第一章緒論

天氣業(yè)務(wù)是氣象業(yè)務(wù)中最早發(fā)展起來的業(yè)務(wù)，至今仍然是主要的氣象業(yè)務(wù)之

一。天氣業(yè)務(wù)起源于19世紀，進入二十世紀七、八十年代，由于數(shù)值天氣預(yù)報

投入業(yè)務(wù)使用，天氣業(yè)務(wù)獲得了突飛猛進的發(fā)展。

主要內(nèi)容

第一節(jié)天氣業(yè)務(wù)的內(nèi)含和方法

1.1天氣業(yè)務(wù)的內(nèi)含

1.2天氣業(yè)務(wù)方法

第二節(jié)傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)

2.1天氣業(yè)務(wù)的誕生

2.2天氣圖分析和預(yù)報

2.3傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)的理論和方法

第三節(jié)現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)

3.1數(shù)值天氣預(yù)報發(fā)展歷程

3.2氣象要素和災(zāi)害性天氣的中短期預(yù)報

第四節(jié)天氣業(yè)務(wù)的拓寬

4.1氣象災(zāi)害預(yù)報

4.2相關(guān)應(yīng)用氣象業(yè)務(wù)

第一節(jié)天氣業(yè)務(wù)的內(nèi)含和方法

1.1天氣業(yè)務(wù)的內(nèi)含

“天氣”是由各種氣象要素和現(xiàn)象所共同表現(xiàn)的大氣狀態(tài)，它是隨時、隨地

變化的。天氣業(yè)務(wù)是分析氣象要素、天氣現(xiàn)象及其演變規(guī)律，并據(jù)此預(yù)報未來天

氣變化的業(yè)務(wù)。

天氣業(yè)務(wù)按預(yù)報對象劃分，可以分為氣象要素預(yù)報、天氣現(xiàn)象特別是災(zāi)害性

天氣監(jiān)測和預(yù)報，天氣引發(fā)的氣象災(zāi)害預(yù)報。

航空氣象屬于天氣業(yè)務(wù)的范疇，雖然它關(guān)注的是機場和航線上上的天氣，但

是航空氣象制作的產(chǎn)品全部屬于天氣產(chǎn)品。交通氣象要制作的產(chǎn)品是公路、黃金

水道、軌道交通線上低能見度天氣（強降水、霧、沙塵暴）、大風(fēng)、高溫、路面

熱力狀況等的監(jiān)測和預(yù)報，因此屬于天氣業(yè)務(wù)。海洋氣象中海上風(fēng)、霧、溫度、

結(jié)冰等都是氣象要素或天氣現(xiàn)象，因此它們的監(jiān)測和預(yù)報自然屬于天氣業(yè)務(wù)，海

浪、風(fēng)暴潮等是水文現(xiàn)象，其監(jiān)測和預(yù)報便不屬于天氣業(yè)務(wù)了。水文氣象中面（體

積）雨量的監(jiān)測和預(yù)報等屬于天氣業(yè)務(wù)，流量和水位監(jiān)測和預(yù)報是水文業(yè)務(wù)。但

是，為了完整起見，本書都作了介紹。另外，本書還對環(huán)境氣象、健康氣象、電

力和能源氣象都作了比較全面的介紹，雖然它們的預(yù)報對象不是天氣，但是它們

都是由氣象條件引起的，只要找到相關(guān)的臨界氣象條件（它們都是天氣業(yè)務(wù)中要

預(yù)報的氣象要素和天氣現(xiàn)象），就可以制作相關(guān)的預(yù)報產(chǎn)品了。

天氣業(yè)務(wù)按預(yù)報時效劃分，又可以分為天氣及其引發(fā)的災(zāi)害的監(jiān)測、臨近預(yù)

報（0-3小時）、短時預(yù)報（3-12小時）、短期預(yù)報（1-3天）、中期預(yù)報（4-10

天）和延伸期預(yù)報（11-30天），其中延伸期預(yù)報尚未真正形成業(yè)務(wù)。

按天氣業(yè)務(wù)發(fā)展的階段劃分，我們可以將天氣業(yè)務(wù)劃分為兩個階段：傳統(tǒng)天

氣業(yè)務(wù)和現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)，進入現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)的標(biāo)志是數(shù)值天氣分析預(yù)報產(chǎn)品在天

氣預(yù)報中的廣泛應(yīng)用并成為天氣預(yù)報的基礎(chǔ)。前一階段開始于十九世紀中口卜，第

二階段發(fā)達國家大約開始于二十世紀七十年代末八十年代初，我國則開始于上世

紀九十年代初。

1.2天氣業(yè)務(wù)方法

天氣業(yè)務(wù)所用的方法主要有天氣分析、天氣圖、數(shù)值天氣分析和預(yù)報以及臨

近預(yù)報方法。

天氣分析涉及的面很廣，主要有天氣圖分析、天氣雷達資料分析、衛(wèi)星資料

分析、風(fēng)廓線分析、GPS/MET資料分析、閃電資料分析等。在目前天氣業(yè)務(wù)中，

天氣分析是一個薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)報員過多地依賴數(shù)值分析預(yù)報產(chǎn)品，忽視了天氣圖

的分析，很多預(yù)報員不會定鋒面，常常漏分析高空小槽和地面中尺度系統(tǒng)，對天

氣圖上云和天氣現(xiàn)象的符號不甚了了，對從稠密自動氣象站來的高時空分辨率資

料不做必要的中分析，因而在天氣業(yè)務(wù)中常常漏掉了引發(fā)災(zāi)害性天氣的中尺度系

統(tǒng)和天氣。天氣雷達反射率回波不僅強度與災(zāi)害性天氣緊密相關(guān)，而且回波的形

狀也是不同強對流天氣的識別器；多普勒雷達徑向風(fēng)場包含著豐富的識別災(zāi)害性

天氣的信.息，例如逆風(fēng)區(qū)是強降水的信號，中氣旋是強風(fēng)的指標(biāo)等等?？梢姽狻?/p>

紅外和水汽云圖配合天氣圖分析以及物理量的診斷可以提供許多有用的天氣診

斷和預(yù)報的信.息。目前我國預(yù)報員對天氣雷達和衛(wèi)星資料的分析應(yīng)用水平不高，

影響了我國災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和臨近預(yù)報水平的提高。隨著我國氣象探測系統(tǒng)的

發(fā)展，新資料不斷涌現(xiàn)，分析和應(yīng)用好這些資料是提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測率和預(yù)報

準確率的必由之路。

天氣圖及其輔助圖表以前是現(xiàn)在仍然是天氣分析和預(yù)報的重要工具，雖然數(shù)

值天氣預(yù)報已經(jīng)成為天氣業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，但是目前數(shù)值模式對氣象要素的預(yù)報水平

還不高，需要預(yù)報員進行訂正；目前數(shù)值預(yù)報直接輸出的產(chǎn)品中還沒有天氣現(xiàn)象

特別是沒有災(zāi)害性天氣的預(yù)報，更需要預(yù)報員去制作這些天氣的預(yù)報。預(yù)報員依

靠自身的經(jīng)驗制作災(zāi)害性天氣預(yù)報，一是根據(jù)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品前期的誤差對其進行

訂正，更重要的是應(yīng)用天氣圖方法制作預(yù)報，數(shù)值天氣預(yù)報的分析場和預(yù)報場都

是天氣圖，預(yù)報員根據(jù)氣旋學(xué)說、鋒面學(xué)說、長波理論、不穩(wěn)定理論、降水學(xué)說

等天氣學(xué)知識和各種分析工具，在這些“天氣圖”上畫出災(zāi)害性天氣的落區(qū)，制

作災(zāi)害性天氣預(yù)報，因此天氣圖分析和預(yù)報仍然是現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)不可或缺的重要

工具。

數(shù)值天氣分析和預(yù)報包括分析和預(yù)報兩個部分。數(shù)值天氣分析就是要得到…

個接近真實的初始場，這是近十年來各國提高數(shù)值天氣預(yù)報水平的關(guān)鍵，數(shù)值天

氣分析包括觀測資料的質(zhì)量控制和資料同化，我國已經(jīng)建立三維變分同化業(yè)務(wù)，

四維變化同化已經(jīng)成為發(fā)達國家的業(yè)務(wù)；數(shù)值天氣預(yù)報就是用數(shù)值模式從初始場

開始積分預(yù)報未來的天氣形勢和天氣。數(shù)值預(yù)報中的天氣形勢預(yù)報水平早已超過

有經(jīng)驗的預(yù)報員的水平，因而成為天氣業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。

