各院系并转申报课程的教师

《天气学》课程介绍
a.课程介绍
我国幅员辽阔，春季的沙尘暴，夏季的暴雨，秋季的台风和冬季的寒潮常常给我国很多地区带来重大的自然灾害。

当然，适时和适宜的风雨又是一种自然资源。

我国是受季风影响的国家，无论自然灾害，还是自然资源，都与影响我国的季风活动有着密切的关系。

要防御灾害，做好上述灾害性天气的预报，首先需要认识和把握各种天气系统发生、发展和移动的机制与规律，认识天气现象与天气系统的配置。

天气学就是分析和研究这方面问题的学科。

北京大学《天气学》的教学历史悠久，具有特色。

1950-60年代谢义炳、仇永炎和王绍武等老一代气象学家参与和主讲了天气学。

1959年谢义炳先生等编写出版了北大第一本《天气学基础》的教材。

文革以后，张镡教授和蒋尚城教授多年主讲天气学。

北京大学举办过多期全国天气学讲学班，培养了大批气象人才，引领了全国暴雨攻关课题的研究。

自1976年北京大学地球物理系气象教研室出版了《天气分析和预报》的教材后，其他院校先后出版了多本天气学内容的教材。

随着大气探测技术和研究方法的发展以及新知识的积累，特别是我国季风天气气候特色研究内容的扩充，这些极大地丰富了天气学的教学内容。

此外，北大近年来对气象学科的教学内容也作了很多的改革，因此天气学教材也需要适应新的教学实践。

近20年来，北大从事大气科学教学的教师期盼再出版一本北大的《天气学》教材。

1998年原北京大学地球物理系的天气学课程教学着手新老交替。

1999年本人开始了《天气学》课程的讲授。

与此同时，在教育部“大气科学人才培养基地”的支持下，主讲人和其他教师一起带领2000年届的本科生，一边做毕业论文，一边开始制作《温带天气系统》的多媒体课件。

经过一年的努力，三位同学不但完成了课件建设，还在国际核心刊物上发表了4篇论文。

在2001年多媒体课件开始投入教学的同时，《天气学教材》电子版的编写也在进行。

考虑到北大研究生招生考试中增加了气候部分，主要是季风和大气环流，我们在电子教材中扩展了这些内容。

2002年《天气学》的电子版开始用于教学。

2003年初《天气学》书稿交北大出版社并获北京市精品教材立项资助，2004年夏季出版。

本书是大气科学专业本科生的天气学专业课教材，也可供相关专业的本科生或研究生学习与研究参考。

为方便复习和研究生入学考试，除教材另外还提供了每章的要点与思考题。

要点与思考题没有出版，将在上课时拷贝给同学，或上网获取。

本教材在很多方面仍沿用了北京大学1976年教材的做法，如将基础理论部分集中写，但内容作了压缩。

第一章是绪论，目的是从系统、尺度和天气学的发展过程等几个方面对这门学科建立一个初步的认识。

第二章是基础理论，它免除了大气动力学中的复杂推导，注重用结论解释天气学中的现象和问题。

第三章讲大气环流，将流体实验与大气环流联系起来，以增加对大气环流的理解，也涉及到了海气耦合的内容。

“气团和锋”与“气旋”部分在第四章和第五章作了编写，对我国不同地区的气旋作了介绍。

第六章讲西风带大型扰动，注重分析影响我国的冬季风系统与寒潮。

第七章是中小尺度天气，其内容相对较多，也是天气学的重要部分。

第八章讲季风，主要是夏季风，内容从东亚季风延伸到了全球季风。

第九章讲低纬度天气，对影响我国的低纬度环流及高低值系统进行了介绍。

第十章是中国降水，内容反映了降水的地区性、季节性和极端情况。

目前能够提供给大家学习的材料有2004年北大出版的《天气学》教材，2004年版的电子《天气学》ppt教材，2001年版《中纬度系统》多媒体课件，网络版
b.教师介绍
天气学主讲教师：钱维宏，男，江苏东台人，2000年－现在任北京大学物理学院教授，2001年博士生导师。

