能量鋒

能量鋒是指等能線（T_σ等值線）特別密集的地帶。密集的程度因地區和季節不同而有差異。在θ_se形勢圖上，等值線特別密集的地帶，人們有時也稱為能量鋒區。考慮到θ_se與濕靜力溫度T_σ的相似性，上述叫法是有根據的。

基本介紹

• 中文名：能量鋒
• 外文名：Energy front
• 描述：等能線特別密集的地帶
• 套用：天氣預報
• 學科：氣象學

概念

能量鋒強度表達式為：

Inte_F=▽T_σ=√（(dT_σ/dx)+(dT_σ/dy)）

或

Inte_F=▽θ_se=√（(dθ_se/dx)+(dθ_se/dy)）

在上式進行開方，規定只取正號。

可以想見：（1）能量鋒強度的單位為℃/km，其量級與計算中選取的格線距有關；（2）將上式中微分變為差分後，即可利用獲取到的資料（觀測的與模式輸出的以及再分析的）計算出鋒區強度Inte_F。

能量鋒強度的天氣意義

下面以地面能量鋒強度與未來24h降水最大強度的關係為例說明。能量鋒強度與降水強度有很好的關係，降水強度也隨能量鋒的強度增大而增大。但需要注意的是，它是根據我國（主要是華北地區）1975~1977年5~8月134次大範圍24小時降水和起始時刻08時的地面能量鋒統計的。

能量鋒定義與鋒區經典概念的一致性

在經典天氣學中，認為鋒面是由於在具有溫度對比的區域中氣流的匯合運動所造成的。而在能量天氣圖上，能量鋒（或或的密集帶）則包括了在具有濕度對比的區域中氣流匯合運動造成的露點鋒（或叫幹線）。因此，能量鋒不僅可以表現極地冷空氣的南下，還可以很好地表現低緯度濕暖空氣的北上，更可以表現西方暖乾空氣的移動。氣象上關於鋒的確切定義是：大氣中密度不同的兩氣團之間的狹窄過渡帶；應當既包括冷暖氣團之間的過渡帶，也包括乾濕氣團之間的過渡帶，與能量鋒的概念一致。

變形率與能量鋒鋒生

在天氣分析中通常都用散度和渦度來描述大氣運動的基本特徵，並用來診斷一些天氣過程的發展。關於它們和暴雨分布的關係，已有不少工作，但大氣運動除了具有輻散(輻合)和旋轉的特徵外，還具有變形的特徵。最近通過討論天氣尺度流場的變形量與熱帶雲帶走向的關係，解釋了東風波倒V型雲帶的形成問題。研究通過對兩類不同天氣過程的例子進行分析，從一般流場中分離出變形分量來計算能量鋒鋒生，並討論與暴雨的關係，試圖說明流場的變形量可以作為暴雨診斷分析的一個有用的工具。

1977年7月26日08時，7704號颱風登入後帶來的暖濕空氣與河套地區西來槽槽前的弱冷空氣相匯於華北東部和遼寧南部，24小時內導致一場較大範圍的大暴雨。對此例取正方形格線，格距為150公里，20x20個格點，用實測鳳計算了F，R，θ和def_rD值。圖1a為1977年7月26日08時850毫巴上膨脹軸和膨脹率分布，在河套以東有一段不太長的θ_se密集帶(圖1a上A—B)，在這個密集帶附近的膨脹軸與θ_se等值線的交角大部分小於45°，而在密集帶以外地區膨脹軸大部分與θ_se等值線交角大於45°。膨脹率等值線最大值地區也位於θ_se密集帶附近。膨脹軸與等值線間的交角小於45°為鋒生場，交角大於45°為鋒消場，因此膨脹軸的這種分布形勢對能量鋒鋒區的形成是有利的。26日20時(圖1b)這個θ_se密集帶在原地附近轉向SW—NE向，梯度加大並且變長(圖1b上AB)，可以認為這時能量鋒鋒區形成，膨脹軸和能量鋒鋒區的交角仍小於(或等於)45°，而膨脹率等值線最大值地區位於能量鋒鋒區附近。這對於能量鋒在原地維持和加強，以及暴雨的產生和維持是有利的。

圖1 1977年7月26日8時、20時550毫巴θse、膨脹軸和膨脹率分布

圖2a為26日08時850毫巴上能量鋒鋒生等值線分布，在河套以東有一片鋒生最大的地區，中心值達277x10度/10公里·時，相當於12小時內θ_se梯度增大2.3度/100公里，但這時在這個地區大部分位於水汽通量輻散區，在太原南邊的一片最大值處於水汽通量輻合區，與25時08時至26日08時的雨區相配合。26日20時850毫巴能量鋒鋒生等值線分布圖上(圖2b)，鋒生最大值地區基本上位於原來地區，但這時變成一條狹長的帶，由於水汽通量輻合區的西進，使這條鋒生帶基本上位於水汽通量輻合的地區，而暴雨區也位於這個地區內(見圖3a上雨帶位置)。可見，在能量鋒鋒生帶與水汽通量輻合重疊的地區，為有利於暴雨產生的地區。

