基本介紹
- 中文名：能量天氣分析和預報方法
- 外文名：Energy weather analysis and forecasting method
- 描述：大氣能量學和不穩定理論進行預報
- 套用：天氣預報
- 學科：氣象學
概念,分析方法,現狀發展,
概念
能量天氣分析和預報方法主要按照能量守恆和轉換的物理規律，用天氣圖方法研究天氣分析和預報問題。著重對天氣現象發生的能源和水汽問題提出切實可行的分析方法，作為常規天氣學方法的輔助手段，可彌補常規天氣圖方法之不足。
分析方法
研究引入濕靜力溫度物理量和運用能量天氣學方法，對9405號熱帶風暴登入前後我省中部和南部出現的一次暴雨過程進行綜合分析，了解夏季暴雨落區和單站暴雨產生的能量特徵，提出一些具有參考價值的結論。
濕靜力溫度含義
（1）濕靜力溫度
單位質量空氣的濕靜力能量是濕熱能、位能、潛熱能之和
Eα=CpT+gZ+Lq
Eα稱為濕靜力能量。為了能用觀測資料直接簡便地計算能量，引入與能量相當的溫度—濕靜力溫度：
Tα=Eα/Cp=T+gZ/Cp+Lq/Cp
由於Tα綜合表示了壓、溫、濕各要素，故分析其局地演變對於掌握氣團屬性的演變和本地天氣的關係很有用處。
當q=qS（飽和比濕），則Tα稱為飽和靜力溫度（用Tα表示）。
（2）變能
由於強降水不穩定能量增加的原因，大多數是由於中高層的降溫和低層的增濕升溫。對於夏季強降水，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定能量變化的一個有力方法。當△Tα≥0時，是不穩定能量積累過程；當△Tα≤0時，是不穩定能量釋放過程。
用能量天氣學方法作暴雨預報
雷雨順在《能量天氣學》一書中對暴雨開始時的能量特徵分析結論為：①能量高、②高潛熱能、③準飽和、④存在一定的潛在不穩定能量。因此，研究在用能量天氣學方法作暴雨落區落時預報時將重點考慮這四個方面，並且根據夏季暴雨特點以中低層能量形勢分析為主，特別是50、700、850hPa層和地面層。
由於在業務工作中，主要是根據北京時08時和20時資料分別進行(20~20時)和(08~08時)天氣預報，所以研究重點是研究如何提前12小時作天氣預報的方法。
分析對流層下部潛在穩定度和能量的分布和演變對暴雨落區的影響，結果表明暴雨落區12小時前形勢為：①處於潛在不穩定舌端略下游附近地區；②處於最大能量梯度區(即高能區與低能區交界處)，暴雨中心偏在高能區一側，暴雨區邊界以低能區一側鋒區邊界為界，雨區走向幾乎與能量區走向一致。上述兩點說明暴雨產生是上游最大潛在不穩定、高能輸送引起的，所以能量與流場的分布情況對暴雨落區預報尤為重要。
研究結論
引入濕靜力溫度，物理意義是：利用現有觀側資料進行簡便計算，可以發現常規天氣圖上不易發現的各種短波系統和中小尺度系統，特別是夏半年短波天氣系統，對中小尺度災害性天氣分析有一定的用途。由於濕靜力總溫度只是表征了大氣的熱力學屬性，所以必須把能量天氣學方法和常規天氣圖(動力槽脊系統、輻合區、地形作用、流場)結合分析，才能較準確地進行暴雨預報。
現狀發展
能量天氣分析、預報方法，在我國是由中央氣象局氣象科學研究所首先研究並逐步推廣的。全國絕大部分省、市、自治區都有一些單位將這種觀點和方法套用在暴雨、冰雹的發生和颱風路徑等的分析、預報上。三年來的工作已初見成效，揭示了一些有意義的強烈天氣前兆現象，找到了若干行之有效的預報指標。當前應當總結經驗，肯定成績，找出不足之處，確定今後發展方向，繼續前進。
能量天氣分析、預報方法的理論很據
