1、第五章 天氣形勢及天氣要素的預報 天氣形勢是指大范圍流場、氣壓場、溫度場三度空間的分布形勢。它包含了大范圍的環流及環流形勢的各個天氣系統。天氣形勢預報：預報未來大范圍的環流及環流形勢的各個天氣系統，具體的是各個天氣系統的變 天氣要素是指晴、陰、雨、風力、風向、溫度等要素。天氣要素預報是預報未來晴、陰、雨、風力、風向、溫度等情況。第一節 天氣系統及天氣形勢的天氣學預報方法一 天氣系統的外推預報法外推法是指利用過去天氣系統變化的強度、移動，外推未來系統變化的強度、移動。 圖5.1閉合系統的外推圖5.2槽線的外推圖5.3槽線移速和強度的外推（一） 閉合系統的外推法（二） 高空槽脊的外推法（三） 應用

2、外推法時應注意的問題二 天氣系統的運動學預報法（變壓法）（一） 運動坐標系與固定坐標系中局地變化的關系1運動學公式固定坐標系與運動坐標系局地轉換公式： ，其中 表示對運動坐標系的局地變化， 表示對固定坐標系的局地變化。證明： = (5.1)（空氣質點在固定坐標系個別變化）= + (5.2)（空氣質點在運動坐標系中個別變化）= （空氣質點個別變化不因坐標系的選擇而發生變化） =+ (5.3)2天氣系統的數學描述基本特征，輔助特征天氣系統基本特征輔助特征槽線脊線低壓中心高壓中心鋒面（二） 運動學方法預報氣壓系統的移動1.假設條件在運動系統上，選取一些特定點或特定線，使得在這些點或線上一要素在運動坐

3、標系中的局地變化為零，即 ，并取X軸與系統運動方向一致，則2.槽脊線移動預報=+=0=00=+=或 = (5.6)其中 表示瞬時變高沿系統移動方向變化率，- 為變高梯度， 表示系統強度（等壓面凹凸程度）。A 在低壓槽中  圖5.5 因為槽線上 >0， - ，若槽前負變高，槽后正變高（L<3000km），則- = ，即 >0,槽線向變高梯度方向移動；相反，若槽前正變高，槽后負變高（L>3000km），則 <0，槽線向變高梯度方向移動。B 在高壓脊中  圖5.6因為脊線上 <0， ，若脊前正變高，脊后負變高（L<3000km），則 =

4、，即 >0，脊線向變高升度方向移動；相反，若脊前負變高，脊后正變高（L>3000km），則 <0,脊線向變高升度方向移動C.結論.槽（線）的移動方向是變高梯度的方向。.脊（線）的移動方向是變高升度的方向。.槽（線）的移動速度大小與強度 成反比，又與變高梯度-成正比。.脊（線）的移動速度大小與強度 成反比，又與變高升度 成正比。3.高、低壓中心移動預報在一般情況下系統為橢圓形，則系統中心取在運動坐標系原點O',長軸為X',短軸為Y'，系統中心移速為 。  圖5.7 氣壓系統中心的移動（1） = （2） 將（1）式代入（2）式得0= 在

5、系統中心 （ ）同理 (5.7)(5.8)A. 高低壓中心移速大小高壓中心與張度（ ， ）成反比，又與變壓升度（ ， ）成正比。低壓中心與張度（ ， ）成反比，又與變壓梯度（ ， ）成正比。B. 高低壓中心移向高低壓中心移向用 與x軸夾角表示。(5.9)（ 為變壓升度與x軸夾角, 和 分別表示變壓升度I沿X軸和Y軸的分量）.正圓形高低壓中心移向  圖5.8 正圓形高低壓中心移動即正圓形高低壓中心 方向與 方向一致。正圓形的高壓中心向變壓升度方向移動，低壓中心向變壓梯度方向移動。. 橢圓形高低壓中心移向 即橢圓形的高壓中心移向界于長軸與變壓升度之間方向，低壓中心移向

6、界于長軸與變壓梯度之間方向。（三） 用運動學方法預報氣壓系統的發展1. 槽（線）、脊（線）強度預報  圖5.9=在槽脊上 ， 當 ，槽加深，脊減弱； ，槽減弱，脊加強。2. 高低壓中心強度預報= (系統中心)當 <0，低壓加深，高壓減弱； >0，低壓減弱，高壓加深。（四） P3和 P24（ H24）在運動學方法中的應用（五） 用運動學方法預報時應注意之點三 高空天氣形勢預報（一） 高空形勢預報的基本方程1. 推導圖5.10 熱成風因為大尺度系統運動渦度方程可寫為簡化渦度方程，所以假設大氣中有一無輻散層，在此層上 ，則渦度方程可簡化為：(5.15)又可寫為 即為對

