主要有:假相当位温、总温度。
⑴ 假相当位温
, 单位:K;量级为102
表达式中r为混合比,可见是温度、气压、水汽含量的函数,表示温、压、湿综合的物理量,是预报
业务中常用的重要物理量。在同一气压条件下,越大空气越暖湿,反之,空气越干冷。850hPa的的分布与大小是预报员常关
注的重点。暴雨时850hPa的⑵ 总温度(TT)
值一般在330K以上。反映大气中层结潜在不稳定,暴雨落区一般在0~15K之间。
直接决定大气状态的主要能量有:显热能(cpT)、潜热能(Lq)、位能(gZ)、动能(v2/2)。总能量(Et)是指上述四种能量之和,引入总温度与其相对应,以表征大气中的总能量。
,单位:K;量级为102
在业务中常用下式计算总温度: 其值越大,表示大气中的总能量越大。
,单位:℃;量级为101
1.2.4 稳定度
主要有:SI、K、CAPE(在1.1.3节中已介绍)。
Ky指数,又称山崎指数,Ky=(TA-SI)/(1+(T-Td)850),量级为100~101 其中TA为850hPa到500hPa间的平均温度平流,SI为沙氏指数。
该指数是根据日本气象工作者认为的对流发生的三个条件(大气稳定度、低层水汽和上升运动)归纳而成。常用来判断是否有可能发生大雨的物理参数,据统计Ky≥1要注意大雨的发生;Ky≥2大雨发生的可能性大;Ky≥3大雨发生的可能性较高;Ky≥5可能发生大到暴雨。
1.2.5 混合指数
理查逊数Ri
,量级为100~102
在物理上表示大气静力稳定度和动力稳定度的综合参数;在能量上,它可看作气块浮升要消耗的能量和通过湍流从大尺度风场能够得到的能量之比。
在降水分析和预报中,以(为与静力能量相当的总温度)代替,变换后:
,其中
其中为气柱上、下层的总温度差,为上、下层的风速矢量差,为上、下层的平均气压。当上、下层取500hPa和850hP
a等压面时,C≈1.488, Ri数和对流活动之间的判据为:当Ri<-2时,有积雨云产生;当Ri<-1时,有雷暴产生;当-1≤Ri≤0.25时,有系统性对流产生。
1.2.6 平流
主要有:温度平流、总温度平流、涡度平流、水汽平流,业务上最常用的是温度平流和涡度平流。 ⑴ 温度平流
,单位K?s-1;量级为10-5
温度的冷暖平流是表明大气斜压性的一种度量,大尺度天气系统的发生发展均与之有关。此外预报还常关注850hPa和500hPa温度平流的差值,若差值>0,则表明低层有暖平流,高层为冷平流,有利于不稳定层结加强,反之,则表明低层有冷平流,高层为暖平流,不利于不稳定层结的加强。 ⑵ 涡度平流
,单位:s-2;量级为10-10
表征由水平风引起的涡度输送,其中相对涡度平流的作用是使槽脊移动。高空槽前的正涡度平流可引起辐散,槽后的负涡度平流可引起辐合。 隐藏 1.2.7 诊断物理量综合应用
预报中发现,各种物理量在不同地区、不同季节、不同天气系统、不同层次有很大差异。以暴雨为例,表1.1为东北地区不同天气系统和不同性质暴雨时各物理量的差异(郑秀雅等 1992)。各地预报员应针对本地灾害性天气具体分析总结各物理量的应用经验和指标,以提高预报准确率。
1.3 卫星云图
在日常的天气预报业务工作中,我们每天都要用到卫星云图。加强卫星资料的应用能力,对提高灾害性天气预报预警准确率、防灾减灾具有重大意义。2005年6月1日我国的第一颗业务服务静止气象卫星(FY-2C)正式投入业务运行,2006年12月8日 FY-2D业务卫星又成功发射,FY-2D与FY-2C共同实现在轨备份,形成双星组网观测能力,形成对我国范围内最高15min一次的连续观测。同时风云二号卫星数据实时生成的图像产品、定量产品,通过气象部