早在一百年前，恩格斯就指出，能量守恆與轉化定律，是“從星雲到人的一切物體的普編的自然規律”，它表明了“自然界中的一切運動都可以歸結為一種形式向另一種形式不斷轉化的過程”。氣象學是以研究我們地球上的大氣運動過程和規律為任務的，因此，人們很早就開始從大氣能量學的觀點研究天氣變化了。大氣能量學包括兩個方面，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。水滴的凝結和蒸發是大氣中水汽含量變化的單一過程。水汽凝結後的水滴全部降落稱為假絕熱過程。水汽凝結後的水滴全部不降落，並將在以後蒸發時，稱為可逆的濕絕熱過程。兩者統稱為濕絕熱過程。實際情況是凝結的水滴部分降落，部分存留在大氣中後被蒸發，即介於假絕熱過程和可逆濕絕熱過程之間的。
總能、總溫度或假相當位溫的引用，揭示了濕絕熱過程中的守恆物理量，因而提供了一種追蹤運動著的空氣質點的手段。這是很重要的。總能或總溫度是各種形式的能量的線性和，因而明顯地表達了各種形式的能量在濕絕熱過程中各時刻的分配情況，有一定的優越性。在業務中套用時好處甚多，為高原分析、為充分利用現有資料進行次天氣尺度和中小尺度分析提供了一種較優越的方法。
（2）不同形式能量間的轉換
能量方程實質上是一個“算賬”的方程，它雖然揭示了濕絕熱過程中總能守恆，和不同時刻各種形式能量的分配情況，但並不闡述各種形式能量的轉換機制。單純的能量方程或總能或總溫度都不是預報工具，必須和某種其他考慮相結合才能用於預報。
對流性天氣發生髮展只需要考慮單位空氣柱總能的鉛直分布，即由鉛直分布而產生的不穩定能量的轉換問題。大面積降水則涉及了能量的水平分布而產生的不穩定能量的轉換問題，也就是有效位能和其轉換為動能的問題。有效位能的觀點很早就被套用於氣旋的發生髮展，這是不嚴格的，因為氣旋是不封閉的。五十年代有效位能觀點被用於整個大氣，雖然用了一些假定，但卻闡明了一些問題。至於有效位能的釋放，氣象學中是從斜壓不穩定觀點來研究的。現有的有效位能觀點是考慮乾燥大氣的。斜壓不穩定性理論也是如此，並且所得出的不穩定波長太長，不適用於暴雨天氣的較小天氣系統(次天氣尺度系統)。為了解決大面積暴雨天氣系統的發生髮展問題，極需要把有效位能和斜壓不穩定理論推廣到濕有效位能和濕斜壓不穩定理論。
能量天氣分析、預報方法的實踐現狀
三年來我國氣象台站從事能量分析、預報方法的實踐時，針對所面臨的問題，充分利用可能取得的資料，設計了各種表示總能或總溫度時空分布的圖表，在冰雹、暴雨和颱風預報中，取得相當好的成績。
（1）在冰雹、暴雨預報中的套用
冰雹、暴雨預報包括了有無、落時和落區三個問題。冰雹和暴雨都屬於對流性天氣或至少包括了對流性天氣，都有其孕育一發生、發展一消亡過程。從能量觀點看，就是鉛直不穩定能量的產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℃層出現的高度(或氣壓)。
鉛直不穩定能量的產生過程，實際上大多數是下層總能量增加，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乾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，是常見的一種產生鉛直不穩定能量的天氣過程。山西陽泉，遼寧林西，安徽宿縣等地區利用這種觀點作降雹預報，收到了一定效果。以宿縣為例，1977年6月共出現降雹指標5次(上午預報下午有無冰雹)，實況降雹4次，空報1次，無漏報。
不穩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，抑制上層乾冷空氣下沉的乾燥層也起著重要的作用。關於不穩定能量積累到一定程度後的釋放問題，很多台站是把能量分析方法和常規天氣圖方法結合起來加以解決的。例如，晉東南地區用環流型、影響系統和能量方法相結合，有可能延長預報時效，能夠在24小時前預報出本地區有無冰雹。還有很多單位根據區域地面圖上高、低能軸線，潛在性不穩定區域，地面風場的輻合線或輻合點以及高空氣流來判斷本地區那些縣降雹的可能性最大，並已在日常業務中試用。
