能量天气分析和预报方法

能量天气分析和预报方法是根据能量守恒定律，用大气能量学和大气不稳定理论，对天气系统和天气过程形成前后的温湿场和不稳定能量的演变进行分析的方法。

概念能量天气分析和预报方法主要按照能量守恒和转换的物理规律，用天气图方法研究天气分析和预报问题。着重对天气现象发生的能源和水汽问题提出切实可行的分析方法，作为常规天气学方法的辅助手段，可弥补常规天气图方法之不足。

用能量天气学方法分析预报热带风暴暴雨研究引入湿静力温度物理量和运用能量天气学方法，对9405号热带风暴登陆前后我省中部和南部出现的一次暴雨过程进行综合分析，了解夏季暴雨落区和单站暴雨产生的能量特征，提出一些具有参考价值的结论。

湿静力温度含义（1）湿静力温度

单位质量空气的湿静力能量是湿热能、位能、潜热能之和

Eα=CpT+gZ+Lq

Eα称为湿静力能量。为了能用观测资料直接简便地计算能量，引入与能量相当的温度—湿静力温度：

Tα=Eα/Cp=T+gZ/Cp+Lq/Cp

由于Tα综合表示了压、温、湿各要素，故分析其局地演变对于掌握气团属性的演变和本地天气的关系很有用处。

当q=qS（饱和比湿），则Tα称为饱和静力温度（用Tα*表示）。

（2）变能

由于强降水不稳定能量增加的原因，大多数是由于中高层的降温和低层的增湿升温。对于夏季强降水，低层的增湿作用最大。因此，分析低层变能是简易地考察不稳定能量变化的一个有力方法。当△Tα≥0时，是不稳定能量积累过程；当△Tα≤0时，是不稳定能量释放过程。

用能量天气学方法作暴雨预报雷雨顺在《能量天气学》一书中对暴雨开始时的能量特征分析结论为：①能量高、②高潜热能、③准饱和、④存在一定的潜在不稳定能量。因此，研究在用能量天气学方法作暴雨落区落时预报时将重点考虑这四个方面，并且根据夏季暴雨特点以中低层能量形势分析为主，特别是50、700、850hPa层和地面层。

由于在业务工作中，主要是根据北京时08时和20时资料分别进行(20~20时)和(08~08时)天气预报，所以研究重点是研究如何提前12小时作天气预报的方法。

分析对流层下部潜在稳定度和能量的分布和演变对暴雨落区的影响，结果表明暴雨落区12小时前形势为：①处于潜在不稳定舌端略下游附近地区；②处于最大能量梯度区(即高能区与低能区交界处)，暴雨中心偏在高能区一侧，暴雨区边界以低能区一侧锋区边界为界，雨区走向几乎与能量区走向一致。上述两点说明暴雨产生是上游最大潜在不稳定、高能输送引起的，所以能量与流场的分布情况对暴雨落区预报尤为重要。

研究结论引入湿静力温度，物理意义是：利用现有观侧资料进行简便计算，可以发现常规天气图上不易发现的各种短波系统和中小尺度系统，特别是夏半年短波天气系统，对中小尺度灾害性天气分析有一定的用途。由于湿静力总温度只是表征了大气的热力学属性，所以必须把能量天气学方法和常规天气图(动力槽脊系统、辐合区、地形作用、流场)结合分析，才能较准确地进行暴雨预报。1

能量天气分析、预报方法的现状和发展能量天气分析、预报方法，在我国是由中央气象局气象科学研究所首先研究并逐步推广的。全国绝大部分省、市、自治区都有一些单位将这种观点和方法应用在暴雨、冰雹的发生和台风路径等的分析、预报上。三年来的工作已初见成效，揭示了一些有意义的强烈天气前兆现象，找到了若干行之有效的预报指标。当前应当总结经验，肯定成绩，找出不足之处，确定今后发展方向，继续前进。

能量天气分析、预报方法的理论很据早在一百年前，恩格斯就指出，能量守恒与转化定律，是“从星云到人的一切物体的普编的自然规律”，它表明了“自然界中的一切运动都可以归结为一种形式向另一种形式不断转化的过程”。气象学是以研究我们地球上的大气运动过程和规律为任务的，因此，人们很早就开始从大气能量学的观点研究天气变化了。大气能量学包括两个方面，第一是各种形式大气能量的分配情况，第二是不同形式的能量间的转换过程。