數(shù)值分析預(yù)報產(chǎn)品解釋應(yīng)用是制作站點和格點氣象要素預(yù)報的重要方法，使

用的方法包括MOS、PP、SVM神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等方法。

近年來各國發(fā)展的集合預(yù)報業(yè)務(wù)對于延長預(yù)報時效和提高災(zāi)害性天氣概率

預(yù)報水平已經(jīng)并將發(fā)揮重要的作用。大氣是一個高度非線性的系統(tǒng)，數(shù)值預(yù)報對

初值非常敏感，由于氣象觀測總是存在誤差和時空覆蓋存在很多空隙，我們不可

能獲得一個完全真實的初值，再加上模式的誤差、模式過程的誤差和計算的誤差,

完全確定性的預(yù)報是可望而不可求的事情，3天之內(nèi)的預(yù)報確定性較高，之后數(shù)

值解就發(fā)散了，因此，集合預(yù)報就成為必然的選擇。集合預(yù)報分為多初值、多過

程、多模式的集合，各國業(yè)務(wù)中心用得最多的是多初值集合預(yù)報，初值擾動方法

分為奇異向量法和增長模繁殖法；預(yù)報員用得最多的是多模式的集合，預(yù)報員面

對許多業(yè)務(wù)中心的數(shù)值分析預(yù)報產(chǎn)品，根據(jù)多年使用的經(jīng)驗進行主觀集成，制作

預(yù)報產(chǎn)品；如果能在檢驗各家模式優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，發(fā)展客觀定量的集合預(yù)報方法,

一定會提高3-5天災(zāi)害性天氣的預(yù)報水平。

由于數(shù)值模式與初始場相協(xié)調(diào)需要一定的時間，再加上數(shù)值預(yù)報對災(zāi)害性天

氣的預(yù)報準確率和時空分辨率不高，因此臨近預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展起來，目前臨近預(yù)報

主要使用的方法是利用天氣雷達、氣象衛(wèi)星、自動氣象站、閃電定位等實況資料

對災(zāi)害性天氣進行識別，然后根據(jù)過去位置的變化規(guī)律進行外推預(yù)報，利用雷達

資料進行外推的方法主要有TREC、TITAN等方法，盡管臨近預(yù)報平均預(yù)報時效只

有1小時，但是臨近預(yù)報的準確率和時空分辨率高，因此在氣象防災(zāi)減災(zāi)中具有

特殊的作用，為了延長預(yù)報時效，必須與數(shù)值分析預(yù)報產(chǎn)品相結(jié)合。

第二節(jié)傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)

2.1天氣業(yè)務(wù)的誕生

雖然古希臘大哲學(xué)家亞里斯多德在約公元前350年就有《氣象學(xué)》問世，該

書綜合論述了水、空氣和地震等現(xiàn)象，但并不意味著氣象學(xué)就此真的誕生了。就

像遠在三千年前，我國殷代甲骨文已有關(guān)于風(fēng)、云、雨、雪、虹、霞、龍卷、雷

暴等文字記載，還常卜問未來十天的天氣（稱為“卜旬”），并將實況記錄下來以

資驗證不能稱之為天氣預(yù)報業(yè)務(wù)一樣，因為它們都沒有科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

科學(xué)意義上的天氣業(yè)務(wù)起源于十九世紀中葉，從此時起，歐洲和北美地面氣

象觀測臺、站相繼建立，形成了地面氣象觀測網(wǎng)。同時，無線電技術(shù)的發(fā)明，使

地面觀測資料可以快速傳輸?shù)礁鞯?，為繪制天氣圖創(chuàng)造了條件，在1860T865

年間歐洲和北美各國紛紛繪出了天氣圖，并用天氣圖來做天氣預(yù)報，標(biāo)志著天氣

業(yè)務(wù)的誕生。

2.2天氣圖分析和預(yù)報

傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)的標(biāo)志是天氣圖分析和預(yù)報。

常規(guī)天氣圖分為地面天氣圖和高空天氣圖，按照世界氣象組織規(guī)定的填圖模

式，將觀測資料填在站點上。在地面天氣圖上需要分析等壓線和等溫線，用規(guī)定

的顏色線畫出不同天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的區(qū)域，并在該區(qū)域內(nèi)用規(guī)定的符號標(biāo)明該天氣

現(xiàn)象，在地面天氣圖上需要重點分析的天氣系統(tǒng)是高壓、低壓和鋒面等。高空天

氣圖一般是指等壓面天氣圖，這是因為求一定氣壓的高度比求一定高度的氣壓容

易，另外在等壓面天氣圖上地轉(zhuǎn)風(fēng)（或梯度風(fēng)）速可以用等壓面上等高線的間隔

來表示，而且間隔和風(fēng)速的關(guān)系與等壓面的氣壓無關(guān)，因此在各等壓面上可使用

同樣的地轉(zhuǎn)風(fēng)速尺，但高度不同風(fēng)速和等氣壓線間隔的關(guān)系就不一樣了。在高空

圖上需要繪制等高線和等溫線，需要重點分析的天氣系統(tǒng)是高空槽、切變線、低

壓和高壓（脊）等。

“天氣圖”是展現(xiàn)同一時刻不同地區(qū)氣象要素和天氣現(xiàn)象分布的很好工具。

現(xiàn)代天氣觀測的工具和手段多種多樣,各種常規(guī)和非常規(guī)探測資料的分布圖都是

“廣義的天氣圖”，通過它們可以看到各種“天氣系統(tǒng)”以及與其相聯(lián)系的天氣

現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和演變過程，因而使我們能“縱觀世界，一覽天下”的風(fēng)云變

幻。

氣象要素也稱為氣象變量。對于確定時間的氣象要素的空間分布稱為氣象變

量場，氣象要素是一種場變量。天氣圖所表現(xiàn)的就是某一時刻的氣象變量場，“天

氣系統(tǒng)”就是氣象變量場上的某種基本特征。通過連續(xù)的天氣圖分析就可以了解

氣象變量場特征和天氣系統(tǒng)隨時間的變化，天氣圖分析和預(yù)報就是通過分析各種

氣象變量場特征的發(fā)生、發(fā)展和演變的規(guī)律，來預(yù)報未來的天氣。

傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)的標(biāo)志是天氣圖分析和預(yù)報，包括輔助圖表的分析，例如

TTnP圖、各種剖面圖和時間演變圖等，在傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)中還需要分析各種穩(wěn)定

度、渦度、散度、垂直速度、水汽通量和散度等物理量，以制作天氣預(yù)報。

2.3傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)的理論和方法

支持傳統(tǒng)天氣業(yè)務(wù)的理論和方法有很多，首先是鋒面/氣旋理論。1918年J.

皮葉克尼斯首先將鋒與鋒面的概念引入氣象學(xué)文獻和預(yù)報實踐中，1928年貝吉

隆對鋒的形成和消失提出了一個運動學(xué)的解釋，通過研究貝吉隆得出結(jié)論，鋒是

由于在具有溫度對比的區(qū)域中氣流的匯合運動造成的，那時還沒有高空觀測，但

是他們根據(jù)地面圖分析所推論得到的概念卻完全是三度空間的，特別是將廣義的

鋒看作為一條斜壓帶，通過垂直環(huán)流將位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽堋?918年皮葉克尼斯還

提出了一個氣旋模式，這個模式除概述了氣旋典型結(jié)構(gòu)之外，還闡述了氣旋動力

學(xué)過程。他發(fā)現(xiàn)冷空氣像一個楔子位于暖空氣下方,其間分界面的坡度為1：100,

云雨區(qū)的典型分布可以用冷暖鋒上暖空氣絕熱上升冷卻的結(jié)果來解釋。

其次是波動理論。上世紀30-40年代，由于要求能早期預(yù)報出災(zāi)害性天氣，

同時無線電探空及高空測風(fēng)業(yè)務(wù)的普遍發(fā)展，能夠分析出較好的高空天氣圖，羅

斯貝等研究大氣環(huán)流,提出了長波理論，為進行1-3天的天氣預(yù)奠定了理論基礎(chǔ)。

產(chǎn)生大氣波動的因子很多，如大氣溫度層結(jié)、可壓縮性、重力、慣性力等。不同

因子形成的波動其性質(zhì)有很大的差別，不同類型的波動對天氣的影響也極不相

同。有些類型的波動對天氣變化及一些天氣現(xiàn)象的產(chǎn)生起著重要的作用，有些則

不然。對于小尺度運動，主要是重力內(nèi)波（由大氣的穩(wěn)定層結(jié)和重力的作用而形

成）起作用；對于中尺度運動，主要是慣性-重力內(nèi)波起作用；對于大尺度運動,

主要是長波（由B效應(yīng)而形成的）。短期天氣過程主要取決于長波，中期天氣過

程主要決定于長波與超長波，超長波由冷熱源及地形的強迫作用通過P效應(yīng)而產(chǎn)

生。

第三是不穩(wěn)定理論。不穩(wěn)定是實際天氣系統(tǒng)發(fā)生和發(fā)展的一個重要的動力機

制，正壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展的能源主要取自基本氣流的動能，斜壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展