1978年考入南京气象学院大气科学系天气动力学专业，1982－1991年在江苏省气象台站从事天气预报工作，先后在《地理学报》、《气象学报》、《大气科学》等国内十多家刊物上发表论文20余篇，1990年获得华东区气象科技一等奖和中国气象学会青年科技奖及科技论文奖多项。

1991年录取为兰州大学的博士研究生从事海气相互作用研究并将论文发表在《中国科学》和《科学通报》等刊物上，跨入了其科研生涯的第2个阶梯。

1994年博士毕业到北京大学做博士后研究，1996年留校教学。

博士后期间从事了研究生《气候动力学》课程的编写和讲授。

博士和博士后期间各出版一本专著。

1996年获北京大学教学优秀奖。

1999年开始主讲本科生的《天气学》和研究生的《气候动力学》课程，2004年北大出版社出版了其编写的《天气学》教材。

2000年以来，每年带2-3个本科生做毕业论文，加之每年有1-2个研究生加入，形成了一个名为“Monsoon & Environment Research Group”（MERG）的研究组。

目前组内有副教授2人，博士生5人，研究生4人，在职研究生2-3人。

这个组的实力可以协同指导本科生的论文。

2000年指导的3个本科生发表4篇国际刊物论文，其中2人毕业后出国，1人保送北大博士生。

2003年的3个本科生做论文，毕业后都已出国深造，其中1人论文以第1作者发表。

目前这个组的学生分成3个不同的研究方向：海气相互作用、全球－区域季风和东亚历史环境。

近年来承接了国家科技部的973项目、科学院的创新项目、自然基金委的基金项目和教育部的博士点基金等项目。

近年来，MERG组每年发表论文7-8篇，其中一半论文发表在国外核心刊物上，每年有3-4篇SCI论文获得北京大学的奖励，其中包括气象方向上影响因子最高的刊物《Climate Dynamics》和《J. Climate》，成为科研第3阶梯的标志。

MERG组目前与国外多个学校和研究机构有往来的合作关系，如MERG组的研究生和教师出国访问合作研究和聘请国外教授来本组工作。

2003年美国Nebraska大学的教授就来MERG组工作了1个月并共同在国际刊物上发表了论文。

2004年1名研究生到瑞典1所大学访问研究。

目前钱维宏是国际5家刊物的评审人，教育部聘请的多个方面评审专家，中国气象研究院聘请的客座研究员，科学院东亚环境研究实验室学术委员会委员，多个国际会议的组织和学术委员会委员。

科研是MERG组的优势强项，这种强项是推动本科生专业教学和研究生专业教学的保证。

目前大2和大3年级的本科生就有报名参加MERG组科研活动的。

MERG组的科研发展将加快本科生人才的培养。

c.教学大纲
《天气学》分十章，每章都有不同的要点。

第一章绪论
1.一个占有一定空间的物质构成，可以形成一个系统。

这个空间总存在一个边界，边界内
就属于这个系统，边界外为外界。

系统大致可以分为孤立系统、封闭系统和开放系统。

2.天气是短时间（几天）内的大气运动及其现象的特征；天气过程是指某一地区在某一时
段（10-15天）内受几次天气系统的影响，产生几次重复的天气现象；气候是一段时间内（１月、１季、半年、１年、１０年、百年）天气的总和特征，它既包含了平均状态，也反映了极端情况。

3.根据气温的垂直分布可以把大气分成对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层等层次，
对流层大气可以分成自由大气层和大气行星边界层，大气行星边界层又分为近地面层和上部摩擦层。

