(完整版)准地转理论及其在天气预报中的应用(II个例分析)郭洁、李国平
(完整版)第二讲准地转运动理论及其推广和应用
准地转理论告诉我们，地球上中纬大气的运 动受到基本平衡条件的约束：即水平方向为 地转平衡，垂直方向为静力平衡。这两种不 同的平衡又组合成热成风平衡，结果构成了 约束中纬大气的基本平衡条件。这是了解中 纬大气运动规律的关键。
平衡
平衡
所以，准地转运动下的运动方程不是地转风公 式，它具有加速度项。
准地转运动的主要特征是水平速度近于为地转近似， 这意味着对于大尺度大气运动经常是处于准地转平 衡状态，其发展和演变是缓慢的。如果由于其他力 的作用使这种准地转运动平衡状态受到破坏，则准 地转近似要求这种受破坏的准地转平衡状态必需通 过某种机制（即适应过程）迅速的得到恢复，因而 准地转近似表明，平衡是长期的，破坏或不平衡是 暂时的。
说明绝对涡度产生的“伸长”机制。左边圆柱由于上下面垂直速度不同使 气柱拉长（见垂直箭头）。由于水平速度辐合（见水平箭头）圆柱的水平 尺度缩小，其垂直绝对涡度由弯曲箭头表示。速度场被变形成右边的形状。 同时垂直绝对涡度增加（Andrews，2010）
对上述方程，必须再次强调了解其物理意义
准地转涡度方程说明： 地转绝对涡度的个别变化由散度对参考纬度的地球 涡度的作用造成。在欧拉系统中，地转相对涡度由 地转风对地转涡度的平流，地转风对地球涡度的平 流和作用于某参考纬度上地球涡度的散度作用引起。
2.准地转运动及其方程组
完全的大气运动方程组是十分复杂的，它包含各种 尺度的运动。为了理论求解和实际应用的目的，根 据研究对象可以对这一套完全的方程组进行简化， 最常用的简化方法是尺度分析。准地转运动理论是 根据尺度分析得到的，适用于温带天气尺度的一种 运动形式，它比描述热带扰动或行星尺度运动的理 论要简单的多。
y
图2.1 位势倾向方程中地转涡度平流（相对涡度与牵连 涡度）对槽脊的影响，对500hPa而言
第二讲 准地转运动理论及其推广和应用
, ug y
x
vg y y h Vg x
,
Vg y
, h
R
p
p p0
k
Q向量的优点主要有：
（1）只需一层的资料计算Q向量（只有水平微分），
而不像 方程中计算平流差需两个层次的资
料；（2）Q向量可用图解法表示，即分析温 度和高度场可清楚地画出Q向量，再由其散推 出垂直运动和非地转风。
y
图2.1 位势倾向方程中地转涡度平流（相对涡度与牵连 涡度）对槽脊的影响，对500hPa而言
在两熵面间绝热无摩擦地从A’B’移动的气柱AB准地转位涡物 理特性说明的示意图。气柱伸长，稳定度减小（大于干绝热， 见图中细线）
（麦文健，2010）
诊断应用
QL
图2.2（a）：1986 年9月1日0000GMT 500hPa位势高度场（实线，+ 位势（dam） 和绝对涡度场（虚线，间隔：2×10-5s-1）；十字圆圈：强对流层低层冷平流和 正涡度平流区：双圈：地面气旋中心位置。实线：500hPa 绝对涡度最大值线。 十字叉号：厚度场中的温度槽线（Carlson，1998）
图2.2（b）海平面气压场（实线为1000hPa以上的hPa值），锋区和
1000-500hPa的厚度场（虚线，dam）。时间同图2.2（a）。圆圈十字
号：强冷平流和强正绝对涡度平流都存在的地区。在下角的黑正方形
是单位平流力管。
（Carlson，1998）
图2.2（c）1986年9月11日0000GMT 海平面变压线（实线） （2hPa/3h）间隔），地面锋，地面天气（Carlson，1998）
准地转运动的主要特征是水平速度近于为地转近似， 这意味着对于大尺度大气运动经常是处于准地转平 衡状态，其发展和演变是缓慢的。如果由于其他力 的作用使这种准地转运动平衡状态受到破坏，则准 地转近似要求这种受破坏的准地转平衡状态必需通 过某种机制（即适应过程）迅速的得到恢复，因而 准地转近似表明，平衡是长期的，破坏或不平衡是 暂时的。
《动力气象名词130》更新版
影响程度。
51、雷诺（Reynolds）数：水平惯性力与水平分子粘性力之比，即 Re
=
UL υ
，可用来判别
大气运动形式（层流或湍流）。
52、Ekman 数：水平方向上由于动量垂直输送引起的湍流摩擦力与水平科氏力之比，即
E = L ，表示湍流摩擦力对大气运动的影响程度。 k f0H 2 53*、Richardson 数：空气运动因克服重力场作功消耗的脉动动能与雷诺应力转变来的脉动
T
= T0
−γ z
(γ
= − ∂T ∂z
= const.)。
若γ
→
0,多元大气
→ 等温大气；若γ
→
g R
,多元大气
→ 均质大气；若γ
→ γ d ,多元大气 →
等位温大气（绝热大气）。