的能源主要取自有效位能的釋放，對于對流性較強的系統(tǒng)（如臺風(fēng)）的發(fā)生發(fā)展,

潛熱能的釋放也是擾動發(fā)展的重要能量來源。這里要特別提到對斜壓不穩(wěn)定和

CISK（第二類條件不穩(wěn)定）做出突出貢獻的氣象學(xué)家，Eadyl949年首先討論了

長波和氣旋波動的不穩(wěn)定問題（以后就稱為Eady模式），以后郭曉嵐、Charney、

Green也先后對斜壓不穩(wěn)定研究作出了貢獻，說明斜壓性是大氣中系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展

的主要因子。Charney和Eliassion以及0oyamal964年首先討論了小尺度積云

對流加熱與大尺度流場演變的相互作用，是使得大尺度系統(tǒng)不穩(wěn)定增長的一個具

體物理機制，并稱之為CISK（第二類條件不穩(wěn)定）。1973年J.R.Bates同時考慮

邊界層摩擦輻合以及變壓風(fēng)輻合，提出了廣義第二類條件不穩(wěn)定；Lindzenl974

年提出大氣中的內(nèi)波尤其是重力內(nèi)波提供了在CISK過程中啟動積云對流的上升

運動，并稱此為波型第二類條件不穩(wěn)定，從而進一步完善了第二類條件不穩(wěn)定理

論。

第三節(jié)現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)

現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)的標(biāo)志是數(shù)值天氣分析和預(yù)報成為天氣業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。

3.1數(shù)值天氣預(yù)報發(fā)展歷程

數(shù)值預(yù)報是集大氣探測、天氣學(xué)、動力氣象以及計算機、通信技術(shù)為一體的

綜合性科學(xué)。它的模式是建立在大氣動力學(xué)基礎(chǔ)上，有賴于對大氣動力過程物理

本質(zhì)的理解和認識，依據(jù)現(xiàn)實的大氣狀況，借助反映大氣動量、能量、質(zhì)量守恒

和水汽守恒的運動方程組來外推未來時刻大氣狀態(tài)。

早在1904年V.Bjerknes首次提出數(shù)值天氣預(yù)報的理論思想：將預(yù)測大氣

未來時刻的狀態(tài)（即天氣預(yù)報）問題提為一組數(shù)學(xué)物理方程的初值問題。之后

1922年Richardson首次嘗試實踐V.Bjerknes的數(shù)值天氣預(yù)報的理論思想，從

一組不經(jīng)過任何處理的大氣原始方程組出發(fā)，利用數(shù)值計算的方法，試圖計算出

未來天氣的變化，雖然是以失敗告終。直至1954年數(shù)值天氣預(yù)報的實際業(yè)務(wù)應(yīng)

用才首先在瑞典得以實現(xiàn)。自此，隨著超級計算機、大規(guī)模并行處理技術(shù)和互聯(lián)

網(wǎng)的問世和發(fā)展，以及探測技術(shù)、新計算方法和地球科學(xué)本身的進步，業(yè)務(wù)數(shù)值

天氣預(yù)報就走上了一條不斷發(fā)展的軌道。特別是近十幾年來，變分資料同化技術(shù)

的應(yīng)用和衛(wèi)星遙感資料的使用，數(shù)值天氣預(yù)報的水平又上了一個新臺階?，F(xiàn)在，

作為被人們所普遍接受的觀念，數(shù)值預(yù)報已成為現(xiàn)代氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)和提高

準確率與服務(wù)水平的最根本科學(xué)途徑。以數(shù)值預(yù)報技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他方法建

立起來的現(xiàn)代綜合氣象預(yù)報系統(tǒng)，已成為氣象工作者進行天氣分析和預(yù)報的重要

而有效的手段。

與先進國家相比，我國的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報起步較晚，1956年我國中央氣象局

氣象科學(xué)研究所成立了由著名的氣象學(xué)家顧正潮主持下的數(shù)值預(yù)報研制小組，并

于1959年將研制的第一張正壓模式的歐亞形勢預(yù)報圖向國慶十周年獻禮。此后，

1961年提高為北半球模式，1969-1978年運用DJS-6平均運算速度為6萬次/秒

的計算機，制作三層原始方程模式（A模式）72h短期業(yè)務(wù)預(yù)報。改革開放后，1982

年根據(jù)全國災(zāi)害性天氣預(yù)報服務(wù)工作會議上重點發(fā)展數(shù)值預(yù)報，逐步實現(xiàn)天氣預(yù)

報客觀、定量的精神，中國的數(shù)值預(yù)報以前所未有的速度迅猛地發(fā)展起來。

1981-1982年在百萬次速度的Ml70機上先后建立了分辨率為381公里、五層原

始方程的半球預(yù)報模式（B模式）和分辨率小于200公里、垂直層次為15層的

亞洲有限區(qū)域模式預(yù)報系統(tǒng)。而后，又引進ECMWF預(yù)報模式分別于1990年、1992

和1997年建立了T42半球、T63全球和T106全球預(yù)報模式。自從1999年峰值

速度為760億的SP并行機在氣象中心落戶后，數(shù)值預(yù)報工作者一鼓作氣將并行

算法的T213模式在2002年3月實現(xiàn)了業(yè)務(wù)運行。之后又經(jīng)過五年的攻關(guān)，全球

資料（特別是衛(wèi)星資料）三維變分同化和全球譜模式T213L31升級為T639L60的

研發(fā)工作取得重大進展，2006年開展業(yè)務(wù)試驗，2007年已投入業(yè)務(wù)運行；為2008

年北京奧運會服務(wù)的精細模式（最高水平分辨率達到1公里）在引進吸收消化的

基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，解決了多普勒雷達等資料的變分同化和開發(fā)符合我國天氣實際

情況的物理過程等方面取得了實質(zhì)性進展。T106全球集合預(yù)報也于1998年上業(yè)

務(wù)，2007年又升級為T213全球集合預(yù)報業(yè)務(wù)。

由于數(shù)值預(yù)報在氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中的基礎(chǔ)性作用以及數(shù)值模式在大氣與地球

科學(xué)研究中的重要地位，自主發(fā)展我國的數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)成為世紀之交我國大

氣科學(xué)界與管理部門共同關(guān)注的一個熱點。

2001年中國氣象局把數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展列為氣象科技創(chuàng)新的最

重要項目之一，組織了數(shù)值預(yù)報技術(shù)創(chuàng)新的專門隊伍與機構(gòu)，同時，國家科技部

在“十五”國家重點科技攻關(guān)計劃中啟動了“中國氣象數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新研

究”項目，開始自主研究開發(fā)我國新一代全球/區(qū)域同化預(yù)報系統(tǒng)(GRAPES,

Global/RegionalAssimilationPrEdictionSystem)。

經(jīng)過5年的聯(lián)合攻關(guān)，完全依靠中國科學(xué)家自己的力量，研究建立了一套新

的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，它以變分同化和全可壓非靜力平衡模式的理論為基礎(chǔ)，并將全

球/區(qū)域的資料同化、預(yù)報模式“一體化(unified)"的思想貫穿于系統(tǒng)設(shè)計和

工程實現(xiàn)之中。目前GRAPES系統(tǒng)已在全國業(yè)務(wù)、科研、教學(xué)等許多單位得到了

多方面的應(yīng)用。

以上數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的研究和開發(fā)，大大提高我國數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的水

平，縮短與世界先進水平的差距。

3.2氣象要素和災(zāi)害性天氣的中短期預(yù)報

數(shù)值天氣分析預(yù)報產(chǎn)品雖然為天氣業(yè)務(wù)提供了很好的基礎(chǔ)，但是天氣的監(jiān)測

和預(yù)報最后還得預(yù)報員去做。在天氣業(yè)務(wù)中，預(yù)報員既要充分重視數(shù)值天氣分析

預(yù)報產(chǎn)品的應(yīng)用，又不能完全依賴它。預(yù)報員應(yīng)當(dāng)發(fā)揮主觀能動性，不僅要分析

和統(tǒng)計數(shù)值分析預(yù)報產(chǎn)品的誤差并據(jù)此訂正它，還要應(yīng)用多種技術(shù)和方法對數(shù)值

分析預(yù)報產(chǎn)品進行解釋應(yīng)用；與此同時，還要綜合應(yīng)用多種技術(shù)和方法，制作氣

象要素和災(zāi)害性天氣預(yù)報。

隨著我國數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的建立，數(shù)值分析預(yù)報產(chǎn)品解釋應(yīng)用工作也逐步開展

