气象与气候预测作业指导书

气象与气候预测作业指导书TOC\o"1-2"\h\u13257第1章气象与气候基本概念 3190431.1气象学简介 3143081.2气候学简介 383541.3气象与气候的关系 317173第2章大气成分与结构 4134152.1大气组成 4190362.2大气层结 4120112.3大气物理过程 58549第3章地球运动与气候系统 5284703.1地球运动 5176543.1.1地球自转 5146703.1.2地球公转 686883.2海陆分布与气候 6255303.2.1海陆热力性质差异 613463.2.2海陆分布对气候的影响 677163.3气候系统概述 611483.3.1气候系统的组成部分 65583.3.2气候系统的相互作用 727614第4章气压与风 7265374.1气压 7261474.1.1气压的定义 7327244.1.2气压的测量 7295224.1.3气压的分布 759704.2风的形成与分类 8121194.2.1风的形成 874034.2.2风的分类 8118334.3气压与风的关系 8152014.3.1气压梯度力与风 889964.3.2地球自转与风 817564.3.3气压与风的相互作用 8288344.3.4气压与风的应用 8694第5章温度与湿度 8296215.1温度及其分布 8109325.1.1温度的定义 8104215.1.2地球表面温度分布 9171285.1.3高空温度分布 9265.2湿度及其测量 930305.2.1湿度的定义 9109065.2.2湿度的测量方法 993645.3温度与湿度的关系 980085.3.1蒸发与凝结 9294265.3.2饱和水汽压与温度的关系 9295905.3.3温度露点差与湿度 9271255.3.4大气稳定性与湿度 107265第6章云与降水 1023536.1云的分类与形成 10103596.1.1云的分类 109496.1.2云的形成 10184866.2降水的形成与分类 10132346.2.1降水的形成 11212996.2.2降水的分类 11266276.3云与降水的关系 1117419第7章天气系统与天气现象 11172107.1天气系统概述 1191647.2主要天气系统及其特征 11245507.2.1锋面系统 11270347.2.2高压系统 12194957.2.3低压系统 12144547.3天气现象及其成因 12160817.3.1雷暴 12297867.3.2雾 12150147.3.3霜冻 1312540第8章气候类型与气候变化 13144558.1气候类型划分 13204808.1.1柯本盖革尔气候分类法 13305028.2全球气候分布 1444488.2.1热带气候 14186568.2.2温带气候 14123588.2.3寒带气候 14120458.3气候变化及其影响 14142748.3.1自然因素 14252778.3.2人为因素 14219968.3.3气候变化的影响 145545第9章气象观测与数据收集 15270109.1气象观测方法 15225219.1.1地面气象观测 1594699.1.2高空气象观测 15126499.2气象观测仪器 15152739.2.1温湿度观测仪器 15124329.2.2气压观测仪器 16287569.2.3风向风速观测仪器 1623819.2.4降水观测仪器 16231739.2.5高空气象观测仪器 16255089.3气象数据收集与处理 1677749.3.1数据收集 16180759.3.2数据传输 16298449.3.3数据处理 169934第10章气象与气候预测方法 16285010.1气象预测原理 16789210.1.1大气运动与天气系统 161962010.1.2数值天气预报模式 