（1）各种形式大气能量的分配情况

在考虑短期天气变化中，大气同外界的能量交换或质量(主要是水分)交换是可以忽略的，即忽略能和水的源和汇，也就是只包括了大气中已具有的能和水的形式变化。水滴的凝结和蒸发是大气中水汽含量变化的单一过程。水汽凝结后的水滴全部降落称为假绝热过程。水汽凝结后的水滴全部不降落，并将在以后蒸发时，称为可逆的湿绝热过程。两者统称为湿绝热过程。实际情况是凝结的水滴部分降落，部分存留在大气中后被蒸发，即介于假绝热过程和可逆湿绝热过程之间的。

总能、总温度或假相当位温的引用，揭示了湿绝热过程中的守恒物理量，因而提供了一种追踪运动着的空气质点的手段。这是很重要的。总能或总温度是各种形式的能量的线性和，因而明显地表达了各种形式的能量在湿绝热过程中各时刻的分配情况，有一定的优越性。在业务中应用时好处甚多，为高原分析、为充分利用现有资料进行次天气尺度和中小尺度分析提供了一种较优越的方法。

（2）不同形式能量间的转换

能量方程实质上是一个“算账”的方程，它虽然揭示了湿绝热过程中总能守恒，和不同时刻各种形式能量的分配情况，但并不阐述各种形式能量的转换机制。单纯的能量方程或总能或总温度都不是预报工具，必须和某种其他考虑相结合才能用于预报。

对流性天气发生发展只需要考虑单位空气柱总能的铅直分布，即由铅直分布而产生的不稳定能量的转换问题。大面积降水则涉及了能量的水平分布而产生的不稳定能量的转换问题，也就是有效位能和其转换为动能的问题。有效位能的观点很早就被应用于气旋的发生发展，这是不严格的，因为气旋是不封闭的。五十年代有效位能观点被用于整个大气，虽然用了一些假定，但却阐明了一些问题。至于有效位能的释放，气象学中是从斜压不稳定观点来研究的。现有的有效位能观点是考虑干燥大气的。斜压不稳定性理论也是如此，并且所得出的不稳定波长太长，不适用于暴雨天气的较小天气系统(次天气尺度系统)。为了解决大面积暴雨天气系统的发生发展问题，极需要把有效位能和斜压不稳定理论推广到湿有效位能和湿斜压不稳定理论。

能量天气分析、预报方法的实践现状三年来我国气象台站从事能量分析、预报方法的实践时，针对所面临的问题，充分利用可能取得的资料，设计了各种表示总能或总温度时空分布的图表，在冰雹、暴雨和台风预报中，取得相当好的成绩。

（1）在冰雹、暴雨预报中的应用

冰雹、暴雨预报包括了有无、落时和落区三个问题。冰雹和暴雨都属于对流性天气或至少包括了对流性天气，都有其孕育一发生、发展一消亡过程。从能量观点看，就是铅直不稳定能量的产生一积累一释放过程。冰雹和暴雨的不同在子温度，尤其是0℃层出现的高度(或气压)。

铅直不稳定能量的产生过程，实际上大多数是下层总能量增加，上层总能量减少，或上下层总能量都增加，但下层增加得多。高层从西北方流来的干冷空气跟低层从偏南方流来的暖湿空气迭置在同一个空气柱中，是常见的一种产生铅直不稳定能量的天气过程。山西阳泉，辽宁林西，安徽宿县等地区利用这种观点作降雹预报，收到了一定效果。以宿县为例，1977年6月共出现降雹指标5次(上午预报下午有无冰雹)，实况降雹4次，空报1次，无漏报。

不稳定能量的积累除了抑制近地层暖湿空气上逸的阻挡层或逆温层外，抑制上层干冷空气下沉的干燥层也起着重要的作用。关于不稳定能量积累到一定程度后的释放问题，很多台站是把能量分析方法和常规天气图方法结合起来加以解决的。例如，晋东南地区用环流型、影响系统和能量方法相结合，有可能延长预报时效，能够在24小时前预报出本地区有无冰雹。还有很多单位根据区域地面图上高、低能轴线，潜在性不稳定区域，地面风场的辐合线或辐合点以及高空气流来判断本地区那些县降雹的可能性最大，并已在日常业务中试用。