天气学中描述的主要现象就发生在对流层大气中。

4.根据天气形成的不同热力和不同动力(地形)环境背景，不同区带内形成的天气和天气系
统有所不同。

这些天气所属：赤道带天气、副热带天气、热带天气、温带天气、极地或高纬度天气和高原天气。

5.从时间和空间尺度上把不同的天气和系统区分开是从热力学和动力学上研究这些天气
现象问题的方便和需要。

天气现象和天气系统存在不同的层次，时间尺度和空间尺度就可以区分不同的层次。

6.综合不同时空尺度的天气系统，即把时间尺度与空间尺度相匹配的天气系统联系起来可
以归纳出为大尺度、中尺度、小尺度及微尺度等不同尺度的天气系统。

于是可以形成大尺度大气动力学、中尺度大气动力学及与此现象联系的天气学，还有所谓的微气象学等。

7.天气学的目的是要通过掌握的资料，用适当的方法加以分析和归纳，根据天气系统演化
的规律做出未来时刻的天气预报。

8.天气学的基本原理主要包括: 追踪到几天前的天气信息，认识天气现象与天气系统之间
的对应关系，分析不同地区的天气采用不同的分析方法，了解不同尺度天气系统之间的演变规律，明确动力学理论在天气学上的应用和数值产品的天气应用。

9.天气学的发展起源于人们优化生活和避免损失的需要。

天气学的发展历史经历了19世
纪初的单站预报阶段，19世纪中开始的地面天气图阶段，20世纪初的现代天气学发展阶段，1930年代的理论发展阶段，1950年代开始的计算机应用阶段和现代技术的应用阶段。

10.近代通信技术首先在气象信息的传输中得到了应用，数值天气预报(走在时间的前面)的
设想推动了高速计算机的发展，雷达和卫星观测信息使人类避免了很多损失，气象信息显示已经从三维发展到五维，同化技术在气象业务中获得了成功的应用。

第二章 基础理论
1. 在惯性坐标系中单位质量空气微团所受的作用力有：地心引力、气压梯度力、分子摩擦力、地转偏向力和惯性离心力。

其中，地心引力和惯性离心力的合力构成了通常所说的重力。

2. 高空等压面天气图上所填的数值除了风、气温和露点温度差外，还有位势高度值。

3. 将气压梯度力、地转偏向力、重力和摩擦力代入运动学第二定律就得到大气运动的基本方程。

4. 热力学第一定律表示系统得到的热将用于系统内能的增加（或温度升高）和系统对外做的功。

5. 在气象工作中，由于对气压的测量较为方便，因而垂直方向上都用气压坐标。

于是有一套气压坐标下的大气运动方程。

6. 厚度方程表示两个等压面之间的距离和这之间的平均温度有关，温度越高，等压面之间的距离越大。

这是因为温度越高密度越小，在两个等压面气压差固定的情况下它们之间的气柱就越长。

7. 天气尺度的大气运动在垂直方向上基本满足重力与气压梯度力的平衡，这种平衡称为静力平衡。

8. 由在中高纬度自由大气中不考虑摩擦力时空气质点所受的气压梯度力与科氏力近似平衡就可以得到：“在北半球，背风而立，低压在左，高压在右” 的地转风与气压场关系。

这样的关系称为地转平衡。

9. 由梯度风的气压梯度力、科氏力和惯性离心力三力平衡关系，大气中可以出现很强的低压中心，例如台风，但大气中不可能出现或者维持很长时间强的高压中心，因为不可能出现与这种气压梯度力相平衡的力。

