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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)2天气系统的数学描述基本特征，辅助特征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（L0,槽线向变高梯度方向移动；相反，若槽前正变高，槽后负变高（L3000km），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（L0，脊线向变高升度方向移动；相反，若脊前负变高，脊后正变高（L3000km），则 0,脊线向变高升度方向移动C.结论.槽（线）的移动方向是变高梯度的方向。.脊（线）的移动方向是变高升度的方向。.槽（线）的移动速度大小与强度 成反比，又与变高梯度-成正比。.脊（线）的移动速度大小与强度 成反比，又与变高升度 成正比。3.高、低压中心移动预报在一般情况下系统为椭圆形，则系统中心取在运动坐标系原点O,长轴为X,短轴为Y，系统中心移速为 。图5.7 气压系统中心的移动（1） = （2） 将（1）式代入（2）式得0= 在系统中心 （ ）同理 (5.7)(5.8)A. 高低压中心移速大小高压中心与张度（ ， ）成反比，又与变压升度（ ， ）成正比。低压中心与张度（ ， ）成反比，又与变压梯度（ ， ）成正比。B. 高低压中心移向高低压中心移向用 与x轴夹角表示。(5.9)（ 为变压升度与x轴夹角, 和 分别表示变压升度I沿X轴和Y轴的分量）.正圆形高低压中心移向图5.8 正圆形高低压中心移动即正圆形高低压中心 方向与 方向一致。正圆形的高压中心向变压升度方向移动，低压中心向变压梯度方向移动。. 椭圆形高低压中心移向即椭圆形的高压中心移向界于长轴与变压升度之间方向，低压中心移向界于长轴与变压梯度之间方向。（三） 用运动学方法预报气压系统的发展1. 槽（线）、脊（线）强度预报图5.9=在槽脊上 ， 当 ，槽加深，脊减弱； ，槽减弱，脊加强。2. 高低压中心强度预报= (系统中心)当 0，低压减弱，高压加深。（四） P3和 P24（ H24）在运动学方法中的应用（五） 用运动学方法预报时应注意之点三 高空天气形势预报（一） 高空形势预报的基本方程1. 推导图5.10 热成风因为大尺度系统运动涡度方程可写为简化涡度方程，所以假设大气中有一无辐散层，在此层上 ，则涡度方程可简化为：(5.15)又可写为 即为对上试从0 积分得：考虑地形平坦 可得：由平均层概念（固定点整层涡度变化平均 等于某层等压面上该点的涡度变化 ，此层称平均层（一般为600hpa）得：（1）图5.11 平均层一般大气处于斜压，特别是中高纬地区各层等压面上有等温线分布。设各层等温线平行（实际大气中各层等温线近于平行）也就是与热成风方向一致。则：(5.16)（2） 对（2）式两边用 得 在 方向上 （3）将（2）、（3）式代入（1）式并考虑大气层顶 ，地表平坦 ,则可得 因为 （常数的平均仍是常数）, ,所以 (5.19)（平均层涡度局地变化等于平均层相对涡度平流、地转涡度平流及 之间热成风涡度平流输送之和。）2. 