第五章_3高空天气形势预报方程
第3篇第5章 天气预报与气象服务
第5章天气预报与气象服务1 天气预报1．1 新疆维吾尔自治区气象台自治区气象台是隶属于新疆维吾尔自治区气象局的正处级行政事业单位，成立于1956年1月，1989年气象台、通信台、气候资料室合并成立新疆气象业务中心，2000年新疆气象业务中心更名为新疆环境气象中心，对外发布天气预报、气候预测以及其他气象信息产品时,仍沿用自治区气象台的名称。
气象台内设四个科室：天气预报科，环境预报科，决策服务科，预报技术开发科。
天气预报科主要负责全疆及首府乌鲁木齐的中短期天气预报的制作与发布；环境预报科主要负责制作与发布乌鲁木齐的环境气象预报；决策服务科主要负责制作和提供为自治区人民政府防灾减灾、指挥生产等所需要的决策气象服务产品；预报技术开发科主要负责开发、研制、引进各种新的预报方法、预报工具等。
2004年自治区气象台的业务技术人员有28人，其中正研级高级工程师1人，高级工程师11人，工程师9人，助理工程师7人。
自治区气象台是全疆天气预报、环境气象预报、决策气象服务、气象灾情收集分发服务的预报业务中心，主要任务包括：负责制作并向公众发布全疆和乌鲁木齐的中短期及短时临近天气预报、重要灾害性天气警报、森林草原火险天气等级预报、地质灾害气象预报；负责制作并向公众发布乌鲁木齐的环境气象预报；负责加工制作全疆区域基本气象预报指导产品；负责对下级台站的预报业务技术指导；负责提供基本的决策气象服务产品；承担重大灾害性天气预报的后效跟踪评估；承担与预报相关的业务技术开发、研制、引进、升级、推广等工作。
（任宜勇、肖开提）1．2 天气预报时效天气预报是根据大气科学的基本理论和技术对某一地区未来的天气状况做出的分析和预测，是为经济建设和人民生活服务的重要手段。
世界气象组织对天气预报时效定义如下：①短期天气预报是指0～72h内的天气预报。
其中0～3h预报称为现时或临近预报；3～12h预报称为超短期或甚短期预报；②中期天气预报是指72h以上至10d的天气预报；③长期天气预报是指10d以上的天气预报。
数值天气预报第五章_原始方程模式
数值天气预报第五章_原始方程模式1.引言数值天气预报是指通过计算机模拟大气运动的数值模型，预测未来一段时间内的天气情况。
原始方程模式是数值天气预报的基本模型，它通过求解大气运动的基本方程，来模拟大气的运动和演化过程。
本章将介绍原始方程模式的基本原理和求解方法。
2.基本原理原始方程模式是基于大气运动的基本方程来描述大气的运动和演化过程的。
它包括连续性方程、动量方程、热力学方程和状态方程。
这些方程描述了大气中的质量、动量、能量和热力学状态的变化。
通过求解这些方程，可以得到未来一段时间内的大气状态，进而预报天气。
连续性方程描述了大气中质量的守恒关系，即质量在空间和时间上的变化率等于质量流入和流出的差值。
动量方程描述了质点在外力作用下的运动规律，包括质点的加速度和速度与质量和外力之间的关系。
热力学方程描述了大气中的能量变化规律，包括热量的传递、辐射和物理过程等。
状态方程描述了大气中热力学参数之间的关系，例如温度、压强和密度之间的关系。
3.求解方法求解原始方程模式需要使用数值方法，将连续的方程离散化为离散点上的方程，并通过迭代求解得到解。
求解方法包括有限差分法、有限元法和谱方法等。
有限差分法是最常用的求解原始方程模式的方法。
它将连续方程离散化成网格上的差分方程，然后通过迭代求解差分方程得到解。
差分方程的求解可以使用迭代算法，如雅可比迭代、高斯-赛德尔迭代和逐次迭代法等。
有限元法是一种将连续问题离散化为离散问题的方法。
它将连续方程离散化为有限数量的元素上的方程，然后通过迭代求解元素上的方程得到解。
有限元法适用于复杂的几何形状和不规则网格。
谱方法是一种基于特定函数的展开形式的方法。
它将连续方程以特定函数（如Trigonometric函数、Legendre多项式和Chebyshev多项式）为基函数展开，然后通过求解展开系数得到解。
谱方法适用于光滑的函数和边界条件。
4.模型评估在应用原始方程模式进行天气预报之前，需要对模型进行评估，以保证预报结果的可靠性和准确性。
第五章 天气形势及天气要素的预报
F F c F t t
在运动系统上选取一些特征 点或特性线，使得在这些点 上物理量的局地变化为零。 则这些点的运动速度可用下 式表达