161835410.1.3遥感技术与气象预测 161932610.1.4气象预报产品及其应用 17663010.2气候预测方法 171413510.2.1气候变化的驱动因子 171736610.2.2气候模式与模拟 171374710.2.3季节性气候预测技术 17221110.2.4气候预测的不确定性分析 17183610.3气象与气候预测实践案例分析 17478810.3.1短时强降水天气过程预测案例 172128410.3.2高温干旱气候事件预测案例 171624210.3.3台风路径与强度预测案例 171167610.3.4气象与气候预测在灾害预警中的应用实例 17第1章气象与气候基本概念1.1气象学简介气象学是研究大气现象、大气状态及其变化规律的学科。它旨在揭示大气中的物理、化学过程，以及大气与其他地球系统间的相互作用。气象学的主要研究内容包括气温、气压、湿度、风、云、降水等气象要素，以及由此产生的天气现象和气候类型。1.2气候学简介气候学是研究地球表面气候形成、变化及其分布规律的学科。它与气象学密切相关，但更侧重于长时间序列的气候现象分析。气候学研究内容包括气候系统各组成部分（大气、海洋、陆地和冰冻圈）的相互作用，以及人类活动对气候的影响。1.3气象与气候的关系气象与气候是相互联系、相互影响的两个领域。气象现象通常是短时间尺度的，如一天或一周的天气变化；而气候则表现为长时间尺度的平均天气状况。气象条件的变化会影响气候的形成和演变，而气候类型和特点又决定了某一地区在一定时间内的气象特征。气象与气候之间的关系可以从以下几个方面进行阐述：（1）气象要素的累积效应：气象要素（如气温、降水等）在长时间内的累积效应决定了某一地区的气候类型。（2）气候系统的稳定性：气候系统在长时间尺度上的稳定性反映了该地区气象条件的长期特点。（3）气候变化与气象极端事件：气候变化可能导致气象极端事件的频率和强度发生变化，进而影响人类生活和自然生态系统。（4）气象观测与气候预测：气象观测数据是气候预测的基础，气象模型在气候预测中发挥着重要作用。气象与气候密切相关，两者共同构成了地球表面天气气候系统的研究领域。通过对气象与气候基本概念的了解，有助于我们更好地认识天气气候现象，为预测和应对气候变化提供科学依据。第2章大气成分与结构2.1大气组成大气是地球外围的气体层，主要由氮气、氧气、氩气和二氧化碳等组成。其中，氮气占比最大，约为78%，氧气占21%，氩气占0.93%，二氧化碳占0.04%。还含有微量的氦、氖、甲烷、臭氧等气体。大气组成对地球气候和生物环境具有重要影响。2.2大气层结大气层可分为对流层、平流层、中间层、热层和外层空间。以下分别介绍各层特点：（1）对流层：位于地球表面至约1015公里高度，气温随高度升高而降低，平均递减率为6.5°C/公里。对流层内气温、湿度、风向和风速的分布不均匀，是天气现象的主要发生层。（2）平流层：对流层以上至约50公里高度，气温随高度升高而升高，主要原因是臭氧吸收太阳紫外线导致的加热。平流层内气流平稳，天气晴朗，适合飞行。（3）中间层：平流层以上至约85公里高度，气温随高度升高而降低。该层内大气密度较低，气体分子间距增大，对电磁波的传播有重要影响。（4）热层：中间层以上至约500公里高度，气温随高度升高而显著升高。热层内大气分子受到太阳紫外线和粒子辐射的影响，产生大量电离，形成电离层。（5）外层空间：热层以上，大气密度极低，接近真空状态，太阳风和宇宙射线等辐射影响较大。2.3大气物理过程大气物理过程主要包括：辐射传输、大气散射、吸收和发射、大气化学反应、大气运动、水汽相变等。（1）辐射传输：太阳辐射和地球辐射在大气中的传播过程。太阳辐射主要包括短波辐射，地球辐射主要为长波辐射。（2）大气散射：太阳光在大气中遇到气体分子或粒子时，发生散射现象，使得部分光线偏离原传播方向。