1丁一汇高等天气学 天气预报的可预报性和动力过程
13丁一汇高等天气学 暴雨的形成与中尺度扰动的作用
13.1 暴雨的形成
在我国暴雨的发生受三个大尺度方面的因子影响。 第一是来自印度洋和西太平洋的夏季风，中国大范 围的雨季一般开始于夏季风的爆发（华南要更早一 些），而结束于夏季风的撤退，降雨强度和变化与 夏季风脉动密切相关。我国暴雨出现的频率年际变 化很大，这也与夏季风状况的年际变率密切有关。 第二，西太平洋和青藏高原副热带高压的位置决定 了中国主要雨季的季节移动。暴雨常出现在100hPa 高压和120º E处副高比常年更偏北的位置上，如 1962。1965，1968，1969和1970年，如果100hPa 高压位置比常年偏南，则长江流域一般出现干旱。
最后，暴雨的年际变率密切与北半球，尤其是东亚 中高纬大气环流的异常有关。位于乌拉尔山，贝加 尔湖，鄂霍茨克海霍里海的阻塞高压和乌拉尔山与 贝加尔湖的长波槽是决定暴雨是否有利的关键环流 系统。例如在1972年夏季，全球出现许多异常的天 气过程。这是由于一异常的长波槽维持在亚洲的东 岸地区（130º ～140º E）而代替了正常年份的平均 高压脊。结果冷空气爆发的路径比常年更偏东，同 时副热带高压也比常年更弱。这种天气形势造成了 过去30年中春季和夏季最严重的干旱，这主要是由 于在中国冷暖空气交绥的机会大大减少。
表13.1 暴雨和局地强风暴物理条件之比较
抬升凝 FCL 结高度 (hPa) (hPa) 对流层 顶高度 (hPa) 1～9公 里平均 递减率 （℃/10 0m） 0.63 0.72 10～12 公里平 均递减 率 （℃/10 0m） 0.67 0.40
图13.3 （a）经向型特大暴雨形势；（b）纬 向型特大暴雨形势
天气尺度系统
天气尺度系统如锋面、气旋、高空槽等并不是直接 造成暴雨的天气系统，因为天气尺度系统中的上升 运动一般只有几cm· -1，在水汽供应充分的条件下， s 降水强度只1~2mm· -1，日降水量24~48mm，只能 h 造成中－大雨。天气尺度系统对暴雨起着以下四个 作用：（1）制约造成暴雨的中尺度天气系统的活动， 即天气尺度系统可以提供中尺度天气系统形成的条 件或环境场。中尺度天气系统的发生需要一些基本 条件，例如大气层结是不稳定的，水汽通量出现辐 合，低空风场出现辐合场和气旋性涡度场，这些条 件经常伴随着天气尺度系统出现的；
(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。
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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
天气预报的原理和方法
天气预报的原理和方法天气预报是根据天气现象的变化规律和天气系统的运动规律，通过使用物理学、气象学、数学和计算机科学等方法对大气中各种气象因素的演变进行研究和模拟，从而预测未来一段时间内的天气状况。
下面将详细介绍天气预报的原理和方法。
1.大气动力学原理：大气动力学研究大气中的空气运动规律，如风的产生、变化和移动等。
大气运动的驱动力主要来自于地球的旋转、太阳辐射和地表的热能输送。
通过分析大气压力场、温度场和湿度场等因素，可以推导出大气中空气的运动规律，进而预测未来一段时间内的风向、风速和风力等。
2.大气热力学原理：大气热力学研究大气中热量的传递和分布规律。
太阳辐射是地球上气候和天气变化的主要驱动力，它使地表受热，产生对流运动和气候变化。
通过分析太阳辐射、地表温度、地表类型等因素，可以预测未来一段时间内的气温变化、日照时数和温度分布等。
3.大气湿热力学原理：大气湿热力学研究大气中水的状态和变化规律。
水循环是地球上气候和天气变化的重要组成部分，水蒸气的含量和分布对降水和云的形成有重要影响。
通过分析水蒸气含量、云量、降水量等因素，可以预测未来一段时间内的降水情况、云量变化和湿度分布等。
