考研專業(yè)課-天氣學(xué)第五章丁

§5.1§5.1天氣系統(tǒng)及天氣形勢(shì)的天氣學(xué)預(yù)報(bào)方§5.2氣象要素和天氣現(xiàn)象的天氣學(xué)預(yù)報(bào)方§5.3數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的釋統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)報(bào)方動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)方0-2小 預(yù)2-12小 甚短期預(yù)12-48小 短期預(yù)3-10 中期預(yù)10天以 長(zhǎng)期預(yù)§5.1氣系統(tǒng)及天氣形勢(shì)天氣形勢(shì)是指大范圍流場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、溫度場(chǎng)三度空間的分布形勢(shì)。它包含了大范圍的環(huán)流及環(huán)流形勢(shì)的各個(gè)天氣系統(tǒng)。天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)各種天氣系統(tǒng)的生消、移動(dòng)和強(qiáng)度變化。是氣象要素預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。形勢(shì)預(yù)報(bào)方法天氣學(xué)方 數(shù)值預(yù)報(bào)方一、天氣系統(tǒng)的外推預(yù)報(bào)2.加速外推：2.加速外推：假定系統(tǒng)的移動(dòng)速度和強(qiáng)度的變化接近等加速狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)的移動(dòng)距離或它的強(qiáng)度與時(shí)間成曲線關(guān)系，外推時(shí)要考慮加速情況。加速外槽線移速和強(qiáng)度的外應(yīng)用外推法應(yīng)注意的問１運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系中局地變化的關(guān)系１運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系中局地變化的關(guān)系固定坐標(biāo)系：水平面上固定于地表的坐標(biāo)系。設(shè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為固定坐標(biāo)系中空氣V

V質(zhì)點(diǎn)個(gè)別變 固定坐標(biāo)系局地變

dduv固定坐標(biāo)系dd（dt

V

移動(dòng)坐標(biāo)系d（dt

t

C)

系統(tǒng)相對(duì)于地表以速度C做水平運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度

V

(V

C)

因：（ddt

ddt所以：（1）右端=（2）右

C

C

２用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法預(yù)報(bào)氣壓系統(tǒng)的移使得在這些點(diǎn)或線上某一物理量在運(yùn)動(dòng)系中的局地變化為零

系統(tǒng)系統(tǒng)移Cx軸與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向一致

C天氣系基本特槽 2 x 脊 2 x 低壓中 0, 2 2x 0,y 高壓中 0, 2p 2px 0,y 鋒 某一物理量為零的系 （１）槽（脊）線的移槽（脊）槽（脊）線上H)Cx

22x2

;或Cx

22x2槽脊強(qiáng)槽脊移動(dòng)的兩條定性規(guī)則（變高）梯度方向移動(dòng)，脊變壓（變高）梯度相同時(shí)，槽（脊）強(qiáng)，移動(dòng)越慢（2）氣旋和反氣旋中心的移在高低壓中心

0,

(P)22Cxxt,2x2y2y2CC2Cxy

CyCx

2P2P

2Py22Px2

CyC

2Px22P

II

2Px22P

y2

y22P2x2y,2P2Py2x20,對(duì)于圓形高低對(duì)于橢圓形高系系統(tǒng)移動(dòng)的兩條定性規(guī)a.圓形高(低壓（梯度）方向一致，高壓中心向變壓升度方向移動(dòng)，低壓中心向變壓梯度方向移動(dòng)高低壓系統(tǒng)移動(dòng)的兩條定性正圓形低壓(高壓）中心沿變壓梯度（升度）方向移動(dòng)橢圓形的高壓（低壓）與變壓升度（梯度）之間方向，長(zhǎng)軸越長(zhǎng)越接近于長(zhǎng)pppCPppxpy對(duì)于低壓（高壓）中心p0,ppPP ，氣旋加深，反氣旋將減PP填塞，反氣旋將加對(duì)于槽線（脊線H ， ， ++——+仍然是外推法，只能用于大氣處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)公式未考慮系統(tǒng)加速度，一般是加深的槽（加強(qiáng)的脊）移動(dòng) 填塞的槽（減弱的脊）移動(dòng)是加速運(yùn)用形勢(shì)預(yù)報(bào)方程，求出瞬間變壓，進(jìn)行預(yù)報(bào)三高空天氣形勢(shì)預(yù) 思路：利用基本方程，估計(jì)瞬時(shí)的

