CN114707105A - 一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法 - Google Patents

一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法 Download PDF

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CN114707105A CN202210066973.XA CN202210066973A CN114707105A CN 114707105 A CN114707105 A CN 114707105A CN 202210066973 A CN202210066973 A CN 202210066973A CN 114707105 A CN114707105 A CN 114707105A
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甘建红
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肖天贵
邵建
王炳赟
张莹
徐文嘉
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Abstract

本发明提供了一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，属于气象技术领域，本发明通过在锋面上、锋面前后冷暖空气中各取锋面上一点、暖区一点和冷区一点为分析点；分别计算得到锋面两侧的水平气压梯度差、锋面暖区空气的相对湿度、锋面前暖区点空气的实际水汽压值、锋面前暖区空气的密度、锋面后冷区洁净干冷空气的密度、锋面后冷区空气密度；根据锋面后冷区空气密度和锋面前暖区空气的密度以及单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差，并根据锋面两侧的水平气压梯度差得到分析点的锋面坡度。本发明解决了现有气象业务中的沙尘天气过程分析中通过马古列斯锋面坡度计算方法分析锋面坡度，无法正确描述沙尘过程中的锋面的问题。

Description

一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法
技术领域
本发明属于气象技术领域，尤其涉及一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算 方法。
背景技术
气象要素(如气温、湿度等)水平分布比较均匀的大范围空气称为气团。 在同一气团中，各地气象要素大致相同，天气现象也基本相近。不同气团交界 区域的气象要素变化显著，梯度加大，天气图上表现为各种要素等值线相对密 集，这种气团之间的狭窄过渡带称为锋。地面上锋位于冷高压前方，如图1所 示，图1中，实线为等压线，粗实线为锋面，G表示冷空气形成的高压中心，D 为暖空气形成的低压中心。具有空间结构如图2所示，图2中，850hPa和700hPa 分别为高空等压面。从地面到高空，一般情况下锋可简单地看作一个平面，称 作锋面。
锋的一侧是冷气团，另一侧是暖气团。冷气团因密度大、气压高而下沉， 为高气压区。锋的另外一侧暖气团气温高，因空气密度小而上升，为低气压区。 较重的冷气团呈楔形伸向暖气团的下方，并把较轻的暖气团抬挤到冷气团的上 方。所以冷、暖气团的分界面呈现倾斜状态，冷空气在下，暖空气在上。又因 冷空气密度高更沉重，暖空气密度低，所以冷空气向暖空气扩张，并在大气环 流的作用下推动暖空气前进，即由冷空气向暖空气方向运动。
因锋面附近冷暖空气交汇，所以在我国中高纬度地区，只有锋面附近才会 发生重要的灾害性天气，在天气预报工作中，锋面分析具有非常重要的地位， 对其强度的正确分析关系到气象灾害预报的成败。到目前为止，尚无适用于沙 尘天气过程的锋面坡度计算方法。锋面坡度是表征锋面强度的重要指标，针对 沙尘暴天气过程的特点，研究开发适用的锋面坡度计算方法，对于研究沙尘天 气的特征以及预报预警，保障公众安全具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种沙尘天气过程中的锋面坡度 计算方法，解决了现有气象业务中的沙尘天气过程分析中仍然通过马古列斯锋 面坡度计算方法分析锋面坡度，存在明显不足，无法正确描述沙尘过程中的锋 面的问题，本发明实现了在沙尘天气过程中分析锋面坡度，能够更好地反映沙 尘天气过程中锋面的真实坡度，为沙尘天气过程的分析与预报提供更精准的资 料。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，包括以下步骤：