7*、温室效应：大气中有许多成分（如水汽、CO2，称为温室气体）可以很好地透过太阳短 波辐射，又能够有效地吸收地表发射的长波辐射。大气吸收长波辐射后使自身温度升高， 并向各方向重新发射长波辐射，而大气向下发射的长波（逆）辐射将补充地表损失的长波 辐射而使地表升温。 8、大气窗：大气对地面的长波辐射的吸收具有选择性，在 8.5～12 微米的波长范围内吸收 很弱，而地面辐射在这段波长范围内的放射能力较强，可透过大气进入宇宙空间。 9*、位温：也称位势温度。气压为 p，温度为 T 的干气块，干绝热膨胀或压缩到 1000 百帕
3
版权所有：成都信息工程学院 大气科学系 李国平（教授） 2008 年 9 月
f0
= 2Ω sin ϕ0
= const, β
=
2Ωconsϕ 0 a
= const 。
具体做法：
f
不被微分时，令
(完整版)天气预报蕴含的哲学问题-陶祖钰
螺旋度的意义
刘健文等，天气分析预报物理量计算基础 气象出版社，2005年6月
• 螺旋度（H）（刘p.123)： 定义：（单位体积）三维涡度矢量和三维风矢量的 点乘， H=u+v+w，可分别称为i-, j-, k-螺旋度，因此是 一个假标量 物理意义：表示旋转和气流在旋转轴方向的强度。 （似乎可看成是风的3个分量对涡度的3个分量的通 量，可以说表示“旋转前进”的强度。旋转越强烈、 前进越快，则螺旋度越大。） 注：伪矢量，如三维涡度矢量（柯青，1954，向量 计算及张量计算初步，商务版，54~56）
学中唯一完整的理论体系，源自数值天气 预报：正压一层模式 → →斜压多层模式→ →ω 方程
动机正确才能写出好论文
• 观测观察是基础，唯 物论的出发点
• 模型是零散的观测 事实的归纳
• 理论是本质的揭示
• 实践是目的
• 3个方面相互联系， 不可或缺
预 报
预 报
物理机理认知
观
理
测
论
诊断 概念模型
Doppler雷达
气象要素：密度ρ (x , y, z, t)，
P0：垂直气柱总量ρ的积分；
T：等压面上的ρ
• 大气的运动：V(u,v,w）
“一切发现都不是逻辑思维的结 果， 尽管这些发现看起来很接近逻 辑规律。”
——爱因斯坦理论物理学家
• 理论源于对客观世界的观察和实践
如长波理论源于探空网，不是来自论文
• 数学公式不等于理论，不要妄自菲薄 • 实践第一，钻研预报 • 理论可以超前（有预见性少数）
三、必然性和偶然性可以在一定 条件下互相转化。
结论：重大气象灾害是有可能预报的！
航空界的海恩法则
德国人，飞机涡轮发动机的发明者
土地用途转换效应评价模型与方法探讨
计划 ( IGBP)的实施及计算机、遥感技术的应用 ,围绕农业生
产力的模型研究工作呈现出快速发展之势 。目前关于估算
植被净第一性生产力的模型大致可归纳为统计模型 、参数模
型和过程模型 3类 [7] 。
1. 1. 1 统计模型。主要包括 M iam i模型和 Montreal模型。
以下以 Montreal模型为例进行介绍。Montreal模型公式为 :
遥感反演模型应用广泛 ,其中尤其以植被净第一性生产 力遥感反演模型应用较为广泛 [6] 。从反演模型与机理研究
基金项目 国家自然科学基金 ( 70873118、40801231 ) ; 中国科学院知识 创新工程重要方向项目 ( KZCX22YW 230522、KSCX22YW 2N 2 039、KZCX22YW 232621) ;国家科技支撑项目 ( 2006BAC08B02 3、2006BAC08B06、2008BAK50B06) 。
国内高崇升等利用海伦市西郊中科院农业生态实验站的长期定位实验数据选用绝对平均误差和直线回归方程的斜率评价了century模型模拟值与实测值的一4结论与讨论植被第一生产力模型能够在较大尺度上探测生态环境的变化但是其反演土地用途转换的效果受到空间分辨率的影响适用于大尺度宏观水平的探测与分析
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2010, 38 ( 5) : 2473 - 2475, 2490
效应提供了决策参考依据 。
2. 1 原理与方法 ESAP主要考虑土壤、地形、气候及作物 一致性等特征 ,在农业生态分区上叠加土地权属、土地利用 情况、土地适宜性、承载人口与牲畜的营养学特征 ,以及地上 生产设施、作物的成本、价格等信息 ,构建一个完备的数据 库 ,估算每个 1 km ×1 km栅格上的农业生产力。 ESAP的核 心模块包括土地资源存量估算 、土地利用类型与土地利用强
T-lnP图的解析及各指数的产生原理和应用
度数（小字表示绝对温度）。
T-lnP图的构造和点绘
干绝热线即等位温线：黄色斜实线，表示未饱和空气在绝 热升运动中状态的变化。每隔10度标出位温（θ）的数值（气 压低于200hPa，位温值标注在括号中）。 湿绝热线即等θse线：图上的绿色虚线，表示饱和空气由绝
