天气学分析诊断 2.1 客观分析--水平插值法
天气预报的原理与准确性分析
天气预报的原理与准确性分析天气预报是现代社会人们生活中经常接触到的一项服务。
它通过收集、分析大量的气象数据，利用气象模型和算法进行预测，以提供准确的天气信息。
然而，天气预报的准确性一直备受关注，本文将深入探讨天气预报的原理和准确性，并分析影响其准确性的因素。
一、天气预报的原理天气预报的原理基于气象学的研究。
气象学是研究大气现象及其规律的科学，它通过观测、实验和模型来解释和预测天气现象。
天气预报的原理可以分为以下几个步骤：1. 数据收集：天气预报需要大量的气象数据，包括气温、湿度、气压、风向风速等指标。
这些数据通过气象站、卫星、雷达等设备进行观测和收集。
2. 数据分析：收集到的气象数据需要进行分析和整理，以便为后续的预测提供基础。
数据分析包括对气象要素的统计、插值、滤波等处理。
3. 气象模型：气象模型是天气预报中的核心工具，它是对大气运动和物理过程的数学描述。
气象模型通过数值计算，以模拟大气的演变和变化。
常用的气象模型包括欧洲中期天气预报中心的ECMWF模式、美国国家环境预报中心的GFS模式等。
4. 预测算法：基于气象模型的计算结果，通过一系列的算法和规则，将模型的输出转化为准确的天气预报信息。
预测算法可以包括统计回归、神经网络、人工智能等技术。
二、天气预报的准确性天气预报的准确性是指预报结果与实际天气情况之间的一致程度。
由于气象系统的复杂性和不确定性，天气预报难以达到100%的准确性，但科技的进步已经使得天气预报的准确性得到显著提高。
1. 时间范围：天气预报的准确性与预报的时间范围密切相关。
短期天气预报的准确性通常较高，可以达到90%以上。
但随着预报时间的延长，准确性逐渐下降，中期和长期天气预报的准确性相对较低。
2. 影响因素：天气预报的准确性受多种因素影响。
例如，观测数据的质量、气象模型的精度、预测算法的有效性等都会对预报结果产生影响。
此外，地理环境、气候特征和季节变化等因素也会对天气预报的准确性造成影响。
天气学分析——天气图基本分析方法
（3）麦卡脱投影：这种投影一般是将圆筒图纸与南北纬22.5 纬圈相交割，把光源置于地球中心，将地球表面各点投影到
圆筒图纸上。
这种图上经、纬线都是以直线表示的。一般在中高纬度地 区有较大的失真，一般用于低纬度地区。
麦卡托投影图
3、地图比例尺
含义：底图上两点之间的距离与地球表面上相 应两点间的距离之比，称为比例尺。（或缩尺） 表示方法有：
小于1mm的填写一位小数，“T”表示微量。
13、dd—风向。以失杆表示， 失杆方向指向站圈，表示风的 来向。
14、ff—风速。以失羽表示。“—”表示4m/s，“－”表 示2m/s，一三角旗表示风速20m/s，风速不明时，在风 向杆尖端填“×”。风速大于40m/s时，在风向杆另一 侧填一个“>”如
因为天气现象是发生在三度空间的，为了详 细观察三度空间的实况，在日常业务工作中， 常常利用各种天气图来分析天气系统的空间结 构。天气图可分为基本天气图和辅助天气图两 种。
基本天气图有：地面天气图、等压面图； 辅助天气图有：垂直剖面图、等熵面图等。
§1－1 天气图底图
1、天气图底图：用来填写各地气象台（站） 观测记录的特制空白地图。
§1—2 地面天气图
一、地面天气图陆地站的填写格式
二、各项填图符号的意义
必填项目
1、N—总云量，用符号表示。 2、CH CM CL —高云状、中云状、 低云状，用符号表示 。
3、Nh —低云量，用电码表示。
4、h —低云高，以数字表示，
以米为单位。
5、 T T T 和TdTdTd 气温和露点温度，以数字表示， 以摄氏度为单位。填写十位、个位，小数一位。十 位为零时，省略不填。温度为负时前面加“－”号。
1、比例式：如1:10000000
天气学原理和方法
天气学原理和方法天气学是研究大气中各种气象现象及其规律的科学。
它不仅是一门理论性学科，也是一门应用性学科，对人类的生产、生活、科研等方面都有着重要的影响。
天气学的研究对象主要是大气中的各种气象现象，包括气温、气压、湿度、风向、风速、降水等。
天气学研究的方法主要包括观测、实验、数学模型和预报等。
观测是天气学研究的基础。
通过对大气中各种气象要素的观测，可以获取大气的基本信息，为天气学的研究提供数据支持。
观测的方法包括地面观测、高空观测、卫星遥感等。
地面观测主要通过气象站、气象雷达等设备进行，可以获取气温、气压、湿度、降水等信息。
高空观测主要通过气球、飞机等载体进行，可以获取大气垂直结构、风向、风速等信息。
卫星遥感主要通过卫星对大气进行遥感观测，可以获取大范围、全天候的气象信息。