（3）吸收和发射：大气中的气体分子和粒子能吸收和发射特定波长的辐射，影响大气热量平衡。（4）大气化学反应：大气中的气体分子和粒子在太阳辐射、电磁场等作用下，发生化学反应，新的物质。（5）大气运动：大气在地球表面受热不均的驱动下，产生水平运动和垂直运动，影响天气和气候变化。（6）水汽相变：水汽在大气中发生凝结、蒸发、凝华等相变过程，影响大气热量和水分的输送。第3章地球运动与气候系统3.1地球运动地球运动是影响气候形成和变化的重要因素。地球绕太阳公转及自转，使得不同纬度地区接受到的太阳辐射量存在显著差异，从而形成了地球上的气候带。本节主要介绍地球自转和公转的基本特点及其对气候系统的影响。3.1.1地球自转地球自转是指地球绕地轴自西向东旋转。地球自转速度相对较慢，一个自然日（即地球完成一次自转）约为23小时56分4秒。地球自转产生的现象有：（1）昼夜更替：地球自转使得地球上某一地区在一段时间内面向太阳，这段时间为白天；而在另一段时间内背向太阳，这段时间为夜晚。（2）地方时差：由于地球自转，地球上不同经度的地方时存在差异。3.1.2地球公转地球公转是指地球绕太阳公转。地球公转周期为一年，即365天左右。地球公转产生的现象有：（1）季节变化：地球公转导致太阳辐射在地球表面的分布发生变化，使得不同纬度地区在不同季节接受到的太阳辐射量存在差异。（2）昼夜长短变化：地球公转使得地球上不同纬度地区的昼夜长短随季节发生变化。3.2海陆分布与气候地球上的海陆分布对气候系统产生重要影响。海洋和陆地在吸收、存储和释放热量方面存在显著差异，这导致了气候类型的多样化。3.2.1海陆热力性质差异海洋和陆地的热容量和热导率不同，导致它们在吸收和释放热量方面存在差异。具体表现为：（1）海洋的热容量大于陆地，使得海洋在吸收和释放热量时温度变化较缓慢。（2）陆地的热导率小于海洋，导致陆地表面温度变化较大。3.2.2海陆分布对气候的影响海陆分布对气候的影响主要体现在以下几个方面：（1）形成气候带：地球上的气候带主要是由于海陆分布和地球运动共同作用的结果。（2）调节气温：海洋对气候具有调节作用，使得沿海地区气温变化相对较温和。（3）影响降水：海陆分布影响大气环流，进而影响降水分布。3.3气候系统概述气候系统是指由大气、海洋、陆地、冰雪、生物等组成的复杂系统。本节简要介绍气候系统的基本组成部分及其相互作用。3.3.1气候系统的组成部分气候系统主要包括以下几部分：（1）大气：大气层中的气体、云、降水等成分对气候系统起主导作用。（2）海洋：海洋是气候系统的重要组成部分，对气候具有显著影响。（3）陆地：陆地表面的地形、植被、土壤等对气候产生影响。（4）冰雪：冰川、冰盖、海冰等冰雪覆盖区域对气候系统具有重要影响。（5）生物：生物通过光合作用、呼吸作用等过程参与气候系统的物质循环和能量交换。3.3.2气候系统的相互作用气候系统各组成部分之间相互影响、相互作用，共同决定着地球的气候状况。主要表现在以下几个方面：（1）能量交换：大气、海洋、陆地等通过辐射、对流、传导等方式进行能量交换。（2）物质循环：大气、海洋、陆地等通过水循环、碳循环等过程进行物质交换。（3）气候反馈：气候系统中的各组成部分之间通过正反馈和负反馈机制相互作用，影响气候的变化。（4）气候变化：气候系统中的相互作用导致气候变化，包括季节变化、年际变化和长期变化等。第4章气压与风4.1气压4.1.1气压的定义气压，又称大气压力，是指单位面积上所受到的气体分子撞击力的大小。在气象学中，通常以百帕（hPa）作为气压的单位。4.1.2气压的测量气压的测量主要采用气压计，包括水银气压计、空盒气压计和电子气压计等。气压计的读数会受到温度、海拔和大气扰动等因素的影响。4.1.3气压的分布全球气压分布呈现一定的规律性，主要有赤道低压带、副热带高压带、温带低压带和极地高压带等。