能量天氣分析和預(yù)報方法

研究引入濕靜力溫度物理量和運(yùn)用能量天氣學(xué)方法，對9405號熱帶風(fēng)暴登陸前后我省中部和南部出現(xiàn)的一次暴雨過程進(jìn)行綜合分析，了解夏季暴雨落區(qū)和單站暴雨產(chǎn)生的能量特征，提出一些具有參考價值的結(jié)論。

能量天氣分析和預(yù)報方法濕靜力溫度含義

（1）濕靜力溫度

單位質(zhì)量空氣的濕靜力能量是濕熱能、位能、潛熱能之和

E_α=C_pT gZ Lq

E_α稱為濕靜力能量。為了能用觀測資料直接簡便地計算能量，引入與能量相當(dāng)?shù)臏囟取獫耢o力溫度：

T_α=E_α/C_p=T gZ/C_p L_q/C_p

由于T_α綜合表示了壓、溫、濕各要素，故分析其局地演變對于掌握氣團(tuán)屬性的演變和本地天氣的關(guān)系很有用處。

當(dāng)q=q_S（飽和比濕），則T_α稱為飽和靜力溫度（用T_α^*表示）。

（2）變能

由于強(qiáng)降水不穩(wěn)定能量增加的原因，大多數(shù)是由于中高層的降溫和低層的增濕升溫。對于夏季強(qiáng)降水，低層的增濕作用最大。因此，分析低層變能是簡易地考察不穩(wěn)定能量變化的一個有力方法。當(dāng)△T_α≥0時，是不穩(wěn)定能量積累過程；當(dāng)△T_α≤0時，是不穩(wěn)定能量釋放過程。

能量天氣分析和預(yù)報方法用能量天氣學(xué)方法作暴雨預(yù)報

雷雨順在《能量天氣學(xué)》一書中對暴雨開始時的能量特征分析結(jié)論為：①能量高、②高潛熱能、③準(zhǔn)飽和、④存在一定的潛在不穩(wěn)定能量。因此，研究在用能量天氣學(xué)方法作暴雨落區(qū)落時預(yù)報時將重點(diǎn)考慮這四個方面，并且根據(jù)夏季暴雨特點(diǎn)以中低層能量形勢分析為主，特別是50、700、850hPa層和地面層。

由于在業(yè)務(wù)工作中，主要是根據(jù)北京時08時和20時資料分別進(jìn)行(20~20時)和(08~08時)天氣預(yù)報，所以研究重點(diǎn)是研究如何提前12小時作天氣預(yù)報的方法。

分析對流層下部潛在穩(wěn)定度和能量的分布和演變對暴雨落區(qū)的影響，結(jié)果表明暴雨落區(qū)12小時前形勢為：①處于潛在不穩(wěn)定舌端略下游附近地區(qū)；②處于最大能量梯度區(qū)(即高能區(qū)與低能區(qū)交界處)，暴雨中心偏在高能區(qū)一側(cè)，暴雨區(qū)邊界以低能區(qū)一側(cè)鋒區(qū)邊界為界，雨區(qū)走向幾乎與能量區(qū)走向一致。上述兩點(diǎn)說明暴雨產(chǎn)生是上游最大潛在不穩(wěn)定、高能輸送引起的，所以能量與流場的分布情況對暴雨落區(qū)預(yù)報尤為重要。

能量天氣分析和預(yù)報方法研究結(jié)論

引入濕靜力溫度，物理意義是：利用現(xiàn)有觀側(cè)資料進(jìn)行簡便計算，可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)天氣圖上不易發(fā)現(xiàn)的各種短波系統(tǒng)和中小尺度系統(tǒng)，特別是夏半年短波天氣系統(tǒng)，對中小尺度災(zāi)害性天氣分析有一定的用途。由于濕靜力總溫度只是表征了大氣的熱力學(xué)屬性，所以必須把能量天氣學(xué)方法和常規(guī)天氣圖(動力槽脊系統(tǒng)、輻合區(qū)、地形作用、流場)結(jié)合分析，才能較準(zhǔn)確地進(jìn)行暴雨預(yù)報。