热升降运动中状态的变化。在这种曲线上，每隔10度标有假
对流性不稳定
• 气块理论——气层本身是静止的。实际大 气常被整层抬升（如气流过山，空气沿着 锋面抬升） • 不论气层原先的层结稳定性如何，在其被 抬升达到饱和后，如果是稳定的，称为对 流性稳定，如果不稳定，称为对流性不稳 定，如果中性，称为对流性中性。 • 上干下湿的条件性稳定气层，甚至是绝对 稳定的气层（如有逆温），经过整层抬升 ，可能变为不稳定。
p RT
g dp dz R R ln p Te p
正负面积和不稳定能量
g dp dz R R ln p Te p
T Te dw a dz g dz
Te
dw R(T Te ) ln p
dA=（T-Te）dlnp
因此，状态曲线与层结曲线所包围的面积，实质上表示了气 块做垂直位移时层结内力对它所做的功，也就是表示了层结 所具有的潜在不稳定能量的大小。
T-lnP图的解析及各指数的产 生原理和应用
罗忠红 2013.9.26
为什么要学习T-lnP图分析？
T-lnP图是分析大气层结稳定度的基本工具 与多种天气的预报有关 强对流天气：冰雹，雷暴大风，短时强降 水，龙卷、 最高温度、雾 其它用途 分析锋面、气团、对流层顶、垂直运动、 行星边界层过程
层结----指大气中温度、湿度等要素的垂 直分布。 气象稳定度：
兰州大学《天气学与诊断分析》15秋在线作业2满分答案
兰州大学《天气学与诊断分析》15秋在线作业2满分答案一、单选题（共 4 道试题，共 8 分。
）1.如果在作平滑的过程中，滤去高频波（短波），保留低频波（长波），这种平滑就称为一个()A. 低通滤波器B. 中通滤波器C. 高通滤波器D. 带通滤波器正确答案：A2.如果在作平滑的过程中，只允许其中某一段频率的波通过，这种平滑就称为一个()滤波器，A. 低通滤波器B. 中通滤波器C. 高通滤波器D. 带通滤波器正确答案：D3. 正形投影中，放大倍数M值随纬度而变化，在标准纬度，M＝()A. 2B. 1C. 1.5D. 2.5正确答案：B4. 日常所用的地图投影多是()A. 极射赤平B. 兰勃托C. 割面投影D. 麦开脱正确答案：C《天气学与诊断分析》15秋在线作业2二、多选题（共 4 道试题，共 8 分。
）1. 分析研究大气运动规律的方法，大体上可分为三大类：A. 理论分析法B. 统计分析法C. 实验分析法D. 动力学方法正确答案：ABC2. 垂直速度的计算方法()A. 从降水量反算大气的垂直速度B. 运动学方法C. 动力学方法D. 个别变化法正确答案：ABCD3. 要正确使用这些气象资料，必须经过必要的处理,比较简单的资料处理可分为A. 记录错情判断B. 补缺测或漏传记录C. 实测风矢量的分解D. 平滑和滤波正确答案：ABCD4. 在平滑处理时常用的平滑方法有：A. 三点B. 五点C. 九点平滑D. 四点正确答案：ABC《天气学与诊断分析》15秋在线作业2三、判断题（共 42 道试题，共 84 分。
）1.准地转理论为理解温带天气系统提供了重要的理论框架，其中用得最多的表达式是从位势高度场和温度场诊断垂直运动的w方程A. 错误B. 正确正确答案：B2. 由此出现的雷暴大风，其潜在的最大风速可以用所谓的雷暴大风指数来估算。
A. 错误B. 正确正确答案：B3. 综合集成是提高数值预报产品应用效能的一种较为有效的方法。
中纬度大尺度运动的准地转理论概要
U U L U W W U S . ～ L L a a ，即 H ～ a H
W U ~ ( Ro S ) H L
(11 .3)
——（11.13）
5
表明：涡度方程（11.1）中，主要由散度项与 项平衡，而涡度的水平方向 个别变化不重要，因而运动是准定常的；而且W与U成正比，而与L无关。 ●而
(11.17)
表明：（11.17）与（11.11）相比，两者具有不同。 教材对这两类准地转运动各自的条件及特征作了很好的归纳。请同学看书 6 写出总结。
§11.2 准地转运动方程组· 摄动法
在自然科学的许多领域内，因为控制方程的非线性、变系数、边界条件 的复杂性等等，很多问题难以求得解析解，为了寻求方程解的一些信息，只 得求助一些大家熟知的近似解法（小扰动方法、级数解法）和数值解法，或 者而发的结合使用。 近似方法中有一种重要的摄动方法，在频散波能量传播和Rossby波共 振相互作用等方面已有广泛应用，取得了不少成果。
(11.15)
Ri
准地转理论及其在天气预报中的应用(I 基本理论)李国平
g
1 p p ，或者 g z z
(静力方程)
由于大气水平方向上相对比较均匀，在一定范围内可以认为p p( z )，则上式可以写为 dp g dz 把状态方程
p 代入上式，可得 Rd Tv