Hale Waihona Puke C t xx运动坐标随着槽脊线一起移 动，在槽脊线上总有
p 0 x
用运动学方法预报气压系统的移动
槽（脊）线的移动速度
• 气旋反气旋中心的移动 • 系统中心移速C可分解为Cx和Cy
2P C x xt 2P x 2
P Cy 2x tg 2 tg Cx P 2 y
2
I为变压升度
y
2P yt Cy 2 P y 2
I C
x
θ为系统中心移动方向与x 轴（长轴）的夹角。 β为变 压升度与x轴的夹角。 当系统为正圆时θ=β
2P C xt 2P x 2
分子：变压升度 分母：槽脊的凹凸程度 对低压槽，槽前变高大于槽后 变高，槽后退。槽前变高小于 槽后变高，槽前进。 对高压脊，脊前变高大于脊后 变高，脊前进。脊前变高小于 脊后变高，脊后退。
大 小
变压 小
变压 p 大 t
• 两条定性规则： • 1 槽线沿变压梯度方向移动，脊线沿变压升 度方向移动。 • 2 槽线的移动速度与变压梯度成正比，与槽 的强度成反比。即在变压梯度相同的情况 下，强槽比弱槽移动的慢。
运动学方法
• 利用气压系统过去移动和变化所造成的变 高（或变压）的分布特点，通过运动学公 式，预报系统未来移动和变化的方法。
运动学方法
• 1、变压法 • 变压法常用来预报地面气压系统的变化。 通常用3小时变压和24小时变压。
运动学方法
• 1）气压系统移动的预报 • 任意变量F在固定坐标和运动坐标中局地变 化的关系式为
5.3高空天气图
注意：高空图上等高线的高度不是几何高度，是位势高度， 单位为位势米或位势十米。
TT—气温 HHH—等压面位势高度 T-Td—气温露点差 dd—风向 ff—风速
等高线：中国每隔40位势米分析一条；
英、美、日等国每隔60位势米分析一条；来自等 压 面 与 等 高 线
2、等压面起伏形势与水平气压场的关系 ――等压面的起伏不平现象，反映了等压面附近的水平面
上气压分布的高低情况。
等压面上等高线的高值中心对应邻近等高面上的高气压中 心，等高线的低值中心，对应邻近等高面上的低气压中心，
等高线密集的地方对应等压线也密集，水平气压梯度大。
等温线：中国每隔4℃；英、美、日等国每隔6℃
槽线：等高线曲率最大的连线。
西风带中槽的种类：竖、横槽；东风带中还存在倒槽。
切变线：风场不连续线。
等 压 面 与 等 高 线 高 空 温 压 场 配 置
▪ 在实际天气图上，判断温度平流的强弱指标： ▪ (1) 等高线的疏密程度； ▪ (2) 等温线的疏密程度； ▪ (3) 等高线与等温线的交角大小。
冷平流
暖平流
零平流
1、等压面起伏形势的表示方法 ――采用绘制等高线的方法来表示。
一组间距相同的等高面与等压面相交，交线既是 等压线又是等高线。
闭合等高线的高值区与等压面凸起部位相对应； 闭合等高线的低值区与等压面下凹部位相对应； 等高线稀疏处与等压面倾斜程度较小处对应；等 高线密集处与等压面倾斜程度大处对应。
天气学原理：第5章 天气形势及天气要素的预报1
第五章 天气形势及天气要素 的预报
§5.1 天气系统及天气形势的天气学预报方法 §5.2 气象要素和天气现象的天气学预报方法 §5.3 数值预报产品的释用
§5.1 天气系统及天气形势的天气学预报方法
NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SCIENCE & TECHNOLOGY
4.应用外推法应注意的问题
（1）大气运动处于相对稳定状态时，天气系
统的运动速度和强度变化通常是渐进的，且具
有连续性－－外推法比较有效。
（2）当大气处于显著变动时，或者大气运动
由相对地稳定的状态转为显著地变动的状态时
局地变化
平流变化
大气科学学院 王黎娟
NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SCIENCE & TECHNOLOGY
3. 用运动学方法预报气压系统的移动
在运动系统上，选取一些特定点或特定线，使得在这些点或线
上某要素在运动坐标系中的局地变化为零，即 则
δ δt
=
，
0
δ
=
∂
槽上： ∂ 2 H
∂x 2
>0
∂ (∂H )
∂2H
C
=
−
∂t ∂
∂x ( ∂H
)
=
−
∂x∂t ∂2H
∂x ∂x