能量天氣分析、預(yù)報方法，在我國是由中央氣象局氣象科學(xué)研究所首先研究并逐步推廣的。全國絕大部分省、市、自治區(qū)都有一些單位將這種觀點(diǎn)和方法應(yīng)用在暴雨、冰雹的發(fā)生和臺風(fēng)路徑等的分析、預(yù)報上。三年來的工作已初見成效，揭示了一些有意義的強(qiáng)烈天氣前兆現(xiàn)象，找到了若干行之有效的預(yù)報指標(biāo)。當(dāng)前應(yīng)當(dāng)總結(jié)經(jīng)驗，肯定成績，找出不足之處，確定今后發(fā)展方向，繼續(xù)前進(jìn)。

能量天氣分析和預(yù)報方法能量天氣分析、預(yù)報方法的理論很據(jù)

早在一百年前，恩格斯就指出，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，是“從星云到人的一切物體的普編的自然規(guī)律”，它表明了“自然界中的一切運(yùn)動都可以歸結(jié)為一種形式向另一種形式不斷轉(zhuǎn)化的過程”。氣象學(xué)是以研究我們地球上的大氣運(yùn)動過程和規(guī)律為任務(wù)的，因此，人們很早就開始從大氣能量學(xué)的觀點(diǎn)研究天氣變化了。大氣能量學(xué)包括兩個方面，第一是各種形式大氣能量的分配情況，第二是不同形式的能量間的轉(zhuǎn)換過程。

（1）各種形式大氣能量的分配情況

在考慮短期天氣變化中，大氣同外界的能量交換或質(zhì)量(主要是水分)交換是可以忽略的，即忽略能和水的源和匯，也就是只包括了大氣中已具有的能和水的形式變化。水滴的凝結(jié)和蒸發(fā)是大氣中水汽含量變化的單一過程。水汽凝結(jié)后的水滴全部降落稱為假絕熱過程。水汽凝結(jié)后的水滴全部不降落，并將在以后蒸發(fā)時，稱為可逆的濕絕熱過程。兩者統(tǒng)稱為濕絕熱過程。實(shí)際情況是凝結(jié)的水滴部分降落，部分存留在大氣中后被蒸發(fā)，即介于假絕熱過程和可逆濕絕熱過程之間的。

總能、總溫度或假相當(dāng)位溫的引用，揭示了濕絕熱過程中的守恒物理量，因而提供了一種追蹤運(yùn)動著的空氣質(zhì)點(diǎn)的手段。這是很重要的?？偰芑蚩倻囟仁歉鞣N形式的能量的線性和，因而明顯地表達(dá)了各種形式的能量在濕絕熱過程中各時刻的分配情況，有一定的優(yōu)越性。在業(yè)務(wù)中應(yīng)用時好處甚多，為高原分析、為充分利用現(xiàn)有資料進(jìn)行次天氣尺度和中小尺度分析提供了一種較優(yōu)越的方法。

（2）不同形式能量間的轉(zhuǎn)換

能量方程實(shí)質(zhì)上是一個“算賬”的方程，它雖然揭示了濕絕熱過程中總能守恒，和不同時刻各種形式能量的分配情況，但并不闡述各種形式能量的轉(zhuǎn)換機(jī)制。單純的能量方程或總能或總溫度都不是預(yù)報工具，必須和某種其他考慮相結(jié)合才能用于預(yù)報。