p dp g dp gdz，或者 dz Rd Tv p Rd Tv 积分可得 ln p 1 p0 Rd 1 g dz，或者p p0 exp 0 Tv Rd
温度分布和气压一致，垂直轴线直立 深厚的和浅薄的气压系统
正压与斜压
热力不对称的气压系统
垂直轴线倾斜（通常是向西北方向倾斜） 等压面廓线图（垂直剖面） ——等压面与垂直面的交线
正压大气与斜压大气
结论： 温度的水平分布决定 气压系统随高度的变化
地转平衡 气压梯度力和 地转偏向力相平衡，加 速度为零 地转风 地转平衡下的 大气运动。定常，直线 运动，是实际大气运动 的简化（近似） 大气运动（天气系统） 的变化（发展）一定和 地转平衡的破坏紧 密关 联 大尺度运动变化的机理 归根到底就是地转平衡 破坏与恢复的机理
用于区域气候模式的地形指数空间尺度转换效果分析.pdf
度框架 ! 研究了地形 离 散 化 和 地 形 信 息 平 滑 损 失 分 别对地形指数变化 的 影 响 程 度 ! 分 析 了 地 形 指 数 在 ! # #和! # # #+ 栅格尺度上的统 计相关 性 ! 探讨 了 区 域尺度和全球尺度下地形指数尺度转换的差异 6
尺度水文 模 型 ’ 区 域 气 候 模 式 和 全 球 气 候 模 式 中 6 另外 ! 搭载于美国奋进号 航 天 飞 机 的 8 波 段 ’g 波 " 段 系统干涉雷达获得了% 约! 的a k # #+$ I F< & W *< % ! $& $ 数据 " 即a 这 两种精 度 的数 据 恰 恰处 在 6 I F< & % 大 尺度 的区域气 候模式或 全球 气候 模 式 与中 小 尺度 的流域模式的衔 接 位 置 ! 因 此 定 量 分 析 由 这 两 种 分 辨率的 W *< 计算 获 取 的 地 形 特 征 之 间 的 差 异 及 相 关 性 成 为地形参数在区 域气 候模式 或 全 球气 候 模 式 中进行尺度匹配的关键
% & ! %! ! ) % & ! ’
强了算法对异常栅格" 凸凹和平坦区域栅格 $ 的处理能
& ! ( 力% 6通过在中小尺度流域上算法改进前后对比研究
发现 ! 改进后的多流向算法计算出的地形指数均值稍 高 ! 而方差和标准偏差则低于传统多流向算法 6改进 后的多流 向 算 法 在 原 理 上 更 合 理 ’ 计 算 结 果 也 更 准 确 6本文利用改进 后的多 流向 算法对 ’ # 个研究 单元 " 栅格 $ 分别进行了原始! # 6 ’ p R # 6 ’ p # #+!! # # #+ 和 新! # #+ 三类不同 W *< 地形指数计算 ! 并对计算结 果进行了数理统计分析 6
第4章 地转适应过程
⎪ ⎪
∂t
−
fv
=
−
∂φ ∂x
⎪ ∂v
⎨ ⎪
∂t
+
fu
=0
⎪ ∂φ ⎪⎩ ∂t
+
C02
∂u ∂x
=
0
∂(24) 1 ∂t
，利用 (24)2
和 ∂(24) 3 ∂x
可得：
∂2u ∂t 2
= C02
∂2u ∂x2
−
f
2u
6
（4.24） （4.25）
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
3） p 系连续方程
∂u + ∂v + ∂ω = 0 → D + ∂ω = 0
∂x ∂y ∂p
∂p
（4.17）
无量纲化形式：
∵D
=
Dg
+
D' ∴U L
'⎛ ⎜ ⎝
∂u
' 1
∂x
+
∂v1' ∂y
⎞ ⎟
+
⎠
O(ω ) ∆zP
∂ω1 ∂p1
=
0
（4.18）
U' L
=
O(ω )
∆zP
→ O (ω )
=
U' L
+
∂vg ∂y
⎞ ⎟
dp
−
⎠
p p0
⎛ ⎜ ⎝
∂u' ∂x
+
∂v' ∂y
⎞ ⎟ dp ⎠
=
−
p p0
⎛ ⎜ ⎝
∂u ' ∂x
中国新一代全球数值天气预报模式切线性伴随模式技术
中国新一代全球数值天气预报模式切线性伴随模式技术国防科学技术大学硕士学位论文中国新一代全球数值天气预报模式切线性伴随模式技术姓名刘国平申请学位级别硕士专业计算机科学与技术指导教师赵文涛20080501国防科学技术大学研究生院学位论文摘要四维变分同化技术是提高数值天气预报时效的重要方法切线性模式和伴随模式是同化系统的关键技术。
本文针对我国自主研发的多尺度通用数值预报模式系统为建立全球四维变分同化系统的切线和伴随模式开展了以下工作基于全球模式绝热动力学框架和四维伴随变分资料同化理论建立了全球模式的切线性模式凡垤和伴随模式切线性模式精度高伴随模式正确满足业务要求。
设计了全球伴随模式动态数据存储库采用断点存储技术解决了全球伴随模式存储和恢复基态值的难点问题。
设计了全球半隐式一半拉格朗日中算法在物理空间中连续的切线性伴随模式解决了算法中切线性模式出现分母为零的问题基于算法建立了方程的高精度切线性和伴随模式。
基于库建立了模式中求解方程的子空间方法和预条件子算法库设计了方程的切线性和伴随的框架。