之后運(yùn)用上節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)則，估計(jì)天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和移動(dòng)。基本基本方程考慮大氣斜壓性的平均層渦度基本計(jì)算方法0則H0則Hg

f

2H(x2

2Hy2

2H(x2

2H y2)

f

2H 9.82 9.8H

g

1f

2

(k

l2)2

9.8(k

l2)

(k

l2

9.8

即

（一）高空形勢(shì)預(yù)報(bào)的基本由簡(jiǎn)化渦度方程V(f)fV(fVgVg1Vg1VgVgVVAA(p),A平均層A平均層以上A平均層以下App0處A壓性密切相關(guān)，因而要引進(jìn)一個(gè)考慮大氣斜壓性的基本方程平平均考慮大氣斜壓性考慮大氣斜壓性 V

AT

間的熱成代入簡(jiǎn)化渦度V(f)f從p0到大氣層頂積分，后對(duì)其求平pp0(AT)dpp

0 fp0

(V

)(

AT

可(T)V)(f)p0Tp0AA0,VT、T、，V與p,p0VVVV

(

)

AT AVT(f)AVTAT

(

)VTT

AT A(

)

T

(

)

TT

T據(jù)統(tǒng)

A

： ：

(

T設(shè)大氣是準(zhǔn)地轉(zhuǎn) t

(

g

T

（二）基本方程的討論1.（5.19）表示平均層上渦度隨時(shí)間的局地變化等于平均層上的絕對(duì)渦度平流與熱成風(fēng)渦度平流之和。實(shí)際是大致平行；地轉(zhuǎn)風(fēng)近似；地面垂直速度等于零等。平均層接近600hPa，但用500hPa近似代替熱成風(fēng)渦度平流作用很重要，渦度平流和熱成風(fēng)渦度平流是天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的主要因子（三）（三）

(

g

T Vggvg

T地轉(zhuǎn)渦度平流

結(jié)偏南氣流，有負(fù)地轉(zhuǎn)渦度平流，正變高；偏北氣流，有正地轉(zhuǎn)渦度平流，負(fù)變高對(duì)短波而言（L<3000km），相對(duì)渦度平流比轉(zhuǎn)渦度平流大得多，所以相對(duì)渦度平流對(duì)短波的發(fā)生發(fā)展和移動(dòng)的作用比地轉(zhuǎn)渦度平流要大得多VKVKVs VV

V將(1)式代入: V(K

Ks

g

P

111 f

9.8

fy

fxgggg A gKg(KVAg

Ks

g)g

sg

Ks

2H)f

n2散合 曲率 疏密：注：m9.80f即Hfm09.8

9.8

2H

H

2H

n(Ks

sn

s

n2散合 曲率 疏密（1）疏密方向變化的作用，即切變

2Hs

度沿氣流方向

A點(diǎn)，V沿n的向減BV沿n的方根據(jù)實(shí)際計(jì)算，此項(xiàng)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(xiàng)和曲率項(xiàng)的作用一般同時(shí)存在，兩項(xiàng)之和為疏密項(xiàng)的2～5倍，在很多情況下，一般著重討論其他兩項(xiàng)Ks2H對(duì)對(duì)槽2H2H0 HKs2HHKs2HKssn各項(xiàng)對(duì)槽脊發(fā)展的貢散合項(xiàng)對(duì)槽脊的發(fā)展有貢獻(xiàn)結(jié)論結(jié)論（減弱的 結(jié)論槽（脊）前疏散槽（脊）后疏散，則槽（脊）移動(dòng)迅速；槽（脊）前匯合槽（脊）后匯合，則槽（脊移動(dòng)緩慢（四）（四）1.熱成風(fēng)渦度平流是對(duì)平均層渦度守恒的修正