起來，在天氣業(yè)務(wù)中可以制作數(shù)值天氣預(yù)報可用時效內(nèi)逐日的氣象要素預(yù)報，國

家氣象中心已經(jīng)建立全國近2500個站點1-7天降水、最高最低溫度、風(fēng)向風(fēng)速、

相對濕度、云等氣象要素預(yù)報業(yè)務(wù)，24小時之內(nèi)已提供3小時間隔的預(yù)報產(chǎn)品

了；各省氣象局在國家氣象中心指導(dǎo)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，發(fā)展了鄉(xiāng)鎮(zhèn)、風(fēng)景名勝地的

氣象要素預(yù)報業(yè)務(wù)。

集合預(yù)報已經(jīng)成為發(fā)達國家災(zāi)害性天氣中短期概率預(yù)報的主要工具，我國正

在發(fā)展該項業(yè)務(wù)，天氣氣候統(tǒng)計方法和動力統(tǒng)計方法仍然是災(zāi)害性天氣中短期預(yù)

報的重要工具。

災(zāi)害性天氣短時臨近預(yù)報發(fā)達國家在上世紀九十年代已經(jīng)建立強對流天氣

臨近預(yù)報業(yè)務(wù)，2000年在悉尼奧運會上進行了預(yù)報示范。我國最早的臨近預(yù)報

系統(tǒng)是2008年“北京奧運氣象保障技術(shù)研究”項目從2002年開始由北京市氣象

局組織開發(fā)的，這個系統(tǒng)在北京奧運會中發(fā)揮了較好的作用，接著湖北、廣東、

上海也開發(fā)了臨近預(yù)報系統(tǒng)，2008年預(yù)測減災(zāi)司為了集成全國臨近預(yù)報優(yōu)秀成

果，設(shè)立了“災(zāi)害性天氣短時臨近預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)和改進”項目，相信在不久的將

來我們一定能夠推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際先進水平的短時臨近預(yù)報系統(tǒng)。

第四節(jié)天氣業(yè)務(wù)的拓寬

氣象災(zāi)害預(yù)報和應(yīng)用氣象業(yè)務(wù)是近幾年天氣業(yè)務(wù)的重要拓展。氣象災(zāi)害預(yù)報

是國家防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求，應(yīng)用氣象業(yè)務(wù)與國民經(jīng)濟敏感行業(yè)關(guān)系非常密切，

是提高氣象服務(wù)的針對性和專業(yè)化的必由之路，因此，開展氣象災(zāi)害預(yù)報和應(yīng)用

氣象業(yè)務(wù)是十分必要的。與此同時，氣象部門有開展氣象災(zāi)害預(yù)報和應(yīng)用氣象業(yè)

務(wù)的獨特優(yōu)勢，近幾年的實踐表明，拓展這兩項業(yè)務(wù)是完全可行的。

4.1氣象災(zāi)害預(yù)報

近兒年國家氣象中心和有關(guān)省（區(qū)、市）氣象臺都開展的氣象災(zāi)害預(yù)報有地

質(zhì)災(zāi)害（滑坡、泥石流）預(yù)報、森林和草場火險等級、積澇、河流凌汛等預(yù)報，

有的省還開展了道路結(jié)冰預(yù)報等。氣象災(zāi)害預(yù)報的關(guān)鍵是確定產(chǎn)生氣象災(zāi)害的臨

界氣象條件，知道了產(chǎn)生氣象災(zāi)害的臨界氣象條件，就可以將天氣預(yù)報轉(zhuǎn)化為氣

象災(zāi)害預(yù)報了。氣象災(zāi)害預(yù)報反過來又可以促進天氣預(yù)報工作，例如臨界氣象條

件中如果存在目前天氣業(yè)務(wù)中沒有的預(yù)報項目，就應(yīng)當(dāng)增加這個項目；又如山洪

和地質(zhì)災(zāi)害是造成人民生命財產(chǎn)安全的重要災(zāi)害，但是它們出現(xiàn)的范圍很小，目

前的中短期天氣預(yù)報很難滿足要求，因此要求氣象臺站發(fā)展精細的降水臨近預(yù)報

業(yè)務(wù)。目前這項工作離要求還有很大差距，一是預(yù)報的氣象災(zāi)害種類少；二是預(yù)

報準確率和精細度低，難以滿足氣象防災(zāi)減災(zāi)的需求；三是沒有系統(tǒng)細致地做產(chǎn)

生氣象災(zāi)害臨界氣象條件的研究工作，氣象災(zāi)害預(yù)報和防御心中無數(shù)。因此，應(yīng)

當(dāng)下大力氣研究產(chǎn)生氣象災(zāi)害的臨界氣象條件，發(fā)展精細天氣預(yù)報業(yè)務(wù)，增加監(jiān)

測和預(yù)報的氣象災(zāi)害的種類。

4.2相關(guān)應(yīng)用氣象業(yè)務(wù)

需要發(fā)展的與天氣業(yè)務(wù)有關(guān)的應(yīng)用氣象業(yè)務(wù)包括航空氣象、海洋氣象、水文

氣象、交通氣象、環(huán)境氣象、健康氣象、電力和能源氣象等。

航空氣象業(yè)務(wù)包航空港及3公里范圍內(nèi)大霧、大風(fēng)、風(fēng)切變和下?lián)舯┝鳌⒗?/p>

暴、沙塵暴、飛機結(jié)冰等航空災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)報，航線上的預(yù)報包括飛機

顛簸和結(jié)冰等的監(jiān)測和預(yù)報。航空氣象所用的方法與一般的天氣業(yè)務(wù)方法相同，

因為航空氣象監(jiān)測和預(yù)報的精細度要求很高，因此航空氣象特別重視航空災(zāi)害性

天氣的監(jiān)測和臨近預(yù)報。為了支持全球航空氣象業(yè)務(wù)，世界氣象組織和國際民用

航空協(xié)會合作制定了航空氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)的規(guī)范，并在華盛頓和倫敦設(shè)立了兩個

世界航空氣象預(yù)報中心，每天為全世界制作并分發(fā)許多航空氣象監(jiān)測和預(yù)報產(chǎn)

品。因為航空氣象獨立成卷，所以本書沒有包括航空氣象的內(nèi)容。

海洋氣象的服務(wù)分為海岸帶、近海和遠洋三類。海岸帶是各國的經(jīng)濟密集區(qū),

對氣象服務(wù)的要求高，大風(fēng)、大浪和風(fēng)暴潮對沿海的經(jīng)濟和人民的生命財產(chǎn)安全

構(gòu)成重大威脅，大霧對海港和海上運輸安全影響很大，海上石油等物資泄漏和赤

潮等對海岸帶的環(huán)境影響很大；海岸帶的開發(fā)更是對天氣預(yù)報服務(wù)提出了一些非

常規(guī)的需求。近海的氣象服務(wù)主要是為航運、漁業(yè)和海上資源開發(fā)提供氣象保障,

涉及到大風(fēng)、大霧、大浪、海冰（渤海）等的預(yù)報，另外，海損事故救援更是對

氣象服務(wù)提出了精準的要求。遠洋的氣象服務(wù)主要是氣象導(dǎo)航，為遠洋船舶提供

最佳路線，并為它們的航行安全提供氣象保障是氣象導(dǎo)航的主要任務(wù)。海上觀測

資料稀少，不僅要重視船舶、浮標(biāo)、海島和海上鉆井平臺氣象水文觀測資料的應(yīng)

用，更要特別重視衛(wèi)星資料的應(yīng)用和同化。

交通氣象是為了改善交通通行能力、保障交通安全、提高交通運輸質(zhì)量所進

行的氣象監(jiān)測、預(yù)報、警報和服務(wù)工作。本章所闡述的交通氣象主要包括公路、

水路和鐵路交通的有關(guān)氣象問題，在交通工程的設(shè)計、施工和交通運營期間，很

大程度上受到氣象條件的影響和制約。不良天氣直接影響到交通運輸?shù)馁|(zhì)量和效

率，災(zāi)害性天氣甚至可導(dǎo)致交通運輸?shù)闹袛嗪徒煌ㄊ鹿实陌l(fā)生，造成不良的社會

影響和巨大的經(jīng)濟損失。大霧、強降水、大風(fēng)、高溫、大雪、結(jié)冰等氣象災(zāi)害，

以及由它們造成的次生災(zāi)害（如山谷風(fēng)、路面積水、強降水時的低能見度等）或

伴生的地質(zhì)災(zāi)害（如山體坍塌、滑坡、泥石流等）都是交通氣象業(yè)務(wù)所關(guān)注的范

圍。降低或消除氣象災(zāi)害對交通運輸?shù)挠绊?，是我國交通運輸不斷發(fā)展而產(chǎn)生的

一個新需求，交通氣象業(yè)務(wù)就是為了適應(yīng)和滿足這一需求的產(chǎn)物。公路、水路和

軌道交通對氣象服務(wù)的要求既有相同點又有不同點，準確的大風(fēng)和結(jié)冰預(yù)報是它

們的共同要求，盡管影響它們安全的大風(fēng)或結(jié)冰的級別是不同的；低能見度天氣

對公路和內(nèi)河航運的安全都有影響，但是對軌道交通的影響相對要小一些，同時

影響公路和內(nèi)河航運安全的能見度又有所不同；高溫是對高速公路車輛運行安全

的隱患，高速公路上那些肉眼看不見的冰楂更是車輛安全運行的威脅，在交通氣

象中高速公路的氣象保障要求最高、氣象監(jiān)測和預(yù)報的項目最多。高密度的氣象

監(jiān)測是交通氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，精細化的預(yù)報警報是交通氣象業(yè)務(wù)的關(guān)鍵，全方位