對流性天氣發(fā)生發(fā)展只需要考慮單位空氣柱總能的鉛直分布，即由鉛直分布而產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量的轉(zhuǎn)換問題。大面積降水則涉及了能量的水平分布而產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量的轉(zhuǎn)換問題，也就是有效位能和其轉(zhuǎn)換為動能的問題。有效位能的觀點(diǎn)很早就被應(yīng)用于氣旋的發(fā)生發(fā)展，這是不嚴(yán)格的，因為氣旋是不封閉的。五十年代有效位能觀點(diǎn)被用于整個大氣，雖然用了一些假定，但卻闡明了一些問題。至于有效位能的釋放，氣象學(xué)中是從斜壓不穩(wěn)定觀點(diǎn)來研究的?，F(xiàn)有的有效位能觀點(diǎn)是考慮干燥大氣的。斜壓不穩(wěn)定性理論也是如此，并且所得出的不穩(wěn)定波長太長，不適用于暴雨天氣的較小天氣系統(tǒng)(次天氣尺度系統(tǒng))。為了解決大面積暴雨天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展問題，極需要把有效位能和斜壓不穩(wěn)定理論推廣到濕有效位能和濕斜壓不穩(wěn)定理論。

能量天氣分析和預(yù)報方法能量天氣分析、預(yù)報方法的實(shí)踐現(xiàn)狀

三年來我國氣象臺站從事能量分析、預(yù)報方法的實(shí)踐時，針對所面臨的問題，充分利用可能取得的資料，設(shè)計了各種表示總能或總溫度時空分布的圖表，在冰雹、暴雨和臺風(fēng)預(yù)報中，取得相當(dāng)好的成績。

（1）在冰雹、暴雨預(yù)報中的應(yīng)用

冰雹、暴雨預(yù)報包括了有無、落時和落區(qū)三個問題。冰雹和暴雨都屬于對流性天氣或至少包括了對流性天氣，都有其孕育一發(fā)生、發(fā)展一消亡過程。從能量觀點(diǎn)看，就是鉛直不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生一積累一釋放過程。冰雹和暴雨的不同在子溫度，尤其是0℃層出現(xiàn)的高度(或氣壓)。

鉛直不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生過程，實(shí)際上大多數(shù)是下層總能量增加，上層總能量減少，或上下層總能量都增加，但下層增加得多。高層從西北方流來的干冷空氣跟低層從偏南方流來的暖濕空氣迭置在同一個空氣柱中，是常見的一種產(chǎn)生鉛直不穩(wěn)定能量的天氣過程。山西陽泉，遼寧林西，安徽宿縣等地區(qū)利用這種觀點(diǎn)作降雹預(yù)報，收到了一定效果。以宿縣為例，1977年6月共出現(xiàn)降雹指標(biāo)5次(上午預(yù)報下午有無冰雹)，實(shí)況降雹4次，空報1次，無漏報。

不穩(wěn)定能量的積累除了抑制近地層暖濕空氣上逸的阻擋層或逆溫層外，抑制上層干冷空氣下沉的干燥層也起著重要的作用。關(guān)于不穩(wěn)定能量積累到一定程度后的釋放問題，很多臺站是把能量分析方法和常規(guī)天氣圖方法結(jié)合起來加以解決的。例如，晉東南地區(qū)用環(huán)流型、影響系統(tǒng)和能量方法相結(jié)合，有可能延長預(yù)報時效，能夠在24小時前預(yù)報出本地區(qū)有無冰雹。還有很多單位根據(jù)區(qū)域地面圖上高、低能軸線，潛在性不穩(wěn)定區(qū)域，地面風(fēng)場的輻合線或輻合點(diǎn)以及高空氣流來判斷本地區(qū)那些縣降雹的可能性最大，并已在日常業(yè)務(wù)中試用。

湘潭、大連等地區(qū)發(fā)現(xiàn)總溫度達(dá)到或超過某一臨界值，是當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)暴雨條件之一。北京等很多地區(qū)發(fā)現(xiàn)暴雨來臨前，低層有高能丘，揭示對流運(yùn)動在暴雨形成中起著重要作用。