实验是天气学研究的重要手段。
通过对大气中各种气象现象的模拟实验，可以深入了解气象现象的成因和规律。
实验的方法包括室内模拟实验、野外实验等。
室内模拟实验主要通过模拟大气环境，对气象现象进行实验研究。
野外实验主要通过在自然环境中进行实地观测和实验，获取真实的气象数据和现象。
数学模型是天气学研究的重要工具。
通过建立数学模型，可以模拟大气中各种气象现象的演变过程，为天气预报、气候预测等提供科学依据。
数学模型的建立需要考虑大气的动力学、热力学、水文等方面的因素，通过数学方程组的求解，可以模拟大气的运动、热量传递、水汽循环等过程。
天气预报是天气学研究的应用方向。
通过对大气中各种气象要素的观测、实验和数学模型的分析，可以对未来一段时间内的天气情况进行预测。
天气预报主要包括短期预报、中期预报和长期预报。
短期预报主要针对未来1-3天的天气情况，中期预报主要针对未来3-10天的天气情况，长期预报主要针对未来10天以上的气候情况。
总之，天气学是一门重要的气象学科，它通过观测、实验、数学模型和预报等方法，研究大气中的各种气象现象及其规律，为人类的生产、生活、科研等提供重要的科学依据。
天气诊断分析
1. 地图投影：用投影的方法，把地球表面投影到预先规定的投影面上，然后把投影面沿某一指定的方向切开展成平面2.正形投影：两条交线间角度保持不变的投影。
3.为什么要进行气象资料处理:气象测站分布不规则，但是数值预报中的网格点是规则的，因而资料无法直接使用。
同时，从观测、编码、发报，到传递、转换、接收等环节上，气象资料都存在着出错的可能性。
4.如何进行错误记录的简单判断；利用要素值的上限值和下限值进行判断；利用要素值的空间连续性进行判断（与周围记录比）；利用要素值的时间连续性进行判断（与前后记录比）5.什么是客观分析：为了得到网格上的资料，可根据直接联系格点值与台站值的方程，从数值上进行内插。
方法：有限元、多项式、样条等，数值天气预报中还常使用逐步订正法、最优插值法、谱方法、变分法等。
6.什么叫逐步订证法：将格点周围站记录与终点值进行比较，用格点周围不同半径范围内各测站的观测数值情形与估计值之差的加权平均作修正量逐步对其订正，最终使格点分析值与周围测站记录相比达到完全合理为止。
7.资料同化：把各不同时刻的观测资料纳入统一的分析预报中来，使之自然满足一定的协调条件8.垂直速度的计算方法：个别变化，动力学学方法，运动学方法，由降水量反算。
9.Q矢量判断锋生锋消和垂直运动；Q矢量由冷区指向暖区，锋生；Q矢量由暖区指向冷区，锋消。
Q矢量辐合，引起上升运动；Q矢量辐散，引起下沉运动。
10.惯性不稳定：在地转平衡条件下，水平扰动使气块有远离原有平衡位置的趋向。
条件性对称不稳定：从物理上看，就是在垂直方向上为对流性稳定和在水平方向上为惯性稳定的环境中，空气作倾斜上升运动时可能出现的一种不稳定。
对流性不稳定：原来稳定的上干下湿的整层空气被抬升，其下部先达到饱和，并释放潜热，按湿绝热直减率降温，而上部则未达到饱和，仍按干绝热直减率降温，形成该气层上部降温多，下部降温少，使该气层转化为不稳定。
11.天气的可预报性：未来天气状态是既可以预报，又是不可预报的，即存在一个可预报期限，在此期限内是可预报的，超过这个期限是不可预报的。
天气学原理和方法
天气学原理和方法天气学是研究大气的运动和变化规律，预测和分析天气现象的一门科学。
它利用物理学、化学、地理学等多个学科的知识，结合气象观测数据和数值模型，以及统计和数学方法，来解释和预测天气变化。
天气学的研究对象是大气，大气是地球上固体地壳和液态海洋的表面围绕地球所形成的气体包围层。
大气包含了空气、水蒸汽、尘埃等多种组分。
天气学主要研究大气中的气压、气温、湿度、风力、降水等要素的变化和相互关系。
天气现象是大气要素变化的集中体现，如暴雨、强风、雷电等。
天气现象是天气学研究的重要内容，通过对天气现象的观测、分析和归纳，可以找出它们的规律和特点，为天气预测提供依据。
天气学的研究方法主要包括气象观测、实验与模拟、数值预报等。
气象观测是天气学研究的基础，通过对气象要素的实时观测，可以了解大气的变化和发展趋势。
气象观测包括对气压、温度、湿度、风力、降水等要素的观测。
观测站点通常配备各种观测仪器和设备，如气压计、温度计、湿度计、风速仪等，用于记录和测量气象要素。
实验与模拟是天气学研究的重要手段之一、通过在实验室中对大气中的各种要素进行控制和模拟，可以研究其变化规律。
实验室实验可以控制较好的条件，有利于深入研究一些特定的天气现象。
模拟是利用计算机模型对大气进行数值模拟，通过模拟大气中各个要素的运动和相互作用，来预测天气变化。