10. 热成风讨论的是流场（地转风）随高度的变化与温度场的关系。

热成风与等温线之间的关系为: 在北半球，背风而立，低温在左，高温在右。

大气中近似满足地转风关系，实测风随高度的变化即热成风。

定义相对本站有冷空气流来为冷平流，暖空气流来叫暖平流。

11. 锋面是不同性质气团的交界面。

锋面坡度与纬度有关，纬度越高，坡度越大；锋面坡度与两气团的温差有关，冷暖气团的温差越大，坡度越小；锋面坡度还与风速差有关，风速差g v ∆越大，坡度越大。

12. 如果大气的密度仅随气压而变,则在等压面上就没有温度梯度，热成风为零，这种状态的大气称之为正压大气。

如果大气的密度不仅随气压，而且随温度变化，这种状态的大气称之为斜压大气。

在斜压大气中，地转风随高度变化，大气斜压性对天气系统的发展有重要意义。

13. 根据规定，向四周散开的水平流场，称为辐散，从四周向中心汇合的水平流场，称为辐合。

如果把辐散辐合用一个物理量来度量，就引入了散度的概念，散度大于零代表辐散流场，散度小于零代表辐合流场。

一般地，地面辐合时上层大气有辐散，反之有辐合。

但上层的辐散量值大于地面辐合时有利于低值系统的发展。

14. 上层大气有辐散时,低层大气有辐合，对应的低值系统在中层大气中反映的是涡度中心。

定义涡度为速度的旋度，即v ⨯∇，它表示大气运动旋转的程度。

规定反时针旋转，即气旋式旋转对应为正涡度；顺时针旋转，即反气旋式旋转，对应为负涡度。

15. 涡度方程是运动方程的另一种形式，它在天气学的发展史上起到过积极的作用，在天气预报上使用较广。

大尺度运动时应用的涡度方程，某一点涡度的局地变化决定于三个因子：涡度平流，地球自转涡度平流和气流的辐合辐散。

16. 在每日天气图上，对流层中高层中高纬度大气中环绕纬圈总有４－５个波动存在，这样的波动称为大气长波。

长波移动，即“槽来脊去”与天气有密切的关系，是短期天气预
17.位涡守恒定理在大尺度大气运动中有广泛的应用，如可以解释西风气流过山后背风槽的
形成。

位涡是绝对涡度与涡旋有效厚度之比值的一个度量，有效厚度为用气压单位度量的相邻等熵面之间的距离。

18.地面气压系统的发展除了和高空的流场（如涡度平流）有关外，还和大气的热力状况，
即温度分布有关。

地面涡度的变化是无辐散层上涡度变化与热成风涡度变化之差，亦即
∇之间的不平衡所产生地面气压系统的变化是高层涡度平流和厚度平流等某些量的2
的，也可以认为是流场和温度场之间的不平衡产生的。

19.在天气系统的发展方程中涡度平流项使系统沿纬向运动，温度平流使气旋向东偏北的方
向移动。

非绝热效应对天气系统的发展也有作用。

20.位势倾向方程和ω方程是两个重要的诊断关系方程，其大小与涡度平流随高度的变化，
厚度或温度平流的拉普拉斯分布，以及非绝热的拉普拉斯分布有关。

21.在准地转ω方程中，右端的两个强迫项，每一项都包含着与另一项中一部分相抵消的成
分。

因此有时难以单独用某项来判断垂直运动。

根据运动中要维持热成风平衡的观点，Q矢量可以弥补这一不足。

Ｑ矢量是造成流场热成风和温度场热成风在运动中同时发生变化的唯一因子，并且Ｑ矢量将造成流场热成风和温度场热成风发生大小相等而符号相反的变化，因而它总是起着破坏热成风平衡的作用。

