原全部課件-天氣學第五章丁

§5.1天氣系統(tǒng)及天氣形勢的天氣學預(yù)報方法§5.2氣象要素和天氣現(xiàn)象的天氣學預(yù)報方法§5.3數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的釋用第五章天氣形勢及

天氣要素的預(yù)報天氣預(yù)報：根據(jù)氣象觀測資料，應(yīng)用天氣學、動力學、統(tǒng)計學的原理和方法，對某區(qū)域或某地點未來一定時段的天氣狀況做出定性或定量的預(yù)測。分天氣形勢預(yù)報和氣象要素預(yù)報兩方面。常用的天氣預(yù)報技術(shù)方法有：天氣學預(yù)報方法統(tǒng)計學預(yù)報方法動力學預(yù)報方法天氣-動力預(yù)報方法天氣-統(tǒng)計預(yù)報方法動力-統(tǒng)計預(yù)報方法天氣預(yù)報分類：根據(jù)時效：0-2小時臨近預(yù)報2-12小時甚短期預(yù)報12-48小時短期預(yù)報3-10天中期預(yù)報10天以上長期預(yù)報

§5.1天氣系統(tǒng)及天氣形勢的天氣學預(yù)報方法天氣形勢是指大范圍流場、氣壓場、溫度場三度空間的分布形勢。它包含了大范圍的環(huán)流及環(huán)流形勢的各個天氣系統(tǒng)。天氣形勢預(yù)報：預(yù)報各種天氣系統(tǒng)的生消、移動和強度變化。是氣象要素預(yù)報的基礎(chǔ)。形勢預(yù)報方法包括：天氣學方法數(shù)值預(yù)報方法趨勢法：根據(jù)最近一段時間內(nèi)天氣系統(tǒng)演變的趨勢，預(yù)報未來短時間內(nèi)天氣系統(tǒng)強度變化及移動。分為外推法和運動學方法。一、天氣系統(tǒng)的外推預(yù)報法外推法：根據(jù)最近一段時間內(nèi)天氣系統(tǒng)的移動速度和強度變化規(guī)律，順時外延，預(yù)報出系統(tǒng)未來的移動速度和強度變化。1.等速外推：假定系統(tǒng)的移動速度和強度變化基本上不隨時間而改變，系統(tǒng)的移動距離或它的強度與時間成線性關(guān)系，外推依據(jù)這種線性關(guān)系進行。2.加速外推：假定系統(tǒng)的移動速度和強度的變化接近等加速狀態(tài)，這時系統(tǒng)的移動距離或它的強度與時間成曲線關(guān)系，外推時要考慮加速情況。加速外推槽線移速和強度的外推3.應(yīng)用外推法應(yīng)注意的問題a.大氣運動處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時外推法比較有效。而天氣系統(tǒng)處于變化比較劇烈時，不可簡單使用外推法。b.使用時盡量將系統(tǒng)的位置和強度定準確，外推時間不能過長，即圖次時間間隔不能過長二、天氣系統(tǒng)的運動學預(yù)報方法（變壓法）

運動學方法：利用氣壓系統(tǒng)過去移動和變化所造成的變高（或變壓）的分布特點，通過運動學公式，來預(yù)報系統(tǒng)未來的移動和變化的方法。１運動坐標系與固定坐標系中局地變化的關(guān)系

固定坐標系：水平面上固定于地表的坐標系。設(shè)質(zhì)點運動速度為固定坐標系中空氣運動質(zhì)點的個別變化為：質(zhì)點個別變化固定坐標系中局地變化固定坐標系中平流變化（5.1））空氣運動質(zhì)點的個別變化等于局地變化與平流變化之和運動坐標系中局地變化質(zhì)點個別變化運動坐標系平流變化運動坐標系：水平面上，隨著運動的天氣系統(tǒng)相對于地表以速度C做水平運動的坐標系。質(zhì)點運動速度為（5.2）所以：（1）右端=（2）右端得運動坐標系與固定坐標系中局地變化的關(guān)系運動坐標系局地變化也可以看成是固定坐標系中以速度C運動的某點的個別變化固定坐標系的局地變化運動坐標系負的平流變化２用運動學方法預(yù)報氣壓系統(tǒng)的移動在運動系統(tǒng)上，選取一些特定點或特定線，使得在這些點或線上某一物理量在運動坐標系中的局地變化為零，即

