常用氣象物理量的意義及在預報

常用氣象物理量的意義及在預報第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日

天氣分析和預報中經常使用各種物理量,了解這些物理量的來源、物理意義、性質特點和使用方法無疑對業(yè)務工作有很大幫助。針對這一情況，本文對工作中常用的一些物理量作講解。第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日強對流天氣指數(shù)強對流天氣的預報一直是天氣預報中最為棘手的問題。強對流天氣可分為雷暴、雷暴大風、冰雹等不同天氣類型，及時準確地預報強對流天氣是我們的預報工作重點之一。第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日1、全總指數(shù)全總指數(shù)（TT）是20世紀70年代由Miller引入的。其表達式為：

TT=T850+Td850-2T500

TT越大越容易發(fā)生對流天氣。第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日2、強天氣威脅指數(shù)強天氣威脅指數(shù)（SWEAT）是20世紀70年代Miller和Maddox引入的，目前在許多國家和地區(qū)得到應用。它是根據(jù)328次龍卷風資料和日常預報經驗得出的一個預報指數(shù)，其表達示為：

I=12Td850+20（TT-49）+2f850+f500+125（S+0.2）其中S=sin(a500-a850)，式中各項不為負數(shù)。第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日

此圖是根據(jù)WAFS美國華盛頓27日1200UTC預報資料制作的SWEAT指數(shù)18小時(28日0600UTC)預報場。由圖可以看出：北京處于SWEAT指數(shù)的梯度區(qū)，且指數(shù)的值在250以上。第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日據(jù)統(tǒng)計，雷暴出現(xiàn)前SWEAT指數(shù)多在150以上。同時，統(tǒng)計顯示，在雷暴持續(xù)時間較長或伴隨強對流天氣的雷暴中，SWEAT指數(shù)多在300以上，可見SWEAT指數(shù)越大，出現(xiàn)雷暴可能性越大，強度也可能越大。第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日3、K指數(shù)(氣團指數(shù))

K=（T850-T500）+TD850-（T-TD）700

溫度直減率中層飽和程度低層水汽條件第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日

K指數(shù)能夠反映大氣的層結穩(wěn)定情況,K指數(shù)越大,層結越不穩(wěn)定，但它不能明顯表示出整個大氣的層結不穩(wěn)定程度。K值大小與可能出現(xiàn)雷暴活動的關系為：

K〈20，無雷暴

20〈K〈25，孤立雷暴

25〈K〈30，零星雷暴

30〈K〈35，分散雷暴

K〉35，成片雷暴第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日在風力微弱無明顯的鋒面及氣旋影響的地區(qū)中，可以有氣團性雷暴發(fā)展。但是，在K指數(shù)所指示的不穩(wěn)定區(qū)域中，常受氣流輻合、輻散的影響。在輻合區(qū)中，雷暴活動加強；在輻散區(qū)中，雷暴活動減弱。K指數(shù)可以配合散度、渦度分析制作雷暴的客觀預報。為了將氣流形式的特征引進到預報方法中，可以用700hpa和850hpa等壓面的高度相加得H’（H’=H700+H850），并根據(jù)K值與H’分布情況作出綜合判斷和雷暴預報。第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日4、穩(wěn)定度指數(shù)穩(wěn)定度指數(shù)是對流天氣診斷和分析最常用的方法。在天氣分析預報業(yè)務中，常常將大氣的穩(wěn)定度用一些指數(shù)來表示，稱穩(wěn)定度指數(shù)。例如肖沃特指數(shù)。第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日肖沃特指數(shù)肖沃特（Showalter）指數(shù)的定義為850HPA等壓面上的濕空氣塊沿干絕熱線上升，到達抬升凝結高度后再沿濕絕熱線上升至500HPA等壓面上時具有的氣塊溫度（T’）與500HPA等壓面上的環(huán)境溫度T500的差值，即：SI=T500—T’。

0℃〈SI〈3℃，有發(fā)生陣雨的可能性

-3℃〈SI〈0℃，有發(fā)生雷暴的可能性

-6℃〈SI〈-3℃，有發(fā)生強雷暴的可能性

SI〈-6℃，有發(fā)生嚴重對流天氣的危險。第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日5、垂直螺旋度螺旋性是有利于維持大氣對流運動最重要的基本特征之一。從運動學觀點來看，旋轉的流體利于能量的維持，對系統(tǒng)發(fā)展及生命維持起積極做用。螺旋度從物理本質上反映了流體渦管扭結的程度，其大小反映了旋轉與沿旋轉軸方向運動的強弱程度。在大氣科學方面，螺旋度對雷暴、龍卷、大范圍暴雨以及沙塵暴的分析預報有一定的指示作用。第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日其定義為：風速矢量與相對渦度點乘的體積分：

