第五章 2天气系统的运动学预报法
第五章：天气
分类： 分类：按形 成和热力结 构分为冷性 反气旋和暖 性反气旋 冷性反旋： 冷性反旋： 冷高压） （冷高压） 中高纬度大 陆冬半年最 多，寒潮天 气。
暖性反气旋： 暖高压）副热带高压洋面上。 暖性反气旋： （暖高压）副热带高压洋面上。
影响我国： 影响我国：西太平洋高压 （西太平洋高压脊） 西太平洋高压脊）
特点： 特点：
流场特点： 流场特点： 北半球摩擦层中， 北半球摩擦层中， 逆时针向内辐合 上升， 上升，多云雨天气
上升气流
地面
分类：
1、无锋面气旋 热带气旋； （1）热带气旋； 地方性气旋： （2）地方性气旋： （3）冷涡 锋面气旋： 2 、锋面气旋： 分为四个阶段 形成（波动）阶段： （1）形成（波动）阶段： 发展成熟阶段：（ ：（3 锢囚锋阶段：（ ：（4 （2）发展成熟阶段：（3）锢囚锋阶段：（4）消 亡阶段： 亡阶段：
分类： 分类：1 、形势预报和气象要素预报 2 、短、 中、 长、 超长期预报 预报方法： 天气图预报： 气象观测、 预报方法： 1 、天气图预报： （气象观测、
资料的传递和填图、天气分析与预报） 资料的传递和填图、天气分析与预报） 填图
数值预报： 2 、数值预报： 模式预报： 3、 模式预报：
天气预报影视
按气压形势： 按气压形势：高压 流场： 流场：气旋 温度：高温区 温度：
低压 反气旋
脊
槽
切变线 锋区
低温区
天气现象： 天气现象：雷暴 热带云团系统
气团： 一、气团 水平方向上
物理性质比较均匀而范围 较大的空气。 较大的空气。 物理性质：温度 湿度 和大气稳定度 物理性质： 范围： 范围： 水平：几百到几千公里。 水平：几百到几千公里。 垂直：几公里到十几公里。 垂直：几公里到十几公里。 同一气团内：物理性质变化很小。 同一气团内：物理性质变化很小。5-7度/1000KM 不同气团过渡带：10-15度/50不同气团过渡带：10-15度/50-100KM
天气预报的原理和方法
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。
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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；
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风的预报：
考虑风的变化与气压系统及锋面 的关系、地形对风的影响、热力环流的 作用（如海陆风、山谷风等）。
一般将平均风速达到 6 级（10.8－ 13.8 米/秒）以上的风称为大风。它对 航运、渔业生产和军事活动影响很大， 所以大风预报是风的预报的重点。
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温度的预报
特别注意灾害性的气温（霜冻、持 续性的高温或低温）的预报 考虑因素：
一. 天气图
分为： 地面天气图 高空天气图 辅助图表
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图 9.1 地面天气图
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图 9.2 高空天气图
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高空天气图
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利用天气图并根据天气学原理可 以分析这些天气系统和天气区的变化 趋势，移动方向和速度。进而预报各天 气系统未来的位置，强度以及对各地天 气变化的影响。
天气形势预报是天气预报的基础
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1.天气形势预报： 大范围环流，高低气压系统（高
空的长波槽、脊和地面气旋、反气旋） 和锋面等的预报。
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在中纬度，天气形势预报包括：
西风带的强弱，位置的变化； 长波槽脊的强度和移动方向、速
度； 地面气旋、反气旋强度的变化和移
第五章 2天气系统的运动学预报法
b) 脊线 当 ，C>0，脊东进
<0:
当
，C<0，脊西退
所以槽线沿变压梯度方向移动，脊线沿变压升度方向移动 2）槽（脊）线的移动速度与变压梯（升）度成正比 与槽（脊）强度成反比。
三.气旋和反气旋中心的移动预报 气旋和反气旋中心的移动预报