T

TT

0,0,則

0，有 0，有HT

g0

g2(Z

Z0)

g2hf

f

2hz1

或

H0

h

Vg0

gfk(z1

z0)

f

k(H1

H09.8

jf

hy

f

h'n''

f

比

1

9.8 T

g2hf

g

g2Z

f

9.8 T

f

2h

f

2H

T

9.82f2

2hn2

Vg

f

kh

kT

T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(fēng)渦度平流。由于在推導(dǎo)方不隨高度變化，則大致可以用500hPa或700hPa等溫線近似代替等厚度線看熱成風(fēng)渦度平流。在在溫度槽（冷舌）處熱成風(fēng)渦在溫度脊（暖脊）處熱成風(fēng)渦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(dòng)趨勢(shì)，熱成風(fēng)渦度平流反映了大氣的斜壓性作用，因此要考慮熱成風(fēng)渦度平流的作用。當(dāng)溫度 于高度槽時(shí)，溫度槽前當(dāng)溫度脊于高度脊時(shí)，溫度脊前的負(fù)正熱成風(fēng)渦度平流輸送到高度槽中，槽加 一般是在高空形勢(shì)預(yù)報(bào)方程的基礎(chǔ)上訂正。（一 地面天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)的基本方HHhHH0或H0HH0HH0

p0T T

1

T

)cp

H0

H

p

1dQ

VT

)cp

dln取平均值，得地面形勢(shì)預(yù)報(bào)基

R

p0

1dQ

p

VT

)cp

dt平均層度變化 平均冷平流

熱變（二）基本方程的討右端第一項(xiàng)平均層高度局地變化項(xiàng)：包含渦度平流和熱成風(fēng)渦度VVVV

0,則0,則

H0 H0

TT

0,0,

H0H0方向輸送，使槽線上正熱成風(fēng)渦度增加，反映正相對(duì)渦度增加，槽線處等壓面高度降低，氣旋性曲率

0 0

Rln 1 pcp 經(jīng) ，非絕熱加熱作用對(duì)鋒面氣旋的成不起重要作用，而對(duì)冷高壓和熱低壓來說是其形成的主要因子dQdQ0，則H0dQ0，則H0 冬季內(nèi)陸湖泊處易有氣旋生成冬季西伯利亞一帶易于冷性反氣生成，往往成為冷高壓生成或加強(qiáng)的源33H0Rp0tp(d一般大氣處于穩(wěn)定狀

0,H0 氣旋上空大氣處于不穩(wěn)定

)0,H0負(fù)反饋和正反對(duì)于穩(wěn)定大氣，氣旋中的上升運(yùn)動(dòng)和反氣旋中的下沉運(yùn)動(dòng)都對(duì)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(fù)反饋?zhàn)饔?在不穩(wěn)定大氣中，氣旋中的上升運(yùn)動(dòng)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?zhàn)饔闷骄鶞囟绕搅鳌龑?dǎo)氣流0H0

R

p0(VpV

T反映平均層以下的平均也是冷（暖）平（暖）平流降（升）溫，氣柱收縮（膨脹地面等壓面抬升（降低 pp9.8hhHHphp

dln

RTdlnlnp0

H

p

0

ln0

Tt

VV

TVh 2(Vg

Vg

Vg0 0

)h

Vg

)hVg

hug

h

vg 2

0 g0

h

vg

Cx

x

2 x

(f

h

f

x 2

2h (

2 x

2

2h(

x

Cx

9.8

Cy

9.8h

C速度與熱成風(fēng)相等，而地面系統(tǒng)中心上對(duì)低壓系統(tǒng)，移動(dòng)方向偏右，對(duì)高壓系統(tǒng)，對(duì)低壓系統(tǒng)，移動(dòng)方向偏右，對(duì)高壓系統(tǒng)，移動(dòng)方向偏左。移動(dòng)速度低于平均層風(fēng)11

cos

V0cos

V0z0pp0

0

z0p0 0p0

0

z0由公式可看出：當(dāng)山的坡度越大，水平風(fēng)速越由公式可看出：當(dāng)山的坡度越大，水平風(fēng)速越大，垂直運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)2

gz

fv

造

gz

fu

垂 略運(yùn)

