南大天气学原理第八章

注意
（1）外推法主要用于天气系统呈相对静止状态。 （2）所用资料的时间间隔不宜过长。 （3）气压系统的中心位置和中心数值要尽量准确。 （4）要注意气压日变化的影响。 （5）外推时，还要根据天气系统变化的物理原因以 及周围天气系统和地形的影响，考虑系统的变化。
2.运动学方法
• 利用气压系统过去移动和强度变化所造成 的变高（或变压）的分布特点，通过运动 学公式导出的一系列定性预报规则，来预 报系统未来的移动速度和强度变化的方法， 叫做运动学方法。
• 外推法又可分为两种情况：
一种是系统的移动速度或强度变化基本上不随时 间而改变，按这种规律外推，叫做直线外推， 也称为等速外推。 另一种是当系统的移动速度或强度变化接近 “等 加速”状态时，外推时要考虑它们的 “加速” 情况，按这种规律外推，叫做曲线外推。
• 应用外推法可以对高、低压系统和槽、脊 的移动和强度作出预报。
（1）气压系统移动的预报
F F C F t t
取x轴与C的方向一致，则
F F F C t t x
在气压系统上取一些特性点和特性线，使得 在这些点和线上有F/t=0，于是，这些点 和线的移动速度为
F C t F x
(i)等压线移动的预报
• 使运动坐标系随等压线p一起移动，若等压线的 移动方向为法线方向，则取x轴与等压线的法线 方向一致。这样，等压线p的移动速度为
基本要点
(1) 将大气结构看成是由基本气流及高空正、负位涡 异常迭加在地面正、负位温异常之上所组成。
第八章天气形势和气象要素预报
天气预报
• 天气预报是根据气象观(探)测资料，应用天 气学、动力学、统计学的原理和方法，对 某区域或某地点未来一定时段的天气状况 作出定性或定量的预测。
常用的天气预报技术方法
• 天气学预报方法 • 统计学预报方法 • 动力学预报方法
• 天气-统计预报方法 • 动力-统计预报方法(MOS法和PP法) • 天气-动力预报方法
0 R 2 p0 1 dQ V5 ( 5 f ) V T ( a ) d ln p ( 4.53) p5 t f C p dt
无辐散层绝对 涡度平流项
温度平流项 垂直运动项
非绝热加热项
－ ＋
＋
2.等熵位涡思想的基本要点及其应用 • 位涡具有两个基本性质：
– 一是守恒性，即在绝热无摩擦条件下，运动大气的位 涡保持不变； – 二是反演性，在给定位涡的分布及适当的边界条件， 并假定运动是平衡的（地转平衡，梯度风平衡）情况 下，可以反演出同一时刻的风、温度、位势高度、垂 直运动的分布。
• 利用等熵面上位涡的守恒性和反演性原理可以解 释准平衡大气运动的动力学特征，Hoskins等人 (1985)称这种方法为“等熵位涡思想（IPV thinking）”。
p p t t
• 当低压中心或槽线上出现负变压(正变压)时， 低压或槽将加深(填塞); • 当高压中心或脊线上出现正变压(负变压)时， 高压或脊线将加强(减弱)。

槽线上负变压，脊线上正 变压 槽脊发展?