数值预报是天气学研究的重要方法之一，它利用气象观测数据、数值模型和统计方法，通过计算机的运算来预测未来一段时间内的天气变化。
数值预报的基本原理是根据大气运动方程和热力学原理，通过对大气中各个要素的变化进行数学计算和模拟，来预测未来的天气情况。
在进行天气预报和分析时，还需要结合统计和数学方法来处理观测数据、优化模型参数和提高预报准确率。
统计方法可以通过对历史观测数据的分析和处理，来找出天气变化的规律和趋势。
数学方法可以通过建立数学模型，对大气中的运动和变化进行数学描述和计算，从而预测未来的天气变化。
常见的天气数据分析知识点归纳
常见的天气数据分析知识点归纳
天气数据分析是一种重要的技术，用于理解和预测天气变化。
以下是常见的天气数据分析知识点的归纳：
1. 数据采集
- 天气数据可以从多种来源进行采集，包括气象站、卫星、无
人机等。
- 不同来源的数据可能具有不同的格式和精度，需要进行数据
预处理和质量控制。
2. 数据存储和管理
- 大量的天气数据需要进行有效的存储和管理，以方便后续的
分析和使用。
- 数据库和云存储是常用的数据存储和管理解决方案。
3. 数据清洗和处理
- 天气数据可能存在噪声和缺失值，需要进行数据清洗和处理。
- 常见的数据清洗和处理技术包括去除异常值、插值填充缺失
值等。
4. 数据可视化
- 数据可视化是将天气数据可视化为图表或地图的过程，以便
更直观地理解和分析数据。
- 常见的数据可视化工具包括Python的Matplotlib和Seaborn
库等。
5. 统计分析和模型建立
- 利用统计分析方法和建立模型可以进一步深入分析天气数据。
- 常见的统计分析方法包括平均值、方差、回归分析等。
6. 预测和预警
- 基于历史天气数据和模型，可以进行天气的预测和预警。
- 预测和预警模型可以帮助人们做出相应的决策和准备。
以上是常见的天气数据分析知识点的归纳，这些知识点可以帮
助人们更好地理解和利用天气数据进行分析和预测。
用插值法对雨量预报方法的评价
用插值法对雨量预报方法的评价攀枝花学院实验报告实验课程：数学实验及模型实验项目：用插值法对雨量预报方法的评价院系：计算机学院班级：姓名:学号实验日期 2010-12-30摘要:首先，通过对给定的大量数据（预报数据和实测数据）进行统计画图分析，得出了散点图。
然后分别对两种预报的 41 天中每天 4 个时段各等距网格点的雨量数据进行处理和分析。
第一问，模型一：先把对应的91个观测站经纬度精确到小数点后一位，这样就可以把观测站和数据中的经纬度进行对比。
从而可以得到91个观测站中有41个观测站在预报方法中能找到。
将41个对应点的预测雨量与实测雨量求偏差的平方和。
作为评价准确性的指数，可以得到第一种方案的最小二乘和为16983.2969，第二种方案最小二乘和为36446.4633。
由此可以看出第一种方预测比较正确。
模型二：根据预测提供的每天每个时段的数据进行实测数据点的插值。
将91个对应点的预测雨量与实测雨量求偏差的平方和。
可以得到第一种观测方案最小二乘和为168345，第二种预测方案的和为186246。
进而说明第一种方案的合理性。
第二问：利用给出的预测数据算出41天中不同类型雨的次数与实际的41天下划分成7个等级，然后进行比较算出预测的正确率和不正确率，和1，2两种方法的误差值，来选民众所期望的方法。
本文利用数学软件Matlab 很好地实现了编程模拟计算，并结合实际测得的数据得出了雨量预报方法的同级率，很好地指导了人们的生活与工作。
关键词：预报、实测、经纬度、准确率、雨量、最小二乘法一、问题重述雨量预报对农业生产和城市工作和生活有重要作用，但准确、及时地对雨量作出预报是一个十分困难的问题，广受世界各国关注。
我国某地气象台和气象研究所正在研究6小时雨量预报方法，即每天晚上20点预报从21点开始的4个时段（21点至次日3点，次日3点至9点，9点至15点，15点至21点）在某些位置的雨量，这些位置位于东经120度、北纬32度附近的53×47的等距网格点上。
天气诊断分析答疑库(含答案)
答疑库1. 何为地图投影？从数学上讲地图投影的本质是什么？所谓地图投影就是用投影的方法，把地球表面投影到预先规定的投影面上，然后把投影面沿某一指定的方向切开展成平面。
从数学上讲地图投影的本质就是将球面集合映射到平面集合上。
2. 什么叫正形投影? 正形投影有哪些基本关系?两条交线间角度保持不变（或沿各方向放大倍数相等）的投影叫正形投影。