湘潭、大連等地區發現總溫度達到或超過某一臨界值，是當地出現暴雨條件之一。北京等很多地區發現暴雨來臨前，低層有高能丘，揭示對流運動在暴雨形成中起著重要作用。
形成暴雨的中、小尺度天氣系統的生命史一般只有兒個小時，但其孕育階段即不穩定能量的產生和積累卻往往經歷較長時間。湘潭、九江等台用能量方法或其他方法確定未來有暴雨的基礎上，再利用當天14時區域圖上的總能數值，高能中心或高能舌的位置，變能場或風場，勾畫出未來暴雨區的位置，為落區預報提供一種客觀依據。
華南和華北的一些單位發現，在暴雨來臨前，低層等壓面圖上的總溫度或θse分布常呈現次天氣尺度的形狀的所謂錮囚高能區。這揭示除對流不穩定性外，濕斜壓不穩定性所導致的次天氣尺度在區域性暴雨中也起重要作用。陝西省台曾據此強調次天氣尺度的概念及其意義。
湖北省氣象科研所和北京台、錦州台發現暴雨深厚高能區在很多情況下，是由南向北移動的，因而外推法也取得一定效果。
（2）在颱風預報中的套用
颱風是一個深厚的高能系統，是不穩定能量積累並釋放的渦旋。颱風的發生、發展與基本氣流的切變和第二種條件不穩定性有密切的關係。颱風運動的研究，二十年前多側重引導氣流，後來則多與其發展作統一的考慮，即把颱風的運動歸之於不穩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號颱風的能量分布與其路徑的關係時，曾指出颱風中心向過去12小時50毫巴高能中心移動，並指出這可能是颱風能場變化超前於風場和氣壓場的結果。後來，空軍氣象學校對1956一1976年的150個颱風路徑和50毫巴能量場的關係進行了普查，發現一般颱風沿著低能區和高能區的交界面移動。只有遇到低能軸線阻擋時，才改變移動方向，當颱風前進方向被低能區包圍，颱風中心的高能區呈近似園形時，颱風則發生打轉現象。
福建省氣象局對500毫巴能量場作了更細緻的處理，並在1977年颱風季節里，在日常業務中試驗。結果是：①80%左右的時次，颱風預報路徑和實際路徑間的偏差角在20°以內；②偏差角在30“以上者，隨度數而遞減。他們認為500毫巴總能場(考慮位能項)對颱風移動的短期預報具有指示意義，即使在拐點也是這樣。
看來，從不穩定能量的傳播觀點分析颱風路徑，可能在理論上有優於引導氣流之處，並有一定的實踐價值。
發展趨勢
三年來，我國氣象工作者在能量天氣分析、預報實踐中已取得了不少成果，並接觸到冰雹、暴雨和颱風的發生、發展和消亡過程的物理實質。今後應當進一步發展，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巨觀特徵方面，還有待於精確細緻的觀測，其中有一系列的技術和理論間題要解決，這需要一定的時間。但最後當能得到概括中小尺度生命史的模式和規律。當前實踐中最易收效的辦法是加強地方性天氣監視網(包括雷達)和情報、指揮通訊系統。
至於對流性天氣的某些巨觀特徵，即可以加以闡述。例如，強對流降水地區的等總溫度線或’等壓，線上凸下凹，上下層高能區打通的現象，就可以粗略地用水汽的向上鉛直輸送和水平側向擴散來加以解釋。
（2）濕斜壓大氣不穩定
濕斜壓大氣不穩定性的研究可以擴展到用診斷分析研究其位勢傾向和鉛直運動分布，也可以進一步考慮假絕熱過程和以原始方程代替準地轉方程，並從事數值模擬。
最重要的是還要從事次天氣尺度系統的天氣學分析，充分利用我國現有的探空網和能量分析中己獲得的結果，最後當能得到次天氣尺度系統的生命史模式。
濕斜壓大氣的天氣學和動力學的研究，最終將有助夏季大面積降水預報。颱風和熱帶渦旋可以看作是次天氣尺度系統，其發生、發展和移動也可用濕斜壓大氣的天氣學和動力學方法來加以研究。
總之，能量天氣分析、預報的實踐促進了濕斜壓大氣天氣學和動力學的研究。今後進一步的深入探索，當大有助於冰雹、暴雨和颱風等災害性天氣的預報。將來結合微觀運動的深入研究，最終將使我們得到人工影響災害性天氣的可靠方案。