关键词切线性模式伴随模式代码检测方程断点存储第页国防科学技术火学研究生院学位论文———’—’’’曲——’第页国防科学技术大学研究生院学位论文表目录表全球模式切线模式整体精度………………………………………。
表支持的子空间方法及预条件子………………………………表矩阵大小为时运行时间……………………………………表矩阵大小为时运行时间……………………………………表矩阵大小为时运行时间…………………………………。
表在不同数据规模下的值………………………………表在不同数据规模下的值…………………………………………第页国防科学技术大学研究生院学位论文图目录图四维变分同化示意图……………………………………………………………图开发切线性模式的两种方法…………………………………………………图开发伴随模式的三种方法……………………………………………………图新一代多尺度通用模式体系结构图…………………………………………图模式程序简化关系结构图…………………………………………图模式软件框架示意简图………………………………………………图关键子程序流程示意简图………………………………………图全球模式切线性伴随模式开发流程………………………………图切线性模式代码的构造过程…………………………………………………图伴随模式代码的构造过程……………………………………………………图伴随模式计算流程……………………………………………………………图伴随模式全计算策略…………………………………………………………图伴随模式全存储策略…………………………………………………………图伴随模式断点存储策略………………………………………………………图程序流程简图…………………………………………………图程序流程简图………………………………………………图关键子程序流程示意图………………………………………图子程序流程简图…………………………………………………………。
第11章-准地转理论
第一类准地转运动
因水平散度的量级为 D ~ W H ，涡度的量级为 ~ U L ， 所以 D ~ Ro 1 。故这类准地转运动中水平散度比涡度小一
个量级以上，运动具有显著的涡旋性特点。
如果认为由涡度方程和绝热方程所分析出的铅直速度的量级 是相当的，即有
U HRo ~ L
f0U 2 N2H
~1
f0U 2 gH
§11.3 准地转位势倾向方程与 方程
准地转方程组可以很好地描写中纬度天气 尺度斜压系统的演变发展过程。在实际天气分 析和诊断计算时，利用由准地转方程组导出的
准地转位势倾向方程和准地转 方程，可以更
加方便地对中纬度天气尺度斜压系统发展变化 的原因和趋势进行定性判断和定量诊断。
2008年1月27日00时，500hpa，南方暴雪
u u u v u fv 0
t x y
x
v u v v v fu 0
t x y
y
x, y L x, y
t L U t
f0 LU
t
u
x
v
y
u x
v y
0
f
f0 y
f0 1 Ro y
Ro
t
u
x
v
y
u
1 Ro y
v
§11.1 准地转运动的分类
主要内容 一、准地转运动的基本概念 二、涡度方程的尺度分析 三、准地转运动的分类与特点
准地转运动的基本概念
风场与气压场满足地转平衡关系的运动称为地转运动。严格定义 的地转运动是一种定常的平衡运动。
风场与气压场近似满足地转平衡关系的运动称为准地转运动。准 地转运动意指大尺度运动系统在发展变化过程中，风场与气压场虽都 在变化发展着，但风场与气压场仍基本上维持着地转平衡关系，故称 运动的发展变化过程为准地转演变过程。
天气预报的理论基础 ——准地转理论概要及其业务应用
Abstract: The quasi-geostrophic (QG) theory is the dynamic basis that forecasters must master to establish a clear idea of weather forecasting. In this paper, from the two fundamental issues of weather forecasting that are the diagnosis of vertical movement and the development of weather systems, the origin of the QG theory is introduced. It is pointed out that it is a historical inevitability of the modern atmospheric dynamics developing from the atmospheric long-wave