湘潭、大连等地区发现总温度达到或超过某一临界值，是当地出现暴雨条件之一。北京等很多地区发现暴雨来临前，低层有高能丘，揭示对流运动在暴雨形成中起着重要作用。

形成暴雨的中、小尺度天气系统的生命史一般只有儿个小时，但其孕育阶段即不稳定能量的产生和积累却往往经历较长时间。湘潭、九江等台用能量方法或其他方法确定未来有暴雨的基础上，再利用当天14时区域图上的总能数值，高能中心或高能舌的位置，变能场或风场，勾画出未来暴雨区的位置，为落区预报提供一种客观依据。

华南和华北的一些单位发现，在暴雨来临前，低层等压面图上的总温度或θse分布常呈现次天气尺度的形状的所谓锢囚高能区。这揭示除对流不稳定性外，湿斜压不稳定性所导致的次天气尺度在区域性暴雨中也起重要作用。陕西省台曾据此强调次天气尺度的概念及其意义。

湖北省气象科研所和北京台、锦州台发现暴雨深厚高能区在很多情况下，是由南向北移动的，因而外推法也取得一定效果。

（2）在台风预报中的应用

台风是一个深厚的高能系统，是不稳定能量积累并释放的涡旋。台风的发生、发展与基本气流的切变和第二种条件不稳定性有密切的关系。台风运动的研究，二十年前多侧重引导气流，后来则多与其发展作统一的考虑，即把台风的运动归之于不稳定能量的积累和释放的传播。

1975年湖北省气象局科研所在分析1975年第3号台风的能量分布与其路径的关系时，曾指出台风中心向过去12小时50毫巴高能中心移动，并指出这可能是台风能场变化超前于风场和气压场的结果。后来，空军气象学校对1956一1976年的150个台风路径和50毫巴能量场的关系进行了普查，发现一般台风沿着低能区和高能区的交界面移动。只有遇到低能轴线阻挡时，才改变移动方向，当台风前进方向被低能区包围，台风中心的高能区呈近似园形时，台风则发生打转现象。

福建省气象局对500毫巴能量场作了更细致的处理，并在1977年台风季节里，在日常业务中试验。结果是：①80%左右的时次，台风预报路径和实际路径间的偏差角在20°以内；②偏差角在30“以上者，随度数而递减。他们认为500毫巴总能场(考虑位能项)对台风移动的短期预报具有指示意义，即使在拐点也是这样。

看来，从不稳定能量的传播观点分析台风路径，可能在理论上有优于引导气流之处，并有一定的实践价值。

发展趋势三年来，我国气象工作者在能量天气分析、预报实践中已取得了不少成果，并接触到冰雹、暴雨和台风的发生、发展和消亡过程的物理实质。今后应当进一步发展，使其逐步完善。下面提出几个方面工作的初步意见，供有关单位及从事这项工作的考虑。

（1）对流性降水

纯粹对流性降水的微观和半宏观特征方面，还有待于精确细致的观测，其中有一系列的技术和理论间题要解决，这需要一定的时间。但最后当能得到概括中小尺度生命史的模式和规律。当前实践中最易收效的办法是加强地方性天气监视网(包括雷达)和情报、指挥通讯系统。

至于对流性天气的某些宏观特征，即可以加以阐述。例如，强对流降水地区的等总温度线或’等压，线上凸下凹，上下层高能区打通的现象，就可以粗略地用水汽的向上铅直输送和水平侧向扩散来加以解释。

（2）湿斜压大气不稳定

湿斜压大气不稳定性的研究可以扩展到用诊断分析研究其位势倾向和铅直运动分布，也可以进一步考虑假绝热过程和以原始方程代替准地转方程，并从事数值模拟。

最重要的是还要从事次天气尺度系统的天气学分析，充分利用我国现有的探空网和能量分析中己获得的结果，最后当能得到次天气尺度系统的生命史模式。

湿斜压大气的天气学和动力学的研究，最终将有助夏季大面积降水预报。台风和热带涡旋可以看作是次天气尺度系统，其发生、发展和移动也可用湿斜压大气的天气学和动力学方法来加以研究。

总之，能量天气分析、预报的实践促进了湿斜压大气天气学和动力学的研究。今后进一步的深入探索，当大有助于冰雹、暴雨和台风等灾害性天气的预报。将来结合微观运动的深入研究，最终将使我们得到人工影响灾害性天气的可靠方案。2

本词条内容贡献者为:

胡芳碧 - 副教授 - 西南大学