的氣象服務(wù)是交通氣象業(yè)務(wù)的最終目標(biāo)，科學(xué)性的評估結(jié)論是交通氣象業(yè)務(wù)的重

要依據(jù)。

水文氣象學(xué)主要應(yīng)用于江河湖庫的防洪興利，水資源調(diào)度、水環(huán)境管理和水

利水電工程的規(guī)劃設(shè)計等。江河湖庫防汛的最重要工作之一，就是依靠水文與氣

象方法的密切結(jié)合，開展暴雨洪水的監(jiān)測、預(yù)報和警報工作。一個地方水資源評

價以及旱澇規(guī)律分析和長期趨勢預(yù)報，也必須依靠水文與氣象方法的密切結(jié)合。

在水利工程特別是大型水利工程規(guī)劃設(shè)計中，必須對規(guī)劃設(shè)計方案進行氣象上的

合理性分析，使水利工程建筑在更為安全可靠和經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)上。隨著經(jīng)濟社

會的發(fā)展，水旱災(zāi)害損失越來越大以及水資源緊缺、能源緊缺和水環(huán)境污染日趨

嚴重等，各級政府管理部門及社會公眾對水文氣象工作提出了更高的要求。目前,

水文氣象業(yè)務(wù)服務(wù)主要有流域雨情實時監(jiān)測，區(qū)域干旱、漬澇監(jiān)測，為江河湖庫

防汛抗旱、水資源調(diào)度、水環(huán)境管理以及水利工程建設(shè)與管理等開展的氣象要素

預(yù)報，流域降水預(yù)報、暴雨洪水預(yù)報，江河冰情凌汛監(jiān)測預(yù)報，風(fēng)浪預(yù)報，水污

染氣象條件潛勢預(yù)報，流域旱澇趨勢預(yù)測，以及氣象條件對水資源、水環(huán)境的影

響的分析評估等。

健康氣象包括醫(yī)療氣象、人體舒適度和臭氧、紫外線、花粉的監(jiān)測和預(yù)報。

醫(yī)療氣象運用歷史的氣象和醫(yī)療的數(shù)據(jù)，采用氣象敏感度法概率積分法

(IntegralprobabilityofGauss)>時間N測驗法(N-method)等方法，建立各類疾

病的氣象指標(biāo)判據(jù)條件，然后根據(jù)氣象要素的預(yù)報預(yù)報未來呼吸道疾病、心血管

疾病、傳染病和其它疾病發(fā)生、加重或緩和及可能產(chǎn)生的影響。由于各地的氣候

條件及人的適應(yīng)性等因素的影響，引發(fā)各種疾病的氣象條件會有很大的變化。人

體舒適度是用來表示人體對氣溫、濕度、風(fēng)等氣象因子綜合效應(yīng)的一種反應(yīng)指標(biāo)。

它表征人體在大氣環(huán)境中的舒適程度。目前舒適度指標(biāo)多以人體主觀感覺結(jié)合環(huán)

境氣象因子用經(jīng)驗公式計算的人體舒適指數(shù)、不舒適指數(shù)(溫濕指數(shù))、炎熱指

數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)等來表示。

環(huán)境氣象包括的內(nèi)容十分廣泛，涉及空氣質(zhì)量、大氣污染物擴散規(guī)律等大氣

邊界層問題；酸雨、大氣臭氧與紫外線輻射等大氣化學(xué)問題；建設(shè)項目的大氣環(huán)

境評價、區(qū)域大氣環(huán)境評價、住宅小區(qū)大氣質(zhì)量評估等污染氣象學(xué)問題；溫室氣

體引發(fā)的氣候變暖問題、通過大氣傳播的傳染病與特質(zhì)性過敏癥以及與大氣參數(shù)

相關(guān)聯(lián)的醫(yī)療氣象問題；大型戶外活動的氣象保障任務(wù)；在人工生態(tài)系統(tǒng)中日益

突出的城市高層建筑、大型橋梁抗風(fēng)問題與城市排水系統(tǒng)等工程氣象問題；高速

公路、機場、港口面臨受到濃霧嚴重影響的問題；及其人類通過人工手段抗擊干

旱、暴雨、冰雹、霜害、霧害、雷電等人工影響天氣問題，均屬于環(huán)境氣象學(xué)研

究的范疇。環(huán)境氣象的基礎(chǔ)知識相當(dāng)廣泛，涉及氣象學(xué)、氣候?qū)W、大氣物理學(xué)、

大氣化學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、水利學(xué)、工程學(xué)、流行病學(xué)、

環(huán)境衛(wèi)生學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、法學(xué)、民俗學(xué)、家政學(xué)等等。本書取環(huán)境氣象的

狹義定義，僅包括空氣質(zhì)量、突發(fā)環(huán)境污染事件、城市熱島的監(jiān)測和預(yù)報。

電力與能源生產(chǎn)、電網(wǎng)安全以及電力需求方面都或多或少地受到氣象條件變

化的影響。近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，氣象部門與電力能源部門的合作進…

步開展，氣象為電力與能嫄的服務(wù)已轉(zhuǎn)變?yōu)楦挥行袠I(yè)特色的專業(yè)預(yù)報服務(wù)。就其

內(nèi)含來說，電力和能源氣象包括電力負荷氣象預(yù)測、水利發(fā)電氣象保障和評估、

電力生產(chǎn)以及電網(wǎng)安全氣象保障。電力氣象首先要根據(jù)電力負荷變化與氣象條件

(氣溫、濕度、天空云量、雨量等等)的相關(guān)關(guān)系分析，利用逐步回歸方法建立

電力負荷預(yù)測模型，然后根據(jù)這些氣象要素的預(yù)報制作電力負荷的預(yù)測。水利發(fā)

電氣象保障需要的主要是流域降雨量預(yù)報，風(fēng)力發(fā)電既需要風(fēng)機高度上的風(fēng)力預(yù)

報又需要風(fēng)機安全的氣象保障。

第二章大氣運動規(guī)律

主要內(nèi)容

第一節(jié)基本氣象要素

1.1氣壓

1.2氣溫

L3濕度

1.4風(fēng)

第二節(jié)基本概念

2.1參照系

2.2坐標(biāo)系

2.3流體塊的概念

第三節(jié)作用于大氣的力

3.1氣壓梯度力

3.2地心引力

3.3摩擦力或者粘性力

3.4慣性離心力

3.5重力和重力位勢

3.6地轉(zhuǎn)偏向力

第四節(jié)大氣運動基本規(guī)律

4.1運動方程

4.2連續(xù)方程

4.3狀態(tài)方程和熱力學(xué)能量方程

第五節(jié)地轉(zhuǎn)風(fēng)和梯度風(fēng)

5.1地轉(zhuǎn)風(fēng)

5.2梯度風(fēng)

復(fù)習(xí)思考題和答案

第一節(jié)基本氣象要素

描述大氣基本狀態(tài)的參數(shù)有：溫度、壓力、濕度和風(fēng)。這4個物理量是表征

大氣基本狀態(tài)的參數(shù)，又稱氣象要素，止匕外，還有降水量、云量、云狀等。

1.1氣壓

一般用P來表示。在任何表面上，由于大氣的重量所產(chǎn)生的壓力，也就是單

位面積上所受到的力，叫做大氣壓。氣壓單位一般用hPa(百帕)來表示，lhPa=100

N/m2o氣象上曾長期使用毫巴(mb)作為氣壓的單位，lhPa=lmb。

氣壓隨高度呈指數(shù)遞減，它不僅與高度有關(guān)，與空間位置、時間也有關(guān)。一

般在高緯度氣壓高，而低緯度氣壓低；氣壓有日變化、季節(jié)變化、年際變化，而

且還有非周期的變化。

常見氣壓場形式：高壓、低壓、槽、脊、鞍形場。

1.2氣溫

一般用T來表示，是分子熱運動的度量，大氣分子熱運動的動能愈大，其溫

度愈高。氣溫的單位一般有用攝氏溫標(biāo)，華氏溫標(biāo)和絕對溫標(biāo)。

氣溫不僅有日變化、季節(jié)變化、年際變化，還有非周期的變化。

1.3濕度

濕度是表征大氣中水汽含量的一個物理參數(shù)。表示濕度的方法有多種：一般

有絕對濕度、相對濕度、露點溫度、比濕，水汽壓，混合比等等。

濕度隨高度遞減比氣壓隨高度遞減要快得多。它隨空間和時間而變化。

1.4風(fēng)