S1、读取海平面气压格点数据，并根据所述海平面气压格点数据得到海平 面气压场和锋面位置；
S2、在锋面上取一点Q为分析点，在其相邻处气压梯度最大的位置，锋面 前后冷暖空气中各取暖区一点N和冷区一点L；
S3、读取N点的气温TN、露点TdN以及海平面气压值PN，读取L点的气温 TL和海平面气压值PL以及根据空气质量监测中PM10当时的浓度代入得到沙尘 颗粒密度值ρd；
S4、根据Q点与N点和L点之间的距离ΔxL、ΔxN，以及海平面气压值PN和PL，计算得到锋面两侧的水平气压梯度差；
S5、判断N点的气温TN是否小于等于0℃，若是，则根据结冰时的参数计 算得到锋面暖区空气的相对湿度U，并进入步骤S6，否则，根据不结冰时的参 数计算得到锋面前暖区空气的相对湿度U，并进入步骤S6；
S6、计算得到锋面前暖区N点的饱和水汽压值es，并根据锋面前暖区空气 的相对湿度U和实际水汽压ea的关系，代入饱和水汽压值es计算得到锋面前暖 区N点空气的实际水汽压值ea；
S7、根据锋面前暖区N点空气的实际水汽压值ea、N点的气温TN和海平面 气压值PN，利用湿空气状态方程计算得到锋面前暖区空气的密度ρN；
S8、根据L点的气温TL和海平面气压值PL，利用干空气状态方程计算得到 锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0；
S9、取锋后单位体积的干冷空气，并根据锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0和沙尘颗粒密度值ρd，计算得到锋面后冷区空气密度ρL；
S10、根据锋面后冷区空气密度ρL和锋面前暖区空气的密度ρN，计算得到 单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差，并根据锋面两侧的水平 气压梯度差，计算得到Q点的锋面坡度，完成对沙尘天气过程中锋面坡度的计 算。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方 法，该方法包括：通过在锋面上、锋面前后冷暖空气中各取锋面上一点Q、暖 区一点N和冷区一点L为分析点；分别计算得到锋面两侧的水平气压梯度差、 锋面暖区空气的相对湿度U、锋面前暖区N点空气的实际水汽压值ea、锋面前 暖区空气的密度ρN、锋面后冷区空气的密度ρ0、锋面后冷区空气密度ρL；根据 锋面后冷区空气密度ρL和锋面前暖区空气的密度ρN，计算得到单位体积锋面后 冷区空气与锋面前暖区空气的密度差，并根据锋面两侧的水平气压梯度差，计 算得到Q点的锋面坡度。本发明解决了现有气象业务中的沙尘天气过程分析中仍然通过马古列斯锋面坡度计算方法分析锋面坡度，存在明显不足，无法正确 描述沙尘过程中的锋面的问题。本发明实现了在沙尘天气过程中分析锋面坡度， 能够更好地反映沙尘天气过程中锋面的真实坡度，为沙尘天气过程的分析与预 报提供更精准的资料。
进一步地，所述步骤S4中锋面两侧的水平气压梯度差的表达式如下：
Figure BDA0003480630050000041
Figure BDA0003480630050000042
其中，PL表示L点的海平面气压，PN表示N点的海平面气压值，PQ表示Q 点的海平面气压值，ΔxL表示Q点与L点之间的距离，ΔxN表示Q点与N点之 间的距离，
Figure BDA0003480630050000043
表示L点海平面气压PL沿x方向的变化率，
Figure BDA0003480630050000044
表示N点海平 面气压PN沿x方向的变化率，x方向即冷锋向冷中心的方向。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过计算得到锋面两侧的水平气压 梯度差，为后续计算得到锋面坡度提供了前提条件。
再进一步地，所述步骤S5中锋面前暖区空气的相对湿度U的表达式如下：
Figure BDA0003480630050000045
其中，A，B，C表示结冰以及不结冰时的常参数，结冰时的参数： A＝22.46，B＝272.62，C＝0.44，不结冰时的参数：A＝17.62，B＝243.12，C＝0.5。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过求得锋面前暖区N点的相对湿 度U，为进一步计算锋面前实际水汽压ea做准备。
再进一步地，所述步骤S6中锋面前暖区N点的饱和水汽压值es的表达式如 下：
Figure BDA0003480630050000051
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过计算得到锋面前暖区N点的饱 和水汽压值es，为进一步计算锋面前实际水汽压ea做准备。
再进一步地，所述步骤S7中锋面前暖区空气的密度ρN的表达式如下：