门9210通信系统陆续分发,省地市气象台的预报员都可实时得到并应用。2009年11月FY-2E代替FY-2C业务应用。
1.3.1 红外云图特征
卫星在10.5~12.5μm通道得到的云图称作红外云图或长波红外云图,这种云图所反映的是地面和云面的红外辐射或亮度温度分布。在这种云图上,色调越暗表示红外辐射越大,温度越高;色调越浅表示红外辐射越小,温度越低。红外云图上的色调决定于物体的温度。根据这种云图上的色调差可以估计地面、云面温度的相对分布和云的相对高度。由于红外云图可以全天进行观测,在预报业务中使用频率最高。
1.3.2 可见光云图特征
可见光云图是卫星仪器在可见光谱段测量地面、云面对太阳辐射的反射辐射,经过转换得到的。其色调决定于反射太阳辐射的大小,若反射太阳辐射大,色调就白,反之就暗。这种黑白色调与太阳天顶角和物体反照率有关。
在一定的太阳天顶角下,物体的反照率越大,其色调越白;而反照率越小,色调就越暗。从可见光云图上的色调可以估计反照率的大小,从而来区分各种物体。由于云与地表间的反照率差异很大,所以在可见光云图上很容易将云和地表区别开。而同一目标物其色调还与太阳高度角有关,即与卫星观测的季节和每天卫星观测的时刻有关。只有在白天才有可见光云图,且在早晨或傍晚由于观测太阳高度角低,光照条件差,图片很灰暗。
由于可见光云图在夜间不能使用,因而预报业务中较红外云图使用频次相对较少。但可见光云图自有红外云图所不及的长处。 ⑴ 可见光云图的空间分辨率大,FY-2C(FY-2E)可见光云图的空间分辨率在星下点为1.25km,而红外云图的空间分辨率在星下点为5km,也就是说,利用可见光云图能更好地捕捉到小尺度对流云团,对局地对流天气的预报意义非凡;
⑵ 雾在可见光云图上表现为纹理均匀、边界整齐光滑或与地形等高线吻合,与中高云有明显的区别,因此在白天利用可见光云图,结合红外云图,比较容易识别大雾,而红外云图上则很容易将雾和地表混淆;
⑶ 沙尘暴具有极高的反射率,在可见光云图上比较容易与低云区分,但在红外云图上其顶部亮温与低云接近,不好区分; ⑷ 只有可见光云图上才能看到暗影(在可见光图像中,太阳斜射到云上,形成的阴影),利用暗影可以清晰地识别强对流云团的上冲云顶,而上冲云顶是对流发展最为旺盛的区域,与雷暴、冰雹、暴雨等相关,对强对流天气的落区预报有很强的指示意义。
1.3.3 水汽图特征
以6.7μm为中心的吸收带是水汽强吸收带,由卫星测量这一吸收带的辐射,就能推测云中水汽的含量,由这一吸收带得出的图像称水汽图。6.7μm波段的辐射探测不能提供大气整层水汽含量信息,而只能获得大气层中上层水汽分布情况,其中,中纬度地区的最大贡献层在412hPa附近。
同红外图像一样,水汽图像也是将发射的辐射转换成温度来显示。由于温度随高度递减,对流层上部高湿区显得冷(亮),而低湿区显得暖(暗)。在水汽图上,色调愈白表示对流层中上层水汽含量愈多,反之愈少。
水汽云图只能描述对流层中上层的水汽分布情况,而能引起降水的水汽来源主要来自低层,故业务中水汽图像容易被忽略。但是,由于中上层天气系统在水汽图上非常清晰,水汽可以作为大气运动的示踪物,预报员通过观察水汽云图,能够跟踪中上层天气系统的运动和变化,从而弥补因常规气象观测资料时空尺度不足而造成的不便。