7、上試從0 積分得：考慮地形平坦 可得：由平均層概念（固定點整層渦度變化平均 等于某層等壓面上該點的渦度變化 ，此層稱平均層（一般為600hpa）得：（1）圖5.11 平均層一般大氣處于斜壓，特別是中高緯地區各層等壓面上有等溫線分布。設各層等溫線平行（實際大氣中各層等溫線近于平行）也就是與熱成風方向一致。則：(5.16)（2） 對（2）式兩邊用 得 在 方向上 （3）將（2）、（3）式代入（1）式并考慮大氣層頂 ，地表平坦 ,則可得 因為 （常數的平均仍是常數）, ,所以 (5.19)（平均層渦度局地變化等于平均層相對渦度平流、地轉渦度平流及 之間熱成風渦度平流輸送之和。）2. 基本方程使用條件

8、地勢平坦熱成風方向一致，反映各層、各層之間等溫線、等平均溫度線平行用在平均層600hpa上，實際工作中可用500hpa代替（二） 基本方程的討論（三）渦度平流和熱成風渦度平流的定性判斷第一項 （平均層上地轉渦度平流輸送項）圖5.12a圖5.12b圖5.12c圖5.12d 圖5.12e 第二項 （平均層上相對渦度平流輸送項）在自然坐標系下 由地轉近似 知 因大范圍的運動是準地轉的，將地轉風公式 代入得：(5.20)對稱性圖5.13a圖5.13b圖5.13c圖5.13d圖5.13e圖5.13f結論：對稱性使系統產生移動非對稱性圖5.14a圖5.14b圖5.14c圖5.14d結論

9、：非對稱性使槽（脊）強度變化第三項 （熱成風渦度平流輸送項）用處理第二項的同樣方法處理由， ， 可得：注意：h不同于H。圖5.15a圖5.15b四 地面天氣形勢預報（一） 地面形勢預報的基本方程推導地面指1000hpa等壓面高度為 平均層（600hpa）常用500hpa等壓面高度為 由靜力方程 ，狀態方程 導出 得出厚度公式 ，兩邊對t求導得 將熱力學方程代入上式得(5.23)（二）渦度平流和熱成風渦度平流第一項 >0(平流層上的相對渦度平流輸送)放大圖5.16物理意義：溫帶氣旋上空處在500hpa槽前脊后，借助西南風將正相對渦度從大往小的方向輸送，使得其上空固定點正相對渦度增加 ，同時

10、在 力作用下伴隨水平輻散引起低層地面質量減少，地面氣旋（包括中心）降壓，此氣旋加深。第二項 （熱成風渦度平流輸送）在槽線上： >0槽前：物理意義：槽線處借助西南熱成風將正熱成風渦度從大往小的方向輸送，使槽線上正熱成風渦度增加（) ，反映正相對渦度增加（) ，槽線處等壓面高度降低（ ）氣旋性曲率加大（ ）。槽前正相對渦度平流更加大（ ），引起槽前固定點正相對渦度更增大（ ），同時在 力作用下伴隨水平輻散更加大（ ），引起低層地面質量減少更多，此氣旋降壓更厲害（ ），氣旋加深。（三）平均溫度平流-引導氣流第三項 （平均層以下的溫度平流）放大圖5.17 溫度梯度物理意義：氣旋中心左（右）半部與

11、高壓中心右(左）半部上空對應槽（脊）線處風隨高度逆（順）轉，使氣層間有了冷（暖）平流，反映平均層以下的平均也是冷（暖）平流， （ ），冷（暖）平流降（升）溫，氣柱收縮（膨脹），地面等壓面抬升（降低）。引導氣流= = 代入地轉風公式 在地面系統中 ， ， 同理 （5.25）在地面系統中心 若地面系統中的移動方向沿平均層上的氣流方向移動，則稱此氣流為引導氣流。（四）絕熱變化的影響第四項 物理意義：氣旋上空大氣處于穩定 ，反映 ，抑制發展。氣旋上空有上升運動，由于大氣穩定，上升絕熱膨脹冷卻。平均層以下氣柱降溫收縮，地面氣旋等壓面抬升，氣壓升高，抑制它加深發展。氣旋上空大氣處于不穩定 ，反映 ，氣旋加

12、深發展。氣旋上空有上升運動，由于大氣不穩定以大量水氣凝結釋放潛熱為主，平均層以下氣柱增溫膨脹，地面氣旋等壓面高度降低，反映氣壓降低，氣旋加深發展。（五）非絕熱變化的影響第五項 有雷暴符號大氣不穩定。（六）例題冬半年500hpa高空槽及鋒面氣旋（溫帶氣旋）由大陸移到海上，試問此槽及氣旋變化如何？ 圖5.18答：槽的變化 ：槽前借助西南風將正相對渦度從大的往小的方向輸送，使氣旋上空槽前固定點正相對渦度增大。同時在作用下伴隨水平輻散使氣柱質量減少，氣旋降壓、加深，有負變壓中心。500hpa槽前為水平輻散，導致上升運動，上升絕熱膨脹冷卻，氣柱收縮，高層500hpa等壓面高度降低即負變高。相反，槽后有正