1.统计方法：统计方法是天气预报中最基本和常用的方法之一、它通过分析过去的气象数据，建立统计模型，并根据模型预测未来的气象状况。
例如，通过分析历史气温数据，可以建立一种关于温度变化的统计模型，从而预测未来的气温。
2.数值模拟方法：数值模拟方法是天气预报中较为复杂和准确的方法之一、它利用数学方程和计算机模拟大气运动的过程，通过对初始条件的输入和边界条件的设定，计算得到未来一段时间内大气的变化情况。
数值模拟方法需要大量的计算资源和实时的观测数据作为输入，能够提供比较准确的天气预报结果。
3.聚类方法：聚类方法是一种基于数据相似性的天气预报方法。
它通过将观测数据分成不同的群组或类别，然后将相似的群组或类别作为未来天气的模式进行预测。
天气预报的制作与 基础知识.doc
天气预报的制作过程•首先,是各种气象资料的收集。
每日同一时间,各地气象站将地面常规观测的温、压、湿、风等气象信息,高空探测网也将对流层与平流层的变化信息传递过来,再加上气象卫星和天气雷达收集到的资料,它们被电传到国家气象中心,作为天气预报员制作预报的“原材料”。
建立地面气象观测是一项非常重要的工作,它是整个气象工作的基础,是气象台站掌握当地天气实况,索取气象资料的主要手段。
在我国,从平原到山区,从沙漠到海岛,已经建立起了数千个气象台站,我省有123个。
把全国这些气象台站的气象资料收集在一起,就可以了解中国范围内的天气、气候状况。
.地面气象观测的内容很多,包括气温、气压、空气湿度、风向风速、示能见度、天气现象、降水、意发、日照、雪深、地温、冻土、电线结冻等。
气象气球•用橡胶或塑料制成的球皮,充以氢气、氮气等比空气轻的气体,能携带仪器升空进行高空气象观测的观测平台。
气球的大小和制作材料由它们的用途来确定,主要有以下几种:-测风气球-(D 测风气球气象上称小球,用橡胶制作,球皮重约30克,主要用于经纬仪测风或边界层探空,最大升空高度在10-15公里。
(2)探空气球用橡胶或氯丁乳胶制作,球皮重0.8 2.0千克,携带1千克仪器升速为5 6米/秒,最大升空高度可达30公里。
是日常高空观测使用的气球。
其次,是制作天气图。
人们按照专门规定的数字和符号把收到的同一时间各地的气象观测记录填在一张图上,这种图就叫天气图。
天气图就好像医生给病人拍的X光片,它反映出各地天气情况。
经过特殊训练的预报员对天气图进行分析研究, 再结合一些卫星云图资料、雷达回波资料等,可以初步了解天气系统的演变过程。
第三,是分析天气图。
天气预报员通过分析天气图,运用一些气象学理论和预报实践中总结出的经验,再结合我国天气、气候特征对天气形势进行分析。
首先是作出天气形势预报,如24小时内是否会有降水,然后在此基础上过渡到具体天气预报,如降水的地点及多少。
天气预报的原理和方法是什么
天气预报的原理和方法是什么天气预报的原理和方法是什么天气预报的原理和方法是什么？天气预报是根据气象站观测的数据来实现的，气象站越多，预报越准确。
今天小编整理了天气预报的原理和方法供大家参考，一起来看看吧!天气预报的原理和方法是什么天气预报是以大气科学理论为依托,以各种气象探测手段为基础,以数值天气预报为核心,依靠预报人员的综合判断分析,最终形成的。
天气预报，又称气象预报（测），是指使用现代科学技术对未来某一地点地球大气层的状态进行预测。
从史前人类就已经开始对天气进行预测来相应地安排其工作与生活（比如农业生产、军事行动等等）。
今天的天气预报主要是使用收集大量的数据（气温、湿度、风向和风速、气压等等），然后使用对大气过程的认识（气象学）来确定未来空气变化。
由于大气过程的混乱以及今天科学并没有最终透彻地了解大气过程，因此天气预报总是有一定误差的。
我国中央气象台的卫星云图，就是从“风云一号”等气象卫星摄取的。
利用卫星云图照片进行分析，能提高天气预报的准确率。
天气预报就时效的长短通常分为三种：短期天气预报（2～3天）、中期天气预报（4～9天），长期天气预报（10～15天以上）。
中国中央电视台每天播放的主要是短期天气预报。
