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。
x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。
位温平流
❖ θe平流的表达式为：u • de v • de
dx
dy
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。
P
❖ 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
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
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+Td850-2T500 TT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：
❖ 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
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。
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。
❖ 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。
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+(
u )(p0-vp)
x y
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。
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：
Hk
( v x
u )
y


图 为2003年5月28日0600UTC 700hPa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。
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0600UTC 700hPaθe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。
其定义为：风速矢量与相对涡度点乘的体积分：
H V • ( V )d
P坐标系下的局地螺旋度可表示为：
H

V•
(
V)


(

v )u

( u


)v

( v

u
)
y p p x x y
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，
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 e>0时，大气层结呈
对流不稳定，即大气中θe随高度P 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。
为负。
水平散度的表达式为：D

u x

v y
❖ 水汽通量散度的表达式为： uq x g
vq y g
❖ 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
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’。
❖ 图 为2003年5月28日0600UTC 700hPa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。
M t
0
p0 p
1 g
Vq
dp
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。
v u