theory to the multi-level baroclinic atmospheric numerical model. The inference of the QG equations shows that the QG theory is a complete theoretical system of atmospheric dynamics, based on rigorous mathematical derivation and physical insight and built on top of the three laws of physics (conservations of momentum, energy, and mass), so it is the core of the atmospheric dynamics. The forced terms of omega equation and the geopotential tendency equation show that temperature advection and vorticity advection are the most basic predictors, which lead to the destruction of geostrophic balance, and make geostrophic equilbrium restored (ie, geostrophic adjustment process) through the associated secondary circulation, so that large-scale circulation in the slow-changing always maintains the quasi-level and quasi-geostrophic equilibrium. The QG theory also revealed that the temperature advection is the basic reason for the development of backward tilted baroclinic disturbance, yet the vertical circulation associated with the vorticity advection has led to changes in the thermal structure of large-scale circulation systems. Finally, some qualitative rules in conventional weather maps can be used directly as a QG theory application in the operational weather forecasting.
气象天气学原理位涡及位涡方程
1. 地面气压系统的形成和移动
1.1 地面气压系统的形成
④非绝热加热的作用 在非绝热加热最大值区，对地面气旋的形成起作 用（因为非绝热加热导致暖空气上升）。 在非绝热变 化中，对气旋发生发展影响最大的是凝结释放的潜热 。凝结潜热由上升运动引起，反过来它又加快了上升 速度，这种正反馈作用往往在中层达到最大。因此， 凝结潜热的释放对气旋的发展有重要作用，降水越大 ，这种作用越强。这与长时间的积云对流的潜热释放 将会与地球旋转有同等的动力作用，形成地面低压槽 （如来自于海洋表面的热量和水汽的上升流及积云对 流的潜热释放被认为是热带气旋形成的原因）。
1. 位涡与准地转位涡的定义的定义
在准地转运动中，位涡的表达式可以写为
2. 准地转位涡方程
3. 准地转位涡方程的物理意义
4. 准地转位涡方程的物理意义
5. 位涡观点在预报中的应用
5.1 位涡分析法
位涡在等熵坐标中可写成
5. 位涡观点在预报中的应用
5.1 位涡分析法
5. 位涡观点在预报中的应用
5. 位涡观点在预报中的应用
分析PV面的位势高度具有两个优点：
1. 它可以直接反映正的位涡异常对低空大气的影响 程度，当对流层顶(局地正的位涡异常)下降时(例 如处于一个发展着的气旋后部)，相应地PV=2的等 位涡面的高度下降，对地面系统发展的影响加大； 2. PV=2的等位涡面高度与业务工作中常用的对流层 顶高度图的关系密切，两者的图形十分相似，而且 在PV=2面上的特征更为明显。
5.1 位涡分析法
位涡的数量级 O(q)=10-6m2s-1K kg-1=1 PVU， 这里PVU为位涡单位。 在实际大气中，一般可以认为在几天之内大气的位 涡保持不变。但是当大气中有显著的凝结过程发生 时，在加热区下方，大气的位涡增大，而在其上方 位涡减小，其变化量可达到每天一个PVU。