，并取X軸與系統(tǒng)運動方向一致，則

系統(tǒng)移動的運動學公式天氣系統(tǒng)基本特征槽線脊線低壓中心高壓中心鋒面某一物理量為零的系統(tǒng)（１）槽（脊）線的移動槽（脊）線上變高梯度槽脊強度槽脊移動的兩條定性規(guī)則：槽線沿變壓（變高）梯度方向移動，脊線沿變壓（變高）升度方向移動槽線（脊線）的移速與變壓（變高）梯度（升度）成正比，與槽（脊）強度成反比。變壓（變高）梯度相同時，槽（脊）越強，移動越慢。（2）氣旋和反氣旋中心的移動在高低壓中心：對于圓形高低壓中心對于橢圓形高壓中心系統(tǒng)移動的兩條定性規(guī)則a.圓形高(低壓)中心的移動方向與變壓升度（梯度）方向一致，高壓中心向變壓升度方向移動，低壓中心向變壓梯度方向移動b.橢圓形的高壓中心移向界于長軸與變壓升度之間方向橢圓形的低壓中心移向界于長軸與變壓梯度之間方向高低壓系統(tǒng)移動的兩條定性規(guī)則正圓形低壓(高壓）中心沿變壓梯度（升度）方向移動橢圓形的高壓（低壓）中心移向界于長軸與變壓升度（梯度）之間方向，長軸越長，越接近于長軸高低壓系統(tǒng)移動速度與變壓升度（梯度）成正比，與系統(tǒng)中心強度成反比(3)用運動學方法預(yù)報氣壓系統(tǒng)的發(fā)展a.對于低壓（高壓）中心：當

，氣旋將加深，反氣旋將減弱當

，氣旋將填塞，反氣旋將加強所以:b.對于槽線（脊線）當

，槽加深，脊減弱當

，槽減弱，脊加強（4）三小時變壓和24小時變壓（變高）在運動學方法中的應(yīng)用+—+—當系統(tǒng)24小時（或3小時）移動的距離s<<L（系統(tǒng)的波長時），使用運動學方法較好。（5）用運動學方法預(yù)報時應(yīng)注意的問題仍然是外推法，只能用于大氣處于相對穩(wěn)定狀態(tài)三小時變壓須消除日變化的影響公式未考慮系統(tǒng)加速度，一般是：加深的槽（加強的脊）移動是減速的填塞的槽（減弱的脊）移動是加速的運用形勢預(yù)報方程，求出瞬間變壓，進行預(yù)報三高空天氣形勢預(yù)報

思路：利用基本方程，估計瞬時的、

之后運用上節(jié)的運動學規(guī)則，估計天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和移動。基本方程：考慮大氣斜壓性的平均層渦度方程基本計算方法與概念（一）高空形勢預(yù)報的基本方程的推導(dǎo)設(shè)有一平均層，平均層上大氣是水平無輻散的該式表示平均層上的渦度變化與該層的水平流場有關(guān)，與溫度無關(guān)。由簡化渦度方程：(5.15)不符合實際情況，實際中緯度天氣的發(fā)生發(fā)展與大氣斜壓性密切相關(guān)，因而要引進一個考慮大氣斜壓性的基本方程。設(shè)：斜壓大氣中各層等溫線平行，即風隨高度無方向變化，只隨高度線性增大。平均層整層大氣平均風速P0到平均層間的熱成風考慮大氣斜壓性：代入簡化渦度方程中從p0到大氣層頂積分，后對其求平均利用可得平均層熱成風渦度平流，是對平均層渦度守恒的修正平均層絕對渦度平流據(jù)統(tǒng)計：