∂x 2
若
∂ ∂x
( ∂H ∂t
)
<
0
，变高（压）沿X方向减小，则C>0，槽前进，
沿变高（压）梯度方向移动。
805天气学
南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试《天气学》考试大纲科目代码：805科目名称：天气学第一部分目标与基本要求一、目标：天气学原理与方法（天气学）主要内容是以天气动力学原理揭示大气运动的基本特征和用此原理论述天气系统及天气过程生、消演变规律的天气学原理及中国天气，为进一步学习动力气象学、低纬度天气动力学、中尺度天气学、大气环流及中长期预报，也为将来天气预报业务及研究工作打下基础。
二、基本要求：要求学生掌握有关内容基本概念、基本理论和基本方法，以便提高综合分析及解决问题的能力。
第二部分内容与考核目标第一章大气运动的基本特征1.了解大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义2.了解个别变化、局地变化、平流变化含义3. 会推导连续方程，了解质量散度、速度散度含义、表达式及其物理意义，4.了解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理5.理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子6.了解实际工作中高空分析等压面图而不分析等高面图（P坐标系的优越性）7.了解位势、位势高度、位势米、几何米概念8.理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示9.理解地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及掌握它的讨论10.了解正压大气、斜压大气概念；掌握热成风发生在斜压大气中11.了解地转风、梯度风及热成风实用意义12.掌握低压中心附近及其边缘，还有高压边缘等压线可以分析密大风经常出现，而高压中心附近不能有上述现象13.理解变压风及切向、法向地转偏差含义，要求会画图解释第二章气团与锋1.了解锋、锋面、锋线、锋区含义及锋倾斜原因2.了解冷性锢囚锋、暖性锢囚锋含义，要求会画出剖面图中锋位置及等温线分布3.了解以密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式物理意义4.理解锋附近温度分布特征及锋面附近气压、变压分布特征5.掌握锋面分析中，高空测风资料应用图2.27(a)(b)(c)6.了解锋生带（线）、锋生函数、锋生条件概念7.掌握锋生、锋消公式讨论第三章 气旋与反气旋1. 了解大气作水平运动、绝对涡度概念及理解 2h H ∇含义2. 理解大尺度系统运动中，固定点相对涡度变化可以用此点位势高度变化表示3. 掌握涡度方程、位势倾向方程及ω方程等式右端各项名称及画出有关图,用相关因子进行讨论4. 掌握在温带气旋发展中,动力因子(涡度因子)及热力因子对500hpa 高空槽及温带气旋变化,要求会画图解释5. 了解气旋族含义6. 了解北方、南方气旋活动范围及包括哪些气旋7. 掌握“倒槽锋生型”、“静止锋波动型”，要求画图解释江淮气旋生成过程第四章 大气环流1. 了解控制大气环流基本因子、了解三圈环流的形成2. 了解三圈径向环流、极锋锋区与副热带锋区及其对应急流概念3. 了解信风与季风概念4. 了解沃克环流含义5. 了解我国各季环流概况及主要天气天气过程特点第五章 天气形势及天气要素预报1. 理解运动学公式中t δδ及t∂∂含义，掌握用运动学公式推导锋面移速公式并会讨论冷锋、暖锋移速情况与变压分布特征2. 掌握用运动学公式讨论非闭合系统及闭合系统移动及强度3. 高空形势预报方程中，由于各层等温线平行，因此各层热成风方向相同，这样任意层风速 P p T V V AV =+注意理解A 的系数确定4. 掌握相对涡度平流在自然坐标系中展开分成三项，其中曲率项及散合项在实际天气图中会应用5. 掌握用高空形势预报方程有关项，结合等高线等温线分布解释500hpa 槽、脊变化6. 熟悉地面形势预报方程由哪几项组成，要求会讨论应用7. 掌握地形对低值系统(槽、低压)移动及强度影响8. 了解数值预报产品的“释用”第六章 寒潮天气过程1.