天气预报的具体方法是什么目前气象台使用的天气预报方法，大体分为三类，即天气图法、数值预报法和数理预报法等。
天气图法和数值预报法主要用于短期预报，近年来也在向中期预报方向延伸。
数理统计预报法主要用于长期预报，近年来也向短期预报方面发展。
在实际预报工作中三种方法是相互结合、相互补充使用的。
1、天气图预报法天气图预报法是出现最早的一种天气预报方法，目前仍然是大多数气象台采用的主要的方法。
天气图法是以天气图为基本工具的预报方法。
它从同一时刻的各层天气图上分析出天气系统及其结构和天气状况，又从前后连贯的几个时刻天气图上判断出这些天气系统的生成、移动、发展、消亡等等变化，以及各个天气系统之间的相互关系。
气象预报：预知天气的科学
气象预报：预知天气的科学气象预报是一门利用气象学知识和技术手段，通过对大气环境的观测、分析和预测，来预测未来一段时间内的天气变化情况的科学。
气象预报的准确性直接关系到人们的生产生活和社会发展，因此备受重视。
那么，气象预报究竟是如何进行的呢？本文将从气象预报的基本原理、方法和技术等方面进行探讨。
一、气象预报的基本原理气象预报的基本原理是基于大气的物理规律和气象要素之间的相互作用关系。
大气是一个复杂的系统，受到地球自转、地形、水汽、太阳辐射等多种因素的影响，因此天气的变化也是多种多样的。
气象预报的基本原理主要包括以下几个方面：1. 大气动力学原理：大气的运动是天气变化的基础。
通过对大气的水平和垂直运动规律的研究，可以推断出未来天气的变化趋势。
2. 热力学原理：大气中的温度、湿度等热力学要素对天气的形成和变化起着重要作用。
热力学原理帮助气象学家理解大气中能量的转移和分布规律，从而进行天气预报。
3. 气象要素之间的相互作用：大气中的各种气象要素如温度、湿度、气压、风力等之间存在着复杂的相互作用关系，这些要素的变化会相互影响，从而导致天气的变化。
二、气象预报的方法气象预报的方法主要包括经验预报、数值模拟预报和统计预报等多种方法。
不同的预报方法有着各自的特点和适用范围，综合运用这些方法可以提高气象预报的准确性。
1. 经验预报：经验预报是基于气象学家多年的实践经验和对气象要素的观测数据进行判断和推测的方法。
虽然经验预报在一定程度上受主观因素的影响，但在某些特定情况下，经验预报仍然具有一定的参考价值。
2. 数值模拟预报：数值模拟预报是利用计算机对大气的物理过程进行数值模拟，通过数值模型来预测未来天气的变化。
数值模拟预报是目前气象预报中最主要的方法之一，其准确性和精度较高。
3. 统计预报：统计预报是通过对历史气象数据的统计分析，找出气象要素之间的规律性，从而推测未来天气的变化。
统计预报方法简单易行，适用于一些常规性的天气预报。
天气预报原理培训
对流层是大气中最低的一层，包含了人类生活的大部分气象现象。平流层位于 对流层之上，气流平稳，臭氧层存在于平流层中，对地球生物具有保护作用。
气象要素
气象要素概述
气象要素是描述大气状态和变化的物理量，如温度、湿度、 气压、风速、风向等。这些要素相互关联、相互影响，通过 观测和分析这些要素，可以预测天气变化趋势。
气象观测仪器包括温度计、湿度计、气压计、风速计、风向标等。这些仪器用于 测量大气的各种气象要素，为天气预报提供准确的数据。
天气预报原理
03
气象图分析
气象图是天气预报的基础，包 括地面图、高空图、卫星云图 等。
分析气象图需要掌握各种气象 要素的分布和变化规律，如温 度、湿度、气压、风速等。
气象图分析有助于了解天气系 统的演变和预测未来的天气变 化。
农业气象服务
农业影响
天气变化对农业生产具有重要影 响，农业气象服务通过提供精准 的天气预报，指导农民合理安排 农事活动，提高农业生产效益。
农业建议
农业气象服务根据天气预报结果， 为农民提供播种、施肥、灌溉、 防虫等农事活动的建议，帮助农
民规避不利天气的影响。
农业保险
农业气象服务还可以为农业保险 提供数据支持，帮助保险公司评 估天气风险，制定合理的保险费
率。
航空气象服务
飞行安全
气象观测