圖21977年7月26日08時、20時850毫巴能量鋒鋒生等值線和散度分布

圖31977年7月26日20時850毫巴變形率鋒生值和散度場鋒生值

此外，1977年7月26日10時N—5衛星雲圖上，在河套以東為一大片雲區，這片雲區中最密實的雲區(圖1a和圖2a上圓弧區)也就是未來產生暴雨的主要雲區，正好位於流場伸長變形(或膨脹率)最大值區域(圖1a)，也位於能量鋒鋒生最大值區域(圖2a)。說明流場的變形量與暴雨雲帶的形成有一定的關係。

圖3a分析26日20時變形率鋒生等值線，最大值地區與暴雨區位置配合較好，但是暴雨最大中心不在變形率鋒生最大值處。散度場鋒生值圖（圖3b）在暴雨區大部分為正值，但比變形率鋒生值數值小得多，最大中心處鋒生值51X10度/100公里·時，約為變形率鋒生最大值227x10度/100公里·時的四分之一。因而與散度項比較，變形率對能量鋒鋒生起主要作用。由兩項之和計算的26日20時鋒生值(圖2b)與雨區位置配合更好。說明變形率和散度場兩項結合起來考慮對能量鋒鋒生過程描述得更清楚。分別計算26日08時這兩項與暴雨區位置的對比也得到上述類似的結論。

圖4為1978年6月25日20時一次氣旋暴雨的降水過程的變形率分布，其最大值區域基本上位於24小時雨區最大值地區，這進一步說明變形率的分析對於暴雨預報是有用的工具。

圖41978年6月25日20時850毫巴變形率和雨量分布

應該指出，前面計算是採用實測風資料，如果引人地轉風關係，根據高度場資料計算F，R值，又由於散度項為零，只考慮地轉變形率對鋒生的貢獻。如1977年7月26日20時暴雨區大部分位於地轉變形率鋒生值正值區，但鋒生最大值與暴雨最大值地區位置配合不夠好，暴雨中心偏南位於鋒生值負值中心附近。而用實測風資料計算的非地轉情況下，由變形率得到的鋒生最大值區(圖3a)與暴雨區配合較好，位置基本重合。

可見對暴雨過程應主要考慮850毫巴非地轉情況下變形率對能量鋒鋒生的作用。通過對兩類不同天氣過程的暴雨系統分離出變形分量，發現流場的變形量與暴雨雲帶的形成有一定的關係，由變形率計算的鋒生值可以對能量鋒鋒生作出定量的估計，在能量鋒鋒生過程中850毫巴非地轉過程是主要的。

能量鋒與錦河流域汛期暴雨

研究背景

能量鋒與降水的關係進入汛期以後，低空冷氣團的溫度變性很快，與南來暖氣團的溫差不明顯，用溫度確定鋒面比較困難，常表現為靜止鋒。但冷暖氣團的濕度對比卻相當明顯，濕度因子很活躍，在低層等壓面上冷暖氣團交界處θ_se等值線相當密集，我們將這種密集帶稱為能量鋒區。我們發現，能量鋒區與汛期降水帶有很好的對應關係。1980年6月4日到13日，靜止鋒維持在江南，在贛州到漢口間南北波動兩個來回。700hpa能量鋒區也隨之南北波動兩次，對應降水帶在能量鋒區64度線南側，主要降水區就位於高能舌附近，並隨同能量鋒區而南北擺動。

能量鋒生函式

將乾空氣能量鋒生函式中位溫θ用假相當位溫θ_se替代，濕空氣的能量鋒生函式可以定義為：

式中θ_se為假相當位溫，F>0為鋒生，F<0為鋒消。

一個典型的暴雨過程中層流場為略呈東北—西南向的切變，切變南側為西南暖濕氣流，北側為相對乾冷的東北氣流。切變線附近θ_se一般南高北低，等值線密集，等值線走向大致與切變線走向一致。由公式可知，切變線附近的流場分布將十分有利於能量鋒生。在切變線南側暖濕平流最強的地方將引起上升運動，北側乾冷平流最大處將產生下沉運動，平流越強，垂直運動也越強。因此，沿能量鋒將形成一個正環流。這種正環流在大氣層結為濕對流不穩定時，將使能量鋒增強；層結穩定時，又使能量鋒趨於消散。實際工作中我們常看到，暴雨產生前，層結可能是對流不穩定的，能量鋒生初期正環流使鋒加強，促使垂直運動發展。當暴雨發生後，層結漸趨穩定，正環流將促使能量鋒減弱消失，最終結束暴雨過程。能量平流與能量鋒生聯繫密切，另一方面，垂直運動強度又取決於能量平流的強度。因此，能量鋒生函式分布應能指示暴雨的落區。

研究結論

（1）能量鋒區表示能量的密集程度，能量鋒生則表示未來能量鋒的變化情況，它們與暴雨及其落區均有較好的對應關係。

（2）MICAPS上不提供能量鋒生物理量，用本文介紹的方法可以簡單計算能量鋒生值，然後以MICAPS 2類數據存儲，設定為綜合圖，可方便調用。

（3）錦河流域汛期暴雨日在與能量軸垂直的剖面上，700hpa能量梯度相對均勻，850hpa能量梯度在恩施到長沙間有穩定的最大能量梯度區，且高能舌隨月份推移逐漸北移到長沙。

（4）錦河流域汛期暴雨日700hpa鋒生區穩定處在下游的南京到安慶間，850hpa鋒生區範圍變動大，與主暴雨區更為密切。但850hpa有頻發鋒生區，汛期前期位於芷江到桂林間，汛期後期移到漢口到長沙間。