基本方程使用条件地势平坦热成风方向一致，反映各层、各层之间等温线、等平均温度线平行用在平均层600hpa上，实际工作中可用500hpa代替（二） 基本方程的讨论（三）涡度平流和热成风涡度平流的定性判断第一项 （平均层上地转涡度平流输送项）图5.12a图5.12b图5.12c图5.12d图5.12e第二项 （平均层上相对涡度平流输送项）在自然坐标系下 由地转近似 知 因大范围的运动是准地转的，将地转风公式 代入得：(5.20)对称性图5.13a图5.13b图5.13c图5.13d图5.13e图5.13f结论：对称性使系统产生移动非对称性图5.14a图5.14b图5.14c图5.14d结论：非对称性使槽（脊）强度变化第三项 （热成风涡度平流输送项）用处理第二项的同样方法处理由， ， 可得：注意：h不同于H。图5.15a图5.15b四 地面天气形势预报（一） 地面形势预报的基本方程推导地面指1000hpa等压面高度为 平均层（600hpa）常用500hpa等压面高度为 由静力方程 ，状态方程 导出 得出厚度公式 ，两边对t求导得 将热力学方程代入上式得(5.23)（二）涡度平流和热成风涡度平流第一项 0(平流层上的相对涡度平流输送)放大图5.16物理意义：温带气旋上空处在500hpa槽前脊后，借助西南风将正相对涡度从大往小的方向输送，使得其上空固定点正相对涡度增加 ，同时在 力作用下伴随水平辐散引起低层地面质量减少，地面气旋（包括中心）降压，此气旋加深。第二项 （热成风涡度平流输送）在槽线上： 0槽前：物理意义：槽线处借助西南热成风将正热成风涡度从大往小的方向输送，使槽线上正热成风涡度增加（) ，反映正相对涡度增加（) ，槽线处等压面高度降低（ ）气旋性曲率加大（ ）。槽前正相对涡度平流更加大（ ），引起槽前固定点正相对涡度更增大（ ），同时在 力作用下伴随水平辐散更加大（ ），引起低层地面质量减少更多，此气旋降压更厉害（ ），气旋加深。（三）平均温度平流-引导气流第三项 （平均层以下的温度平流）放大图5.17 温度梯度物理意义：气旋中心左（右）半部与高压中心右(左）半部上空对应槽（脊）线处风随高度逆（顺）转，使气层间有了冷（暖）平流，反映平均层以下的平均也是冷（暖）平流， （ ），冷（暖）平流降（升）温，气柱收缩（膨胀），地面等压面抬升（降低）。引导气流= = 代入地转风公式 在地面系统中 ， ， 同理 （5.25）在地面系统中心 若地面系统中的移动方向沿平均层上的气流方向移动，则称此气流为引导气流。（四）绝热变化的影响第四项 物理意义：气旋上空大气处于稳定 ，反映 ，抑制发展。气旋上空有上升运动，由于大气稳定，上升绝热膨胀冷却。平均层以下气柱降温收缩，地面气旋等压面抬升，气压升高，抑制它加深发展。气旋上空大气处于不稳定 ，反映 ，气旋加深发展。气旋上空有上升运动，由于大气不稳定以大量水气凝结释放潜热为主，平均层以下气柱增温膨胀，地面气旋等压面高度降低，反映气压降低，气旋加深发展。（五）非绝热变化的影响第五项 有雷暴符号大气不稳定。（六）例题冬半年500hpa高空槽及锋面气旋（温带气旋）由大陆移到海上，试问此槽及气旋变化如何？ 图5.18答：槽的变化 ：槽前借助西南风将正相对涡度从大的往小的方向输送，使气旋上空槽前固定点正相对涡度增大。同时在作用下伴随水平辐散使气柱质量减少，气旋降压、加深，有负变压中心。500hpa槽前为水平辐散，导致上升运动，上升绝热膨胀冷却，气柱收缩，高层500hpa等压面高度降低即负变高。相反，槽后有正变高，槽线处变高为零，槽强度无变化。槽向变高梯度方向移动，气旋加深。槽线处：借助西南热成风将正成风涡度从大的往小的方向输送，使槽线处正热成风涡度增大，正相对涡度增大。考虑准地转槽线处等压面高度降低，槽加深。由于槽加深，气旋性曲率加大，槽前正相对涡度平流更加大，使得气旋上空固定点正相对涡度更加大。同时在作用下伴随水平辐散更加大。