Figure BDA0003480630050000052
其中，Rd表示干空气比气体常数。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过求得锋面前暖区N点的空气密 度ρN，为计算单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差做准备。
再进一步地，所述步骤S8中锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0的表达式如 下：
Figure BDA0003480630050000053
其中，Rd表示干空气比气体常数。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过求得锋面后冷区洁净干冷空气 的密度ρ0，为计算得到锋面后冷区空气密度做准备。
再进一步地，所述步骤S9锋面后冷区空气密度ρL的表达式如下：
ρL＝ρ0+ρd
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过求得锋面后冷区空气密度ρL， 为计算单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差做准备。
再进一步地，所述步骤S10中单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气 的密度差的表达式如下：
ρL-ρN＝ρ0+ρd-ρN
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过求得锋面前后冷暖空气密度差， 为计算得到锋面坡度做准备。
再进一步地，所述步骤S10中Q点的锋面坡度的表达式如下：
Figure BDA0003480630050000061
其中，tanα表示Q点的锋面坡度，g表示重力加速度常数，
Figure BDA0003480630050000062
表示L点海 平面气压PL沿x方向的变化率，
Figure BDA0003480630050000063
表示N点海平面气压PN沿x方向的变化率， x方向即冷锋向冷中心的方向。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过求得Q点处的锋面坡度，为沙 尘天气过程的分析与预报提供更精准的资料。
附图说明
图1为背景技术中地面锋示意图。
图2为背景技术中锋面的空间结构示意图。
图3为本实施例中同温同压下干湿空气示意图。
图4为本实施例中中国北方强冷锋坡度(1.145°)与沙尘天气锋面坡度(30°、 50°)对比图。
图5为本实施例中典型强烈沙尘暴天气过程图。
图6为本实施例中锋面坡度模型示意图。
图7为本发明的方法流程图。
图8为本实施例中海平面气压场示意图。
图9为本实施例中3月14日20时地面形势示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。
实施例
本实施例中，锋面倾斜的程度，称为锋面坡度，是表征锋面强度的关键性 重要指标。当锋面两侧气团物理性质相差不大时，不存在锋面，坡度为0。锋面 两侧的密度相差越大，锋面坡度越大，表示锋面越强。
坡度可用锋面与地平面夹角及其正切函数表示。在天气学中，一般通用的 马古列斯锋面坡度计算方法为：
Figure BDA0003480630050000071
其中，α为锋面与水平面的夹角，
Figure BDA0003480630050000072
为地转参数，与纬度
Figure BDA0003480630050000073
及地球 自转角速度Ω有关，g为重力加速度，ΔT为锋面两侧冷暖空气团的气温之差，Tm为锋面两侧平均气温，ΔVg为锋面两侧冷暖气团中平行于锋线的地转风分量之 差。
本实施例中，对地转风误差进行分析：地转风Vg为空气水平匀速直线运动， 只有在高空自由大气中才会出现。它的基本特点是：所受到外力的合力为零， 即在水平方向上，地转偏向力与水平气压梯度力相平衡，没有加速度，空气运 动平行于等压线。
本实施例中，地转风Vg应用于锋面存在巨大欠缺。首先，在锋面活跃的近 地层，复杂的地表对大气产生了显著的摩擦力，所以近地层大气的摩擦力十分 突出而不能忽略，大气不仅仅受到气压梯度力和地转偏向力，还有摩擦力，因 而无法满足地转风的前提条件。其次，气压因各种气象要素的综合作用而变化 迅速，例如在强冷锋后，3小时气压变化可达7hPa以上，即气压梯度力变化十 分迅速；但地转偏向力需要很长的时间才能逐步调整适应，在这个过程中气压 梯度力和地转偏向力两者无法实现平衡，导致地面锋面附近不存在地转风。所 以用地转风进行锋面坡度计算的马古列斯计算方法并不适用。