形成暴雨的中、小尺度天氣系統(tǒng)的生命史一般只有兒個小時，但其孕育階段即不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生和積累卻往往經(jīng)歷較長時間。湘潭、九江等臺用能量方法或其他方法確定未來有暴雨的基礎(chǔ)上，再利用當(dāng)天14時區(qū)域圖上的總能數(shù)值，高能中心或高能舌的位置，變能場或風(fēng)場，勾畫出未來暴雨區(qū)的位置，為落區(qū)預(yù)報提供一種客觀依據(jù)。

華南和華北的一些單位發(fā)現(xiàn)，在暴雨來臨前，低層等壓面圖上的總溫度或θ_se分布常呈現(xiàn)次天氣尺度的形狀的所謂錮囚高能區(qū)。這揭示除對流不穩(wěn)定性外，濕斜壓不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的次天氣尺度在區(qū)域性暴雨中也起重要作用。陜西省臺曾據(jù)此強(qiáng)調(diào)次天氣尺度的概念及其意義。

湖北省氣象科研所和北京臺、錦州臺發(fā)現(xiàn)暴雨深厚高能區(qū)在很多情況下，是由南向北移動的，因而外推法也取得一定效果。

（2）在臺風(fēng)預(yù)報中的應(yīng)用

臺風(fēng)是一個深厚的高能系統(tǒng)，是不穩(wěn)定能量積累并釋放的渦旋。臺風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展與基本氣流的切變和第二種條件不穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。臺風(fēng)運(yùn)動的研究，二十年前多側(cè)重引導(dǎo)氣流，后來則多與其發(fā)展作統(tǒng)一的考慮，即把臺風(fēng)的運(yùn)動歸之于不穩(wěn)定能量的積累和釋放的傳播。

1975年湖北省氣象局科研所在分析1975年第3號臺風(fēng)的能量分布與其路徑的關(guān)系時，曾指出臺風(fēng)中心向過去12小時50毫巴高能中心移動，并指出這可能是臺風(fēng)能場變化超前于風(fēng)場和氣壓場的結(jié)果。后來，空軍氣象學(xué)校對1956一1976年的150個臺風(fēng)路徑和50毫巴能量場的關(guān)系進(jìn)行了普查，發(fā)現(xiàn)一般臺風(fēng)沿著低能區(qū)和高能區(qū)的交界面移動。只有遇到低能軸線阻擋時，才改變移動方向，當(dāng)臺風(fēng)前進(jìn)方向被低能區(qū)包圍，臺風(fēng)中心的高能區(qū)呈近似園形時，臺風(fēng)則發(fā)生打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

福建省氣象局對500毫巴能量場作了更細(xì)致的處理，并在1977年臺風(fēng)季節(jié)里，在日常業(yè)務(wù)中試驗。結(jié)果是：①80%左右的時次，臺風(fēng)預(yù)報路徑和實(shí)際路徑間的偏差角在20°以內(nèi)；②偏差角在30“以上者，隨度數(shù)而遞減。他們認(rèn)為500毫巴總能場(考慮位能項)對臺風(fēng)移動的短期預(yù)報具有指示意義，即使在拐點(diǎn)也是這樣。

看來，從不穩(wěn)定能量的傳播觀點(diǎn)分析臺風(fēng)路徑，可能在理論上有優(yōu)于引導(dǎo)氣流之處，并有一定的實(shí)踐價值。

能量天氣分析和預(yù)報方法發(fā)展趨勢

三年來，我國氣象工作者在能量天氣分析、預(yù)報實(shí)踐中已取得了不少成果，并接觸到冰雹、暴雨和臺風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程的物理實(shí)質(zhì)。今后應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步發(fā)展，使其逐步完善。下面提出幾個方面工作的初步意見，供有關(guān)單位及從事這項工作的考慮。