槽（脊）上变压梯度（升 度）为零 槽脊发展? 不移动？
预报经验
(i)如果气旋中心出现了负变压，这个气旋将要加深；反之， 如果出现了正变压，气旋就会填塞。如果反气旋中心出现 了正变压，反气旋将要加强；反之，如果出现了负变压， 反气旋就会减弱。 (ii)如果零值变压线接近于气旋或反气旋中心，则表示这个气 旋或反气旋未来的强度变化不大。如果零值变压线处在气 旋或反气旋后部较远的地方，则气旋或反气旋要加强；如 果零值变压线处在气旋或反气旋前部较远的地方，则气旋 或反气旋将很快减弱。 (iii)如果在低压槽或均压区中，出现了明显的3小时负变压中 心(<-2.0hPa)，则该处可能有低压生成；如果在高压脊或均 压区中，出现了明显的3小时正变压中心(>2.0hPa)，则该 处可能有高压生成。 (iv)由于锋面气旋常沿暖区等压线方向移动，故暖区中变压不 大。如果暖区中出现了较大的负变压，表示气旋将发展； 反之，气旋将填塞。
1.位涡及其分析方法
• 位涡分析方法:
– 在等位温面上分析等位涡线，亦称等熵位涡分 析（IPV分析）； – 在等位涡面上分析等位温线，亦称等位涡位温 分析（iso-PV分析）； – 分析等位涡面的位势高度，亦称动力对流层顶 （dynamic tropopause）分析。
• 由于PV和θ在绝热条件下的守恒性，前两种 分析方法对于诊断某一时段内大气的运动 状况是比较理想的。
p C t p x
• 若某处有正变压，等压线向低压方向移动；若某 处有负变压，等压线向高压方向移动。 • 移动速度与变压成正比，与气压梯度成反比。
(ii)槽、脊线移动的预报 使运动坐标系随槽、脊线一起移动，取x轴 垂直于槽、脊线，并指向气流的下游方向， 和槽、脊线的移动方向基本一致。由于在 槽、脊线上
(iv)气压系统强度变化的预报
• 在高、低压中心，p＝0
p p p C p t t t
• 同样，在槽(脊)线上，取x轴垂直于槽(脊)线， p 并指向气流的下游方向， 0, C y 0
x p p p p p p C p Cx Cy t t t x y t
• 地面气压系统中心的移动速度为其上空 500hPa风速的0.5-0.7倍，700hPa风速的0.81倍。 • 夏季常用500hPa作引导层，冬季常用 700hPa作引导层。
• 地面气压系统的移动方向与引导气流的方 向有一定的偏角，大多数偏于引导气流的 左侧，引导气流越大，偏角越小，反之亦 然。 • 在实际应用引导气流规则时，必须充分考 虑引导气流本身的特点和变化。 • 同时还要注意地形的影响。 • 另外，引导气流对浅薄系统的预报效果较 好，当地面系统加深以后，则效果较差。
强度）成反比。
(iii)高、低压中心移动的预报
在低压中，可设有2条相互垂直的线，分别与x轴和y 轴重合，
p C x xt , 2 p x 2
2
2 p yt Cy 2 p y 2
低压中心的移动速度C可看成两线移动的矢量和。
2 p p xt i yt C Cx i C y j 2 j 2 p p x 2 y 2
第一步是天气形势预报，预报各种天气系统的 生消、移动和强度的变化，它是气象要素预 报的基础。 第二步是气象要素和天气现象预报，是对气温、 湿度、风、云、降水和其它天气现象变化的 预报。
§8.1 天气形势预报的基本方法
• 天气形势预报主要是气压场和流场的预报。
– 气压场和流场相互适应而接近于地转平衡
• 温度槽落后于高 度槽，高度槽将 加强。 • 高度槽落后于温 度槽，高度槽将 减弱。
3. 引导气流原理的应用
• 地面高、低压中心的移动速度与系统中心 上空平均层上的地转风一致。 • 实际工作中可利用700hPa或 500hPa等压面 上的地转风加以适当订正以预报地面系统 中心的移动，这就是所谓的“引导气流原 理”。

