第五章3高空天气形势预报方程
178-实验 实训 实习-高空形势预报方程在预报上的应用实习
第五章实习一、实习目的：高空天气形势预报方程的应用二、实习内容：应用高空天气形势预报方程中的地转涡度平流，相对涡度平流（散合项、曲率项、疏密项），热成风涡度平流在2012年10月31日-11月4日500hPa高空图中的应用。
三、天气图分析：2012年11月3日到4日，北京遭遇“冬半年”历史最大暴雪，北京市降水量平均值超过50毫米，降水量超冬半年历史极值，致京藏高速八达岭路段严重积雪。
在此次暴雪之前，10月31日500 hPa高空图上，在巴尔喀什湖以东有一东北西南向的高空槽，槽后为强西北气流，槽前有强西南气流，地转涡度平流使得此槽将加强，，巴尔克什湖附近有强的温度脊，高度槽处在温度槽的槽前，温度脊的脊后，高度槽处有强的正热成风涡度平流（，热成风涡度平流也使得次槽将加强。
此槽槽前等高线汇合，槽后等高线发散，散合项使得此槽西移，而槽前有正的曲率涡度平流，槽后有负的曲率涡度平流，曲率项使得此槽东移，散合项和曲率项的共同作用使得此槽缓慢旋转东移。
11月1日，此槽明显加深，但仍然处在巴尔克什湖以东，温度场振幅大于高度场振幅，冷中心位于槽底，此槽将加深。
强度增强将使得它移动缓慢，但槽前疏散，槽后汇合，散合项使得此槽移动加速，由南向北出现阶梯槽。
11月2日，槽分裂为南北两支，位于我国内蒙的南支槽，槽后有强的冷中心，热成风涡度平流使得此槽将一步加强，此槽为短波槽，地转涡度平流影响较小，曲率涡度平流将使得此槽移动加快，而且槽前疏散，散合项也使得此槽移动加快。
11月3日，此槽发展成冷涡，冷中心和涡度中心中心基本重合，涡旋的中心就在华北地区上空，预示此槽将进一步加强，由于出现闭合中心，槽前后的相对涡度平流（曲率项）减弱，使得此冷涡移动缓慢，影响的时间加长，冷涡前部有比较强的偏东南的气流，此偏东南气流将我国渤海、东海、黄海地区的水汽向华北输送，产生了比较强的降水。
天气原理第5章 -06-数值预报产品释用(ppt文档)
1. 数值预报产品的定性应用方法 2 数值预报产品的定量应用方法
1 数值预报产品的定性应用方法
定性应用数值预报产品制作天气预报，实际上就是把天 气学理论和天气图预报方法进行移植和扩展。不同于传统天气 预报方法的是，将对前期和现时实况天气图的时间、空间分析 延伸到了未来(利用了数值预报结果)，并把传统天气图方法中 对气压场、高度场(风场)及温度场、湿度场的分析和预报扩展 到对物理量场的分析和预报，我们把这种分析预报过程称之为 “纵横分析”。在形势分析、预报的基础上，与天气学方法相 应的一些具体预报方法也可用于数值预报产品的应用。
PP法由于应用了数值预报结果，其预报精度一般可高于由前 期因子报后期状态的经典统计预报法(Classic Statistics，简 称CS)。又因它可利用大量的历史资料进行统计，因此得出的 统计规律一般比较稳定可靠。它可以利用不同的数值模式的 输出产品进行预报，且随着数值模式的改进，PP法会自动地 随之提高预报准确率。且由于数值模式改动时，事先建立的 统计关系不会受到影响，因而不会影响业务工作的连续进行。
目前用得最多、效果较好的统计动力预报法主要以完全预报 (Perfect Prediction，简称PP)法和模式输出统计(Model Output Statistics，简称MOS)预报法为代表。后来，人们在实践中发现， 把预报员的经验、诊断量与模式输出产品相结合(称为MED方 法)，预报的效果可更好，从而以此为思路产生了相应的一些综 合预报方法。
用传统的相似形势法作气象要素预报，要在事先用历史资 料把各种天气出现时的地面或空中形势归纳成若干型天气－气 候模型，并统计各型的相似天气过程与预报区天气的关系。作 预报时；只要根据当时的天气形势及其演变特点，找到历史相 似天气型，即可作出相应的天气预报。
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
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。
湘教版(2024)七年级地理上册第五章第一节《天气与天气预报》参考课件
1 天气和气候 每天当你走出家门，最先感受到的是什么？
天气
某个地方距离地表较近的大气层在短时段内的具体状况。
1 天气和气候
思 如何描述天气状况？天气有何特点? 考
天气状况可以这样描述
晴、雨、气温高，气温低、风力大 ，风力小……
突出 特点
短时间
日、夜、午、时
1 天气和气候Leabharlann 晴天降雪沙尘
大雨
1 天气和气候 天气
【例3】下图为南充市2020年6月某五天的天气预报图，其中阴转多云的日期是（ ）
2 天气预报和常见的天气符号
风向：风吹来的来向 风杆
北
风尾
西
东
每一条风尾代表风力2级
南 东北风 6级
旗子 表示 八级风
2 天气预报和常见的天气符号
西北风（7级）
北风（4级）
西风（5级）
西南风（6级）
南风（2级）
东北风（8级） 东风（6级）
--可吸入颗粒物 -可吸入颗粒物
空气质量级别 Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ
空气质量状况 良 良 良 优 优 良 优 良
1.天气和气候的区别是：
背诵要点
天气：短＿时＿间＿的＿、＿多＿变＿的，时间词语＿日＿、＿夜＿、＿午＿、＿时＿。如乌云密布、电闪
生活指数预报，如人体舒适度、穿衣指数、紫外线指数、洗车指数等。查阅 相关资料，举例说明这些指数给我们生活带来了哪些便利。
P85活动④ 图5-5反映了世界主要城市某日的天气预报信息。试以天气预
报员的身份，模拟播报这些城市的天气状况。
北京小雨， 最高气温 9°C，最低 气温6°C。
【例1】下列常用的天气符号中，表示小雨的是( ) 【例2】下列天气符号表示沙尘暴的是( )
《天气学原理》课程教学大纲
《天气学原理》课程教学大纲课程名称：天气学原理英文名称：Principle of Synoptic Meteorology学分：4 总学时：57 理论学时：46 实验（上机）学时：11适用专业：大气科学一、课程的性质、目的天气学原理是研究不同尺度的天气系统和天气现象发生发展及其变化的基本规律，并利用这些规律来预测未来天气的科学。
