三维立体天气图在“典型天气过程分析”课程上的应用

２０１８年５月

第３１卷第３期

黑龙江生态工程职业学院学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｍａｙ２０１８

Ｖｏｌ.３１Ｎｏ.３

ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７４￣６３４１.２０１８.０３.０４０

三维立体天气图在 典型天气过程分析

课程上的应用

张福颖㊀王妍

(南京信息工程大学大气与环境实验教学中心ꎬ江苏南京２１００４４)

㊀㊀摘㊀要: 典型天气过程分析 是南京信息工程大学大气科学专业开设的一门专业主干课程ꎬ也是学生将理论联系实际气象业务的第一课ꎮ针对教学图过于平面而不能让学生更直观清楚地理解教学内容的困难ꎬ设计三维立体天气图ꎬ并逐步展现三维立体图的优点ꎬ以期产生更好的教学效果ꎮ

关键词:三维立体天气图ꎻ北方气旋ꎻ教学效果

中图分类号:Ｇ６４２.４㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７４￣６３４１(２０１８)０３￣０１２４￣０２

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＷｅａｔｈｅｒＭａｐｉｎｔｈｅ

ＣｕｒｒｉｃｕｌｕｍｏｆＴｙｐｉｃａｌＷｅａｔｈｅｒＰｒｏｃｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｗｅａｔｈｅｒｍａｐꎻＮｏｒｔｈｅｒｎｃｙｃｌｏｎｅꎻＴｅａｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔ

㊀㊀收稿日期:２０１８￣０４￣０８基金项目::南京信息工程大学２０１６年度实验室开放项

目(２０１６ｋｆ０１２)资助ꎮ

第一作者简介:张福颖(１９８１ )ꎬ女ꎬ江苏兴化人ꎬ气象学博士ꎬ副教授ꎮ研究方向:短期气候预测ꎮ

㊀㊀天气预报员的摇篮 南京信息工程大学大气科学学院ꎬ为大气科学专业本科生开设了 典型天气过程分析 专业主干课程ꎬ它是大气科学专业必修课程之一ꎮ该课程主要教学内容是在 天气学分析基础 上ꎬ运用 天气学原理 中的理论知识ꎬ分析中国天气中的北方气旋㊁寒潮㊁梅雨㊁台风㊁强对流五种常见天气ꎮ教学目标是通过本课程的学习ꎬ使学生建立天气过程分析的基本思路ꎬ逐步提高学生短期天气预报的能力ꎬ为今后学生走向工作岗位或进一步深造奠定不可或缺的专业基础ꎮ

在前沿课程 天气学分析基础 中ꎬ学生已基本掌握了平面天气图的画法ꎬ并对天气图中的天气系统有了初步的了解ꎬ从以往的教学过程中可以看出学生对前沿课程内容掌握情况较好ꎬ可以将天气图绘制得清楚准确ꎬ并对天气系统有了初步的认识ꎮ但教师在教学过程中也发现学生在此门课程中接受效果差距比较大ꎬ有的学生能达到教学大纲的要求ꎬ有的学生天气分析的能力几乎没有长进[１]ꎮ原因可能是教师所用的教学图过于单一平面化ꎬ虽然学生能理解每一层的天气系统ꎬ但他们很难将各层天气平面图综合运用ꎬ将各层天气图连贯起来形成一个立体的天气图概念ꎮ三维的天气结构让学生一下接受有很大的困难ꎬ在教学中ꎬ教师往往要花费很多时间和精力去解释和反复讲解ꎬ这样课堂上的学习效率大打折扣ꎬ而这一直是教师难以解决的问题ꎮ