第14章现在天气和过去天气、地面状况
第14章现在天气和过去天气、地面状况第14章现在天气和过去天气、地面状况14.1 概述14.1.1 定义在实际观测中，“天气”这一术语概括了大气状态及与之相伴的现象。
对它们不需要定量测量。
这些观测，如降水（从大气中降落的水凝物），悬浮或飞扬的粒子（水凝物和大气尘粒），或其它特定的大气光学现象或电现象，是对大气中或地球表面上观测到的现象的定性描述。
详细叙述参见WMO （1975）。
“水凝物（Hydrometeor）”是指悬浮在大气中或通过大气降落的，被风从地面吹起的，或沉积在地面上或空气中的物体上的液态或固态的水物质微粒的聚集体。
“大气尘粒（Lithometeor）”是大气中微粒的聚集体，大多数情况下这些微粒是固态的、非水的。
这些微粒或多或少地悬浮在空气中，或被风从地面吹到空中。
“大气光学现象（Photometeor）”是指由太阳光或月光的反射，折射，衍射，或干涉而形成的发光现象。
“大气电现象（Electrometeor）”是可见或可闻的大气电的表现形式。
在气象观测中，有两种报告天气的方式。
现在天气是对观测时出现的天气现象的描述。
过去天气通常描述在过去几小时内发生的重要天气事件，而不是发生在观测时的天气现象。
这一章也讲述一个相关项目—地面状况的观测方法。
地面状况指由新近的气候和天气事件所造成的关于地表面水量情况或固态层的描述以及覆盖在正常地表面上的任何水的或非水的微粒层。
14.1.2 单位和度量观测和识别现在天气、过去天气和地面状况并与定量数据一起进行报告。
这些观测已按照度量实现了标准化，因而使观测员能从来自众多观测员的感知总结的大量描述中选出合适的一项。
制定的标准见WMO（1995）。
只是新近因自动气象站的发展和无人气象站的使用，才产生了对迄今为止由观测员执行的功能进行定量化的需求。
在此领域所作的努力已见诸有关国家的报道。
为适应自动气象站在观测现在天气和过去天气方面的复杂程度和效率水平的变化，特殊的编码指导已列入WMO（1995），它们与人工气象站所使用的较完整的气象报告有所不同。
利用地转偏差风原理制作强对流天气预报
利用地转偏差风原理制作强对流天气预报
段中和;许爱华
【期刊名称】《气象》
【年(卷),期】1990(016)007
【摘要】地转偏差风及其在低层的辐合,对强对流天气的发生发展有很大影响。
本文利用地转偏差风原理,提出一个适合短期预报强对流天气的简便方法。
通过预报实践的检验,证明该方法使用方便、效果较好。
【总页数】3页(P42-44)
【作者】段中和;许爱华
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】P457
【相关文献】
1.利用小制作巧讲自转周期和地转偏向 [J], 周汉斌
2.运用气象动态变化原理制作长期天气预报 [J], 祝其江;吴海青
3."华风影视"制作电视天气预报常见的问题与对策 [J], 罗静兰;翁红梅;谭伯楷
4.在创意中学习原理在制作中体验物理--指导学生利用“大气压强”原理制作“双芯壶”的过程 [J], 金珞汉
5.地市级电视天气预报节目制作有效方法之一──四平市气象局电视天气预报节目制作简介 [J], 伊丽萍[1];王喜文[2]
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辐散、增压 （高压）
辐合、减压 （低压）
图3 与发展的斜压波相结合的次级环流
（实线500hPa等高线，虚线1000hPa等高线）
高空槽区：冷平流使高空槽加深，高层辐合，低层辐散， 下沉运动；高空脊区：暖平流使高空脊加强，高层辐散， 低层辐合，上升运动。
总结：
涡度因子 （相对涡度平流）
热力因子 （冷暖平流）
四川省气象台
准地转应用实例
四川省气象台
郭洁2013年10月
主讲内容
▪理论回顾
一：高空形势预报（由准地转涡度方程导出）槽脊发展天气应用 二：准地转位势倾向方程天气应用 三：准地转ω方程天气应用 四：地转适应理论天气应用 五：发展的斜压系统模式及总结
▪实例一：2009年10月15-20日三次地面气旋过程 ▪实例二：2009年7月29-31日高原低涡暴雨过程
五、发展的斜压系统的理想模式
位势倾向方程：
ω方程：
图2 斜压系统发展过程示意图（C和A为气旋 和反气旋性涡度区，+和-为正变压和负变压 区）
地转平衡的状态下，高空槽前 有气旋性涡度增加（流场与气 压场失衡）则正涡度平流辐散， 地面减压（地面流场与气压场 失衡）低层辐合（产生气旋性 环流适应气压场变化）高层辐 散，导致上升运动（绝热冷却， 气柱下降，高层降高，气压场