22.在斜压天气系统发展方程中，平均层上的涡度变化，除了决定于该层上的涡度平流外，
还决定于热成风涡度平流。

1.把在不同时空尺度下由于热力对比形成的在一定时间内平均的大气定向运动称为大气
环流，而把个别的大气运动相对定向运动的偏差称为大气环流的异常。

大气环流是研究风的科学，首先是热力对比驱动了大气环流，再是大气环流或风的形成、维持和消亡引起了天气和气候的变化。

2.Hadley单圈环流是在不旋转的地球上的大气直接环流，与太阳的直接辐射有关。

这一热
力驱动的直接环流在考虑了地转效应后只存在于低纬和高纬经向大气中。

3.实验室环流实验可以帮助人们对实际大气环流的理解。

Benard对流是为了平衡温度梯度
和温度差异而自发形成的。

温度对比达到一个值阈就可以形成热力对流，但对流发生的位置存在不确定性。

4.大气中水平涡旋的形成及其移动是为平衡和输送大气水平热力对比和地球旋转角动量
梯度分布而自发产生的。

在实际的中高纬度自由大气中存在3－5波流型的大气运动。

5.青藏高原的热力和地形动力作用会使气流发生绕流和翻越高原的气流。

随着西风带强度
和位置的变化，高原东部的气流汇合位置也随季节发生着变化。

6.对流层大气环流直接与大气下垫面温度有关，而占地球表面积2/3的海洋及其洋流对下
垫面热量的再分配有很大的作用。

赤道地区海温异常的El Nino事件与热带地区Walker 环流异常相联系并与海平面气压异常联系着，后者称为南方涛动(SO)。

于是El Nino事件和南方涛动的联系就构成了所谓的ENSO循环，其循环的位相变化为2-7年，即年际时间尺度的变化。

这一海气相互作用与全球气候变化有关。

7.通过多年平均海平面气压场的分析看出大气中存在一些半永久性的大气活动中心和季
节性变化的大气活动中心，如冬季的蒙古高压、阿留申低压，夏季的太平洋副高和印度低压等。