天气变化对航空安全具有重要影响， 航空气象服务通过提供准确的天气预 报，确保航班安全起飞、降落和飞行。
航空气象服务还提供气象观测数据， 包括风速、风向、能见度、云高等气 象要素，为航班运行提供决策依据。
航班计划
航空气象服务为航班计划提供数据支 持，帮助航空公司合理安排航班时刻， 提高航班正点率。
天气预报与气象学基础知识
天气预报与气象学基础知识天气预报是我们日常生活中经常听到的一个词，它能给我们提供未来几天的天气情况，使我们能够更好地计划自己的活动。
那么，天气预报是如何得出的呢？这就涉及到气象学的基础知识了。
在这篇文章中，我们将会详细了解天气预报的原理和气象学的基本概念。
什么是气象学？气象学是一门研究大气现象、天气以及气候的学科。
它帮助我们理解地球上发生的各种天气现象，并通过观测、测量和模拟来预测未来的天气情况。
气象学不仅关注地球上的气象现象，还考虑了其他行星和星球上的天气情况。
天气预报的原理天气预报的原理是基于数学和物理学的原理，通过收集大气的数据、观测地球表面和大气的各种物理过程，然后利用数学模型和计算机模拟来预测未来的天气情况。
数据收集天气预报的第一步是收集大气的各种数据。
这些数据包括大气温度、湿度、气压、风速和风向等。
这些数据通常通过气象站、卫星、雷达和风球等设备来获取。
气象站会定期收集这些数据，并将其发送给气象预报中心进行分析和预测。
数学模型天气预报需要利用数学模型来模拟大气的运动和变化。
这些数学模型基于大量的物理学原理和方程式，如流体力学和热力学等。
通过在计算机上运行这些数学模型，可以模拟出大气的运动和变化，进而预测未来的天气情况。
计算机模拟计算机模拟是天气预报的关键步骤。
通过将收集到的大气数据输入到计算机模型中，模拟出不同条件下的天气情况。
计算机模拟可以考虑各种因素，如地理环境、海洋状况和人类活动等，从而更准确地预测未来的天气。
预测结果通过数学模型和计算机模拟，天气预报中心能够得出未来几天甚至几周的天气预测结果。
这些预测结果通常以图表、文字或符号形式呈现给公众。
根据这些预测结果，我们可以提前做好准备，避免在恶劣天气条件下受到影响。
气象学的基本概念除了了解天气预报的原理，了解气象学的基本概念也有助于我们更好地理解天气现象。
大气层大气层是指地球上围绕地球表面的气体层。
它由多个不同层次组成，包括对流层、平流层、中间层、热层和外层等。
15丁一汇高等天气学青藏高原对东亚季风和天气过程的影响
由太阳接受到的大部分辐射通过大气在地面被吸收。 如果这种吸收面在某些地方被抬高或具有一定的坡 度，则可以产生强的热力环流。例如山谷风或坡风 就是这种情况。在坡风情况下，由水平温差产生的 浮力将引起气层向上加速或向下加速，这种加速度 将一直继续到摩擦阻力等于浮力的时候，最后建立 起稳态的坡风。大尺度山脉的加热作用将在下节讨 论。
图15.3 40天平均加热率（Q1/cp，K•d-1）。（a）和40 天平均干燥率（Q2/cp，K•d-1）；（b）沿32.5。N的东西 剖面。这是对1979年5月末到7月初的平均
图15.4是沿92.5。N通过高原东部Q1和Q2的经向剖面。 在高原东部上空有强加热，最大值5.4K/d-1位于 350hPa，相应水汽汇的峰值为4.1K/d-1位于450hPa。 Q1和Q2的峰值在高度上是分离的，这表明存在着积 云对流。在高原以南，是非常深厚的强加热层，这
在1979年初夏高原西部。凝结加热对高原东部的热 量收支是很重要的，特别在夏季雨季之后。
表15.3 青藏高原西部热量和水汽收支的比较（单位：W/m2）
<[QR]> [LP] [SH] <[Q2]> [LP] [LE] <[Q1]>
Luo和 101
-77
Yanai
（39天
平均）
9
(169)* -22
因为很高，这种抬高的感热源可用于直接加热对流 层中上部大气。与西部相比，高原东部的SH要小得 多，但它在6月之前，仍超过LP。这表明在季风或 雨季到来之前，高原上以感热加热为主。在夏季（7 和8月），LP略大于SH。由于SH分量占优势，净加 热E在高原西部是很大的，结果西部地区对整个高