本实施例中，水汽差异分析，自然条件下，空气中常常含有水汽，气温较 高的空气中水汽含量远高于低温空气，马古列斯公式对这一问题也未考虑。在 同一压力和温度下，体积相同的任何气体所含的分子数都相等，大气中水汽的 分压强称为水汽压e。
由理想气体湿空气状态方程，含有水汽的空气密度：
Figure BDA0003480630050000081
其中，ρN为暖湿空气密度；PN为暖区空气气压；ea为实际水汽压；Rd为干 空气比气体常数；TN为暖湿空气温度。可知，同温同压下，当空气中水汽压e增 大时，空气密度ρ减小。
本实施例中，从物理意义上来说，当空气中水汽压ea加大时，如果总压力 不变，则干空气的分压力(PN-ea)必减小。而体积、温度相同时，气体的分压 力与其分子数成正比，即空气中水汽分子数增加时，温度压强不变，要保持一 定容积内空气分子数目相等，则干空气分子数必然减少。而水汽的相对分子量 (18.016)小于干空气的分子量(28.966)。因此，同一压力和温度下，湿空气 的密度比干空气小，含有的水汽越多，单位体积内总分子量减小，密度越小， 如图3所示，水汽分子较干空气分子更轻，图3中，左图为干空气，右图为湿空气，图中，P为空气气压，T为绝对温度，V为气体容积。
本实施例中，关于沙尘颗粒的分析，大范围系统性的沙尘天气发生于冬半 年，是强冷空气剧烈爆发的产物。在沙尘天气中，锋面两侧冷暖空气密度相差 显著。在冷空气一侧，沉重、密实而强劲的入侵冷空气卷起地表沙尘，因而含 有大量的沙尘颗粒，其密度高于洁净空气密度。同时，在暖空气一侧中因温度 更高，有利于水分的蒸发，大气中水汽含量也更高。马古列斯锋面坡度计算方 法式(1)并未考虑到这些问题，所以会产生很大误差。按照马古列斯锋面坡度 计算方法并经天气观测证实，对一般天气而言，我国南方锋面坡度约为1/200～1/500，对应角度为：0.283°～0.115°；北方锋面坡度约为1/50～1/200，对应 角度为：1.145°～0.283°。即中国的锋面在地面推进50～200公里，甚至推进500 公里时，其高度从地面向上延伸1公里。总体来看，利用马古列斯公式进行计 算，一般天气过程中，即使强冷锋的锋面坡度都很小，最大也不到1.2°，如图4 所示，图4中X轴为地平面水平距离(单位为km)，Z轴为垂直高度(单位为 km)。从人的感受来说，一般性天气中，即使最强的冷锋，也无法直接感知这种 极其微小的坡度。但是在沙尘天气过程中，可以发现锋面坡度极大，往往在锋 面推进时可观察到伴随的沙尘“墙”。粗略目测可知其坡度往往可达30°～50°，即1/2～6/5。图5为某些典型强烈沙尘暴天气过程的照片，表明锋面坡度可达40°～70° 甚至更高，是常规强冷锋强坡度的40～60倍，与原计算方法计算结果差异极其 巨大，表明马古列斯锋面坡度计算方法无法正确描述沙尘过程中的锋面，如图5 所示。
综上所述，马古列斯锋面坡度计算方法无法准确反映沙尘天气过程中的锋 面坡度，需探索适用于沙尘天气过程的锋面坡度计算方法。
由前述分析可知：
首先，因沙尘过程中地面存在强烈的摩擦力，且气压梯度地转偏向力往往 不能实现平衡，所以不能使用地转风进行计算；
其次，沙尘过程多发生于冬半年，冷暖空气中气温差异巨大，需考虑气温 对冷暖不同性质空气中水汽含量的影响；
两者，沙尘因冷空气入侵而产生，所以在锋面后冷空气中沙尘含量极高， 而暖空气中基本不含沙尘，所以其密度差异须考虑，在此基础上提出沙尘天气 锋面的具体计算方法。
本实施例中，对锋面坡度计算方法进行基础分析，沙尘天气过程中，强冷 空气入侵形成强冷锋。为了计算方便，需取合适的坐标系，沿冷锋的伸展方向 取为Y轴，从冷锋向冷空气中心的方向取为X轴，从地表垂直向上为Z轴，于 是得到锋面示意图，如图6所示，锋面与X轴正方向的夹角为α，即锋面坡度。
将锋面看作密度的零级不连续面，分析锋面坡度计算方法时，应满足物质 面的动力学边界条件，在锋面两侧贴近处的气压相等且气压变化相等，则：
PL＝PN (3)
即：
dPL＝dPN (4)
其中，PL为贴近锋面处的冷空气气压，PN为贴近锋面处的暖空气气压， dPL、dPN分别为对应的气压变化量。
对某一固定时刻，将冷、暖空气的气压变化在空间展开，可得：
Figure BDA0003480630050000101
两式相减，且由式(4)dPL＝dPN可得：
Figure BDA0003480630050000111
因坐标Y轴与锋面平行，锋面坡度仅在X方向出现，所以只需取二维XZ 平面，Y方向的各项不再考虑。锋面坡度为：
Figure BDA0003480630050000112
由天气学原理可知，冬半年出现沙尘天气时，大气在垂直方向上气压梯度 力与重力相平衡。所以对分母，由静力学方程：
Figure BDA0003480630050000113
代入(5)式整理可得：