正形投影的基本关系有：θϕϕππsin cos cos 22a kla kl a kl L L m s ====(1) 000s i n c o s θϕkak a l ==(2) kktg tg k atg tg l l ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=)2()2(sin )2()2(0000θθθθθ (4) λ=k λs (5) 3. 写出极射赤平、兰勃脱、麦开脱三种投影的放大系数表达式。
极射赤平投影 ϕsin 11232=+∙+m 兰勃脱投影 ktg tg m ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=)2()2(sin sin 00θθθθ 麦开脱投影 ϕϕθθcos cos sin sin 00==m 4. 为什么要进行气象资料处理?气象测站分布不规则，但是数值预报中的网格点是规则的，因而资料无法直接使用。
同时，从观测、编码、发报，到传递、转换、接收等环节上，气象资料都存在着出错的可能性。
因此，要正确使用这些气象资料，必须经过必要的处理。
5. 如何进行错误记录的简单判断?①利用要素值的上限值和下限值进行判断；②利用要素值的空间连续性进行判断（与周围记录比）； ③利用要素值的时间连续性进行判断（与前后记录比）。
6. 什么是客观分析? 客观分析的方法有哪些?为了得到网格上的资料，可根据直接联系格点值与台站值的方程，从数值上进行内插。
这种方法叫客观分析。
常用的客观分析的方法有：有限元、多项式、样条等，数值天气预报中还常使用逐步订正法、最优插值法、谱方法、变分法等。
7. 写出实测风分解及风场订证公式实测风分解公式u v -=-⎧⎨⎪⎩⎪i n (/)o s (/)παππαπ180180风场订证公式 ⎩⎨⎧-=+=ααααs i n c o s 's i n c o s 'u v v v u u8. 写出三点、五点、九点平滑算子。
气象要素插值原理与方法
协同克里金插值法(CoKriging)克里金法（Kriging ）是地统计学的主要内容之一，从统计意义上说，是从变量相关性和变异性出发，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法；从插值角度讲是对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计一种方法。
克里金法的适用条件是区域化变量存在空间相关性。
克里金法，基本包括普通克里金方法（对点估计的点克里金法和对块估计的块段克里金法）、泛克里金法、协同克里金法、对数正态克里金法、指示克里金法、折取克里金法等等，对于插值具有其他相关因子，如果进行插值的站点的多个属性，如版研究中的高程、温度和降雨量，他们之间并具有较好的相关性，通过多种差值的方差分析比较，使用协同克里金（CoKriging ）插值法效果最好。
一般来说，气象要素和高程之间是具有相关性的，气象要素会随着高程的变化而发生显著的变化，一般情况下，温度随着高程的增高而降低，而降水则随着高程的增高而增加，至某一高度达到最大值后才转而逐渐向上递减。
山区降雨量随高程分布的规律是很复杂的，一般在不同的地区有较大的差异。
所以在对温度等进行空间插值的时候，不能不考虑高程因素。
其表达方式是：[]∑=+-+=n i ui i Z Y X Y Z X Z 1)()(λλ (1)式中)(X Z 为X 点处插得的温度分布，ui Z 为第i 站的实测温度值，)(X Y 为X 点的高程，n 为实测温度站个数，Y 、Z 为高程和温度的全局平均值，i λ、λ为协克里金插值权重系数，它们可以通过求解下列)2(+n 个线性方程组获得。
⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+==++--=+-+-∑∑∑===ni i ni i i j j ni j i i n j rzy u ryy X X ryz X X rzz X X X rzy X X rzz 1111),2,1()0()()0()()()()()(λλμλλμλλ (2)式中)(X μ、)(u μ为考虑权重系数约束条件的拉格朗日算子，)(i X X rzy -为位置X 与i X 处第1与第2类信息的交叉变异函数值，其计算公式为：[][]∑=+-+-=)(1)()()()()(21)(h n i h x y x y h x z x z h n h rzy (6)式中)(h n 为相距h 的采样点的配对数。
天气学原理和方法
天气学原理和方法天气学是研究大气现象及其规律的科学，它涉及到气象学、气候学、大气物理学等多个学科的知识，是一门综合性很强的学科。
天气学的研究对象是大气，它主要研究大气中的各种现象和规律，包括气压、温度、湿度、风、云、雨、雪等。