只涉及核心部分，不是全部（如长波和长波调整问 题，水汽和降水问题，稳定度问题等）
实例一
▪西北气流小槽快速发展
09年10月14日~20日 三次地面气旋过程
地面冷空气活动频繁（3次）、大风1次
涡度
（300高度+风场+涡度）
图1.1 18日08时500涡度（上图）、 500涡度平流（下图）
槽区为正涡度区，正涡度 中心在槽后，槽前为正涡 度平流，槽后为负涡度平 流
▪非绝热加热区， ω<0，有上升运动 ▪非绝热冷却区， ω>0, 有下沉运动 非绝热加热：凝结潜热
下垫面加热
四、地转适应尺度理论的天气应用
▪ 如果适应过程中流场的变化远小于气压场的变化，则气压场 向流场适应，如果流场的变化远大于气压场的变化则流场向 气压场适应。即变化大的、剧烈的向变化慢的、弱的适应。
暖平流下方气旋发展（低压/涡/倒槽/横切变等），上方反 气旋发展（脊/高压等）（冷平流相反） ▪ 用途（2）：判断垂直运动 暖平流上升运动，云雨区发展（冷平流相反）
总结
▪判断高空涡度平流看两个方面：1）急流和强风 （涡度大/平流大/切变大，入口/出口，急流核）， 2）曲率大、切变大；
▪用途（1）：正涡度平流辐散，下方有上升运动和 气旋发展
300 hPa疏散槽和涡度 1)参考涡度分布定的槽线，一个大槽里面 有3个小槽；2）西面是疏散槽，槽后有急流，正涡度中心在槽后；
15日08时
图1.2 15日08时 300hPa高度场+风场+涡度（槽线：棕色，急流：紫色，温度槽：红虚线）
300 hPa疏散槽和涡度 1) 西面疏散槽，正涡度中心明显加强， 80100，（下方有冷平流？）南面槽有正涡度中心80，发展槽
一、高空形势预报方程（相对涡度平流项）判断高空槽脊应用 相对涡度平流对于对称和不对称槽脊的情况：
图1 对称槽脊及非对称槽脊移动发展示意图
1，槽脊前疏散，槽脊后汇合，则槽脊移动迅速；槽脊前汇合，槽脊后疏散，则槽脊移动 缓慢 2，对称槽脊无发展，疏散槽脊是加深（强）的，汇合槽脊是填塞（减弱）的。
二、准地转位势倾向方程应用—相对区涡度平流随高度减弱——有下沉运动
厚度平流的拉普拉斯项： c）高空槽附近（地面高压前部和低压后部）地转风随高度逆 转，为冷平流区，有下沉运动
d）高空脊附近（地面低压前部和高压后部）地转风随高度顺 转，为暖平流区，有上升运动
三、准地转ω方程（非绝热加热项）在天气图中应用
天气图应用
槽前脊后为正的相对涡度平流，等压面高度降低
槽后脊前为负的相对涡度平流，等压面高度升高
槽脊线上涡度平流为零，等压面高度无变化 ∴相对涡度平流使槽脊东移（短波槽），对槽脊的发展
不起作用
二、准地转位势倾向方程应用—地转涡度平流项
1）槽前脊后偏南风 ，
ur ，则 V g f 0
有负地转涡度平流，等压面位势高度升高
∴ 对流层下层暖平流层,中上层高空等压面升高,有 利于高空脊发展
对流层下层冷平流层,中上层高空等压面降低,有 利于高空槽发展
三、准地转ω方程在天气图中应用
涡度平流随高度变化：
a）地面低压中心，一般位于高空的槽前脊后，低层涡度平 流很小，高层为正涡度平流（高层辐散）
所以在这个地区涡度平流随高度增加——有上升运动 b）地面高压中心，一般位于高空的槽后脊前，低层涡度平
▪ 不同空间尺度的运动都存在着特征尺度，当实际运动的空间 尺度大于这个特征尺度时，气压场起主导作用；当运动的空 间尺度小于特征尺度时，风场起主导作用；对中小尺度的大 气运动，同样存在适应问题。
▪ 该理论完善了大气运动各分量的相互作用过程的物理解释， 在天气预报业务上有重要的应用。
▪ 进行天气图分析时，大形势侧重气压场，小系统则侧重风场 （即流场）。
适应流场）。—新的地转平衡。
地转平衡状态下，高空 槽后有反气旋性涡度增 加（流场与气压场失衡） 则负涡度平流辐合，地 面增压（地面流场与气 压场失衡），低层辐散 （产生反气旋性涡度适 应气压场变化）高层辐 合，导致下沉运动（下 沉增温，气柱增厚，高 层增高，气压场适应流
场）-新的地转平衡
辐合 下沉
辐散 上升
ur 2）槽后脊前偏北风 ， Vg<0 ，则 V g f 0 有正地转涡度平流，等压面位势高度降低
3）槽脊线上为西风，地转涡度平流为零，等压面位 势高度无变化
∴地转涡度平流使槽脊西退（长波槽），对槽脊发展 不起作用
二、准地转位势倾向方程应用 （厚度平流或温度平流随高度变化项）
∵ 在实际大气中,冷暖平流一般随高度减弱
高层系统移动 低层系统发展
高层系统发展 低层系统移动
总结
▪ 准地转动力学的用途在于理解天气实况的演变和数值预报做出未来天 气变化的动力学本质，从而建立高低空一体的预报思路。
▪ 两个诊断要点：1）低空看温度平流，2）高空看涡度平流； ▪ 判断低空温度平流看两个方面：1）温度梯度大（密集的等
温线），2）风向和等温线夹角大，风速大； ▪ 用途（1）：判断天气系统的发展。