1011 1002
S2
995
S3

高空槽线外推。因为槽线各段移动速度不同， 可以在槽线上取几个代表性的点。
槽线方向变化

高空槽脊强度外推（从等高线的形状来外推）


选择能表示槽、脊的某条等高线，如540线，追踪 该线与槽、脊的交点，对两交点进行外推。 当槽(脊)过分拉长时，应考虑将有切断低压或闭合 高压出现。
高空系统预报的经验(24小时变高)
(1)高压常向正变高中心移动，低压常向负变高中心 移动。 (2)槽线前后分别有一负、正变高中心时，这种槽一 般移动较快。变高梯度越大，槽移动越快。 (3)当槽(脊)线上出现负(正)变高中心时，则槽(脊)将 加强，且移动较慢；反之，槽(脊)将减弱，且移动 加快。 (4)当移动缓慢的高压脊西北方出现负变高中心，并 不断加强，则此脊将减弱。
－
• 涡度平流，地面气旋发展 • 温度平流，地面气旋移动
2. 平均层涡度方程
– 平均层上的相对涡度平流 – 热成风涡度平流 – 地转涡度平流 – 地形作用
涡度平流
• 对称槽（脊），涡度平流影响槽（脊）移动。 • 不对称的槽（脊），涡流
在温度槽附近，热成风涡度最大， 在温度脊附近，热成风涡度最小。
– 数值预报方法， – 天气学方法。
• 本节主要讨论利用天气学方法制作天气形 势预报的常用方法。
§8.1.1趋势法
• 根据最近一段时间内天气系统演变的趋势， 预报未来短时间内天气系统强度变化及移 动，这种方法叫做趋势法。 • 趋势法通常分为外推法和运动学方法两种。
1.外推法
• 根据最近一段时间内天气系统的移动速度 和强度变化的规律，顺时外延，预报出系 统未来的移动速度和强度变化，这种方法 叫做外推法。
2 • 对槽来说， 2 0说明槽沿变高梯度方向移动 x – 槽前变高＜槽后变高，槽前进 – 槽前变高＞槽后变高，槽后退 2 • 对脊来说， 2 0 说明脊沿变压升度方向移动 x – 脊前变高＞脊后变高，脊前进 – 脊前变高＜脊后变高，脊后退 2 • 槽脊移动速度与变高梯度成正比，与 2 （槽脊 x
• 形势预报的两种处理方式：
– 从气压场变化入手，找出气压变化的规律。如：减 压地区可能形成低压或使原有低压加强，即有气旋 发生发展。 – 从流场变化入手，通常得用涡度方程进行分析。如： 正涡度增加地区，有气旋的发生发展；负涡度增加 地区，则可能有反气旋的发生发展。
• 形势预报的方法可分为两大类:
2
2 p 2 p • 对近于圆形的低压，由于 x 2 y 2 0
将沿变压梯度方向移动；同理，对近于圆形的高 压，将沿变压升度方向移动。 • 椭圆形高压(低压)的移动方向介于变压升度(梯度) 与长轴之间，长轴越长，移动方向越接近于长轴。 移动速度的大小与变压升度(梯度)成正比，与系统 中心强度成反比。
天气预报的种类
• 按预报时效:
– – – – – 临近预报(0-2小时) 甚短期预报(2-12小时) 短期预报(12-48小时) 中期预报(3-10天) 长期预报(10天以上)等;
• 按服务对象:
– 日常天气预报 – 专业天气预报(如航空天气预报);
• 按预报范围
– 区域预报 – 站点预报等。
• 一个地区的天气变化主要由天气系统变 化所决定。 • 天气预报实际上分为两个步骤：
注意
• 当天气系统的移动和强度无突然变化或无 天气系统的新生、消亡时，应用上述趋势 法的较果较好； • 反之，预报往往与实际不相符合。
§8.1.2 涡度观点的应用
1. 地面气旋（反气旋）发展方程 2. 平均层涡度方程 3. 引导气流原理的应用
1. 地面气旋（反气旋）发展方程
• Petterssen发展方程
0, x
0 t x
2 t x C xt 2 x x x 2
槽、脊线的移动速度为
2 t x C xt 2 x x x 2
• 直线外推时只需要根据当时和上一时次的 两张天气图即可进行， • 而曲线外推需要利用三张(或以上)天气图进 行比较。

直线外推
移动距离：S2=S1 移动方向：不变 强度：P＋P＝P2+(P2-P1) =1006+(1006-1008) =1004


曲线外推
移动距离：S3-S2=S2-S1， S3=S2+S=S2+(S2-S1) 移动方向： 34=23+(23-12) 强度： P34 - P23= P23 - P12 P4=P3+(P3-P2)+(P3-P2)-(P2-P1) =995+(-7)+((-7)-(-9)) =990 S1