=0.6（5.19）（二）基本方程的討論1.（5.19）表示平均層上渦度隨時間的局地變化等于平均層上的絕對渦度平流與熱成風渦度平流之和。2.方程為近似方程，如假設(shè)各層等溫線平行，實際是大致平行；地轉(zhuǎn)風近似；地面垂直速度等于零等。3.平均層接近600hPa，但用500hPa近似代替。4.熱成風渦度平流作用很重要，渦度平流和熱成風渦度平流是天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的主要因子（三）渦度平流和熱成風渦度平流的定性判斷1.地轉(zhuǎn)渦度平流項結(jié)論偏南氣流，有負地轉(zhuǎn)渦度平流，正變高；偏北氣流，有正地轉(zhuǎn)渦度平流，負變高。2.相對渦度平流、熱成風渦度平流的定性判斷對短波而言（L<3000km），相對渦度平流比地轉(zhuǎn)渦度平流大得多，所以相對渦度平流對短波的發(fā)生發(fā)展和移動的作用比地轉(zhuǎn)渦度平流要大得多相對渦度平流項散合項曲率項疏密項注意：總是<0所以:散合項曲率項疏密項（1）疏密項表示等高線疏密程度沿氣流方向變化的作用，即切變渦度沿氣流方向的作用在等高線的密度沿氣流方向在高壓方向減小或在低壓方向增大處，有正渦度平流，反之有負渦度平流A點，V沿n的方向減小B點，V沿n的方向增大即沿氣流方向，切變渦度從大到小變化，有正渦度平流根據(jù)實際計算，此項作用較小，只在高空急流兩側(cè)附近作用較為重要，等高線散合項和曲率項的作用一般同時存在，兩項之和為疏密項的2～5倍，在很多情況下，一般著重討論其他兩項（2）散合項表示等高線曲率和等高線沿氣流方向散開或匯合的綜合作用對稱槽脊槽脊線上無散合（3）曲率項表示等高線曲率沿氣流方向改變的作用槽前脊后有正渦度平流，有負變高槽后脊前有負渦度平流，有正變高槽將向變高梯度方向移動在槽脊線上曲率最大（?。是薯棡榱?，其作用只是使槽脊移動，槽脊的發(fā)展主要是由散合項決定的各項對槽脊發(fā)展的貢獻（1）曲率項對槽脊的發(fā)展無貢獻，只能引起槽脊的東移；（2）散合項對槽脊的發(fā)展有貢獻。疏散槽（疏散脊）上有正（負）渦度平流，有負（正）變高，將發(fā)展匯合槽（匯合脊）上有負（正）渦度平流，有正（負）變高，將減弱結(jié)論1：對稱形槽脊沒有發(fā)展，疏散槽（脊）是加深（加強）的，匯合槽（脊）是填塞（減弱的）結(jié)論2：槽（脊）前疏散槽（脊）后疏散，則槽（脊）移動迅速；槽（脊）前匯合槽（脊）后匯合，則槽（脊）移動緩慢（四）熱成風渦度平流1.熱成風渦度平流是對平均層渦度守恒的修正2.熱成風渦度與等厚度線的關(guān)系等同于地轉(zhuǎn)風渦度與等高線的關(guān)系S’n’h在溫度槽（冷舌）處熱成風渦度最大在溫度脊（暖脊）處熱成風渦度最小3.由于在推導(dǎo)方程時假設(shè)各層等溫線的走向不隨高度變化，則大致可以用500hPa或700hPa等溫線近似代替等厚度線看熱成風渦度平流。僅從渦度平流還不能完全決定系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和移動趨勢，熱成風渦度平流反映了大氣的斜壓性作用，因此要考慮熱成風渦度平流的作用。