该课程是大气科学专业本科生的重要专业基础课程和主干课之一，属于专业核心课程。
该课程侧重理论教学，主要介绍天气学的经典理论：大气运动的基本特征、锋面理论、气旋与反气旋、大气环流概况、天气系统和天气形势的天气学预报方法。
通过本课程的学习使学生掌握天气学预报的基本原理、基本概念和基本分析方法。
二、教学基本要求通过学习“天气学原理”课程，学生应掌握天气学预报的基本原理和基本概念，掌握天气系统多维结构的建立，以及天气学理论和具体天气过程、天气系统的相互融合，掌握天气学预报的基本分析方法，具有推导基本方程和公式的能力，初步做到利用天气学原理的知识解释和分析基本天气事实，并为后续专业课程的学习和今后的业务与科研工作奠定坚实的理论基础。
三、课程教学基本内容第1章大气运动的基本特征1、教学内容1.1旋转坐标系运动方程及作用力分析熟练掌握大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义。
1.2控制大气运动的基本定律理解个别变化、局地变化、平流变化含义，熟练掌握质量散度（质量通量散度）含义、表达式及其物理意义。
1.3大气尺度系统的控制方程理解尺度分析含义、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，理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子。
1.4“P”系统中的基本方程组掌握P坐标系的优越性，掌握位势、位势高度、位势米、几何米概念，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。
1.5风场和气压场的关系熟练掌握地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及有关讨论，并会应用。
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天气图上的应用 a) 不对称疏散槽脊——发展加强槽脊
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 Ks n s
H 0 ——等高线梯度： n Ks 0 ，曲率涡度沿气流方向增加 s Ks 0 ，曲率涡度沿气流方向减小 s
换成地转风形势 ：
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 V f
t
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
相对涡度平流使槽脊东移 热成风涡度平流使槽脊发展
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 气旋性涡度增加
t
H 0 即等压面位势高度降低 t
当
Ks
2H sn
0
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 反气旋性涡度增加
t
H 0 即等压面位势高度升高 t
第3节 高空天气形式预报
一、基本方程
取简化的涡度方程：
t
V
f
f0
u x
v y
—— ⑥
t
V f
f0
P
—— ⑦
设各层等温线平行——各层之间热成风方向相同
V V AV T
—— ⑧
VT
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
—— ⑨
将⑧，⑨式代入⑦式，并积分
p0 ( AT ) dp
0
t
p0 0
(V
AVT
) (
f
AT )dp
f p0 dp
0 p
取 平 均
∴
t
V
f
V
2
A VT
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
3.相对涡度平流（自然坐标系）
涡度表达式
KsV
V n
地转风表达式
Vg
9.8 f
H n
相对涡度平流 V V
s
将11，12式代入13式得到：
— 11 — 12 — 13
V
9.8 f
H n
s
K
sV
V n
9.8 f
H n
K
14
2
9.8
f
H n
Ks
当
V 0
，
，
，
切变涡度沿气流方向减小，有正的切变涡度平流， 高度降低
当
V 0
，
，
，
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
热成风
VT
g f
h n
h：1000~500hpa厚度
— 15
热成风涡度
T
KsVT
VT n
— 16
热成风涡度平流
2
A V
T
T
2
A VT
T
s
— 17
将15式代入16 ，17式得到
V T
T
g f
h n
K
s
VT s
VT
Ks s
2VT sn
g f
2
h n
Ks
2h sn
h n
K s s
s
2h
n
—— 18
18与14式同理讨论，等高线
V T
T
H t
等温线 温度场对高度场的影响
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
当
H n
Ks s
0
V 0
，
，
，
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
当 H Ks 0 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
，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
2H sn
H n
Ks s
s
2H n2
①散合项——
Ks
2H sn
Ks 0 气旋性曲率 Ks 0 反气旋性曲率
H 0 ——等高线梯度 n
2H 0 sn 2H 0 sn
等高线梯度沿气流方向增大——等高线沿气 流方向散开
等高线梯度沿气流方向减小——等高线沿气 流方向汇合
当
Ks
2H sn
0