了解极涡及上下游游效应含义2.了解长波波速公式的推导，会对该公式进行讨论3.会运用形势预报原理解释“小槽发展型”、“横槽转竖型”的寒潮短、中期过程第七章 大型降水天气过程1.理解水汽通量、水汽通量散度概念、表达式及物理意义2.了解中国及其各地暴雨有何天气系统影响3.熟悉我国东部雨带活动概况4.理解行星尺度、天气尺度系统对暴雨作用第八章对流天气过程1.了解飑中系统含义及飑线与冷锋区别2.理解对流性不稳定与条件性不稳定概念3.理解强雷暴发生发展有利条件第九章低纬度与高原环流系统1.熟悉西太平洋副热带高压变动与我国天气关系2.掌握南亚高压与西太平洋副热带高压区别3.掌握台风结构4.掌握台风发生发展第十章东亚季风环流1.了解季风的概念，了解东亚冬、夏季风环流系统的组成2.了解东亚季风形成的原因第三部分有关说明与实施要求1.考试目标的能力层次的表述本课程对各考核点的能力要求一般分为三个层次用相关词语描述: 较低要求——了解一般要求——理解、熟悉、会较高要求——掌握、应用一般来说,对概念、原理、理论知识等,可用“了解”、“理解”、“掌握”等词表述；对应用方面，可用“会”、“应用”、“掌握”等词。
天气原理第5章 -03 地面形势预报方程(ppt文档)
d
1 CP
dQ
dt
—— 23
地面形势预报方程
二、讨论23式——地面预报规则 1.平均层高度变化项
当
高空正涡度平流区（涡度平流+热成风涡度平流） 有利于地面气压下降——有利于地面气旋发展
当
高空负涡度平流区——地面气旋上升，有利于地面反 气旋发展
２.平均温度平流项 R ln Po V T gP
a)当 dQ 0 , T 0 , Ho 0
dt
t
t
非绝热加热，温度升高，地面气压下降——有利 于气旋发展
b)当 dQ 0 , T 0, Ho 0
dt
t
t
非绝热冷却，温度降低，地面气压升高——有利 于反气旋发展
天气图上： 冷的下垫面有利于地面反气旋形成，发展 暖的下垫面有利于地面气旋形成，发展
由于绝热变化项和非绝热变化项对温度平流项有抵 消作用，地面系统中心移速为500hpa风速的50～70％
３.绝热变化项
R g
ln
Po P
d
①大气呈稳定状态
②大气不稳定状态
天气图上: 气旋发展条件：1）不稳定；2）上升运动；3）水气充沛
４.非绝热变化项
R ln Po 1 dQ g P CP dt
H t
R g
t
T
ln
Po P
H t
R g
ln
Po P
T t
—— 21
由热流量方程
T t
V
T
d
1
CP
dQ dt
天气预报的原理和方法解读
2．气象要素预报： 主要包括温度、风、云、雾和降水 的预报。 根据天气形势预报的结果和各种天 气系统中天气分布的特点，结合各地 特殊的自然地理条件，气象要素的统 计规律来做出未来气象要素的变化情 况的推断。
诊断分析 诊断分析是天气学与动力气象学 逐步结合的产物，其主要任务是利用 实测气象资料计算出散度、涡度、垂 直速度、水汽通量、热量和能量等物 理量场，分析其空间分布和时间演变 特征，分析它们与天气系统发生演变 的关系。
涡度方程:
u v d f ( f ) v dt y x y
天气预报的历史沿革 看云识天气→根据物像来推测天气→ →单站预报→天气图预报→应用气 象卫星、 天气雷达→用计算机进行天气 预报。 伴随着科技的不断进步， 天气预报得 到了快速的发展。
天气预报的种类: 按预报时效可大致分为： 临近预报(1～2 小时) 甚短期预报(2～12 小时) 短期预报(12～48 小时) 中期预报(3～10 天) 长期预报(10 天以上)等；
第六章
天气预报的原理和方法
天气变化与人们的生产活动、 社 会活动、 军事活动以及日常生活都有 着十分密切的关系。 自古以来， 人们总是想方设法去 预测未来的天气变化， 利用有利的天 气，避开不利的天气，以减少不必要 的损失。
天气预报是根据气象观 (探)测资 料，应用天气学、动力学、统计学的 原理和方法，对某区域或某地点未来 一定时段的天气状况作出定性或定量 的预测。准确地预报天气一直是大气 科学研究的一个重要目标。
云、雾和降水的预报 对云雾的预报航空和交通部门要 求更高。 降水的预报目前都认为难度很大， 特别是中小尺度的降水， 其强度和落点 都较难报准， 通常要配合统计方法进行 预报。给出降水的概率。