、 0gz

fv

0gz

fu

00

2 2

vu

zx u

g

zx

zx pF pF0

k kf

zzpF pF0

gkfk

z摩擦層z垂直速

地形造垂直速

地面摩應(yīng)力向 pF pF0

g0CD p p0

g0CD 0

0gK000gK00地面實(shí)際風(fēng)渦度為正的地區(qū)有上升運(yùn)動(dòng)，反之有下沉運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)33 由5.1）式積分

pF

p0后得

(p0

(

0.6VTTpFp

0;H0;H物理pF0f0

AT)dp

F(A

)(

AT

p0 p0 摩擦層頂?shù)拇怪彼俣茸畲笈c摩擦力的關(guān)背風(fēng)氣旋發(fā)迎風(fēng)坡地形脊，背風(fēng)坡地形槽發(fā)高原南北兩側(cè)西風(fēng)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(qiáng)度減弱移速加快，脊移到高原北側(cè)強(qiáng)度加強(qiáng)，速度減慢高原的摩擦作摩擦作用總是使得系統(tǒng)強(qiáng)度減弱，系統(tǒng)越強(qiáng)，強(qiáng)度減弱越快摩擦作用對(duì)氣旋影響較大，對(duì)反氣旋影響較小VKs

Ks

0,V

地形和下墊面的摩擦作用所造成的垂直運(yùn)動(dòng)越到高空越弱，造成的渦度局地變化低層大于對(duì)比大六、鋒的移動(dòng)預(yù)鋒面移速取決于鋒面兩側(cè)風(fēng)速垂直于鋒面的分量大小以及風(fēng)向我國(guó)冷鋒在北方鋒移速冬季季次季又次之,夏季外推 順時(shí)外延，結(jié)合地氣壓場(chǎng)流場(chǎng)穩(wěn)定，地形平坦，外推效果好氣壓場(chǎng)流場(chǎng)穩(wěn)定，地形不平坦，要充分考慮地變壓

t(L

t(L

)c

cfycf

c

g(L

N

tgtg0,LN,c0tgtg0,LN,c鋒面（冷鋒、暖鋒）總是向變壓較小的方向移動(dòng)，移速大小與鋒前后變壓差值成正比PL和PL和使用變壓法注意的問三小時(shí)變壓受溫度平流、輻合輻散日變

和

是瞬時(shí)變壓但用三小時(shí)變壓代替，時(shí)效不增大，說明鋒面在加引導(dǎo)氣流地面鋒線沿700hPa或500hPa等壓面上的氣流方向移動(dòng)，移速與垂直鋒面的風(fēng)速成比例上說700hPa或500hPa等壓面上的氣對(duì)地面鋒有引cVasin地面氣壓場(chǎng)對(duì)鋒面移動(dòng)的影地形對(duì)鋒面移動(dòng)的影驗(yàn)預(yù)報(bào)相似形勢(shì)天氣學(xué)模式統(tǒng)計(jì)資料預(yù)報(bào)指標(biāo)24小時(shí)變壓、變高和變溫的應(yīng)八 云圖在天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)根 云圖尋找天氣系統(tǒng)移動(dòng)的指九、用天氣學(xué)方法作形勢(shì)預(yù)報(bào)的一般程形式預(yù)報(bào)規(guī)則：五流、三變、周、史、地、推以及 云圖形勢(shì)預(yù)報(bào)程對(duì)歷史狀 研大氣模式：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(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)處理，給出定量關(guān)系天氣學(xué)模