4.當溫度槽落后于高度槽時，溫度槽前的正熱成風渦度平流向高度槽中輸送，高度槽將加深。當溫度脊落后于高度脊時，溫度脊前的負熱成風渦度平流向高度脊中輸送，高度脊將加強。正熱成風渦度平流輸送到高度槽中，槽加深四地面天氣形勢預(yù)報地面天氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展直接影響天氣變化，是形勢預(yù)報中重要項目。因為地面受到地形和摩擦的影響，而將渦度方程直接應(yīng)用于預(yù)報地面形勢有一定困難，所以一般是在高空形勢預(yù)報方程的基礎(chǔ)上訂正。以1000hPa等壓面為地面圖，設(shè)其高度為H0平均層等壓面與1000hPa等壓面的厚度為h（一）地面天氣形勢預(yù)報的基本方程H0h取平均值，得地面形勢預(yù)報基本方程平均層高度變化項平均冷暖平流項平均絕熱變化項平均非絕熱變化項（二）基本方程的討論1.右端第一項平均層高度局地變化項：包含渦度平流項和熱成風渦度平流項該項表示：平均層渦度平流和熱成風渦度平流對地面天氣系統(tǒng)的作用物理意義：溫帶氣旋上空處在500hPa槽前脊后，借助西南風將正相對渦度從大往小的方向輸送，使得其上空固定點正相對渦度增加，同時在地轉(zhuǎn)偏向力作用下伴隨水平輻散引起低層地面質(zhì)量減少，地面氣旋（包括中心）降壓，此氣旋加深槽線處借助西南熱成風將正熱成風渦度從大往小的方向輸送，使槽線上正熱成風渦度增加，反映正相對渦度增加，槽線處等壓面高度降低，氣旋性曲率加大。槽前正相對渦度平流更加大，引起槽前固定點正相對渦度更增大，同時在地轉(zhuǎn)偏向力作用下伴隨水平輻散更加大，引起低層地面質(zhì)量減少更多，此氣旋降壓更厲害，氣旋加深2.非絕熱變化的影響表示由于冷熱源作用而使低層產(chǎn)生的高度的局地變化大氣中非絕熱過程主要有：下墊面作用：輻射、傳導(dǎo)、亂流等過程水汽的凝結(jié)、蒸發(fā)過程經(jīng)驗指出，非絕熱加熱作用對鋒面氣旋的形成不起重要作用，而對冷高壓和熱低壓來說是其形成的主要因子地面氣壓下降，利于氣旋發(fā)展地面氣壓上升，利于反氣旋發(fā)展冬季內(nèi)陸湖泊處易有氣旋生成或加強冬季西伯利亞、蒙古一帶易于冷性反氣旋生成，往往成為冷高壓生成或加強的源地非絕熱加熱還影響到大氣穩(wěn)定度，因而也影響到絕熱變化的作用，穩(wěn)定度的變化對大氣本身的亂流熱量交換有影響:下墊面加熱空氣，大氣穩(wěn)定度減小，利于熱量上傳;空氣由下部受到冷卻，大氣趨于穩(wěn)定，熱量交換僅限于低層.3.絕熱變化的影響一般大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)當氣旋上空有上升運動，由于大氣穩(wěn)定，上升絕熱膨脹冷卻。平均層以下氣柱降溫收縮，地面氣旋等壓面抬升，氣壓升高，抑制它加深發(fā)展。氣旋上空有上升運動，由于大氣不穩(wěn)定，有大量水氣凝結(jié)釋放潛熱，平均層以下氣柱增溫膨脹，地面氣旋等壓面高度降低，反映氣壓降低，氣旋加深發(fā)展。氣旋上空大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)