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—— 18
18与14式同理讨论，等高线
等温线 温度场对高度场的影响
H V T T t
天气图应用 发展槽脊的温压场配置——温度槽脊落后于高度槽脊 相对涡度平流使槽脊东移
热成风涡度平流使槽脊发展
第3节 高空天气形式预报
一、基本方程
取简化的涡度方程：
u v V f f 0 —— ⑥ t x y
V f f 0 —— ⑦ t P
设各层等温线平行——各层之间热成风方向相同
V V AV T
—— ⑧
其中 V 为平均层风速； 为平均层热成风 A为系数 平均层上 A = 0 平均层以下 A＜０ 平均层以上 Ａ＞０
取涡度
AT
将⑧，⑨式代入⑦式，并积分
p0 ( A T ) dp (V AVT ) ( f A T )dp 0 0 t p0 f dp 0 p
9.8 H f n
— 11
— 12
— 13
将11，12式代入13式得到：
9.8 H V f n
2
V s K sV n
V K s 2V K s s V s n— 14 s
b)
不对称汇合槽脊——减弱槽脊
c)
对称槽脊——无发展（强度不变）
d)
槽脊前散开，槽脊后汇合，槽脊移动迅速
槽脊前汇合，槽脊后散开，槽脊移动缓慢或西退
②曲率项——
H K s n s
——等高线梯度：
H 0 n
K s 0 ，曲率涡度沿气流方向增加 s K s 0 ，曲率涡度沿气流方向减小 s
p0
VT
—— ⑨
取 平 均
2 ∴ V f V A V T T t
—— ⑩
说明：a）平均层在600hpa左右，以500hpa代替 b） （经验值） c）热成风涡度平流小于相对涡度平流，更小于地 转涡度平流，但斜压性重要
换成地转风形势 ：
g h 热成风 VT f n
热成风涡度
h：1000~500hpa厚度
— 15
V T T K s VT n
2 T A V T T A V T s
2
— 16
热成风涡度平流
— 17
将15式代入16 ，17式得到
K s 2VT g h VT V T T K s VT f n s s s n g h 2h h K s 2 h K s f n sn n s s n
g t
Vg ( f g ) 0.6V T T
—— ⑩高空形势预报方程
平均层上的涡度局地变化取决于： 1）该层涡度平流 2）热成风对热成风涡度平流（简称热成风涡度平流）
二.讨论⑩式——预报规则 1.左端项：
2.地转涡度平流
∵ f>0,
g t
气旋性涡度增加
H 0 即等压面位势高度降低 t
H 0 当 Ks sn
2
等高线呈气旋性曲率沿气流方向汇合
等高线呈反气旋性曲率，沿气流方向散开
V 0
0 t
反气旋性涡度增加
H 0 即等压面位势高度升高 t
天气图上的应用
a)
不对称疏散槽脊——发展加强槽脊
H K s 当 0 n s
， ， ， 曲率涡度沿气流方向减小，有正曲率涡度平流， 高度降低——槽前
V 0
H K s 0 当 n s
V 0 ， ，
，
曲率涡度沿气流方向增加，有负曲率涡度平流， 高度升高——槽后
③疏密项——
—— 等高线梯度
H 0 等高线梯度沿气流方向增大——等高线沿气 sn
2 2
流方向散开 H 0 等高线梯度沿气流方向减小——等高线沿气 sn 流方向汇合
H 0 当 Ks sn
2
等高线呈气旋性曲率，沿气流方向散开
等高线呈反气旋性曲率，沿气流方向汇合
V 0
0 t
，等高线密集程度沿n方向减小，产生正切变涡度 ，等高线密集程度沿n方向增大 ，产生负切变涡度
当
， 切变涡度沿气流方向减小，有正的切变涡度平流， 高度降低
V 0 ， ， V 0 ， ，
当
，
切变涡度沿气流方向增加，有负的切变涡度平流， 高度升高
4.热成风涡度平流（温度场）自然坐标系
f V y
∴
天气图应用——长波 对南北向槽脊，地转涡度平流使槽脊西退 对东西向槽脊，槽脊西部加强，东部减弱
3.相对涡度平流（自然坐标系） 涡度表达式
地转风表达式
相对涡度平流
V K sV n 9.8 H Vg f n V V s
9.8 H 2 H H K s 2 H Ks 2 f n s n n s s n
①散合项——
H Ks sn
2
K s 0 气旋性曲率 K s 0 反气旋性曲率
H 0 ——等高线梯度 n