１㊀绘制三维立体天气图的工作开展

为突破传统的以平面天气图教学为主的教学模式ꎬ本课

程教学团队于２０１６年开始研究三维立体天气图在教学中的应用ꎬ欲用一种新的方式展现典型天气发生发展过程ꎬ即采用三维立体图的形式ꎮ空间三维立体天气图的建立可以帮助学生更加清晰直观地了解天气的发生发展情况并建立正确的预报思路ꎬ进而提高对典型天气过程规律的总结ꎬ为天气预报业务打下良好基础ꎮ本文选取课程中第一个北方气旋天气个例分析三维立体天气图在课程中的应用效果ꎮ

２㊀北方气旋天气过程三维立体图

个例选取的是２００２年４月５日０８时 ６日０８时的一

次北方气旋生成并发展的天气过程ꎮ这是一次随高空槽东

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移ꎬ地面冷锋进入暖区低压后ꎬ发展生成蒙古气旋的天气过程ꎬ本次过程出现大风㊁沙尘暴㊁降雪㊁降温等重要天气[２]ꎮ前期４月４日０８时(图略)ꎬ东亚地区主要为两槽一脊型ꎬ高空槽呈东北 西南走向ꎮ高纬极涡呈单极型且重心偏东强度较强ꎬ极涡的偏心结构使极锋锋区位置相对偏南ꎬ中纬度短波槽脊活动频繁ꎬ低纬南支槽偏强ꎬ经向度大ꎮ来自于西伯利亚的冷空气沿北支槽东移南下影响我国的西北地区ꎬ副高位于海上ꎮ

５日０８时ꎬ５００ｈＰａ上北支槽东移追赶南支槽ꎬ动量下传ꎬ风速加大ꎮ南支槽东移减弱ꎬ而高原不断有新的小扰动移出ꎮ８５０ｈＰａ上ꎬ冷平流强度加强ꎬ高空锋区已翻越萨彦岭和阿尔泰山ꎮ地面暖区低压位于蒙古国东部ꎬ冷锋位于低压后部ꎬ介于乌拉尔山的地面冷高压与暖区低压之间ꎮ下面分析三维立体图的应用在天气分析时的优点ꎮ 在天气学原理 中已经学过５００ｈＰａ系统的生消演变由高空形势预报方程[３]

Əζｇ

Əｔ＝－Ｖｇ ∇(ｆ＋ζｇ)－０.６ＶＴ＋ｆωｐ０ｐ

０

及周围系统的相互作用ꎬ并且配合系统的高低空配置综合判断ꎮ高空形势预报方程ꎬ５日０８时ꎬ５００ｈＰａ上蒙新高地低压槽ꎬ槽前等高线疏散ꎬ且温度场落后于高度场ꎬ槽正值蒙新高地下坡处ꎬ均有利于槽加强发展ꎮ周围系统的相互作用ꎬ乌拉尔山高压脊和东亚高压脊的稳定发展使得亚洲上空呈现稳定的两脊一槽形势ꎬ也有利于蒙新高地槽原地加强发展ꎮ系统的高低空配置如果利用三维立体图就更加直观易解释ꎮ通过图１ａ可以发现ꎬ从地面㊁８５０ｈＰａ㊁５００ｈＰａ此低值系统是一个随高度向后倾斜的稳定系统ꎬ因此更有利于５００ｈＰａ上蒙新高地低压槽的加强发展ꎮ地面系统的生消演变由地面形势预报方程

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决定ꎬ即平均层高度变化项㊁平均温度平流(冷暖平流)项㊁垂直运动产生的绝热变化项和非绝热变化项ꎮ其中平均层高度变化项和平均层温度平流项如果利用三维立体图就更加直观易解释ꎮ平均层高度变化项ꎬ通过图１ａ可以看出ꎬ地面蒙古东侧低压位于５００ｈＰａ高空槽前ꎬ且槽温度场落后于高度场ꎬ相对涡度平流和热成风涡度平流均使地面蒙古东侧低压加强发展ꎬ且低压处于蒙新高地下坡处ꎬ也有利于低压加强发展ꎮ平均层温度平流项ꎬ通过图１ａ可以看出ꎬ８５０ｈＰａ上蒙新高地处等温线密集ꎬ有明显冷平流ꎬ且地面蒙古东侧低压正好处于此冷平流右侧ꎬ有利于地面蒙古东侧低压加强发展ꎮ