Figure BDA0003480630050000114
其中，分子
Figure BDA0003480630050000115
和
Figure BDA0003480630050000116
分别为锋面两侧冷暖空气团中的水平气压梯度；ρL和ρN分别为锋面两侧冷暖空气团的密度；g为重力加速度常数。
本实施例中，对沙尘过程中锋面坡度影响因子进行分析。
(1)水汽作用分析
沙尘过程由强冷空气入侵造成，所以与夏季过程相比，在锋面后为强冷空 气，该侧气温明显偏低。由饱和水汽压方程，可知大气中的水汽含量与气温的 关系为：
Figure BDA0003480630050000117
其中，es为饱和水汽压；TN为暖空气温度。表明气温越高，大气中水汽的 含量越高；反之，气温越低，水汽含量越低。
由此可知，造成沙尘过程的冷空气中，首先因气温很低而水汽含量极低。 另外从水汽源地与传输路径分析，在冬半年气团含水量很低。即使原本有些不 多的水汽，也会于到达中国之前，在这个世界最大的大陆上不断消耗。因此在 沙尘过程中，可以认为：沙尘过程中锋面的冷空气一侧基本不含水汽，为干燥 冷空气。
对于暖空气一方，因其温度更高而明显富含水汽，是暖湿空气，所以其密 度方程由湿空气状态方程可得：
Figure BDA0003480630050000121
其中，ρN为暖湿空气密度；PN为暖区空气海平面气压；ea为实际水汽压；Rd为干空气比气体常数；TN为暖湿空气温度。由相对湿度计算方程可得：
Figure BDA0003480630050000122
其中，U为相对湿度；TdN为暖区空气露点；A，B，C表示结冰以及不结冰时 的常参数。
(2)沙尘颗粒作用分析
锋面过境时，冷暖空气巨大的密度差异引起强烈的气压之差，形成巨大的 气压梯度力。一方面推进锋面高速前行，另一方面在锋面处导致大风卷起地表 沙尘，最终形成沙尘天气。因冷空气处于锋面的后方，所以卷起的沙尘会落入 随后侵入的冷空气之中，因此冷空气的空气质量等于洁净空气质量与沙尘颗粒 质量之和。
先不考虑沙尘仅分析洁净的干冷空气，由气体状态方程P＝ρRT代入锋面后 观测得到的气压、气温，得洁净干冷空气的密度ρ0：
Figure BDA0003480630050000131
其中，PL为干冷空气气压；TL为干冷空气温度。
实际沙尘天气中锋面后的干冷空气并不洁净，而是在单位体积内含有质量 为Md的沙尘颗粒，所以锋面后冷空气应为洁净干冷空气与沙尘的混和物。
已知标准大气的密度为1.27kg/m3，而沙尘颗粒的密度大约比空气高2000 倍。所以考虑这种混和大气的综合密度时，因沙尘颗粒的所占的体积过小可以 忽略，则单位体积混有沙尘的干冷空气实际密度ρL，是单位体积洁净干冷空气 密度与其中含有沙尘颗粒密度之和：
ρL＝ρ0+ρd (14)
其中，ρL为单位体积干冷空气密度，ρ0为单位体积洁净干冷空气密度，ρd为 单位体积内沙尘颗粒密度。
而在暖空气中，因其处于锋面之前风力微弱，所以并未出现沙尘。与锋面 之后的冷空气相比，可认为沙尘颗粒并不显著影响其质量。
因此，计算方法(7)的分母中：
ρL-ρN＝ρ0+ρd-ρN (15)
由此可得，针对沙尘天气中锋面坡度的计算方法为：
Figure BDA0003480630050000132
其中，冷空气中单位体积沙尘含量ρd由空气质量监测中PM10当时的浓度 代入。
如图7所示，本发明提供了一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其 实现方法如下：
S1、读取海平面气压格点数据，并根据所述海平面气压格点数据得到海平 面气压场和锋面位置；
本实施例中，根据MICAPS第一类数据，读取海平面气压格点数据，根据 海平面气压格点数得到海平面气压场和锋面位置，如图8所示，图8为东经70 度到东经100度北纬35度到北纬50度的气压示意图。图8中，实线为等压线， 带冷锋符号(三角形)的实线为地面锋线，D表示地面低压中心，G表示地面 高压中心。
S2、在锋面上取一点Q为分析点，在其相邻处气压梯度最大的位置，锋面 前后冷暖空气中各取暖区一点N和冷区一点L；
本实施例中，在锋面上取一点Q为分析点，海平面气压为PQ，单位为Pa； 在其相邻处气压梯度最大的位置，锋面前后冷暖空气中各取暖区一点N，冷区 一点L。
S3、读取N点的气温TN、露点TdN以及海平面气压值PN，读取L点的气温 TL和海平面气压值PL以及根据空气质量监测中PM10当时的浓度代入得到沙尘 颗粒密度值ρd；
本实施例中，根据MICAPS第一类数据，读取N点的温度TN和露点TdN， 单位为℃；海平面气压PN，单位为hPa。
本实施例中，根据MICAPS第一类数据，读取L点的气温TL，单位为℃； 海平面气压PL，单位为Pa；根据空气监测中PM10当时的浓度，获取沙尘颗粒 密度值ρd，单位为μg/m3。将μg/m3除109换算为kg/m3，参与运算。
