准地转理论及其推广

1、第二讲 准地转运动理论及其推广和应用丁一汇国家气候中心高等天气学系列讲座1.天气分析和预报的主要方法与对现代预报员的素质要求 概念模式，如由温带气旋概念模式外推降水与云区； 运动学方法和动力学诊断，如由计算垂直运动，水汽辐合区，层结不稳定区确定未来的降水区； 统计相关和统计预报，其中选取预报因子是关键。由统计方法发展到与模式产品相结合产生了MOS和PP方法。这是目前数值预报产品适用的一种主要方法，它是数值预报的一种必要补充。 统计预报在某种意义上是一种图形识别技术（因果关系）。如某地，当吹东南风同时温度和湿度偏高时，在70%的情况（概率）下会有雨，可据此建立一个回归方程或因果关系，一旦出现上述

2、条件，则可预报有降水，其概率是70%（严格的概率是由集合预报得到的）。 数值天气预报，其中降水和对流系统预报是最困难的。新一代天气预报员的主要任务是如何更好的解释和应用数值产品，判断误差和局地效应的影响（体现人机交互的作用）与科学决策。此外，一个预报员还必须掌握检验模式结果与数值模拟的方法，以能从统计和动力学方面理解成功预报与失败预报的原因。 一个优秀的预报员除了必须掌握第四种方法外，至少还应掌握其它三种方法中的一种或二种。领班预报员必须具备有关上面四种方法的广泛知识和对天气过程的深入理解，最终是提高和增强对天气事件的洞洞察力察力（Ramage,1972）。在经验预报时代是如此，现代客观预报时

3、代也是如此。 天气分析和预报最关键的两个量是垂直速度与位势或气压倾向，前者与降水预报密切相关，后者与天气系统的发展（也包括移动）有关。计算这两个量如果用原始方程是十分复杂的，但在中纬度地区可以得到最大、最合理的简化。其理论依据就是准地转理论。它已成为中纬度天气分析、诊断和理论研究的基础。对于数值预报，虽然从70年代以后已从准到地转模式过度到原始方程模式，但历史贡献不可忽视。准地转理论也适用于热带行星尺度运动。只有充分和深入理解与熟练应用准地转理论，才能更好地理解半地转理论和原始方程问题。2.2.准地转运动及其方程组准地转运动及其方程组 完全的大气运动方程组是十分复杂的，它包含各种尺度的运动。为

4、了理论求解和实际应用的目的，根据研究对象可以对这一套完全的方程组进行简化，最常用的简化方法是尺度分析。准地转运动是根据尺度分析得到的，适用于温带天气尺度的一种运动形式，它比描述热带扰动或行星尺度运动的理论要简单的多。 准地转运动的主要特征是水平速度近于为地转近似，这意味着对于大尺度大气运动经常是处于准地转平衡状态，其发展和演变是缓慢的。如果由于其他力的作用使这种准地转运动平衡状态受到破坏，则准地转近似要求这种受破坏的准地转平衡状态必需通过某种机制（即适应过程）迅速的得到恢复，因而准地转近似表明，平衡是长期的，破坏或不平衡是暂时的。所以，准地转运动下的运动方程不是地转风公所以，准地转运动下的运动

5、方程不是地转风公式，它具有加速度项。式，它具有加速度项。对上述方程，必须再次强调了解其物理意义准地转涡度方程说明：准地转涡度方程说明：地转绝对涡度的个别变化由散度对参考纬度的地球涡度的作用造成。在欧拉系统中，地转相对涡度由地转风对地转涡度的平流，地转风对地球涡度的平流和作用于某参考纬度上地球涡度的散度作用引起。准地转热力学方程说明：准地转热力学方程说明：温度个别变化是由气块垂直运动时造成的体积的变化气块作功（或环境对气块作功）和垂直温度平流造成。在欧拉系统中，温度个别变化由地转温度平流，气块垂直运动时体积变化作功和垂直温度平流造成。 应该记住，在准地转运动中，消去了气象上不重要的波动，即高频的重力惯性波，而只着重研究天气尺度运动（过滤了中小尺度运动）。即使今天我们用更准确地原始方程进行预报，但很难从物理上清楚地解释复杂的原始方程中的物理过程。准地转方程使我们能很好地了解影响中纬度天气系统的物理过程。位势倾向方程位势倾向方程位势倾向方程对于中纬度天气系统的诊断分析是很有用的，这个方程唯一取决于已知的位势（ ）场分布。对于绝热和准地转平衡的大气，热力学方程可近似写为： pvptg上式中， 是静力稳定度参数， 是比容。p3.准地转理论的推广与应用（