負反饋和正反饋對于穩(wěn)定大氣，氣旋中的上升運動和反氣旋中的下沉運動都對他們的發(fā)展不利，也就是在他們的發(fā)生和發(fā)展中就包含著使它消亡的因素，這是一種負反饋作用;在不穩(wěn)定大氣中，氣旋中的上升運動使水汽凝結(jié)，潛熱釋放，利于氣旋的發(fā)展，這是一種正反饋作用4.平均溫度平流——引導(dǎo)氣流(steering)此項為平均層至1000hPa等壓面間的溫度平流物理意義：氣旋中心左（右）半部與高壓中心右(左）半部上空對應(yīng)槽（脊）線處，風隨高度逆（順）轉(zhuǎn)，使氣層間有了冷（暖）平流，反映平均層以下的平均也是冷（暖）平流，冷（暖）平流降（升）溫，氣柱收縮（膨脹），地面等壓面抬升（降低）當準地轉(zhuǎn)平衡且各層等溫線接近平行時，地面氣旋和反氣旋中心上空，地轉(zhuǎn)風和熱成風平行，沒有冷暖平流，因此在地面氣旋和反氣旋中心，冷暖平流項對氣壓變化不起作用，不能使地面系統(tǒng)加強或減弱，而在氣旋前部和反氣旋后部，暖平流使地面減壓，氣旋后部和反氣旋前部冷平流使地面加壓，冷暖平流使地面系統(tǒng)移動等厚度線與平均等溫線成正比地面系統(tǒng)中心沿平均層熱成風方向移動，速度與熱成風相等，而地面系統(tǒng)中心上空若地面系統(tǒng)中心的移動方向沿平均層上的氣流方向移動，則稱此氣流為引導(dǎo)氣流。