（1）對流性降水

純粹對流性降水的微觀和半宏觀特征方面，還有待于精確細(xì)致的觀測，其中有一系列的技術(shù)和理論間題要解決，這需要一定的時間。但最后當(dāng)能得到概括中小尺度生命史的模式和規(guī)律。當(dāng)前實(shí)踐中最易收效的辦法是加強(qiáng)地方性天氣監(jiān)視網(wǎng)(包括雷達(dá))和情報、指揮通訊系統(tǒng)。

至于對流性天氣的某些宏觀特征，即可以加以闡述。例如，強(qiáng)對流降水地區(qū)的等總溫度線或’等壓，線上凸下凹，上下層高能區(qū)打通的現(xiàn)象，就可以粗略地用水汽的向上鉛直輸送和水平側(cè)向擴(kuò)散來加以解釋。

（2）濕斜壓大氣不穩(wěn)定

濕斜壓大氣不穩(wěn)定性的研究可以擴(kuò)展到用診斷分析研究其位勢傾向和鉛直運(yùn)動分布，也可以進(jìn)一步考慮假絕熱過程和以原始方程代替準(zhǔn)地轉(zhuǎn)方程，并從事數(shù)值模擬。

最重要的是還要從事次天氣尺度系統(tǒng)的天氣學(xué)分析，充分利用我國現(xiàn)有的探空網(wǎng)和能量分析中己獲得的結(jié)果，最后當(dāng)能得到次天氣尺度系統(tǒng)的生命史模式。

濕斜壓大氣的天氣學(xué)和動力學(xué)的研究，最終將有助夏季大面積降水預(yù)報。臺風(fēng)和熱帶渦旋可以看作是次天氣尺度系統(tǒng)，其發(fā)生、發(fā)展和移動也可用濕斜壓大氣的天氣學(xué)和動力學(xué)方法來加以研究。

總之，能量天氣分析、預(yù)報的實(shí)踐促進(jìn)了濕斜壓大氣天氣學(xué)和動力學(xué)的研究。今后進(jìn)一步的深入探索，當(dāng)大有助于冰雹、暴雨和臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣的預(yù)報。將來結(jié)合微觀運(yùn)動的深入研究，最終將使我們得到人工影響災(zāi)害性天氣的可靠方案。 2100433B

能量天氣分析和預(yù)報方法主要按照能量守恒和轉(zhuǎn)換的物理規(guī)律，用天氣圖方法研究天氣分析和預(yù)報問題。著重對天氣現(xiàn)象發(fā)生的能源和水汽問題提出切實(shí)可行的分析方法，作為常規(guī)天氣學(xué)方法的輔助手段，可彌補(bǔ)常規(guī)天氣圖方法之不足。

內(nèi)容介紹

《時空變形分析與預(yù)報的理論和方法》系統(tǒng)深入地討論了顧及空間和時間關(guān)聯(lián)信息的動態(tài)變形分析與預(yù)報的理論、方法及實(shí)際應(yīng)用。全書共分五章。主要內(nèi)容包括變形分析研究現(xiàn)狀及進(jìn)展；變形分析與預(yù)報方法綜述，敘述和分析了現(xiàn)有國內(nèi)外變形數(shù)據(jù)處理的理論和方法，概括性地評價和指出了各種方法的特點(diǎn)及適用場合；DDS法用于動態(tài)變形分析與預(yù)報，比較了時間序列分析中的BOX與DDS法，系統(tǒng)而詳細(xì)地討論了一種動態(tài)變形分析的時間序列分析方法及其建模步驟，提出了描述變形體穩(wěn)定性及穩(wěn)定性判據(jù)的依據(jù)；討論了多因子關(guān)聯(lián)分析及動態(tài)預(yù)報模型的建立，包括用基于灰關(guān)聯(lián)分析的系統(tǒng)狀態(tài)模型來建立變形因果關(guān)系方程和將等維新息和等維灰數(shù)遞補(bǔ)相結(jié)合的動態(tài)預(yù)測法來進(jìn)行變形成因分析和預(yù)測的新思想、新方法在第五章空間動態(tài)變形模型及其預(yù)報方法中，作者提出了用灰關(guān)聯(lián)聚類分析方法來描述空間點(diǎn)之間的關(guān)系，推出了多點(diǎn)的時空非線性動態(tài)模型，使局部單點(diǎn)的變形分析轉(zhuǎn)向空間多點(diǎn)的整體分析，該內(nèi)容屬于當(dāng)前正在開發(fā)研究的新領(lǐng)域。