天气学的研究方法主要包括观测、实验、数学模型和统计分析等。
首先，观测是天气学的基本方法之一。
通过对大气中各种气象要素的观测，可以获取大气的基本信息，如气温、湿度、气压、风向风速等。
这些观测数据是天气预报的基础，也是天气学研究的重要数据来源。
观测可以通过地面观测站、卫星、雷达等多种手段进行，不同的观测手段可以获取不同的气象信息，相互补充，提高观测数据的准确性和全面性。
其次，实验是天气学研究的重要手段之一。
通过实验可以模拟大气中的各种气象现象，如风暴、降雨、云的形成等，从而深入研究大气中的物理、化学和动力过程。
实验可以在实验室中进行，也可以在自然环境中进行，通过对实验数据的分析和研究，可以揭示大气中的一些规律和机理。
另外，数学模型是天气学研究的重要工具之一。
大气是一个复杂的系统，包括了各种物理、化学和动力过程，这些过程相互作用，构成了复杂的大气现象。
通过建立数学模型，可以对大气中的各种过程进行模拟和预测，从而提高天气预报的准确性和可靠性。
数学模型可以采用不同的数学方法和计算手段进行建模和模拟，如常微分方程、偏微分方程、数值计算等。
最后，统计分析是天气学研究的重要手段之一。
通过对大气观测数据的统计分析，可以揭示大气中的一些规律和特征，如气象要素的变化规律、气象事件的频率分布等。
统计分析可以采用不同的统计方法和技术，如相关分析、回归分析、时间序列分析等，从而揭示大气中的一些规律和规律。
总之，天气学是一门综合性很强的学科，它涉及到多个学科的知识，研究大气中的各种现象和规律。
天气学的研究方法主要包括观测、实验、数学模型和统计分析等，这些方法相互补充，共同推动了天气学的发展和进步。
随着科学技术的不断发展，天气学的研究方法也在不断创新和完善，为我们更好地认识和理解大气提供了重要的手段和方法。
天气学分析诊断：2.1 水平插值方法
❖ 缺点：
对错误记录太灵敏；
记录稀少地区；
记录分布疏密差异很大的地区；
❖ 预报员分析天气图时：
人工插值的方法确定等值线的分布
考虑一些物理原则，如地转风原则和热成风原则等；
考虑空间上和时间上的连续性。
❖ 上述原则应用到客观分析，质量大有改进： 如：
改进的多项式法 逐步订正法
❖ 最优插值法：
以数理统计为基础； 不同种类； 不同精度的资料进行处理； 在利用非常规资料和四维同化工作中很有用。
问题： A ，B， C 三个临近测站； O 三角形内的一个网格点； 已知A，B，C三个测站的要素值， 求O点的要素值。
❖ 根据有限元法：各测站的要素值可按照 其位置坐标展开如下的线性关系：
sA L1 xA L2 yA L3 sB L1 xB L2 yB L3
§2 客观分析
§2.1 水平插值方法
❖ 日常气象场量 （离散点）
固定点；
固定时间；
❖ 空间分布不均匀的台站资料需要内插到规则 点上
❖ 1、主观内插： 手工分析法
❖ 2、客观分析法： 根据联系格点值与测 站值的方程，用计算机做数值内插。 内插所用的方程或函数可以不同，比如： 有限元法； 逐步订正法；
❖ 所谓客观分析，狭义地说，是指客观地把分 布不规则的测站记录，分析成分布均匀，适 于数值天气预报使用的记录的方法。
❖ 广义地说，它还包括根据不完全的历史资料， 推断大气现时状态以及初值处理等。
离散点资料
插值 (interpolation )
客观分析 （objective analysis）
❖ 从数学的角度出发，客观分析：插值问题。（最早 的客观分析)
❖ 垂直方向上的静力约束不能保证分析场在垂 直方向的相容性;
天气预报基础之一-天气分析的内容和方法
1.1 天气图分析1.1.1 地面天气图地面天气图反映了某区域某时刻的地面天气系统和天气状况。
一张地面图上用数值或符号填写各个气象观测站在同一时刻的气象要素观测记录。
它填有观测时刻地面各种气象要素和天气现象，如气温、露点温度、风向、风速、海平面气压、能见度和雨、雪、雾等；还填有能反映空中大气现象的一些记录，如总云量、低云量、低云高以及高云、中云和低云的云状等；既有当时的记录，又有一些能反映短期内天气演变实况的记录，如3h变压、过去6h内的天气，过去6h降水量等。
地面天气图是填写气象观测项目最多的一种天气图，是天气分析和预报中很重要的工具。
图1.1 MICAPS中地面填图格式地面图主要分析海平面气压场（即海平面气压等值线），分为低压、高压、低压槽、高压脊、鞍形气压场五种基本形式，任一张海平面气压图都是由这五种基本形式构成的。
图1.2a MICAPS中显示的2009年8月17日08:00 500hPa天气图1.1.1.1 锋面锋面是冷暖气团的过渡带，是水平温度梯度大的区域，斜压性强，有利于垂直环流的发展和能量转换，锋面附近常有剧烈的天气发生。