原净热平衡的贡献为主，而高原东部的贡献则要小 得多。
天气学原理知识点
天气学原理知识点天气学是研究大气层中各种气象现象的科学，包括气温、湿度、降水、气压、风速和风向等。
天气学的研究旨在预测和解释天气现象，以帮助人们做出准确的气象预报，并为气候变化和环境保护等方面提供科学依据。
以下是天气学原理的一些基本知识点。
1.大气的形成和组成：地球大气是由气体、悬浮粒子、水汽和其他微观组分构成的。
主要的气体成分包括氮气、氧气、氩气、二氧化碳和水蒸汽。
大气中还含有悬浮的气溶胶和颗粒物。
2.温度和热力学性质：气温是大气中分子的平均动能的度量。
温度对大气的物理和化学性质起着至关重要的作用。
热力学性质包括气体的热容、压缩性和热传导性等。
3.大气循环和气候系统：大气中存在着复杂的循环系统，包括海洋和陆地的相互作用以及太阳辐射的影响。
这些循环和相互作用共同决定了地球的气候系统，包括季节变化、气候类型和天气模式等。
4.雨水和降水过程：降水是指从大气层中沉降到地面的水的形式，包括雨、雪、冰雹和霜等。
降水过程涉及到水汽的凝结和降温，以及云的形成和降水物质的形状和大小等。
5.气压和风：气压是指大气对单位面积的压力。
不同气压区域之间形成气压梯度，从而产生风。
风的方向和强度受到气压梯度、地球自转和摩擦力等多种因素影响。
6.天气系统和天气模式：天气系统是指大范围的大气运动，如气旋、气团和锋面等。
这些天气系统会导致不同的天气现象，如晴天、多云、雨天和暴风雪等。
天气模式是天气系统的数值模拟，通过数学和物理方程来预测和解释天气现象。
7.气象观测和预报：天气学依赖于对大气现象的观测和测量。
气象观测包括使用气象仪器和卫星等手段来测量温度、湿度、气压、降水和风等变量。
基于观测数据和天气模型等，天气预报可以对未来的天气情况进行预测和分析。
8.气候变化和全球变暖：天气学还研究气候的长期变化和趋势。
全球变暖是当前的热点问题之一，涉及到大气中的温室气体排放和太阳辐射等因素，对地球的气候系统产生重要影响。
这些是天气学的基本原理和知识点，能够帮助我们了解和解释天气现象，预测未来的天气情况，并为气候变化和环境保护等方面提供科学依据。
《高等天气学》课件
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总结词
天气学在人类生产生活中具有重要意义，它关乎人类 生存和社会发展。
详细描述
天气学的研究成果对于保障人类生命财产安全、促进 经济发展和提高生活质量等方面具有重要作用。例如 ，准确的天气预报可以帮助人们提前做好应对措施， 减少自然灾害造成的人员伤亡和经济损失；气候变化 研究有助于人们更好地了解地球气候系统的运行机制 ，为应对全球气候变化提供科学依据；而空气质量监 测和污染防治则直接关系到人们的健康和生活质量。
气候变化与极端事件 未来天气预报将更加关注气候变 化和极端事件的影响，为应对全 球气候变化提供科学支持。
精细化预报 随着观测技术和数值模式的进步 ，天气预报将更加精细化，能够 提供更高时空分辨率的预报结果 。
集合预报 集合预报方法将克服单一预报的 不确定性，提供更全面的概率信 息，提高决策服务的可靠性。
准确率。
风场分析
总结词
风场分析是高等天气学中研究天气系统的重要方法之一，它通过对大气的风速、 风向等气象要素的分析，揭示天气系统的演变规律。
详细描述
风场是指大气中风的分布和运动状态，其形成和发展与天气系统的演变密切相关 。风场分析主要研究风速、风向的变化规律、风场的结构特征等方面。通过对风 场的分析，可以深入了解天气系统的变化机制，提高天气预报的准确率。
高等天气学
contents
目录
• 天气学概述 • 天气系统的基本理论 • 天气现象与天气系统 • 数值预报与天气模型 • 天气预报的现代技术 • 高等天气学的应用与发展趋势
01 天气学概述
天气学的定义与特点
总结词
天气学是一门研究大气状态、变化及其与地球表面相互作用的科学。它具有综合性、实践性和动态性的特点。