S4、根据Q点与N点和L点之间的距离ΔxL、ΔxN，以及海平面气压值PN和PL，计算得到锋面两侧的水平气压梯度差；
本实施例中，对距离ΔxL和ΔxN，由MICAPS第十四类数据得到所取分析点 的经纬度，再用Haversine球面距离计算公式计算球面两点间的距离，单位为m。 球面距离计算方法，见公式(27)。
采用差分的方法对公式(9)分子部分计算，即：
Figure BDA0003480630050000151
分别计算得到锋面两侧的水平气压梯度差
Figure BDA0003480630050000152
和
Figure BDA0003480630050000153
单位为Pa/m。则：
Figure BDA0003480630050000154
其中，PL表示L点的海平面气压，PN表示N点的海平面气压值，PQ表示Q 点的海平面气压值，ΔxL表示Q点与L点之间的距离，ΔxN表示Q点与N点之 间的距离，
Figure BDA0003480630050000155
表示L点海平面气压PL沿x方向的变化率，
Figure BDA0003480630050000156
表示N点海平 面气压PN沿x方向的变化率，x方向即冷锋向冷中心的方向。
S5、判断N点的气温TN是否小于等于0℃，若是，则根据结冰时的参数计 算得到锋面暖区空气的相对湿度U，并进入步骤S6，否则，根据不结冰时的参 数计算得到锋面前暖区空气的相对湿度U，并进入步骤S6；
本实施例中，判断N点的气温是否小于等于0℃，由：
TN≤0 (19)
判别，若(19)式成立，则根据相对湿度计算方法，取结冰时的参数：A＝22.46， B＝272.62，C＝0.44；否则，取不结冰时的参数：A＝17.62，B＝243.12，C＝0.5； 对公式(13)代入温TN、TdN、PN即：
Figure BDA0003480630050000157
计算得到锋面前暖区空气的相对湿度U。
S6、计算得到锋面前暖区N点的饱和水汽压值es，并根据锋面前暖区空气 的相对湿度U和实际水汽压ea的关系，代入饱和水汽压值es计算得到锋面前暖 区N点空气的实际水汽压值ea；
本实施例中，根据公式(10)饱和水汽压计算方法，代入TN，有：
Figure BDA0003480630050000161
计算得到N点饱和水汽压值es，单位为Pa。
本实施例中，根据公式(12)相对湿度U与实际水汽压ea的关系，代入饱 和水汽压值es，即：
Figure BDA0003480630050000162
计算得到N点的实际水汽压值ea，单位为Pa。
S7、根据锋面前暖区N点空气的实际水汽压值ea、N点的气温TN和海平面 气压值PN，利用湿空气状态方程计算得到锋面前暖区空气的密度ρN；
本实施例中，根据公式(11)湿空气状态方程，代入TN、PN、ea，有：
Figure BDA0003480630050000163
计算得到锋面前暖区空气的密度ρN，单位为kg/m3。
S8、根据L点的气温TL和海平面气压值PL，利用干空气状态方程计算得到 锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0；
本实施例中，根据公式(14)干空气状态方程，代入TL、PL。有：
Figure BDA0003480630050000164
计算得到锋面后冷区空气的密度ρ0，单位为kg/m3。
S9、取锋后单位体积的干冷空气，并根据锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0 和沙尘颗粒密度值ρd，计算得到锋面后冷区空气密度ρL；
本实施例中，根据公式(14)，取锋后单位体积的干冷空气，代入ρ0、ρd。有：
ρL＝ρ0+ρd (25)
计算得到锋面后冷区空气的密度ρL，单位为kg/m3。
S10、根据锋面后冷区空气密度ρL和锋面前暖区空气的密度ρN，计算得到 单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差，并根据锋面两侧的水平 气压梯度差，计算得到Q点的锋面坡度，完成对沙尘天气过程中锋面坡度的计 算。
本实施例中，根据公式(15)，代入ρN。有：
ρL-ρN＝ρ0+ρd-ρN (26)
计算得到单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差。
根据公式(16)沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，代入锋面两侧气压梯 度差和锋面两侧空气密度差以及重力加速度常数g，取9.81N/kg。有：
Figure BDA0003480630050000171