13、變高，槽線處變高為零，槽強度無變化。槽向變高梯度方向移動，氣旋加深。槽線處：借助西南熱成風將正成風渦度從大的往小的方向輸送，使槽線處正熱成風渦度增大，正相對渦度增大。考慮準地轉槽線處等壓面高度降低，槽加深。由于槽加深，氣旋性曲率加大，槽前正相對渦度平流更加大，使得氣旋上空固定點正相對渦度更加大。同時在作用下伴隨水平輻散更加大。這樣，氣旋附近質量減少更多，降壓更明顯，氣旋加深。氣旋變化：平均層渦度方程解釋了槽及氣旋的變化，下面討論平均層以下溫度平流的平均，穩定度及垂直運動變化的平均，非絕熱變化的平均。氣旋中心左半部，反氣旋中心右半部到500hpa槽線處附近風隨高度逆轉，此氣層間有冷平流，氣柱降溫

14、收縮，地面等壓面抬升，因此氣旋左半部有正變高。相反，氣旋中心右半部，反氣旋中心左半部到500hpa脊線處附近風隨高度轉，此氣層間有暖平流，氣柱增溫膨脹，地面等壓面降低，因此氣旋右半部有負變高。氣旋中心變高為零，氣旋強度無變化，氣旋向變高方向移動即前進。大氣處于穩定，氣旋上空有上升運動。上升絕熱膨脹冷卻降溫，氣柱收縮，地面等壓面抬升，氣旋等壓面高度增加，氣旋減弱，抑制氣旋加深發展。冬半年氣旋由大陸移到海上，由于海表面是熱源，氣旋移到海上其上空氣柱吸熱、增溫，氣柱膨脹，低層地面等壓面高度降低，此氣旋加深。五地形和摩擦的影響（一）考慮地形與摩擦的平均層渦度方程由簡化渦度方程 =0此時 ， ， 地形影

15、響引起的垂直速度， 摩擦影響引起的垂直速度求 如圖山的迎風坡水平風速 ， 與山的水平方向夾角為 ，山坡與水平面的交角為 ，氣流上升垂直速度為 圖5.19 地形強迫垂直運動換為"P"坐標系 (5.26)求 (5.32) （二）地形和摩擦對系統的影響的物理解釋地形對系統影響用位勢渦度方程守恒原理可以解釋，上坡對低值系統、槽、低壓減弱；對高值系統、脊、高壓增強。下坡相反。圖5.20 地形造成的渦度變化摩擦對系統影響摩擦作用發生在摩擦層中，越向上摩擦力越小，到自由大氣等于零，低（高）壓中心周圍，風邊逆（順）時針旋轉邊向中心（外）輻合（散）。輻合（散）上升（下沉）隨高度減小，氣柱壓縮

16、（伸長），必伴有水平輻散（合）。同時在 力作用下，反氣旋（氣旋）渦度生成，使原來低（高）壓的氣旋（反氣旋）性渦度減小，低（高）壓減弱。（三） 例題試述ABCDE五點處槽移速的變化。圖5.21 高原造成的槽的移速變化移動。A處：設無受地形影響，槽前有負變高，槽后正變高，受地形影響，槽前處在上坡有正變高，槽后平坦，變高為零，疊加后變高梯度減小，移速變慢。處：設無地形影響，槽前有負變高，槽后正變高，受地形影響，槽前已上坡，變高為零，槽后處在上坡有正變高，疊加后變高梯度增大，移速加快。C處：設無地形影響，槽前有負變高，槽后正變高，受地形影響，槽已在高原上，槽前槽后變高不受地形影響，移速正常。D處：設無

17、地形影響，槽前有負變高，槽后正變高，受地形影響，槽前處在下坡有負變高，槽后平坦，變高為零，疊加后變高梯度增大，移速加快。E處：設無地形影響，槽前有負變高，槽后正變高，受地形影響，槽前已下坡，變高為零，槽后處在下坡有負變高，疊加后變高梯度減小，移速變慢。六 鋒的移動預報（一）外推法（二）變壓法（三）引導氣流法（四）地面氣壓場的鋒面移動的影響七 經驗預報法（一） 相似形勢法（二） 天氣學模式法（三） 統計資料法（四） 預報指標法（五） 周圍系統的影響（六） 24小時變壓、變高和變溫的應用八 衛星云圖在天氣形勢預報中的應用（一） 根據云系特征尋找天氣系統的發展指標（二） 根據衛星云圖尋找天氣系統移動的指標九 用天氣學方法作形勢預報的一般程序（一） 對歷史狀況進行調查研究（二） 根據歷史和現狀作出未來的預報第二節 要素和天氣現象的天氣學預報方法一 天氣預報方法概述二 大風的預報第三節 數值預報產品的釋用一 基本原理數值預報是根據大氣動力學和熱力學基本方程組，應用數值積分方法對未來的天氣形勢和氣象要素作出預報的方法。目前對天氣形勢預報（地面、高空）準確率較高，但對天氣要素預報（降水、溫度、風等）較差。動力-統計預報方法就是首先通過