空氣相對于地面的水平運動，稱為風(fēng)。有方向和大小。風(fēng)向是指風(fēng)的來向，

氣象上用方位角來表示。風(fēng)速是指單位時間內(nèi)空氣相對于地面移動的水平距離。

實際上空氣相對于地面的運動是三維的，除水平運動外還有垂直運動。

第二節(jié)基本概念

2.1參照系

描述一個物體的位置和運動情況，應(yīng)該首先選定其他物體作為標(biāo)準，并假定

它（它們）是靜止的，被選作標(biāo)準的物體叫做參考系。參考系有慣性系和非慣性

系之分。牛頓第一定律成立的參考系稱作慣性參考系或慣性系.反之，稱為非慣

性系。

參考系的選擇，原則上是任意的。在大氣科學(xué)的研究中，一般是以旋轉(zhuǎn)的地

球作為參考系，這是一個非慣性系。

2.2坐標(biāo)系

參考系選定后，為了能定量地描述物體的位置和它的運動，在參考系上建立

一個適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，把坐標(biāo)系的原點和軸線固定在參考系上。坐標(biāo)系實質(zhì)上就是

參考系的兒何抽象。氣象上最常用的坐標(biāo)系有：球坐標(biāo)，局地直角坐標(biāo)，自然坐

標(biāo)系，p坐標(biāo)系，。坐標(biāo)系，0坐標(biāo)系等。

以氣壓P為垂直坐標(biāo)的坐標(biāo)系稱為P坐標(biāo)系。

考慮地形對大氣的影響，以。為垂直坐標(biāo)的坐標(biāo)系稱為。坐標(biāo)系。

2.3流體塊的概念

把離散分子構(gòu)成的實際流體，看作是由無數(shù)流體質(zhì)點沒有空隙連續(xù)分布而構(gòu)

成的，這就稱作連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)中的流體質(zhì)點既要充分小，以使它在流動中可當(dāng)作一個點，同

時又要足夠大，能保持大量分子具有確定的平均效應(yīng)值——各種宏觀物理量值。

這種既大又小的流體質(zhì)點，有時也稱作流體微團或流體體素，一般則簡稱為流點。

在我們氣象研究上，經(jīng)常會用到這個概念——流體塊，?個小的空氣塊。

第三節(jié)作用于大氣的力

作用于大氣的力可以分為兩類，一類是真正作用于大氣的力，稱做基本力，

或牛頓力，包括氣壓梯度力、地心引力、摩擦力。另一類是站在隨地球一起旋轉(zhuǎn)

的非慣性系中觀察大氣運動時所表現(xiàn)的力，稱做慣性力，包括慣性離心力和地轉(zhuǎn)

偏向力。

3.1氣壓梯度力

G=--Vp

P

作用在單位質(zhì)量空氣上的凈壓力，就叫做氣壓梯度力。方向是由高壓指向低

壓，大小與氣壓梯度成正比，與空氣密度成反比。在大氣中，氣壓梯度力的垂直

分量比其水平分量要大得多。重力與氣壓梯度力的垂直分量始終處于平衡（這就

是靜力平衡）狀態(tài)。

3.2地心引力

地心引力是始終作用于大氣的實在的力。

3.3摩擦力或者粘性力

單位質(zhì)量受到的凈粘滯力就稱為摩擦力。

222

wdudv-dwr

F/歹+得1+玄外

3.4慣性離心力

在慣性系中具有向心加速度的物體在非慣性系中靜止。為在非慣性系中應(yīng)用

牛頓第二定律，引進一個力，其大小與向心力相等而方向相反。由于這個力與向

心力平衡，因而球靜止，這個力就叫做慣性離心力。

C=Q2R

3.5重力和重力位勢

由于地球的自轉(zhuǎn)，靜止于地球上的物體除受地心引力外還受慣性離心力的作

用。物體所受之重力實際是地心引力與慣性離心力之和。

重力在任何地方都垂直于水平面。重力是隨緯度增加的，赤道最小，極地最

大。

3.6地轉(zhuǎn)偏向力

圖1.5傳動圓盤上的偏向力

at=t0時情形，bt=+時情形

在慣性系中原本是直線運動的物體在轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系中看來卻在做曲線運動，為

了運用牛頓第二定律，引入虛擬力——地轉(zhuǎn)偏向力。

A=-2QAV

第四節(jié)大氣運動基本規(guī)律

大氣運動遵循基本的物理規(guī)律：動量守恒、質(zhì)量守恒、能量守恒定律的控制,

描寫其動力和熱力狀態(tài)的變化，并支配其動力和熱力狀態(tài)的變化。

4.1運動方程

牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表示

dV1---

——=——VP—2QAV+W+F

dtp

局地直角坐標(biāo)系中的分量方程：

du1dp.

—=-----F2Q(vsin(p-wcos(p)+F

dtpdxx

dv\dp.

—=-----20〃sin(p+P

dtpdyv'

dwTdpg?

——=----—+2。"cos(p~g+F.

dtpdz

4.2連續(xù)方程

連續(xù)方程：表示大氣質(zhì)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達式，表明了大氣運動和大氣質(zhì)

量分布的關(guān)系。

空+\7-(2夕)=0或者無+27?病=0

dtdt

▽?(07)稱為質(zhì)量散度，即單位體積內(nèi)流體的凈流出量。凈流出時散度為正,

凈流入時為負。稱為速度散度，表示流體在單位時間內(nèi)體積的相對膨脹率

或者說，速度散度就是在單位時間內(nèi)單位體積在膨脹時所增加的部分。當(dāng)

▽刀〉0為輻散，\7刀＜0為輻合。

如果流體為不可壓縮時，即流體在運動過程中其密度不變(P=0),則

V.V=O,即不可壓縮流體的速度散度為零。大范圍的大氣運動，可近似地看成

是不可壓縮的。

4.3狀態(tài)方程和熱力學(xué)能量方程

狀態(tài)方程表征大氣熱力狀態(tài)參數(shù)氣壓，溫度和密度之間的基本關(guān)系。如果把

大氣看做是理想氣體，則狀態(tài)方程為P=PRTO

熱力學(xué)能量方程是熱力學(xué)第一定律(能量守恒)在大氣運動中的應(yīng)用，反映

了大氣系統(tǒng)狀態(tài)的改變與熱量交換之間的關(guān)系。大氣的動力學(xué)過程和熱力學(xué)過程

是相互聯(lián)系，相互制約的。

de—?

P——=_°\7.V+pQ

第五節(jié)地轉(zhuǎn)風(fēng)和梯度風(fēng)

5.1地轉(zhuǎn)風(fēng)

地轉(zhuǎn)風(fēng)是指自由大氣中空氣的水平等速直線運動，是自由大氣中水平氣壓梯

度力和地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時的空氣的水平運動。

1dp

n0=------+fv

pdx

1Sp

n0=------ju

pby

地轉(zhuǎn)風(fēng)的特點：

1）地轉(zhuǎn)關(guān)系是在無摩擦，不考慮加速度和垂直方向的地轉(zhuǎn)偏向力的情況下

近似成立的；

2）地轉(zhuǎn)風(fēng)與氣壓梯度力成正比，與密度和地轉(zhuǎn)參數(shù)成反比；

3）地轉(zhuǎn)風(fēng)與等壓線平行，在北半球，背風(fēng)而立，低壓在左高壓在右，南半

球，背風(fēng)而立，低壓在右高壓在左（風(fēng)壓定律）；

4）地轉(zhuǎn)風(fēng)速大小與緯度成反比，同樣風(fēng)速，緯度越高地轉(zhuǎn)偏向力越大；氣

壓梯度力相同，緯度越高地轉(zhuǎn)風(fēng)速越?。煌痪暥壬?，風(fēng)速大的地方等壓線密集,

風(fēng)速小的地方等壓線稀疏。

5.2梯度風(fēng)

梯度風(fēng)是地轉(zhuǎn)風(fēng)在一定條件下，轉(zhuǎn)化成的另一種大尺度的系統(tǒng)風(fēng)。當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)風(fēng)

在圓形的氣壓場中時，風(fēng)是做等速曲線運動。除梯度力、偏向力作用外，還要受

到慣性離心力的作用，當(dāng)三個力作用平衡時，風(fēng)沿等壓曲線作等速曲線運動，這

就是梯度風(fēng)。

梯度風(fēng)應(yīng)用：

大尺度系統(tǒng)，氣旋性環(huán)流與低壓相結(jié)合，低壓中心就是氣旋性環(huán)流中心；反

氣旋性環(huán)流與高壓相結(jié)合，高壓中心就是反氣旋性環(huán)流中心

應(yīng)用：低壓中心等壓線可分析的密集些，高壓中心附近等壓線應(yīng)分析的稀疏

些。

實際中，大風(fēng)區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)在低壓中心和高壓邊緣區(qū)域，氣旋中心氣壓梯度和

