使用各种物理量,了解这些物理量的来源、物理意义、性质特点和使用方法无疑对业务工作有很大帮助。针对这一情况，本文对工作中常用的一些物理量作讲解。强对流天气指数强对流天气的预报一直是天气预报中最为棘手的问题。强对流天气可分为雷暴、雷暴大风、冰雹等不同天气类型，及时准确地预报强对流天气是我们的预报工作重点之一。1、全总指数全总指数（TT）是20世纪70年代由Miller引入的。其表达式为：TT=T850+Td850-2T500TT越大越容易发生对流天气。2、强天气威胁指数强天气威胁指数（SWEAT）是20世纪70年代Miller和Maddox引入的，目前在许多国家和地区得到应用。它是根据328次龙卷风资料和日常预报经验得出的一个预报指数，其表达示为：I=12Td850+20（TT-49）+2f850+f500+125（S+0.2）其中S=sin(a500-a850)，式中各项不为负数。此图是根据WAFS美国华盛顿27日1200UTC预报资料制作的SWEAT指数18小时(28日0600UTC)预报场。由图可以看出：北京处于SWEAT指数的梯度区，且指数的值在250以上。据统计，雷暴出现前SWEAT指数多在150以上。同时，统计显示，在雷暴持续时间较长或伴随强对流天气的雷暴中，SWEAT指数多在300以上，可见SWEAT指数越大，出现雷暴可能性越大，强度也可能越大。3、K指数(气团指数)K=（T850-T500）+TD850-（T-TD）700温度直减率低层水汽条件K指数能够反映大气的层结稳定情况,K指数越大,层结越不稳定，但它不能明显表示出整个大气的层结不稳定程度。K值大小与可能出现雷暴活动的关系为：K〈20，无雷暴20〈K〈25，孤立雷暴25〈K〈30，零星雷暴30〈K〈35，分散雷暴K〉35，成片雷暴在风力微弱无明显的锋面及气旋影响的地区中，可以有气团性雷暴发展。但是，在K指数所指示的不稳定区域中，常受气流辐合、辐散的影响。在辐合区中，雷暴活动加强；在辐散区中，雷暴活动减弱。K指数可以配合散度、涡度分析制作雷暴的客观预报。为了将气流形式的特征引进到预报方法中，可以用700hpa和850hpa等压面的高度相加得H’（H’=H700+H850），并根据K值与H’分布情况作出综合判断和雷暴预报。4、稳定度指数稳定度指数是对流天气诊断和分析最常用的方法。在天气分析预报业务中，常常将大气的稳定度用一些指数来表示，称稳定度指数。例如肖沃特指数。肖沃特指数肖沃特（Showalter）指数的定义为850HPA等压面上的湿空气块沿干绝热线上升，到达抬升凝结高度后再沿湿绝热线上升至500HPA等压面上时具有的气块温度（T’）与500HPA等压面上的环境温度T500的差值，即：SI=T500—T’。0℃〈SI〈3℃，有发生阵雨的可能性-3℃〈SI〈0℃，有发生雷暴的可能性-6℃〈SI〈-3℃，有发生强雷暴的可能性SI〈-6℃，有发生严重对流天气的危险。5、垂直螺旋度螺旋性是有利于维持大气对流运动最重要的基本特征之一。从运动学观点来看，旋转的流体利于能量的维持，对系统发展及生命维持起积极做用。螺旋度从物理本质上反映了流体涡管扭结的程度，其大小反映了旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。在大气科学方面，螺旋度对雷暴、龙卷、大范围暴雨以及沙尘暴的分析预报有一定的指示作用。dVVH)()()()()(yuxvvxpuupvyVVH)(yuxvHk其定义为：风速矢量与相对涡度点乘的体积分：P坐标系下的局地螺旋度可表示为：上式右端3项分别为x，y，z方向的涡度分量和风速相联系，称之为i-螺旋度，j-螺旋度，k-螺旋度。研究指出，k-螺旋度较之i-螺旋度和j-螺旋度有更为清楚和重要的意义。所以仅讨论k-螺旋度。在P坐标下，将k-螺旋度定义为：图为2003年5月28日0600UTC700hPa垂直螺旋度,阴影区域为螺旋度正值区（根据WAFS美国华盛顿27日1200UTC预报资料制作）。