锋面是天气预报中重点关注的天气系统之一。
因此，锋面的识别和分析是地面天气图分析中的重点。
根据锋面在移动过程中冷、暖气团所占的主、次地位，可将锋面分为：冷锋、暖锋、准静止锋和锢囚锋。
⑴冷锋: 锋面移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动，这种锋面称为冷锋。
冷锋过境后，冷气团占据了原来暖气团所在的位置，导致气温下降。
需要注意的是，气团在移动过程中，由于变性程度不同，或有小股冷空气补充南下，在主锋后常有副冷锋形成，一般主锋两侧的温度差值较大，副冷锋两侧温差较小。
图1.2a中有两条冷锋，一条是从低压中心向南向西伸的气旋中的冷锋，称为主锋；另一条是其后部补充南下冷空气而形成的副冷锋。
图1.2a MICAPS中显示的2009年8月17日08:00 500hPa天气图冷锋注释内容暖锋注释内容准静止锋注释内容图1.3 锋附近3h变压和雨区示意图锢囚锋注释内容锋面动画演示业务上常用的判断锋面位置的方法主要有：⑴温度分析：锋面两侧有明显的温差，冷锋后有负变温，而暖锋后有正变温。
天气学分析诊断 2.2.3 其他的客观分析方法
着逐步订正法。
• 实际上,对于非常规资料并不很多的国家,使用逐步
订正法比使用最优插值法和谱方法都更有效。
最优插值法介绍
• 最优插值法最早是由控制论的创始人Wiener 在1949 年提出的 ,为了解决平稳时间序列的 内插问题。
• 1961 年Gandin 第一次将其用于客观分析； • 1962 年他在最优插值中引进了观测误差； • 1963 年总结了最优插值方面的研究成果,撰
• 水文资料：
水文资料1： .uy/index.html 水文资料2： Global runoff data center(GRDC) http://www.bafg.de/grdc.htm 水文资料3：US Geologic Survey(USGS) /
• 4、可证明，经过多次订正后，分析场趋于真 实场。（证明略）
订正次数的最优选取
• 次数太多，虽然误差小，但机时耗费多；消 弱气象场强度；
• 订正次数太少, 分析场的误差又太大。 • 如何最优的选取订正次数, 是客观分析业务
系统必须解决的问题。
• 最简便有效的方法是,春夏秋冬4 季中各选若 干天(比如说30 天) ,对于每天的分析都要计
海洋再分析资料： /SOURCES/.UMD/.Carton/.goa/.beta7/ 中国常规气象观测资料：600个站 50年左右.
风场/OLR/指数资料 SODA（Simple Ocean Data Assimilation）的资料： /SOURCES/.UMD/.Carton/.goa/ 全球或太平洋的风场资料 /SOURCES/ 74-99年的OLR资料: /cgi-bin/forum/topic.cgi?forum=13&topic=55 长序列南方涛动资料： /pacs/additional_analyses/soi.html 国内卫星反演的风数据: 包括红外云导风和水汽云导风
天气分析2
（二）一些基本资料的代表性问题
（5）高空温度、气压（高度）及湿度（辐射订正引起的误差） 因为探空仪观测时存在辐射订正等方面所引起的误差， 所以无线电探空观测的温度、高度的均方根误差很大，使得 在纬度20度以内的热带地区分析出来的等温线和等高线没有 多大实用价值。 同时因地转风与热成风之间的关系在低纬不好用，所以 等高线更难分析。无线电探空的湿度资料的准确度也较差。 一般来说，在受到扰动影响的气象条件下，相对湿度的均方 根误差在0℃以上时为10％，在0℃下时为10％～20％。在 15º N标准热带大气的温湿条件下，对流层下层10％的相对湿 度误差相当于2℃至3℃的露点误差。当温度在0℃以下时，绝 对值为10％～20％的相对湿度误差相当于3℃至6℃的露点误 差。
1、地面气压没有代表性 热带地区的地面气压报告可能没有代表性。其原因很 多，主要包括局地作用(地形、热对流等)的影响，仪器误差 以及海平面气压高度订正所产生的误差等等。有些情况下， 对于气压梯度较大的中高纬地区来说不算严重的误差，但 对气压梯度很小的低纬地区来说，却成了突出的问题。由 于上述原因，海平面气压分析的作用对热带天气分析，特 别是纬度20度以内的地区的天气分析来说显得非常有限。 同时，由于在热带地区，气压的半日变化比天气系统 的影响所产生的气压变化要大，因而3小时气压倾向也不像 在中纬地区那样对天气系统的移动和发展有指示意义，相 反，用处很少，甚至无用。不过24小时气压倾向对天气系 统有较大的指示性，在某些热带地区仍然可以应用。
目前业务应用中主要数值产品有：