結(jié)合應(yīng)用、面向應(yīng)用、介紹基本理論和方法、開拓新的研究方向是《時空變形分析與預(yù)報的理論和方法》的基本立足點(diǎn)。在附錄中還詳細(xì)給出了各種算法的程序。

《時空變形分析與預(yù)報的理論和方法》可供從事變形監(jiān)測和工程測量等方面的科技人員參考使用，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的教師和研究生的參考書。

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1.后者是具體天氣狀況的預(yù)報，而前者則是某時段內(nèi)氣候要素和天氣狀況平均統(tǒng)計量的預(yù)測。

2.天氣預(yù)報一般僅限于對大氣圈和水圈物理過程的分析，而氣候預(yù)測必須考慮包括大氣、海洋、大陸、冰雪、生物圈等在內(nèi)的氣候系統(tǒng)內(nèi)能量和物質(zhì)交換以及天文因子的影響。

3.后者主要依賴于初值，而前者既依賴于初始條件，也依賴于邊界條件或者完全依賴于邊界條件。依賴于以上兩種條件的可預(yù)報性被洛侖茨稱為第一類可預(yù)報性。對于長期(幾十年或幾百年)的氣候變化預(yù)測，如由人類活動造成的溫室氣體增加引起的全球氣候變化，將不依賴于大氣的初始條件，這是由于模式在長期積分之后，將完全喪失對初始條件的記憶。這種完全依賴于詳細(xì)邊界條件變化的氣候預(yù)測被洛侖茨稱為第二類可預(yù)報性，其可預(yù)報性決定于外界強(qiáng)迫變化的時問尺度。由于氣候系統(tǒng)的慣性，即使施加于邊界的外強(qiáng)迫消失之后很久，氣候系統(tǒng)還將繼續(xù)變化相當(dāng)長的時間，甚至長達(dá)十年以上，海平面上升的響應(yīng)就是一個例子。由于第一類可預(yù)報性的時間一般不超過3周，因此，月時間尺度以上的短期氣候預(yù)測，基本上也是在第二類可預(yù)報性意義下進(jìn)行的。

4.時間較長的氣候預(yù)測，還要考慮到人類活動對氣候變化的影響。最早的氣候預(yù)測是根據(jù)過去某一段時間氣候平均值的外推。但在編制時效為數(shù)年的氣候預(yù)測時，大都沿用長期天氣預(yù)報中的某些方法。例如，用時間序列的分析技術(shù)，分析氣候要素的歷史變化，尋找序列本身的演變規(guī)律，建立氣候預(yù)測方程，或者尋找氣候要素同一種或數(shù)種環(huán)境因子之間的統(tǒng)計聯(lián)系，然后根據(jù)相關(guān)因子的變化來預(yù)測未來的氣候。有的國家已用數(shù)值模擬方法推斷未來氣候。

簡稱“天氣預(yù)警系統(tǒng)”。能自動地進(jìn)行短時災(zāi)害性天氣(如熱帶氣旋、暴雨、高溫、低溫、大霧等)預(yù)報、警報服務(wù)的體系。包括:電子計算機(jī)自動收集、處理、存儲有關(guān)氣象信息,并生成多種圖形、圖像產(chǎn)品,以及中尺度天氣實(shí)時資料庫、甚高頻通信網(wǎng)和警報服務(wù)系統(tǒng)。能在短時內(nèi)(如515分鐘)將災(zāi)害性天氣預(yù)報、警報傳遞到用戶,使用戶及時采取相應(yīng)的緊急措施。