對低壓系統(tǒng)，移動方向偏右，對高壓系統(tǒng)，移動方向偏左。移動速度低于平均層風速五地形和摩擦作用1地形造成的垂直運動基本公式由公式可看出：當山的坡度越大，水平風速越大，垂直運動越強摩擦造成的垂直運動摩擦層頂垂直速度地形造成垂直速度地面摩擦應(yīng)力向量地面實際風渦度為正的地區(qū)有上升運動，反之有下沉運動因此：低壓區(qū)和流線為氣旋性曲率或氣旋性切變明顯區(qū)域有上升運動高壓區(qū)和流線為反氣旋性曲率或反氣旋性切變明顯區(qū)域有下沉運動3地形和摩擦對地面氣壓的影響3地形和摩擦對地面氣壓的影響物理意義？摩擦層頂?shù)拇怪彼俣茸畲笈c摩擦力的關(guān)系槽和氣旋山前填塞，山后發(fā)展；脊和反氣旋山前加強，山后減弱背風氣旋發(fā)展迎風坡地形脊，背風坡地形槽發(fā)展青藏高原的影響：動力和熱力影響動力：槽脊移速、槽脊的走向地形槽脊的形成、西南渦等熱力：夏季垂直環(huán)流—季風環(huán)流在無地形影響情況下，槽前有負變高，槽后正變高，槽向變高梯度方向移動。以下為高原地形對變高和槽移速和強度的影響A處：槽前處在上坡，有正變高，槽后平坦，變高為零，疊加后變高梯度減小，移速變慢。Ｂ處：槽前已上坡，變高為零，槽后處在上坡，有正變高，疊加后變高梯度增大，移速加快。C處：槽已在高原上，槽前槽后均無地形造成的垂直運動，變高不受地形影響，移速正常。D處：槽前處在下坡，有負變高，槽后平坦，變高為零，疊加后變高梯度增大，移速加快。E處：槽前已下坡，變高為零，槽后處在下坡有負變高，疊加后變高梯度減小，移速變慢。高原南北兩側(cè)西風帶的槽脊移速不同：一般北部大于南部氣流繞流使高原北側(cè)有反氣旋性渦度，南側(cè)有氣旋性渦度，使得槽移到高原北側(cè)強度減弱移速加快，脊移到高原北側(cè)強度加強，速度減慢高原的摩擦作用摩擦作用總是使得系統(tǒng)強度減弱，系統(tǒng)越強，強度減弱越快摩擦作用對氣旋影響較大，對反氣旋影響較小地形和下墊面的摩擦作用所造成的垂直運動越到高空越弱，造成的渦度局地變化低層大于高層同樣的地形和摩擦作用，對低層的影響相對比高層大六、鋒的移動預(yù)報鋒面移速取決于鋒面兩側(cè)風速垂直于鋒面的分量大小以及風向我國冷鋒在北方快暖鋒移速小冬季快,春季次之,秋季又次之,夏季慢（1）外推法順時外延，結(jié)合地形氣壓場流場穩(wěn)定，地形平坦，外推效果好氣壓場流場穩(wěn)定，地形不平坦，要充分考慮地形當氣壓場流場變動時，則取決于對氣壓場和流場的正確預(yù)報（2）變壓法對于暖鋒暖鋒前變壓代數(shù)值小于鋒后，暖鋒向前移動，變壓差越大移動越快對于冷鋒冷鋒前變壓代數(shù)值小于鋒后，冷鋒向前移動，變壓差越大移動越快鋒面（冷鋒、暖鋒）總是向變壓較小的方向移動，移速大小與鋒前后變壓差值成正比準靜止鋒比較大小使用變壓法注意的問題三小時變壓受溫度平流、輻合輻散、日變化和垂直運動的影響是瞬時變壓，但用三小時變壓代替，時效不可過長變壓差一樣的鋒，大小相同，移速不一定相同，還要考慮密度差和鋒面坡度若鋒面移速和鋒面坡度變化不大而變壓差增大，說明鋒面在加強（3）引導(dǎo)氣流法地面鋒線沿700hPa或500hPa等壓面上的氣流方向移動，移速與垂直鋒面的風速成比例習慣上說700hPa或500hPa等壓面上的氣流對地面鋒有引導(dǎo)作用即：C為垂直于鋒面的風與引導(dǎo)系數(shù)a的乘積考慮鋒面移速時要考慮高空槽的發(fā)展，注意引導(dǎo)氣流強度變化和引導(dǎo)氣流與鋒面交角的變化地面氣壓場對鋒面移動的影響冷鋒前氣壓場變化不大，鋒后冷高壓越強，移動越快冷鋒前為均壓帶或低壓帶，移動較快冷鋒移近強暖高，暖高無減弱，則鋒面移速減慢或準靜止鋒面氣旋中心風速越大，近中心鋒段移動越快地面橢圓形高壓長軸上的冷鋒段移動快地形對鋒面移動的影響大地形如山脈、高原可使鋒面形狀發(fā)生彎曲變形，移速減慢或形成錮囚對天氣：山前鋒面爬坡，助長上升運動，使天氣加劇，山后鋒面下坡，出現(xiàn)下沉運動，天氣減弱七、經(jīng)驗預(yù)報法1相似形勢法2天氣學模式法3統(tǒng)計資料法4預(yù)報指標法5周圍系統(tǒng)的影響624小時變壓、變高和變溫的應(yīng)用八、衛(wèi)星云圖在天氣形勢預(yù)報中的應(yīng)用1根據(jù)云系特征尋找天氣系統(tǒng)的發(fā)展指標2根據(jù)衛(wèi)星云圖尋找天氣系統(tǒng)移動的指標九、用天氣學方法作形勢預(yù)報的一般程序形式預(yù)報規(guī)則：五流、三變、周、史、地、推以及衛(wèi)星云圖形勢預(yù)報程序1對歷史狀況進行調(diào)查研究2根據(jù)歷史和現(xiàn)狀作出未來的預(yù)報

§5.2氣象要素和天氣現(xiàn)象的天氣學預(yù)報方法天氣要素：指晴、陰、雨、風力、風向、溫度等要素。

天氣要素預(yù)報：預(yù)報未來晴、陰、雨、風力、風向、溫度等情況。大氣模式：把氣象要素的過去、現(xiàn)在和未來的分布狀態(tài)與天氣聯(lián)系起來的媒介，或者說表現(xiàn)二者之間相互關(guān)系的中間物，是大氣模式。三種大氣模式：數(shù)值模式：通過流體動力學和熱力學處理，給出定量關(guān)系天氣學模式：通過經(jīng)驗規(guī)則的處理，給出定性關(guān)系統(tǒng)計模式：通過概率統(tǒng)計學處理，給出在統(tǒng)計意義上的定量關(guān)系常用的天氣預(yù)報技術(shù)方法有：天氣學預(yù)報方法統(tǒng)計學預(yù)報方法動力學預(yù)報方法天氣-動力預(yù)報方法天氣-統(tǒng)計預(yù)報方法動力-統(tǒng)計預(yù)報方法天氣預(yù)報分類：根據(jù)時效：0-2小時