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和气象变化规律的科学，它涉及到大气的物理、化学、动力学等多个领域。
天气学的研究不仅可以帮助人们更好地了解天气现象的成因和规律，还可以为人们的生产生活提供重要的参考和指导。
在现代社会，天气学已经成为不可或缺的一门学科，对于气象预报、灾害防范、农业生产等方面都有着重要的作用。
本文将介绍天气学的基本原理和研究方法，希望能够为读者提供一些帮助。
首先，天气学的基本原理是建立在大气物理学的基础之上的。
大气是地球表面以上的气体层，它受到地球自转、地球公转、地形、水汽等因素的影响，从而产生了各种天气现象。
天气学通过研究大气的物理特性和运动规律，揭示了天气现象的成因和规律。
例如，气压、温度、湿度等因素是影响天气变化的重要因素，它们之间的相互作用决定了天气的变化。
另外，大气运动也是天气形成的重要原因，例如地转偏向力、地形影响等因素都会对大气运动产生影响，进而影响天气的变化。
其次，天气学的研究方法主要包括观测、实验和数值模拟等多种手段。
观测是天气学研究的基础，只有通过对大气各种物理量的观测，才能够了解大气的状态和变化。
目前，人们通过卫星、雷达、气象站等多种观测手段来获取大气信息，从而进行天气预报和气候研究。
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现象，从而验证理论和模型。
数值模拟是天气学研究的重要方法，通过建立数学模型和计算机模拟，可以对大气进行定量分析和预测，为气象预报提供科学依据。
总之，天气学是一门重要的科学，它的研究对于人类的生产生活有着重要的意义。
通过了解天气学的基本原理和研究方法，可以更好地理解天气现象的成因和规律，为气象预报、灾害防范、农业生产等提供科学依据。
希望本文能够帮助读者对天气学有一个初步的了解，激发大家对天气学的兴趣，为天气学的研究和应用做出更大的贡献。
第一讲 天气预报的可预报性和动力过程
第一讲天气预报的可预报性和动力过程丁一汇国家气候中心一、数值天气预报的成功是20世纪最重要的科学，技术和社会成就之一。
在过去25年，数值天气预报的技巧有明显提高。
至少是每十年增加1天。
图1.1 1980—2004年南北半球温带地区数值天气预报预报技巧的演变。
ECMWF500hPa 高度距平相关系数（ACC）。
阴影区是南北半球技巧差（Hollingsworth et al., 2003）。
‘存在两个问题（1）高影响天气预报的准确率需要提高。
高影响天气：对社会、经济和环境产生重大影响的天气现象与事件，如对流性和地形降水造成的洪水、暴雨雪、沙尘暴，破坏性地面大风等。
也包括高温/冷害、干旱、影响空气质量的气候条件以及具有高度社会和经济影响的非极端天气等。
它们一般由包含有中尺度天气的温带和热带气旋等天气系统引起。
高影响天气事件的发生是小概率事件，但风险很高，其后果可能是灾难性的。
改进高影响天气的预报技巧是21世纪重大科学与社会挑战之一。
THORPEX计划的建立即是应对这种挑战。
目前已具备五个条件来应对这种挑战：•对大气可预报性的理论和实际界限的认识在深入，包括年际与季节内气候变率对预报技巧的影响；•地球系统观测的扩展；•能够同化各种观测资料的天气预报系统的迅速发展；•具有先进的预报方法，如数值方法改进，物理过程表述更准确合理，集合天气预报方法应用，超级计算速度和存储猛增等；•对预报系统设计和实施的创新理念与途径，据此将大大促进天气信息的社会与经济利用。
（2）预报时效要进一步从7天扩展到14天，即达到中短期天气预报的极限值。
再进一步，与气候预报相衔接，要共同解决2周到几周的天气预报，这是目前无缝隙预报的主要问题。
二、数值天气预报的可预报性问题所谓可预报性是指天气预报在时效上的一种上限。
这由数值天气预报中的不确定性造成：（1）模式中表征物理过程或计算近似造成的不确定性，也称模式误差，尤其是方程中求解的数值近似与不可分辨（次网格）运动的参数化。
自然科学课程设计解读天气预报