５日２０时ꎬ来自西伯利亚的冷空气不断进入蒙古东部ꎬ５００ｈＰａ上蒙新高地低压槽加强发展ꎮ槽前等高线仍疏散ꎬ且温度场仍落后于高度场ꎬ亚洲上空两脊一槽形势稳定ꎬ以上均有利于槽继续加强发展ꎮ通过三维立体图１ｂ可以发现ꎬ整体仍处于后倾的稳定系统中ꎬ因此预计蒙新高地低压㊀㊀槽未来仍将继续加强发展ꎮ与此同时ꎬ对应地面上冷锋进入暖区低压ꎬ并已形成锋面气旋ꎬ地面上已出现大范围的降雪㊁降温㊁大风㊁沙尘暴天气ꎮ通过三维立体图１ｂ可以发现ꎬ锋面低压仍位于５００ｈＰａ高空槽前ꎬ且槽温度场落后于高度场ꎬ相对涡度平流和热成风涡度平流均使冷锋低压加强发展ꎮ

８５０ｈＰａ上蒙新高地处等温线密集ꎬ有明显冷平流ꎬ且地面锋面低压正好处于此冷平流的右侧ꎬ有利于地面锋面低压继续加强发展ꎮ

６日０８时ꎬ来自西伯利亚的冷空气继续进入蒙古东部ꎬ５００ｈＰａ上蒙新高地低压槽逐渐填塞形成冷涡ꎮ锋面低压明显加强ꎬ降雪㊁降温㊁大风㊁沙尘暴范围明显扩大ꎬ强度加强ꎮ槽前等高线仍略有疏散ꎬ且温度场仍略落后于高度场ꎬ亚洲上空两脊一槽形势稳定ꎬ以上均有利于槽继续加强发展ꎬ但这里需要注意的是６日０８时形势已不同于前日ꎬ温度槽即将追赶上高度槽ꎬ并预计在不久后与之重合ꎮ通过三维立体图１ｃ可以发现ꎬ从地面㊁８５０ｈＰａ到５００ｈＰａꎬ系统已基本垂直ꎬ预计不久后系统即将减弱东移

ꎮ

图１㊀北方气旋三维立体天气图

(ａ.５日０８时ꎬｂ.５日２０时ꎬｃ.６日０８时)

由以上分析可以看出ꎬ无论是分析高空系统还是地面系统ꎬ三维立体天气图的应用更加直观ꎬ更容易让学生理解接受ꎬ教学效果也会更好ꎮ

３㊀结语

典型天气过程分析 是大气科学专业必修课程ꎬ也是学生将理论联系实际气象业务的第一课ꎮ通过本课程的学习ꎬ旨在使学生建立天气过程分析的基本思路ꎬ逐步提高学生短期天气预报的能力ꎮ本文针对课程中第一个案例实施了三维立体天气图的设计与绘制ꎬ以后我们会继续开展其他案例的三维立体天气图绘制ꎬ来进一步提高学生的三维空间理解能力ꎬ以达到课堂教学的预期效果ꎮ

参考文献:

[１]赵宇ꎬ赵光平. 天气分析Ⅰ(２) 课程教学体会与思考[Ｊ].黑龙江生态工程职业学院学报ꎬ２０１３ꎬ２６(６):８３－８４.

[２]江燕如ꎬ王丽娟ꎬ钱代丽ꎬ等.典型天气过程分析[Ｍ].北京:气象出版社ꎬ２０１６:３６.

[３]朱乾根ꎬ林锦瑞ꎬ寿绍文ꎬ等.天气学原理与方法[Ｍ].北京:气象出版社ꎬ１９９２:２１５.

责任编辑:富春凯

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