计算得到Q点的锋面坡度tanα，tanα表示Q点的锋面坡度，g表示重力加 速度常数，
Figure BDA0003480630050000172
表示L点海平面气压PL沿x方向的变化率，
Figure BDA0003480630050000173
表示N点海平 面气压PN沿x方向的变化率，x方向即冷锋向冷中心的方向。
本实施例中，本发明中的涉及的气象观测数据均以MICAPS(MeteorologicalInformation Comprehensive Analysis and Process System)格式存贮。这是我国气 象信息综合分析处理系统，与卫星通讯、气象数据库相配套，是全国多行业通 用的天气预报人机交互工作平台。MICAPS支持多种数据格式，其中，第一类 是数据为地面全要素数据，本发明所需气压、气温、露点温度等以此类数据存 贮；第四类数据为格点数据，主要用于分析地面气压等值线等天气形势资料； 第十四类数据保存被编辑图形的图元数据，在保存图形编辑结果时自动产生， 确定锋面具体位置。
本实施例中，针对2021年3月14日的一次沙尘天气过程，选取20时的观 测资料，如图9所示，图9为东经70度到东经130度北纬30度到北纬50度的 气压场示意图，图中，实线为等压线，带冷锋符号(三角形)的实线为地面锋 线，G表示地面高压中心，D表示地面低压中心。分别选定Q1-Q5个分析点， 通过沙尘天气锋面坡度计算方法进行计算，分别如表1、表2和表3所示，其中， 表1为不同分析点锋面两侧的水平气压梯度差，表2为不同分析点锋面前暖湿 空气的密度，表3为不同分析点锋面后干冷空气的密度及锋面坡度。
表1
Figure BDA0003480630050000181
表2
Figure BDA0003480630050000182
表3
Figure BDA0003480630050000191
本实施例中，求得此时各分析点的锋面坡度tanα为1/58～1/9，即 0.975°～6.43°。与中国北方强冷锋锋面坡度的1/50～1/200相比，可达中国北方锋 面坡度的5-22倍。相较来说，该锋面坡度计算方法能够更好地反映沙尘天气过 程中锋面的真实坡度，为沙尘天气过程的分析与预报提供更精准的资料。
下面对本发明中关于MICAPS数据文件格式进行说明。
1第一类数据格式
1.1文件头
第一类数据的文件头为：
diamond 1数据说明(字符串)年月日时次总站点数(均为整数)
1.2数据
第一类数据的存储方式为：
区站号(长整数)经度纬度拔海高度(均为浮点数)站点级别(整数) 总云量风向风速海平面气压(或本站气压)3小时变压过去天气1过去天 气2 6小时降水低云状低云量低云高露点能见度现在天气温度中云状 高云状标志1标志2(均为整数)24小时变温24小时变压
1.3其它说明
此类数据用于规范的地面填图。缺值时用9999表示。站点级别表示站点的 放大级别，即只有当图形放大到该级别时此站才被填图。当标志1为1，标志2 为2时，说明后面有24小时变温变压。否则说明后面没有24小时变温变压。
2第四类数据格
2.1文件头
第四类数据的文件头为：
diamond 4数据说明(字符串)年月日时次时效层次(均为整数) 经度格距纬度格距起始经度终止经度起始纬度终止纬度(均为浮点数)纬 向格点数经向格点数(均为整数)等值线间隔等值线起始值终止值平滑 系数加粗线值(均为浮点数)
2.2数据
第四类数据按先纬向后经向放(直角坐标网格时为先X方向后Y方向)，均 为浮点数。
2.3其它说明
此类数据用于画格点数据的等值线。网格可以为经纬度网格，也可以为直角 坐标网格。
当使用直角坐标网格数据时：1)将等值线终止值改为-1(直角坐标在兰勃 托投影下)或-2(直角坐标在麦开托投影下)或-3(直角坐标在北半球投影下)。 2)把网格经度间隔和纬度间隔改为格点数据第一行最后一个点的经纬度。3) 把起始经度和起始纬度改为格点数据第一行第一个点的经纬度。4)把终止经度 和终止纬度改为格点数据最后一行最后一个点的经纬度。
第4类数据文件可以直接用于填格点值。文件头中可以指定填图方式。指定 方法为：1)把加粗线值改为-1，表示画等值线同时填图，2)改为-2表示只填图， 不画等值线。
3第十四类数据格式
3.1文件头
第十四类数据的文件头为：
diamond 14数据说明(字符串)年月日时次时效(均为整数)
3.2数据
第十四类数据的存储方式为：
LINES：线条数线宽点数X Y Z......标号个数X Y Z......
LINES_SYMBOL：条数编码线宽点数NoLabel 0
SYMBOLS：个数编码X Y Z风向角度或字符串......
CLOSED_CONTOURS：个数线宽点数X Y Z......标号个数 X Y Z......
STATION_SITUATION：站号属性......