这些气压带的分布与地球上的太阳辐射、地形和海陆分布等因素密切相关。4.2风的形成与分类4.2.1风的形成风是大气运动的表现形式，主要是由地球自转、地表受热不均和气压差异等因素共同作用产生的。地表受热不均导致大气垂直运动，进而形成水平气压梯度力，促使空气从高压区流向低压区，产生风。4.2.2风的分类根据风的速度、方向和稳定性等特点，可以将风分为以下几类：（1）按速度分为：静风、微风、中等风、大风和暴风等；（2）按方向分为：单向风、旋转风和阵风等；（3）按稳定性分为：稳定风、不稳定风和过渡风等。4.3气压与风的关系4.3.1气压梯度力与风气压梯度力是指由于气压的空间分布不均匀而产生的力，它是风产生的主要原因。气压梯度力的大小与气压差和距离成正比，方向由高压指向低压。4.3.2地球自转与风地球自转会导致风向发生偏转，这种现象称为科里奥利力。在北半球，科里奥利力使风向向右偏转；在南半球，风向向左偏转。科里奥利力的大小与风向和地球自转速度有关。4.3.3气压与风的相互作用气压与风之间存在相互影响的关系。气压差异产生风，而风又能改变气压分布。在气象预报中，分析气压与风的关系对于预测天气变化具有重要意义。4.3.4气压与风的应用气压与风的观测和分析在气象预报、航空航天、交通运输和军事等领域具有广泛的应用。了解气压与风的关系，有助于提高天气预报的准确性，为人类活动提供参考依据。第5章温度与湿度5.1温度及其分布5.1.1温度的定义温度是衡量物体热量状态的物理量，通常以摄氏度（℃）为单位。在气象与气候预测中，温度是描述大气状态的关键参数之一。5.1.2地球表面温度分布地球表面温度分布受到纬度、海陆分布、海拔高度等多种因素的影响。赤道地区温度较高，两极地区温度较低，这是由于地球自转和倾斜引起的太阳辐射不均匀分布所致。5.1.3高空温度分布在高空，大气温度分布受到多种因素影响，如大气层结稳定性、对流层与平流层之间的热量交换等。在对流层中，温度随高度增加而降低，而在平流层中，温度随高度增加而升高。5.2湿度及其测量5.2.1湿度的定义湿度是描述大气中水汽含量的物理量，通常以相对湿度、绝对湿度等形式表示。相对湿度是指空气中水汽含量与饱和水汽含量之比，以百分比表示。5.2.2湿度的测量方法湿度的测量方法主要有以下几种：（1）干湿球温度计法：通过测量干球温度和湿球温度，计算相对湿度。（2）毛发湿度计法：利用毛发随湿度变化的特性来测量相对湿度。（3）露点温度法：通过测量空气冷却至露点时的温度，计算绝对湿度。（4）电子湿度计法：采用电子传感器测量湿度，具有准确、快速等优点。5.3温度与湿度的关系5.3.1蒸发与凝结温度与湿度之间的关系主要体现在蒸发与凝结过程中。温度升高，水汽蒸发速度加快，相对湿度降低；温度降低，水汽凝结，相对湿度升高。5.3.2饱和水汽压与温度的关系饱和水汽压与温度成正比关系，温度越高，饱和水汽压越大，空气中所能承载的水汽含量增加。5.3.3温度露点差与湿度温度露点差是指气温与露点温度之间的差值。温度露点差越小，表明空气中水汽含量越高，相对湿度越大；反之，温度露点差越大，相对湿度越小。5.3.4大气稳定性与湿度大气稳定性影响空气垂直运动，进而影响湿度分布。稳定性大气中，湿度随高度增加而降低；不稳定大气中，湿度随高度增加而升高。第6章云与降水6.1云的分类与形成云是大气中的一个重要组成部分，其形态各异，对天气变化具有显著影响。云的分类主要依据其外观、高度和方式。本节将对云的分类及其形成过程进行详细阐述。6.1.1云的分类根据国际气象组织的规定，云可分为以下三大类：（1）高层云（HighClouds）：又称高积云，其形成高度一般在6000m以上，主要包括卷云（Cirrus,Ci）、卷层云（Cirrostratus,Cs）和卷积云（Cirrocumulus,Cc）。