P坐標系下的局地螺旋度可表示為：上式右端3項分別為x，y，z方向的渦度分量和風速相聯(lián)系，稱之為i-螺旋度，j-螺旋度，k-螺旋度。研究指出，k-螺旋度較之i-螺旋度和j-螺旋度有更為清楚和重要的意義。所以僅討論k-螺旋度。在P坐標下，將k-螺旋度定義為：第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日圖為2003年5月28日0600UTC700hPa垂直螺旋度,陰影區(qū)域為螺旋度正值區(qū)（根據(jù)WAFS美國華盛頓27日1200UTC預報資料制作）。第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日雷暴出現(xiàn)時北京區(qū)域上方低層大氣中垂直螺旋度應為正值，在日常雷雨預報經驗也表明：只有在一定天氣條件下如低渦、低槽雷雨時，對中低層螺旋度要求較高，但在如副高西側、冷渦等天氣形勢下，中低層垂直螺旋度很小甚至為負值。所以低層大氣垂直螺旋度為正值有利于雷暴的發(fā)生，而700hPa和850hPa全為正值，則出現(xiàn)雷暴可能性較大。第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日6、位溫及位溫平流為了比較不同氣壓情況下空氣的熱狀態(tài),在氣象學中常用到位溫概念。位溫θe的定義為空氣沿干絕熱過程變化到P=1000HPA時的溫度。

θe在假絕熱過程中守恒。大氣層結穩(wěn)定度可用θe的垂直分布表征，即當>0時，大氣層結呈對流不穩(wěn)定，即大氣中θe隨高度升高而降低時大氣為對流不穩(wěn)定。位溫平流同時代表了溫度和濕度的平流，直接反映了相應高度層的θe變化趨勢，使我們可以更方便的判斷各層θe的垂直分布變化情況從而更準確地判斷大氣層結的未來趨勢。第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日位溫平流

θe平流的表達式為：當中低層的θe平流為正，中高層的θe平流為負時，說明低層有正的能量輸入，高層有負的能量輸入，易產生對流性天氣且進一步維持。當中低層的θe平流為正，中高層的θe平流也為正，但低層平流量遠大于高層平流量時，也要特別注意不穩(wěn)定能量的潛在威脅。因此選取了低層850hPa及中層500hPa的θe平流來表征大氣層結的對流不穩(wěn)定變化趨勢。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日圖為2003年5月28日0600UTC700hPaθe值，黑點為北京（根據(jù)WAFS美國華盛頓據(jù)27日1200UTC預報資料制作）。單位:℃

第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日為了判斷上下層能量平流的差別，我們統(tǒng)計500hPa與850hPa的θe平流差值。64次雷暴日中，28次為負值，即500hPa相對于850hPa為小的能量平流，占總數(shù)的43.8%。但在伴隨10mm以上降水量的9次較強雷暴中，有7次為上負下正，可見中低層θe平流差對于強雷雨和持續(xù)雷雨的預報具有一定指示意義，但對于一般性雷暴，則指示意義不大。此結果也說明了強雷雨需要較持續(xù)的不穩(wěn)定能量的輸入。第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日7、垂直速度大氣垂直運動是天氣分析和預報中必須經常考慮的一個重要物理量。垂直速度不是直接觀測到的，而是通過間接計算得到的。垂直速度由積分連續(xù)方程得到：ωp=ωp0+()(p0-p)這里垂直速度僅指大尺度運動的垂直速度，不包括對流性上升與下沉運動的速度。正值為下沉運動，負值為上升運動。第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日圖為2003年5月28日0600UTC700hPa垂直速度,陰影區(qū)域為上升運動區(qū)（根據(jù)WAFS美國華盛頓據(jù)27日1200UTC預報資料制作）第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日統(tǒng)計63次雷暴日中，700hPa及850hPa均為上升氣流的次數(shù)為28次，占總數(shù)的44.4%，而有一層以上為上升氣流的次數(shù)為48次，占總數(shù)的76.2%，說明雷暴出現(xiàn)時并非中低層均為上升氣流，而是在中低層存在上升氣流即有可能出現(xiàn)雷暴。同時，在20次強雷暴中，兩層均為上升氣流的次數(shù)為12次，占總數(shù)的60%；850hPa為上升氣流的16次，占總數(shù)的80%；700hPa為上升氣流的14次，占總數(shù)的70%。而且中低層上升速度越大越有利于雷暴的產生。第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日8、散度及水汽通量散度

散度是衡量在水平面上速度場輻散、輻合強度的一個物理量，輻散時為正、輻合時為負。水平散度的表達式為：第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日水汽通量散度的表達式為：水汽通量散度的意義是指單位時間內單位體積中水汽的凈流失量。如水汽通量散度為正，表示有水汽流失。如水汽通量散度為負，表示有水汽積聚。降水量第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日9、渦度及位渦渦度是衡量空氣塊旋轉運動強度的一個物理量。根據(jù)右手定則，逆時針旋轉時為正，順時針旋轉時為負（北半球）。從動力學角度分析，根據(jù)渦度的變化，就可以了解氣壓系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展。在日常天氣分析預報中的渦度是指垂直相對渦度。第三十頁，共三十三頁，2022年，8月28日相當位渦