雷暴出现时北京区域上方低层大气中垂直螺旋度应为正值，在日常雷雨预报经验也表明：只有在一定天气条件下如低涡、低槽雷雨时，对中低层螺旋度要求较高，但在如副高西侧、冷涡等天气形势下，中低层垂直螺旋度很小甚至为负值。所以低层大气垂直螺旋度为正值有利于雷暴的发生，而700hPa和850hPa全为正值，则出现雷暴可能性较大。6、位温及位温平流为了比较不同气压情况下空气的热状态,在气象学中常用到位温概念。位温θe的定义为空气沿干绝热过程变化到P=1000HPA时的温度。θe在假绝热过程中守恒。大气层结稳定度可用θe的垂直分布表征，即当0时，大气层结呈对流不稳定，即大气中θe随高度升高而降低时大气为对流不稳定。位温平流同时代表了温度和湿度的平流，直接反映了相应高度层的θe变化趋势，使我们可以更方便的判断各层θe的垂直分布变化情况从而更准确地判断大气层结的未来趋势。Pe位温平流θe平流的表达式为：dydvdxduee当中低层的θe平流为正，中高层的θe平流为负时，说明低层有正的能量输入，高层有负的能量输入，易产生对流性天气且进一步维持。当中低层的θe平流为正，中高层的θe平流也为正，但低层平流量远大于高层平流量时，也要特别注意不稳定能量的潜在威胁。因此选取了低层850hPa及中层500hPa的θe平流来表征大气层结的对流不稳定变化趋势。图为2003年5月28日0600UTC700hPaθe值，黑点为北京（根据WAFS美国华盛顿据27日1200UTC预报资料制作）。单位:℃为了判断上下层能量平流的差别，我们统计500hPa与850hPa的θe平流差值。64次雷暴日中，28次为负值，即500hPa相对于850hPa为小的能量平流，占总数的43.8%。但在伴随10mm以上降水量的9次较强雷暴中，有7次为上负下正，可见中低层θe平流差对于强雷雨和持续雷雨的预报具有一定指示意义，但对于一般性雷暴，则指示意义不大。此结果也说明了强雷雨需要较持续的不稳定能量的输入。7、垂直速度大气垂直运动是天气分析和预报中必须经常考虑的一个重要物理量。垂直速度不是直接观测到的，而是通过间接计算得到的。垂直速度由积分连续方程得到：ωp=ωp0+()(p0-p)这里垂直速度仅指大尺度运动的垂直速度，不包括对流性上升与下沉运动的速度。正值为下沉运动，负值为上升运动。yvxu图为2003年5月28日0600UTC700hPa垂直速度,阴影区域为上升运动区（根据WAFS美国华盛顿据27日1200UTC预报资料制作）统计63次雷暴日中，700hPa及850hPa均为上升气流的次数为28次，占总数的44.4%，而有一层以上为上升气流的次数为48次，占总数的76.2%，说明雷暴出现时并非中低层均为上升气流，而是在中低层存在上升气流即有可能出现雷暴。同时，在20次强雷暴中，两层均为上升气流的次数为12次，占总数的60%；850hPa为上升气流的16次，占总数的80%；700hPa为上升气流的14次，占总数的70%。而且中低层上升速度越大越有利于雷暴的产生。8、散度及水汽通量散度yvxuD散度是衡量在水平面上速度场辐散、辐合强度的一个物理量，辐散时为正、辐合时为负。水平散度的表达式为：水汽通量散度的表达式为：水汽通量散度的意义是指单位时间内单位体积中水汽的净流失量。如水汽通量散度为正，表示有水汽流失。如水汽通量散度为负，表示有水汽积聚。降水量gvqyguqxpqgppdVtM1009、涡度及位涡涡度是衡量空气块旋转运动强度的一个物理量。根据右手定则，逆时针旋转时为正，顺时针旋转时为负（北半球）。从动力学角度分析，根据涡度的变化，就可以了解气压系统的发生和发展。在日常天气分析预报中的涡度是指垂直相对涡度。yuxv相当位涡热力和动力参数从不同角度反映出天气发生的环境，如果说位温是描写大气热力状态的物理量,涡度是描写大气动力状态的物理量,那么相当位涡则有机的把两者结和合起来，反映了斜压大气中的稳定度情况，而湿相当位涡更可解释湿斜压大气中的某些天气现象。位涡的定义为单位质量气块的绝对涡度在等位温面法向上的投影与位温的乘积。P