（2）中层云（MiddleClouds）：又称积云，其形成高度在2000m至6000m之间，主要包括高积云（Altostratus,As）、高层雨层云（Altocumulus,Ac）和高层雪层云（Nimbostratus,Ns）。（3）低层云（LowClouds）：又称低积云，其形成高度在2000m以下，主要包括层云（Stratus,St）、层积云（Stratocumulus,Sc）和雨层云（Stratuscumulonimbogenitus,StCN）。6.1.2云的形成云的形成过程主要包括以下几个阶段：（1）水汽凝结：当地面蒸发的水汽上升到一定高度时，遇到冷空气，水汽会凝结在凝结核上，形成云。（2）云滴生长：云滴在空气中不断吸收水汽，逐渐增大，当云滴直径达到一定值时，即可视为云形成。（3）云的进一步发展：云滴继续吸收水汽，逐渐增大，当云滴之间的距离小于其直径时，云滴会合并成更大的水滴或冰晶，云体逐渐增厚。6.2降水的形成与分类降水是大气中水汽凝结后，以液态或固态形式从云层降落到地面的现象。降水的形成与分类是气象与气候预测的重要基础。6.2.1降水的形成降水的形成过程主要包括以下几个阶段：（1）云滴生长：在云中，水滴或冰晶不断吸收水汽，逐渐增大。（2）碰撞与合并：当云滴之间发生碰撞时，会合并成更大的水滴或冰晶。（3）降水粒子成熟：降水粒子继续生长，当其重力大于空气的上升运动力时，降水粒子开始下降。（4）降落到地面：降水粒子在下降过程中，若遇到暖气流，会融化成雨滴；若温度较低，则保持固态，形成雪或冰雹。6.2.2降水的分类降水可分为以下几类：（1）液态降水：主要包括雨、毛毛雨和雾。（2）固态降水：主要包括雪、冰雹、冰粒和雪粒。（3）混合态降水：指液态和固态降水同时出现的现象，如雨夹雪。6.3云与降水的关系云与降水之间存在密切的关系。云是降水的前兆，降水的形成、类型和强度与云的类型、高度和厚度密切相关。一般来说，高层云容易产生固态降水，中层云容易产生液态降水，低层云则可能产生雾等降水现象。云的厚度、覆盖范围和持续时间等也会影响降水的强度和持续时间。通过对云与降水关系的深入研究，有助于提高气象与气候预测的准确性，为我国防灾减灾工作提供有力支持。第7章天气系统与天气现象7.1天气系统概述天气系统是指在大气中形成并发展、对天气变化产生重要影响的系统性现象。本章主要介绍天气系统的基本概念、分类及其在天气预测中的作用。天气系统的研究有助于深入了解天气变化的规律，提高气象与气候预测的准确性。7.2主要天气系统及其特征7.2.1锋面系统锋面系统是大气中温度、湿度等物理性质差异明显的两个气团相互接触形成的边界。根据气团的性质，锋面系统可分为冷锋、暖锋和静止锋。其主要特征如下：（1）冷锋：冷锋是冷气团主动向暖气团移动的锋面。过境时常伴有雷暴、大风、降温等天气现象。（2）暖锋：暖锋是暖气团主动向冷气团移动的锋面。过境时常伴有连续性降水、雾等天气现象。（3）静止锋：静止锋是两个气团势力相当，锋面在某一地区停滞不前的现象。过境时常伴有阴雨天气。7.2.2高压系统高压系统是指大气中某一地区气压显著高于周边地区的天气系统。其主要特征如下：（1）天气晴朗：高压控制下，盛行下沉气流，水汽不易凝结，因此天气晴朗。（2）温差大：高压控制区，白天太阳辐射强烈，地面增温迅速，夜晚地面散热快，气温降低明显，导致昼夜温差较大。7.2.3低压系统低压系统是指大气中某一地区气压显著低于周边地区的天气系统。其主要特征如下：（1）天气阴雨：低压控制下，盛行上升气流，水汽易凝结，形成云雨天气。（2）温差小：低压控制区，大气层结不稳定，热量和水汽交换频繁，导致昼夜温差较小。7.3天气现象及其成因7.3.1雷暴雷暴是一种强烈的对流性天气，主要发生在热带和温带地区。其成因如下：（1）热力条件：地表受热不均，导致大气层结不稳定。（2）水汽条件：大气中水汽充足，为雷暴云的形成提供条件。（3）动力条件：大气中存在上升气流，促使水汽凝结，形成雷暴云。