T213 预报时效：7天 水平格距：1°×1° 要素：各标准等压面层的高度、温度、湿度 和风，以及一些诊断量如垂直速度、涡度、 散度、温度平流、涡度平流、水汽通量、水 汽通量散度、假相当位温和K指数等；另外还 有地面气压、温度和降水 。 输出方式：格点值；MICAPS平台图形显示。
天气学分析诊断 1、 绪论 1
❖
❖在精密地分析所求得的各物理量的 空间分布特征后，分析它们和天气 系统发生。
❖发展的关系，以及和诊断对象的联 系等等，得出灾害性天气发生和发 展的三度空间物理图象。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
❖王式功，天气学与诊断分析，兰州 大学
❖周军，天气学诊断分析，南京信息 工程大学，1986
❖朱乾根，天气学原理和方法，气象 出版社，2007；
散度
流体为不可压缩时，即密度不变有：
V O u v w o x y z
上式将水平风场与垂直运动联系了起来， 在大气中进行垂直运动的观测是困难的， 可以上式，用水平风速分布采推断垂直运动。
涡度的形成
产生了顺时 针旋转
T=T0
T=T1
z
v x
u y
❖在天气分析和预报中有一些物理量 是十分重要的，如涡度、散度、垂 直速度、水汽通量和水汽通量散度， 以及各种能量场等等。
❖反映各气象要素场之间关系的，不 含有对时间微商项的方程称为诊断 方程。
❖研究这些物理量的计算方法、分析 其空间分布特征以及它们和天气系 统发生、发展的关系等等称为诊断 场的分析，简称为诊断分析。
❖诊断分析的方法，原则上适用于大 气科学的所有领域(如对各种灾害性 天气的分析)。
❖被诊断的对象不同，计算和诊断的 重点也不尽相同。
❖诊断方程的形式应便于计算，使计算 在允许的精度范围内愈简单愈好。
❖在具体计算时，如果诊断方程是微分 式，则需用差分近似地代替微分，将 其转化成计算数学表达式。然后编程 计算得出物理量的三度空间数值分布。
现代天气学原理
现代天气学原理第二章天气学基础知识和基本研究方法一、基本天气图的分析方法1、天气图底图常用的正形投影法有极射赤面投影法（适用于中高纬度【南北纬度60°-90°）地区】、兰勃脱圆锥投影法【适用范围南北纬30°-90°】和麦卡托圆柱投影法【适用于南北纬度0°-30°】2、等值线分析的基本规则：（1）同一条等值线上要素值处处相等。
（2）等值线一侧的要素值总是高于或低于另一侧。
（3）等值线不能相交、分支和在图中中断。
（4）高值区和低值区相邻的等值线，两者的数值总差一个间隔，而两个高值区或两个低值区之间相邻的等值线，其数值相等。
3、以1000hPa为基线，每隔2.5hpa画一条等压线，如：……1000.0，1002.5，1005.0，……以0ºC为基准，每隔4ºC画一条等温线，如-4º，0º，4º，8ºC，等。
4、地面天气图分析高空天气图分析【见附件】第三章大气环流一、实际大气环流的平均特征1、冬季：北半球的主要活动中心是两个低压，一个是阿留申低压，另一个是冰岛低压。
高压中心有西伯利亚高压、北美高压。
夏季：冬季大陆上的两个冷高压到了夏季变成了两个热低压，即亚洲低压和北美低压。
热带辐合带：是南北半球两个副高之间气压最低、气流汇合的地带。
这种大规模的风随季节而转换称为季风。
中国东南沿海在冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风。
2、槽脊系统（冬三夏四）冬季：有三个明显的槽。
东亚大槽：在140°E的亚洲东岸。
北美大槽：位于80°W的北美大陆东岸。
欧洲浅槽：在10°E～60°E之间，乌拉尔山以西，由欧洲北海向西南方向伸展的较弱的浅槽，是三个槽中最弱的一个。
在三个槽之间有三个平均脊，分别位于阿拉斯加、西欧沿岸和贝加尔湖地区，脊的强度要比槽弱得多。
夏季：中高纬度的西风带上由三槽三脊转变为四槽四脊。
天气分析
利用大气探测资料或者经过加工的资料(见气象资料处理),计算各种大气物理量,并通过大气动力方程和物理 方程对大气环流和天气系统进行定量的物理分析，是从20世纪70年代初发展起来的分析技术。这种分析方法比天 气图的定性分析方法更好。通过诊断分析可以进一步了解天气系统发生和发展的物理机制，为天气预报提供了客 观的物理依据。常用的物理量有能量、铅直速度、涡度、散度、水汽输送等。例如能量诊断分析，就是从能量方 程出发,计算引起能量变化的各种因子，分析它们的维持、平衡和转换等问题。一般说来，动能的增加意味着天气 系统的发展，动能的减少常使天气系统趋于衰亡。对成熟的气旋系统的计算结果表明，动能主要在对流层上部和 下部产生。由于下部气流明显地由高压穿越等压线流向低压，这表明气压场对空气块作功而产生动能。当这个动 能大于能量向系统外的输出和摩擦消耗时，气旋就得以维持和加强。由于应用了高速电子计算机，使诊断分析从 历史资料的分析研究发展为日常天气分析业务的一种重要技术。