風(fēng)速可無極限，而在反氣旋中則有極限，梯度風(fēng)有一極大值。

第三章氣候變化

主要內(nèi)容

第一節(jié)氣候與天氣

第二節(jié)全球氣候變化的事實

2.120世紀全球地面平均氣溫升高0.6℃

2.2過去40年大氣層8千米以下部分已經(jīng)升溫

2.3雪蓋和結(jié)冰范圍已經(jīng)減少

2.4全球平均海平面升高，海洋熱容量增加

2.5氣候的氣體重要方面也發(fā)生了變化

第三節(jié)溫室氣體和人類活動

3.1溫室效應(yīng)

3.2二氧化碳和碳循環(huán)

3.3其它溫室氣體

復(fù)習(xí)思考題和答案

第一節(jié)氣候與天氣

氣候是指大氣圈一水圈一冰雪圈一巖石圈一生物圈這個綜合系統(tǒng)的緩慢變

化狀況。它以一段時間（比如一個月或者更長時間）以上的一些適當(dāng)?shù)钠骄縼?/p>

表征，同時考慮這些平均量隨時間的變率；而對不同地區(qū)的氣候進行分類時卻要

考慮這些時間平均量在空間上變化。以前的氣候概念是局地平均氣候，基本上就

是地表溫度和降水量的長期平均狀況；近幾十年來，隨著對決定氣候及其變率的

下墊面過程的認識日益增多和深入，氣候的概念已經(jīng)大大拓展并且發(fā)生了演化o

天氣通常是指某個地區(qū)短時間（幾小時到幾天）的氣象要素的綜合表現(xiàn)，如

某市某日〃最高氣溫35℃、最低氣溫24C、午后有雷陣雨”就屬于天氣概念；而

氣候是指某個地區(qū)較長時間（幾個月至幾年或更長時間）內(nèi)氣象要素的統(tǒng)計狀態(tài),

一般也可以理解為氣候是某個地區(qū)天氣的平均狀況及變化特征，如某市"年平均

氣溫為11.8℃＞年平均降水量577毫米、極端最高氣溫40.6℃（出現(xiàn)在1961

年6月0日）、極端最低氣溫27.4C（出現(xiàn)在1966年2月22日）”,則屬于氣

候概念。由此可見，天氣與氣候即有區(qū)別有又聯(lián)系，在日常生活中不應(yīng)混為一談。

但在談?wù)摚ǚ治觯┠车氐慕谔鞖庾兓?，又?lián)系到前期較長i段時間的天氣變化

過程時，也可使用“近期天氣氣候（特征）”的概念。

地球大氣經(jīng)常在運動和變化著，因此人們看到的天氣現(xiàn)象總是處在千變?nèi)f化

之中。有時晴空萬里，風(fēng)和日麗，有時濃云密布，風(fēng)狂雨驟，具有瞬息萬變的特

征。天氣就是指一個地方在短時間內(nèi)氣溫、氣壓、溫度等氣象要素及其所引起的

風(fēng)、云、雨等大氣現(xiàn)象的綜合狀況。天氣是瞬息萬變的，但它的變化是有一定規(guī)

律的。在大氣運動過程中，不同性質(zhì)氣團的矛盾斗爭，形成不同的天氣系統(tǒng)，而

每種天氣系統(tǒng)都具有一定的天氣特點。因此，掌握天氣系統(tǒng)的演變和移動規(guī)律就

能分析出未來的天氣變化。氣候是指某一地區(qū)多年的和特殊的年份偶然出現(xiàn)的天

氣狀況的綜合。氣候和天氣有密切關(guān)系：天氣是氣候的基礎(chǔ)，氣候是對天氣的概

括。一個地方的氣候特征是通過該地區(qū)各氣象要素（氣溫、濕度、降水、風(fēng)等）

的多年平均值及特殊年份的極端值反映出來的。例如，北京的氣候：一月份平均

氣溫是-4.7C,七月份平均氣溫是26.1℃,最低氣溫記錄是-22.8℃（1951年1

月13日），最高氣溫記錄是42.6℃（1942年6月15日）；年平均降水量636.8毫米,

夏季（6?8）月降水量占全年降水量的74%。概括說來，北京的氣候特征是：冬

季寒冷干燥，夏季高溫多雨。氣候是利最復(fù)雜的自然現(xiàn)象，是自然地理諸要素

中一個最重要最活躍的要素，氣候條件不僅決定著土壤、植被類型的形成，改變

著地表形態(tài)，也影響人類的活動。各項生產(chǎn)建設(shè)活動和國防建設(shè)無不需要考慮氣

候的影響。氣候已成為一種自然資源，供人類充分利用，為人類造福。但是，氣

候也有其不利的一面，有時也給人類帶來某些災(zāi)害，人類通過改變下墊面的狀況

和低層大氣中的某些成份，影響熱量和水分狀況的收支，從而在一定的區(qū)域范圍

內(nèi)改變了氣候狀況，使氣候變得更加復(fù)雜。如果改變得合理，會使氣候向著有利

于人類活動的方向發(fā)展；如果改變得不合理，破壞了自然界原有的規(guī)律，則會使

氣候?qū)θ祟愒斐晌：?。大氣過程因受各項物理因子的影響，變得非常復(fù)雜。因而,

全球各地氣候皆有差異，且類型多樣而復(fù)雜。全球從南向北，不同的緯度有不同

的氣候帶。它們基本上沿緯向排列，成帶狀分布。另外，由于所處的海陸位置不

同，在同一緯度的大陸東、西岸和內(nèi)陸可以出現(xiàn)不同類型的氣候。例如，地中海

地區(qū)和我國長江流域幾乎處于同一緯度帶，但一個在大陸的西岸，一個在大陸的

東岸，地中海地區(qū)冬濕夏干，而我國長江流域卻冬干夏濕。這些差異使氣候的緯

度地帶性分布遭到破壞，呈現(xiàn)出非地帶性分布。即使在同一緯度、同一地區(qū)，由

于山地、高原、森林、沙漠等下墊面性質(zhì)的不同，又有山地氣候、高原氣候、森

林氣候、沙漠氣候之分?！耙簧接兴募?、十里不同天”、“南枝向暖北枝寒，■

種春風(fēng)有兩般”等農(nóng)諺，就是山地氣候的生動寫照。

第二節(jié)全球氣候變化的事實

由于人類活動和自然變化的共同影響，全球氣候正經(jīng)歷一場以變暖為主要特

征的顯著變化，已引起了國際社會和科學(xué)界的高度關(guān)注。1988年11月，世界氣

象組織(WMO)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)聯(lián)合建立了政府間氣候變化專門委

員會(IPCC),就氣候變化問題進行科學(xué)評估。IPCC分別于1990年、1996年、

2001、2007年出版了四次氣候變化評估報告。

2.120世紀全球地面平均氣溫升高0.6℃

自1861年以來，全球地面平均溫度(陸地和海平面近表層氣溫的平均值)