1.移动公式 设高低压为椭圆，x轴为长轴，y轴为短轴 取运动坐标系原点随高、低压中心移动，移速为 则高、低压中心 ，
四、气压系统强度预报
由③式有
低压中心或槽线上出现负变压，系统加强；反之减弱 高压中心或脊线上出现正变压，系统加强；反之减弱
分别带入③式
∴
同理有
系统中心移速公式：
系统移动方向与x轴夹角
其中
，
为变压升度I沿x轴、y轴的分量，
为变压升度与x轴的夹角
2.预报规则 ①正圆形系统：
正圆形的高（低）压沿变压的升度（梯度）方向移 动，其移动速度与变压升度（梯度）成正比，与系统强 度成反比
②椭圆形系统：
椭圆形高压（低压）的移动方向介于变压升度 （梯度）与长轴之间，长轴越长，越接近于长轴，其 移动速度与变压升度（梯度）成正比，与系统强度成 反比。
dF δ F → → = + V − C ⋅∇F δt dt
——②
①－②得到：
=
——③
如果取x轴与系统移动方向一致， 线上某物理量为零
=0运动系统中的特性点，
则③式改写为
0=
——④
③ 、④式即为系统移动的运动学公式
二、槽脊线的移动预报
1、移动公式：取运动坐标系随槽脊线移动，x轴与运 动槽脊方向一致 则槽脊线上 ，
第二节
天气系统的运动学预报方法
166-演示文稿-天气系统的运动学预报法ppt
并取 X 轴与系统运动方向一致，则
系统移动
的运动学 公式
Cx
t
x
运动坐标系：水平面上，随着运动的
天 运
气 动
系统 的坐
相对 标系
于 。
地表 质点
以运V速动 度速C度C
做水 为
平
d dt
t
(V C )
（ 5. 2）
质点个别 变化
运动坐标 系中局地
变化
运动坐标 系平流变
化
天气系统 槽线 脊线 低压中心 高压中心 锋面
因：（
d dt
）固
（
d dt
）移
所以：（ 1 ）右端 = （ 2 ）右端 得运动坐标系与固定坐标系中局地变化的关系
t
t
C
运动坐标系：水平面上，随着运动的
天气 运动
d dt
系的统坐相标t对 系于。地质(V表点以运V速动 度速CC度C)做为
水平
（ ）
5.2
质点个别 变化
运动坐标 系中局地
变化
固定 ：
坐dd标t 系中
空气t运 动 质V点的 个别
变化
为
质点个别变 化
固定坐标系 中局地变化
固定坐标系 中平流变化
d dt
t
u
x
v
y
（ 5. 1 ））
空气运动质点的个别变化等于局地 变化与平流变化之和
固定坐标系：
（
d dt
）固
t
V
(1)
移动坐标系：
（
d dt
）移
t
（V
C)
(2)
（ 4 ）三小时变压和 24 小时变压（变 高）在运动学方法中的应用
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。
天气形势的天气学预报方法
天气形势的天气学预报方法天气学预报方法是一种定性的、经验性的传统预报方法。
虽然，目前天气形势与气象要素预报已愈来愈依靠数值预报方法，但在很多情况下，特别是局地天气、航线天气等的预报中，天气学方法仍然是十分重要的方法。
下面简单介绍几种应用天气图进行天气形势预报的基本方法。
一、外推法根据最近一段时间内天气系统的移动速度和强度变化的规律，顺时外延，预报出系统未来的移动速度和强度变化，这种方法叫做外推法。
外推法又可分为两种情况：一种是等速外推。
等速外推就是假定系统的移动速度或强度变化基本上不随时间而改变，即与时间成直线关系，外推按这种规律进行，故等速外推又叫做直线外推；另一种是变速外推。
变速外推假定系统的移动速度或强度变化接近“匀变速”状态，即与时间成曲线关系，这时外推时要考虑它们的“变速”情况，故变速外推又叫做曲线外推。
直线外推只需要根据当时和上一时次的两张天气图即可进行，而曲线外推需要利用三张（或以上）天气图进行比较才能进行。
显然，曲线外推要比直线外推更全面些，但是由于实际天气过程的复杂性，曲线外推并不一定比直线外推更准确，因此，使用外推法时必须结合其他预报方法。
应用外推法可以对高、低压系统和槽、脊的移动和强度作出预报。
下面以闭合系统为例说明外推法的应用。
直线外推。
设12 h前低压中心位于点“1”(图11.2 (a))，其中心气压为1008 hPa，作预报时的低压中心位于点“2”，其中心气压为1006 hPa，加深了2 hPa，移动距离为S1。
按直线外推可以预报，12 h后该低压中心将移至点“3”，移动的距离S2=S1；中心气压将继续降低2 hPa，达1004 hPa。
曲线外推。
设24 h前低压中心的位置在点“1”(图11.2 (b))，中心气压为1 011 hPa；1 2 h前中心位置在点“2”，移动距离为S1，中心气压为1002 hPa，加深了9 hPa；作预报时的中心位置在点“3”，中心气压为995 hPa，过去12 h移向向左偏了一个角度，移动距离为S2，加深了7 hPa。