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分析内容
天气分析的内容随电子计算机和大气探测技术的发展而不断丰富。18、19世纪的天气分析，只局限于单站资 料分析和地面天气图分析。20世纪30年代发明了无线电探空仪之后，天气分析才从二维的平面分析扩大到三维的 空间结构的分析。到了20世纪40年代末，天气雷达的使用，又为降水系统和强风暴系统的水平结构和铅直结构的 分析提供了方便。60年代初，气象卫星的发射成功，卫星资料的分析就成为天气分析中的一个重要部分。同时高 速电子计算机的出现，又为计算和分析各种物理量场，并将其结果用于气象业务提供了可能性。气象卫星资料的 有效利用和高速电子计算机的应用，以及四维同化等问题（见数值天气预报资料的处理和分析），是天气分析中 正在发展的内容。
使用天气雷达、气象多普勒雷达、激光雷达（见激光大气遥感）、声雷达（见声波大气遥感）等的探测资料， 分析几百公里范围内的大气物理状态和大气运动情况。
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§2.1 水平插值方法
王咏青 南京信息工程大学 2014年2月
❖ 日常气象场量 （离散点）
固定点；
固定时间；
❖ 空间分布不均匀的台站资料需要内插到规则 点上
❖ 1、主观内插： 手工分析法
❖ 2、客观分析法： 根据联系格点值与测 站值的方程，用计算机做数值内插。 内插所用的方程或函数可以不同，比如： 有限元法； 逐步订正法；
以数理统计为基础； 不同种类； 不同精度的资料进行处理； 在利用非常规资料和四维同化工作中很有用。
问题： A ，B， C 三个临近测站； O 三角形内的一个网格点； 已知A，B，C三个测站的要素值， 求O点的要素值。
❖ 根据有限元法：各测站的要素值可按照 其位置坐标展开如下的线性关系：
sA L1 xA L2 yA L3 sB L1 xB L2 yB L3
So L1x0 L2 yo L3
❖ O点的要素值是A, B，C三站要素值的某种线 性插值；
❖ 被插值的点必须位于所选三角形之中； ❖ 三角形的面积尽可能要小； ❖ 网格点尽可能位于所选三角形的中部。
❖ 上述插值法的缺点是不能保证分析场在空间 上的连续性。
❖ 在空间上,水平方向的局地拟合容易造成格点 中间地带的不连续性,
❖ 垂直方向上的静力约束不能保证分析场在垂 直方向的相容性;
❖ 在时间上,分析某一时刻的资料时,不考虑该 资料的前期演变。
❖ Gilchrist 和Cressman （1954）建议在资料 稀少地区使用模式预报作为资料或者预备场；
❖ 他们认为:在资料稀少地区,用预报的结果作 为资料或预备场⋯能够将其看作:当一个分析 员分析资料稀少地区的天气图时,他总要参考 先前时刻的天气图。
❖ 所谓客观分析，狭义地说，是指客观地把分 布不规则的测站记录，分析成分布均匀，适 于数值天气预报使用的记录的方法。
❖ 广义地说，它还包括根据不完全的历史资料， 推断大气现时状态以及初值处理等。
离散点资料
插值 (interpolation )
客观分析 （objective analysis）
❖ 从数学的角度出发，客观分析：插值问题。（最早 的客观分析)
❖ 缺点：
对错误记录太灵敏；
记录稀少地区；
记录分布疏密差异很大的地区；
Hale Waihona Puke ❖ 预报员分析天气图时：人工插值的方法确定等值线的分布
考虑一些物理原则，如地转风原则和热成风原则等；
考虑空间上和时间上的连续性。
❖ 上述原则应用到客观分析，质量大有改进： 如：
改进的多项式法 逐步订正法
❖ 最优插值法：
（2.1）
sC L1 xC L2 yC L3
xA, yA xB, yB xC , yC
分别为A,B,C三各测站相对于某 坐标原点的位置坐标值。
SA，SB，SC 为三个测站的要素 值。
❖ 问题转换成如何求？系数L1，L2，L3
❖ 令：
xA GG xB
xC
yA 1 yB 1 yC 1
SA GA SB
SC
yA 1 yB 1 yC 1
xA SA 1 GB xB SB 1
xC SC 1
则：
xA yA SA GC xB yB SB
xC yC SC
L1 GA/ GG; L2 GB / GG; L3 GC / GG
❖ 对于三角形ABC内任意一点O， 已知它 在同一坐标系的位置（ x0 , y0 ），则O点 的要素值为：