已經(jīng)增加，20世紀期間增加了0.6±0.2℃。20世紀大部分的增溫發(fā)生在兩個時

段，即1910年至1945年及1976年到2000年。從全球來看，20世紀90年代很

可能是1861年以來儀器記錄的最暖的10年，1998年很可能是同期最暖的一年。

2.2過去40年大氣層8千米以下部分已經(jīng)升溫

自50年代以來，8千米以下低層大氣的總的全球升溫和近地層的類似，都

在每10年0.1℃量級上。自1979年有衛(wèi)星觀測記錄以來，衛(wèi)星觀測和氣球探空

都說明，8千米以下低層大氣的全球平均溫度每10年已經(jīng)顯著地增加了0.15±

0.10℃o它主要發(fā)生在熱帶和亞熱帶地區(qū)。

2.3雪蓋和結(jié)冰范圍已經(jīng)減少

衛(wèi)星資料表明，自60年代末以來，雪蓋面積很可能減少了約10%o地面觀

測表明，在20世紀北半球中高緯度河湖每年的結(jié)冰期很可能減少了約2個星期。

20世紀，非極地地區(qū)的山地冰川廣泛消退。自50年代以來，北半球春夏海冰面

積減少約10T5隊在最近幾十年，北極夏末至初秋的海冰厚度可能減少了約4096,

期間冬季海冰厚度減少較慢。

2.4全球平均海平面升高，海洋熱容量增加

根據(jù)潮汐站資料，20世紀全球平均海平面升高0.1至0.2米。自50年代以

來，全球海洋熱容量增加，在這期間對海洋次表層溫度有較充分的觀測。

2.5氣候的氣體重要方面也發(fā)生了變化

20世紀北半球大陸大部分中高緯度地區(qū)降水每10年很可能增加了

0.5-1.0%o熱帶陸地地區(qū)降水每10年可能增加了0.2-0.3%,過去幾十年熱帶的

增加不很顯著。20世紀北半球大部分亞熱帶陸地地區(qū)的降水可能已減少，數(shù)值

在每10年月0.3虬對比之下，未發(fā)現(xiàn)南半球各緯帶出現(xiàn)可比較的降水系統(tǒng)性變

化。

20世紀后期，北半球中高緯度地區(qū)強降水事件頻率可能已增加2-4虬強降

水事件頻率的增加可以起源于若干原因，例如大氣中水汽、雷暴和大規(guī)模風(fēng)暴活

動的變化。20世紀期間中高緯度地區(qū)云量可能已經(jīng)增加2虬在大部分地區(qū)，這

個趨勢同觀測到的溫度日較差較少密切相關(guān)。在20世紀，經(jīng)歷嚴重干旱或嚴重

洪澇的全球陸地面積略微增加。在許多地區(qū)，這些變化是由年代際和多年代氣候

變率引起的，如ENSO向更暖事件的轉(zhuǎn)化。在一些地區(qū)，如亞洲和非洲的部分地

區(qū)，近兒十年干旱的頻率和強度已經(jīng)增加。

自1950年以來，極端最低氣溫出現(xiàn)的頻率很可能已減少，而極端最高溫度

出現(xiàn)的頻率略有增加。和前100年相比，70年代中期以來厄爾尼諾/南方濤動

（ENS0）暖事件的發(fā)生變得更經(jīng)常、持續(xù)時間更長、強度更大。

氣候變化及其影響是多尺度、全方位、多層次的，正面和負面影響并存，但

負面影響更受關(guān)注。全球變暖對許多地區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生了影響，如海

平面升高、冰川退縮、凍土融化、河（湖）冰遲凍與早融、中高緯生長季節(jié)延長、

動植物分布范圍向極區(qū)和高海拔區(qū)延伸、某些動植物數(shù)量減少、一些植物開花期

提前，等等。氣候變化對我國國民經(jīng)濟的影響可能以負面為主，將使我國未來農(nóng)

業(yè)生產(chǎn)面臨以下三個突出問題：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加，產(chǎn)量波動大；農(nóng)業(yè)生

產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)變動，作物種植制度可能發(fā)生較大變化；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改變,

農(nóng)業(yè)成本和投資大幅度增加。氣候變暖將導(dǎo)致地表徑流、旱澇災(zāi)害頻率和一些地

區(qū)的水質(zhì)等發(fā)生變化，特別是水資源供需矛盾將更為突出。與高溫?zé)崂颂鞖庥嘘P(guān)

的疾病和死亡率可能增加。氣候變暖引起的海平面上升還將嚴重影響到沿海地區(qū)

的社會經(jīng)濟發(fā)展。

目前對氣候變化及其影響的基本事實已得到國際社會和科學(xué)界的廣泛認同，

但對于氣候變化的原因與未來氣候變化趨勢的預(yù)測及其影響的認識尚存在許多

不確定性，仍需進?步加強研究。

第三節(jié)溫室氣體和人類活動

3.1溫室效應(yīng)

溫室氣體是10微米（um）附近（8~14um）的紅外光譜波長上吸收輻射

的所有氣體，這個波段也正好是地球向外放射熱輻射的波段。溫室氣體有若干非

常特殊的屬性，它們對可見波長是透明的，故允許太陽光相對無阻擋地穿過大氣

層。但是，它們在紅外波長上有幾個吸收帶，因此，它們攔截并吸收了相當(dāng)一部

分來自地表的紅外輻射。然后，它們又向各個方向輻射這些能量，結(jié)果使部分能

量回到地面和低層大氣，從而造成那里的額外加熱。

地球大氣是由多種氣體成分組成的實體（表3.1）,為什么有的氣體對可見

光和紅外輻射是透明的，有點氣體卻強烈地吸收紅外輻射？物理光學(xué)研究表明，

地球大氣的大部分是由雙原子構(gòu)成的氮（N2）和氧（02）分子組成的，它們對可

見光和紅外輻射都是透明的，但吸收某些紫外輻射。對大氣中的某些微量成分這

些特征并不共有的。由3原子構(gòu)成的C02、N2O、03和水汽（H20）等分子，每一

種都強烈地選擇吸收紅外輻射，油5原子構(gòu)成的CH4（甲烷）也是如此。如果地

球大氣僅僅包含氮和氧，地面平均溫度降水T8℃左右，然而實際上地球的平均

地面氣溫大約是15℃就是因為大氣中存在溫室氣體。溫室氣體使地球的平均地

面氣溫上升了大約33℃。這是因為溫室氣體對太陽光是幾乎透明的，但強烈地

吸收紅外輻射，它們在大氣中的存在減少了地球表面向外空損失的熱量，從而使

地球大氣低層和地面變暖，這就是所謂的溫室氣體效應(yīng)。

下列時間段內(nèi)，地球表面溫度變化

(a)過去140年

0.8

0.4

00

-0.4

—0.8

18601880190019201940196019802000

年

(b)過去1000年

100012001400160018002000

年

圖3.1過去140年和1000年地球表面溫度的變化

表3.1大氣組成：主要成分(氮氣和氧氣)和溫室氣體

氣體濃度：百分比(為)或百萬分之一的體積比(ppmv)

氮氣(N2)78%

氧氣(02)21%

水汽(H20)可變(0~0.02%)

二氧化碳(C02)360ppmv

甲烷(CH4)1.8ppmv

氧化亞氮(N20)0.3ppmv

氯氟煌(CFCs)0.OOlppmv

臭氧(03)可變(O"lOOOppmv)

溫室內(nèi)部

的熱輻射

圖3.2一個溫室具有與大氣類似的對入射太陽輻射和射出熱輻射的作用

早在19世紀初就已經(jīng)了解了溫室效應(yīng)的基本原理。那時，第一次提出了地

球大氣和溫室玻璃(圖3.2)輻射特性之間的相似性，并因此取名為“溫室效應(yīng)”。

在溫室中，來自太陽的可見光輻射兒乎無阻擋地透過玻璃并在里面的植物和土壤

吸收。但是，由植物和土壤發(fā)射的熱輻射卻被玻璃吸收并將部分輻射再發(fā)射回溫

室中。玻璃因此成為幫助溫室保持溫暖的“輻射遮擋器”。

3.2二氧化碳和碳循環(huán)

碳在自然界的許多碳庫之間的輸送過程叫做碳循環(huán)，它主要是通過二氧化碳

來進行的。我們的每次呼吸都對這?循環(huán)有貢獻。從食物中攝取的碳，被我們吸

入的氧氧化后，變成我們呼出的二氧化碳；維持我們生命所需要的能量就是以這

種方式提供的。動物對大氣二氧化碳的貢獻方式與此相同；燃燒、木材腐爛以及

土壤和其它地方的有機物的分解，亦與此相同。抵消這種碳轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸嫉暮?/p>

吸過程的則有：以相反方式運轉(zhuǎn)的植物和樹木中的光合作用過程;在光的存在下,

它們吸收二氧化碳，把碳用于機體的生長，并將氧釋放回大氣。在海洋中也存在

呼吸和光合作用。

圖3.3是碳在各個碳庫——大氣、海洋(包括海洋生物群落)、土壤和陸地

生物群落——之間循環(huán)方式的一個簡圖。此圖表明，以二氧化碳的形式進出大氣

的碳輸送量是很大的；大氣中的總碳量每年有大約四分之一是進進出出的，其中

的一半是與陸地生物群落交換，另一半則通過物理和化學(xué)過程穿過海洋表面。陸

地和海洋中存儲的碳遠多于大氣；所以，這些大的碳庫的很小一點變化，都足以

對大氣二氧化碳濃度造成很大的影響；存儲在海洋中的碳只要釋放2%,就會使

大氣中的二氧化碳含量增加一倍。

圖3.3陸地、生物圈、海洋和大氣中的碳庫以及各碳庫之間的二氧化碳年交換

量（單位：十億頓）

在我們關(guān)心的時間尺度內(nèi)，人類活動排放到大氣中的碳并未消失，而是在各

個碳庫之間進行了再分配。因此，二氧化碳與其他溫室氣體的不同在于：其它溫

室氣體可通過大氣化學(xué)反應(yīng)而被破壞。在人類活動成為一種重要的擾動之前，在

比地質(zhì)年代時間尺度短的時期內(nèi)，各個碳庫之間的交換是相當(dāng)穩(wěn)定的。在1750

年前后工業(yè)化開始之前的幾千年內(nèi)，一直維持著一個穩(wěn)定的平衡。工業(yè)革命打亂

了這一平衡，造成大氣中的二氧化碳濃度增加了30%左