7.3.2雾雾是一种常见的低层大气现象，其成因如下：（1）水汽条件：大气中水汽充足，为雾的形成提供条件。（2）温度条件：气温降低，水汽易达到饱和状态，形成雾。（3）地形条件：山谷、盆地等地形易使水汽聚集，有利于雾的形成。7.3.3霜冻霜冻是指气温低于0℃，地表或物体表面出现冰晶的现象。其成因如下：（1）气温条件：气温低于0℃，为霜冻的形成提供条件。（2）地面辐射冷却：地表在夜间辐射冷却，使近地气温降至0℃以下。（3）湿度条件：大气中水汽充足，有利于霜冻的形成。本章主要介绍了天气系统及其特征、天气现象及其成因。了解这些内容有助于提高气象与气候预测的准确性。第8章气候类型与气候变化8.1气候类型划分气候类型划分是根据各地气温、降水等气象要素的长期平均状态，结合地理位置、地形地貌等因素，将全球气候划分为若干具有代表性的类型。常见的气候类型划分方法有柯本盖革尔气候分类法、汤普逊气候分类法等。本章主要介绍柯本盖革尔气候分类法。8.1.1柯本盖革尔气候分类法柯本盖革尔气候分类法将气候分为以下几种类型：（1）热带雨林气候：全年高温多雨，月平均气温在18℃以上，年降水量超过2000mm。（2）热带草原气候：全年高温，明显分为干湿两季，月平均气温在18℃以上，年降水量为7501000mm。（3）热带沙漠气候：全年高温干燥，月平均气温在18℃以上，年降水量不足250mm。（4）热带季风气候：全年高温，有明显的季节性降水，月平均气温在18℃以上，年降水量为10002000mm。（5）亚热带湿润气候：冬季温和，夏季炎热，降水分布较均匀，月平均气温在018℃之间，年降水量为10002000mm。（6）亚热带季风气候：冬季温和，夏季炎热，降水集中在夏季，月平均气温在018℃之间，年降水量为8001600mm。（7）温带海洋性气候：四季分明，降水分布较均匀，月平均气温在018℃之间，年降水量为5001000mm。（8）温带大陆性气候：冬季寒冷，夏季炎热，降水集中在夏季，月平均气温在018℃之间，年降水量为400800mm。（9）寒带气候：全年寒冷，月平均气温在0℃以下，年降水量较少。8.2全球气候分布全球气候分布呈现出明显的纬度地带性规律，从赤道向两极依次为热带气候、温带气候和寒带气候。8.2.1热带气候热带气候主要分布在赤道附近，包括热带雨林气候、热带草原气候、热带沙漠气候和热带季风气候。8.2.2温带气候温带气候分布在中纬度地区，包括亚热带湿润气候、亚热带季风气候、温带海洋性气候和温带大陆性气候。8.2.3寒带气候寒带气候主要分布在极地附近，包括苔原气候和冰原气候。8.3气候变化及其影响气候变化是指在全球或地区范围内，气候系统的热量平衡、水循环、大气成分等发生变化的现象。气候变化的因素包括自然因素和人为因素。8.3.1自然因素自然因素包括太阳辐射、火山爆发、地球运动等。这些因素会影响气候系统的热量平衡，进而导致气候变化。8.3.2人为因素人为因素主要包括人类活动导致的温室气体排放、土地利用变化、城市化等。这些因素对气候变化产生了显著影响。8.3.3气候变化的影响气候变化的潜在影响包括：（1）全球气温上升：导致冰川融化、海平面上升、极端气候事件增多等。（2）降水分布改变：导致水资源短缺、洪涝灾害、生态系统破坏等。（3）气候带移动：影响农业生产、生物多样性等。（4）极端气候事件增多：如高温热浪、强降水、干旱等。（5）对人类健康的影响：如传染病传播、空气质量下降等。（6）对经济发展的影响：如农业产量波动、能源需求变化等。气候类型与气候变化对人类活动和自然环境产生重要影响，因此，加强气象与气候预测研究，对应对气候变化、保护生态环境和保障人类福祉具有重要意义。第9章气象观测与数据收集9.1气象观测方法气象观测是研究大气现象和过程的重要手段，为气象预报、气候研究及环境保护提供基础数据。本节主要介绍常见的气象观测方法。9.1.1