WEATHER_REGION:天气区的个数第一个天气区的天气代码外围线点 数第一点经度第一点纬度0.0第二点经度第二点纬度0.0……第二个天气 区的天气代码外围线点数第一点经度第一点纬度0.0第二点经度第二点纬 度0.0……
3.3其它说明
此类数据在保存图形编辑结果时自动产生，可用于生成最终预报产品。
LINES_SYMBOL表示槽线、冷锋等天气系统线条，其编码为：1—槽线、2— 冷锋、3—暖锋、4—静止锋、5—锢囚锋、38—霜冻线、39—高温线。
天气区的天气代码为：1—雨区、2—雪区、4—雷暴区、8—雾区、16—大风区、 32—沙暴区
天气符号代码为：26-小雨、47-中雨、55-大雨、64-暴雨、25-阵雨、23-小 雪、22-中雪、21-大雪、66-暴雪、65-阵雪、32-雷暴、31-冰雹、27-轻度雨凇、 28-冻雨、24-雨夹雪、29-轻雾、30-雾、50-晴空、51-多云、52-阴天、42-龙卷、 37-台风、44-霜冻、43-静风、40-34级风、36-45级风、33-56级风、41-67级风、 34-78级风、35-89级风、101-910级风、102-1011级风、103-1112级风、60-高 中心、61-低中心、62-暖中心、63-冷中心、48-文字注释。
本实施例中，关于球面距离的计算方法，已知地球上任意两点 (lon1，lat1)，(lon2，lat2)的经纬度坐标，求两点间的距离可以利用Haversine公 式：将经纬度坐标的角度化成弧度(rlon1，rlat1)，(rlon2，rlat2)。利用如下公式：
Figure BDA0003480630050000221
其中，S表示球面上两点的距离，单位为m；a表示两点纬度的差值，即 a＝rlat1-rlat2，单位为°；b表示两点经度的差值，即b＝rlon1-rlon2，单位为°； r表示地球的半径，取6.371×103km。

Claims (9)

1.一种沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、读取海平面气压格点数据，并根据所述海平面气压格点数据得到海平面气压场和锋面位置；
S2、在锋面上取一点Q为分析点，在其相邻处气压梯度最大的位置，锋面前后冷暖空气中各取暖区一点N和冷区一点L；
S3、读取N点的气温TN、露点TdN以及海平面气压值PN，读取L点的气温TL和海平面气压值PL以及根据空气质量监测中PM10当时的浓度代入得到沙尘颗粒密度值ρd；
S4、根据Q点与N点和L点之间的距离ΔxL、ΔxN，以及海平面气压值PN和PL，计算得到锋面两侧的水平气压梯度差；
S5、判断N点的气温TN是否小于等于0℃，若是，则根据结冰时的参数计算得到锋面暖区空气的相对湿度U，并进入步骤S6，否则，根据不结冰时的参数计算得到锋面前暖区空气的相对湿度U，并进入步骤S6；
S6、计算得到锋面前暖区N点的饱和水汽压值es，并根据锋面前暖区空气的相对湿度U和实际水汽压ea的关系，代入饱和水汽压值es计算得到锋面前暖区N点空气的实际水汽压值ea；
S7、根据锋面前暖区N点空气的实际水汽压值ea、N点的气温TN和海平面气压值PN，利用湿空气状态方程计算得到锋面前暖区空气的密度ρN；
S8、根据L点的气温TL和海平面气压值PL，利用干空气状态方程计算得到锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0；
S9、取锋后单位体积的干冷空气，并根据锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0和沙尘颗粒密度值ρd，计算得到锋面后冷区空气密度ρL；
S10、根据锋面后冷区空气密度ρL和锋面前暖区空气的密度ρN，计算得到单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差，并根据锋面两侧的水平气压梯度差，计算得到Q点的锋面坡度，完成对沙尘天气过程中锋面坡度的计算。
2.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S4中锋面两侧的水平气压梯度差的表达式如下：
Figure FDA0003480630040000021
Figure FDA0003480630040000022
其中，PL表示L点的海平面气压，PN表示N点的海平面气压值，PQ表示Q点的海平面气压值，ΔxL表示Q点与L点之间的距离，ΔxN表示Q点与N点之间的距离，
Figure FDA0003480630040000023
表示L点海平面气压PL沿x方向的变化率，
Figure FDA0003480630040000024
表示N点海平面气压PN沿x方向的变化率，x方向即冷锋向冷中心的方向。
3.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S5中锋面前暖区空气的相对湿度U的表达式如下：
Figure FDA0003480630040000025
其中，A，B，C表示结冰以及不结冰时的常参数，结冰时的常参数：A＝22.46，B＝272.62，C＝0.44，不结冰时的参数：A＝17.62，B＝243.12，C＝0.5。
4.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S6中锋面前暖区N点的饱和水汽压值es的表达式如下：
Figure FDA0003480630040000026
5.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S7中锋面前暖区空气的密度ρN的表达式如下：
Figure FDA0003480630040000031
其中，Rd表示干空气比气体常数。
6.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S8中锋面后冷区洁净干冷空气的密度ρ0的表达式如下：
Figure FDA0003480630040000032
其中，Rd表示干空气比气体常数。
7.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S9锋面后冷区空气密度ρL的表达式如下：
ρL＝ρ0+ρd
8.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S10中单位体积锋面后冷区空气与锋面前暖区空气的密度差的表达式如下：
ρL-ρN＝ρ0+ρd-ρN
9.根据权利要求1所述的沙尘天气过程中的锋面坡度计算方法，其特征在于，所述步骤S10中Q点的锋面坡度的表达式如下：
Figure FDA0003480630040000033
其中，tanα表示Q点的锋面坡度，g表示重力加速度常数，
Figure FDA0003480630040000034
表示L点海平面气压PL沿x方向的变化率，
Figure FDA0003480630040000035
表示N点海平面气压PN沿x方向的变化率，x方向即冷锋向冷中心的方向。
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CN117851845A (zh) * 2024-03-07 2024-04-09 中国海洋大学 一种基于聚类算法的海洋亚中尺度锋面提取方法

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