这样，气旋附近质量减少更多，降压更明显，气旋加深。气旋变化：平均层涡度方程解释了槽及气旋的变化，下面讨论平均层以下温度平流的平均，稳定度及垂直运动变化的平均，非绝热变化的平均。气旋中心左半部，反气旋中心右半部到500hpa槽线处附近风随高度逆转，此气层间有冷平流，气柱降温收缩，地面等压面抬升，因此气旋左半部有正变高。相反，气旋中心右半部，反气旋中心左半部到500hpa脊线处附近风随高度转，此气层间有暖平流，气柱增温膨胀，地面等压面降低，因此气旋右半部有负变高。气旋中心变高为零，气旋强度无变化，气旋向变高方向移动即前进。大气处于稳定，气旋上空有上升运动。上升绝热膨胀冷却降温，气柱收缩，地面等压面抬升，气旋等压面高度增加，气旋减弱，抑制气旋加深发展。冬半年气旋由大陆移到海上，由于海表面是热源，气旋移到海上其上空气柱吸热、增温，气柱膨胀，低层地面等压面高度降低，此气旋加深。五地形和摩擦的影响（一）考虑地形与摩擦的平均层涡度方程由简化涡度方程 =0此时 ， ， 地形影响引起的垂直速度， 摩擦影响引起的垂直速度求 如图山的迎风坡水平风速 ， 与山的水平方向夹角为 ，山坡与水平面的交角为 ，气流上升垂直速度为 图5.19 地形强迫垂直运动换为P坐标系 (5.26)求 (5.32) （二）地形和摩擦对系统的影响的物理解释地形对系统影响用位势涡度方程守恒原理可以解释，上坡对低值系统、槽、低压减弱；对高值系统、脊、高压增强。下坡相反。图5.20 地形造成的涡度变化摩擦对系统影响摩擦作用发生在摩擦层中，越向上摩擦力越小，到自由大气等于零，低（高）压中心周围，风边逆（顺）时针旋转边向中心（外）辐合（散）。辐合（散）上升（下沉）随高度减小，气柱压缩（伸长），必伴有水平辐散（合）。同时在 力作用下，反气旋（气旋）涡度生成，使原来低（高）压的气旋（反气旋）性涡度减小，低（高）压减弱。（三） 例题试述ABCDE五点处槽移速的变化。图5.21 高原造成的槽的移速变化移动。A处：设无受地形影响，槽前有负变高，槽后正变高，受地形影响，槽前处在上坡有正变高，槽后平坦，变高为零，叠加后变高梯度减小，移速变慢。处：设无地形影响，槽前有负变高，槽后正变高，受地形影响，槽前已上坡，变高为零，槽后处在上坡有正变高，叠加后变高梯度增大，移速加快。C处：设无地形影响，槽前有负变高，槽后正变高，受地形影响，槽已在高原上，槽前槽后变高不受地形影响，移速正常。D处：设无地形影响，槽前有负变高，槽后正变高，受地形影响，槽前处在下坡有负变高，槽后平坦，变高为零，叠加后变高梯度增大，移速加快。E处：设无地形影响，槽前有负变高，槽后正变高，受地形影响，槽前已下坡，变高为零，槽后处在下坡有负变高，叠加后变高梯度减小，移速变慢。六 锋的移动预报（一）外推法（二）变压法（三）引导气流法（四）地面气压场的锋面移动的影响七 经验预报法（一） 相似形势法（二） 天气学模式法（三） 统计资料法（四） 预报指标法（五） 周围系统的影响（六） 24小时变压、变高和变温的应用八 卫星云图在天气形势预报中的应用（一） 根据云系特征寻找天气系统的发展指标（二） 根据卫星云图寻找天气系统移动的指标九 用天气学方法作形势预报的一般程序（一） 对历史状况进行调查研究（二） 根据历史和现状作出未来的预报第二节 要素和天气现象的天气学预报方法一 天气预报方法概述二 大风的预报第三节 数值预报产品的释用一 基本原理数值预报是根据大气动力学和热力学基本方程组，应用数值积分方法对未来的天气形势和气象要素作出预报的方法。目前对天气形势预报（地面、高空）准确率较高，但对天气要素预报（降水、温度、风等）较