天气学原理讲稿ch
第五章天气形势及天气要素的预报天气形势是指大范围流场、气压场、温度场三度空间的分布形势。
它包含了大范围的环流及环流形势的各个天气系统。
天气形势预报：预报未来大范围的环流及环流形势的各个天气系统，具体的是各个天气系统的变天气要素是指晴、阴、雨、风力、风向、温度等要素。
天气要素预报是预报未来晴、阴、雨、风力、风向、温度等情况。
第一节天气系统及天气形势的天气学预报方法一天气系统的外推预报法外推法是指利用过去天气系统变化的强度、移动，外推未来系统变化的强度、移动。
图5.1闭合系统的外推图5.2槽线的外推图5.3槽线移速和强度的外推（一）闭合系统的外推法（二）高空槽脊的外推法（三）应用外推法时应注意的问题二天气系统的运动学预报法（变压法）（一）运动坐标系与固定坐标系中局地变化的关系1．运动学公式固定坐标系与运动坐标系局地转换公式：，其中表示对运动坐标系的局地变化，表示对固定坐标系的局地变化。
证明：= (5.1)（空气质点在固定坐标系个别变化）= + (5.2)（空气质点在运动坐标系中个别变化）=（空气质点个别变化不因坐标系的选择而发生变化）=+(5.3)天气系统基本特征辅助特征槽线脊线低压中心高压中心锋面（二）运动学方法预报气压系统的移动1. 假设条件在运动系统上，选取一些特定点或特定线，使得在这些点或线上一要素在运动坐标系中的局地变化为零，即，并取X轴与系统运动方向一致，则2. 槽脊线移动预报=++=0=00=+=或 = (5.6)其中表示瞬时变高沿系统移动方向变化率，- 为变高梯度，表示系统强度（等压面凹凸程度）。
A．在低压槽中图5.5因为槽线上 >0， ~-，若槽前负变高，槽后正变高（L<3000km），则- =，即 >0,槽线向变高梯度方向移动；相反，若槽前正变高，槽后负变高（L>3000km），则 <0，槽线向变高梯度方向移动。
B．在高压脊中图5.6因为脊线上 <0， ~ ，若脊前正变高，脊后负变高（L<3000km），则 =，即 >0，脊线向变高升度方向移动；相反，若脊前负变高，脊后正变高（L>3000km），则 <0,脊线向变高升度方向移动C. 结论ⅰ.槽（线）的移动方向是变高梯度的方向。
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
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分别带入③式
∴
同理有
系统中心移速公式：
系统移动方向与x轴夹角
其中 ， 为变压升度I沿x轴、y轴的分量，
为变压升度与x轴的夹角
2.预报规则 ①正圆形系统：
正圆形的高（低）压沿变压的升度（梯度）方向移 动，其移动速度与变压升度（梯度）成正比，与系统强 度成反比
②椭圆形系统：
椭圆形高压（低压）的移动方向介于变压升度 （梯度）与长轴之间，长轴越长，越接近于长轴，其 移动速度与变压升度（梯度）成正比，与系统强度成 反比。
于运动坐标系的移速为（
V
-
C
）
dF dt
F t
V
C
F
——②
①－②得到： =
——③
如果取x轴与系统移动方向一致， =0运动系统中的特性点， 线上某物理量为零
则③式改写为 0 =
③ 、④式即为系统移动的运动学公式
——④
二、槽脊线的移动预报
1、移动公式：取运动坐标系随槽脊线移动，x轴与运 动槽脊方
当
，C>0，脊东进
当
，C<0，脊西退
所以槽线沿变压梯度方向移动，脊线沿变压升度方向移动
2）槽（脊）线的移动速度与变压梯（升）度成正比 与槽（脊）强度成反比。
三.气旋和反气旋中心的移动预报
1.移动公式 设高低压为椭圆，x轴为长轴，y轴为短轴
取运动坐标系原点随高、低压中心移动，移速为
则槽脊线上
，
带入③式 得到
——⑤ 槽脊线移速公式
P t
~~ 变变 压 压
＞0 变压升度 < 0 变压梯度
＞0 低压槽
< 0 高压脊
变压在X方向上的变化率 等高线的弯曲程度
2、预报规则 1）槽脊线移动方向
a) 槽线
>0 :
当
, 槽前的变压 >0,槽后 <0，C <0槽西退
当
,槽前的变压 < 0,槽后 >0 ,C >0槽东进
四、气压系统强度预报
由③式有
低压中心或槽线上出现负变压，系统加强；反之减弱 高压中心或脊线上出现正变压，系统加强；反之减弱
第二节 天气系统的运动学预报方法
运动学法——利用变压、变高的分布特点，通过运动学公 式，预测系统未来的移动的变化
一、系统移动的运动学公式
取固定坐标系——固定于地表，以速度
V
运动的质点
dF F V F
dt t
———①
取运动坐标系——随天气系统移动，设天气系统移
动速度为
C
，空气质点移速为
V
空气质点相对