大气活动中心的强度和位置变化决定着一些地区的气候季节转换。

8.无论冬夏季，都存在围绕极地地区的低压中心，称为极涡（极地涡旋）。

极涡位置的变
动与我国的中长期天气和气候变化存在一定的统计联系，特别是对全国大范围的寒潮天气爆发的预报具有重要的指示意义。

9.热力驱动的环流产生的空气运动受到地转偏向力的作用，赤道的上升运动到达高层后，
其向极运动受到地转偏向力的作用，使北（南）半球运动的空气向右（左）偏转。

地转偏向力的作用，使经向速度不断减小，即产生经向辐合并产生下沉运动，这个下沉带在赤道两侧的20－35度纬度处，环绕整个纬圈，这就是副热带高压带。

这个高压带是空气动力下沉造成的，是干暖高压。

在30度附加下沉的空气，在北半球低层分别流向赤道和向极。

向南流的空气受地转偏向力的作用向右偏转，成为东北信风。

南半球低层形成东南信风。

两支信风在赤道地区辐合，称为热带辐合带（ITCZ）并上升，这样在赤道和南、北纬30度附近之间各形成一个热力环流圈，即范围缩小的热带Hadley环流圈。

此外还存在极地环流圈和中纬度（Ferrel）环流圈。

在地球自转影响下，南北半球各形成了三个环流圈，以Hadley环流圈最强，Ferrel环流圈最弱。

10.角动量的水平输送主要有两种型式来完成，即平均经圈环流和纬向环流上的大型涡旋运
动所造成的输送。

在中高纬度地区，角动量输送主要靠大型涡旋运动的输送。

在低纬度地区，Hadley环流圈很强，它的输送同涡旋输送同等重要。

11.随季节变化的高原热力和动力特征能够大大地改变高原及其行星尺度的大气环流。

这些
环流特征可以从高原附近的形势场和环流场中反映出来。

南亚高压是夏季出现在青藏高原及邻近地区上空的对流层上部的大型高压系统，又称青藏高压或亚洲季风高压。

12.由于热力与地形的共同作用，青藏高原地区的经圈环流也发生了变化。

无高原时，青藏
地区应该处于副高的下沉气流中，即处于赤道以北低纬度Hadley系统中。

在有高原时环流情况相反，整个高原地区为上升气流。

1.不同性质气团之间的交界面被称为锋面。

气团是指气象要素，如温度、湿度和稳定度水
平分布比较均匀的大范围空气团。

在此水平几千公里，垂直几公里达到对流层顶的气团中，天气现象也比较均匀。

2.具有形成气团温度和湿度属性比较均匀条件的地区称为气团源地。

气团运动离开源地移
至与源地性质不同的下垫面时，两者间又产生了热量与水分的交换，气团的物理属性又逐渐发生变化，这种变化称为气团变性。

3.锋面可以定义为冷、暖，或干、湿两种不同性质气团之间的过渡带。

这种倾斜过渡带称
为锋区。

跨越这一狭窄的倾斜带它具有较大的水平温度梯度，静力稳定度和绝对涡度对比以及垂直风速切变等特征。

4.根据锋在移动过程中冷、暖气团所占有的主次地位，可将锋分为：冷锋、暖锋、静止锋
和锢囚锋。

5.在同一气团中水平的温度梯度一般为1-2o C/100 km, 而在锋区内温度的水平梯度可达
5-10o C/100 km。

6.在地面图上，一般锋面位于气压槽中，等压线通过锋面时呈气旋式弯曲，其折角指向高
压。

由于地面锋位于气压槽中，锋线附近的风场具有气旋性切变，而地面摩擦作用可使这种气旋性切变更加明显。

同时，地面摩擦导致锋线附近强的风场辐合。

7.决定锋面上云雨现象的基本因素是：空气中的水汽含量，垂直运动和稳定度。

8.依据输送带的概念建立了大尺度气流的输送带锋面天气模式。

所谓输送带是指以天气系
统为坐标系的相对气流，它们是系统内产生云和雨区的主要气流。

输送带一般分成两类：暖输送带和冷输送带。

9.锋生是指密度不连续性形成的一种过程，或是指已有的一条锋面，也是其温度（或位温）
水平梯度加大的过程；锋消是指作用相反的过程。

第五章气旋
1.在北半球作逆时针旋转，中心气压比四周低，并且有闭合等压线（等高线）出现的水平
旋涡叫气旋。

反之，在北半球作顺时针旋转，等压线（或等高线）闭合的水平旋涡叫反气旋。

根据气旋形成和活动的主要区域，可分为温带气旋和热带气旋两大类；按其形成和热力结构，则可分为锋面气旋和无锋面气旋两大类。

2.对东亚气旋发生情况的统计表明，无论冬夏东亚气旋在30o-35o N 和45o-50o N两个地带
中生成的频率最高，而这两个地带中前者与长江－淮河流域的纬度相当，称南方气旋。

后者则相当于我国的北方边境，称为北方气旋。

3.对于准静止锋上锋面波动即气旋发展过程的地面流场演变可分成四个阶段：波动阶段、
成熟阶段、锢囚阶段和消亡阶段。

4.中纬度西风带上气旋的形成有多个不同的模式（模型），但概括起来有下列基本的特征
和过程。

一是要先有斜压锋区的存在或者锋生过程的存在，这样才有大气中斜压有效位能的存在；二是锋区上出现扰动，即出现冷锋和暖锋，气旋波动就发展起来了；温度槽脊落后高度槽脊，斜压有效位能不断转变为扰动动能，气旋加强。

气旋的消亡过程也就是斜压有效位能释放的结束，等温线与等高线重合。

5.气旋波系统中的气流输送带意味着在同一条输送带上，气流的性质具有相似的特征，比
如冷与暖，干与湿等的不同。

这些输送带对气旋的发展扮演着不同的角色，有不同的贡献，也对应着不同的天气。

6.在锢囚阶段或已消亡的锋面气旋内，若有新的温度梯度出现，其对称的温压场结构受到
破坏，使气旋发展的热力因子和动力因子又会起作用，锋面气旋便重新发展起来。

这一重新发展的过程称作气旋再生。

7.在我国梅雨季节，在一条延续的锋面上可出现一连串气旋序列，前一个已锢囚，接着是
刚刚锢囚的，依次为刚发展的，再接着是初生的锋面波动。

在同一条锋线上出现的气旋序列，称为气旋族。

8.气旋中存在降水天气外，在我国北方春季的气旋还会导致沙尘暴天气的发生。

9.与气旋相反的是反气旋。

根据其形成和活动的主要地理区域分为极地反气旋、温带反气
旋和副热带反气旋；按其热力结构可分为冷性反气旋和暖性反气旋。

10.锋面气旋的天气可以看成是以气旋的空气运动特征为背景的气团天气与锋面天气的综
合。

锋面气旋在对流层的中下层主要是辐合上升气流占优势，由此对应着云雨天气。

但由于上升气流的强度和锋面结构的不同，锋面气旋在不同的发展阶段，降水会有很大的差异。