归纳总结法国气象局预报研究所和保加利亚科学院的研究成果(方翔等译 2008),结合卫星气象学的知识以及业务应用的体会,应用水汽图像可以得到下列信息:
⑴ 低于850hPa高度的低云和地表,其发射的辐射被大气水汽全部吸收,不能到达卫星,所以水汽图上的地表或低云不清楚; ⑵ 在水汽图上的天气系统比红外云图更完整连续,大气环流特征更清楚,特别是无云地区,红外云图上不能反映水汽分布,但在水汽图上都有表现;
⑶ 图像中亮、暗区域分别与对流层中上部的湿、干空气相联系,图像中正在变亮的地区表征上升运动,正在变暗的区域表征下沉运动;
⑷ 动画显示水汽图像,可以了解对流层中上层流场的平均状态,由于水汽图像良好的连续性和时间尺度,可以提早判断高层气流是否为发散型气流,而发散型气流的抽吸作用有利于上升运动;
⑸ 动画中显示出的亮、暗特征之间边界的演变,及亮、暗特征之间相互作用的趋势,指示着重要动力过程的发展。
1.3.4 云图的综合分析
三种云图的特征各有不同、各有所长,在预报业务中不能仅凭某一种云图上的白亮云团就判断\云很强,有降水\,而要综合分析、判断。一般业务中常用的几条经验:
⑴ 在三种云图上均为白亮云团,为积雨云(Cb云),常伴有雷雨、大风等对流性天气。
图1.10 2009年8月27日15:00FY2C卫星云图 (c)水汽图像
⑵ 云团在红外和水汽图上白亮,而在可见光图上为灰白,则为中高云,一般不会有强天气。
图1.10 2009年8月27日15:00FY2C卫星云图 (b)可见光云图
⑶ 红外图上为灰暗色,可见光上白亮,水汽图上则不明显,表明为低云,易有降水产生。
图1.10 2009年8月27日15:00FY2C卫星云图 (a)红外云图
图1.11 2010年11月11日08:00FY2E红外云图 与08:00 500hPa高空形势图叠加显示
红外云图注释内容 综合分析同一时刻的三种云图,可以分析出云系的层次,进而分析所对应的天气。由图1.10可见,A-B-C-D为明显的逗点云系,其中B处红外上为灰暗色,而可见光仍为白色,而水汽图上不明显,表明B处为低云;A处红外和水汽上白亮,可见光上变灰暗,表明此为减弱的对流云;C-D为弱锋面云系,其中有多个对流云团发展,造成27日傍晚河北省中部部分县市的雷雨、大风强对流天气。在红外和水汽图像上E处也为一逗点云系,但可见光图上没有明显的逗点状,表明此处在高层有低涡系统而低层涡旋不明显。此外G-F处也为多层云系,其中有对流云团、中高云系以及低云等。
在业务中可运用MICAPS平台强大的叠加显示功能,将云图与实况叠加显示分析系统的云图特征以及变化趋势(图1.11),图中可见东北气旋冷锋云系,结合高空形势场分析,温度槽落后高度槽,东北气旋还将发展。也可以将云图与数值预报产品叠加显示,特别是将水汽图像与数值预报的物理量场叠加,有助于加深对云图所表现的大气动力过程的理解。暴雨一章还将对此进一步分析说明。
1.3.5 卫星反演资料的应用
除了图像产品,各省地市气象台均可得到通过9210通信系统下发的风云二号卫星反演产品,这里仅对最常用的两种产品简要说明,其它产品的生成原理及应用可从相关的手册(许健民等 2008)查看,这里不再赘述。 详情进入
⑴ 大气运动矢量(云迹风、云导风)产品
根据连续三幅云图中同一图像块(简称示踪云)的移动,估算出大气的运动。应当注意的是,根据云运动向量来估