自然科学课程设计解读天气预报天气预报是我们日常生活中不可或缺的一部分，通过对天气情况的准确预测，我们能够合理安排出行计划、采取适当的防护措施以及做好农业生产等各个方面的安排。
在自然科学课程中，我们可以从天气预报的角度来探索气象学、大气物理学以及一系列与气象有关的科学知识，从而更好地理解自然界的规律和人类与自然的关系。
首先，我们来介绍天气预报的基本原理。
天气预报是通过分析大气变量的变化来预测未来一段时间内的天气情况。
这些大气变量包括气压、温度、湿度、风向风速等。
气象学家通过观测各个气象站点的数据，并利用数学模型进行计算和推断，来得出天气预报结果。
在自然科学课程中，我们可以学习大气物理学的基础知识，并且了解不同气象要素之间的相互关系，从而能够更好地理解天气预报的原理和方法。
其次，让我们去了解天气预报的分类和表达方式。
天气预报可以根据时间范围的不同来进行分类，例如短期天气预报、中期天气预报和长期天气预报。
短期天气预报一般是对未来2天内的天气情况进行预测，主要依据近期的实测数据和卫星云图等资料进行分析；中期天气预报则是对未来3天至10天内的天气情况进行预测，主要通过数值模式来进行计算；而长期天气预报则是对未来一个月甚至更长时间范围内的天气预测，其准确性相对较低。
在天气预报中，我们还会看到各种天气现象的表达，例如晴、阴、多云、小雨、大雨等。
这些表达方式常常与温度、湿度、风力等指标相关联，我们可以通过学习大气物理学的相关知识来理解这些表达方式的意义。
此外，天气预报还与地理位置、气候等因素有着密切的联系。
不同地理位置的气候特点不同，因此对不同地区的天气预报需要考虑当地的气候特点和变化规律。
例如，在亚洲地区，气候类型较为多样，从寒带到热带，从干燥到湿润，不同的地区会有着不同的天气预报特点。
此外，人类活动也会对天气产生一定的影响，例如城市中的高楼大厦、交通工具等都会对风向风速产生影响，进而影响天气预报结果。
最后，我们来谈一谈天气预报的重要性和应用价值。
天气预报的原理和方法
天气预报的历史沿革
看云识天气→根据物像来推测天气→ →单站预报→天气图预报→应用气
象卫星、天气雷达→用计算机进行天气 预报。
伴随着科技的不断进步，天气预报得 到了快速的发展。
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天气预报的种类:
按预报时效可大致分为： 临近预报(1～2 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；
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风的预报：
考虑风的变化与气压系统及锋面 的关系、地形对风的影响、热力环流的 作用（如海陆风、山谷风等）。
一般将平均风速达到 6 级（10.8－ 13.8 米/秒）以上的风称为大风。它对 航运、渔业生产和军事活动影响很大， 所以大风预报是风的预报的重点。
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温度的预报
特别注意灾害性的气温（霜冻、持 续性的高温或低温）的预报 考虑因素：
一. 天气图
分为： 地面天气图 高空天气图 辅助图表
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图 9.1 地面天气图
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图 9.2 高空天气图
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高空天气图
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利用天气图并根据天气学原理可 以分析这些天气系统和天气区的变化 趋势，移动方向和速度。进而预报各天 气系统未来的位置，强度以及对各地天 气变化的影响。
天气形势预报是天气预报的基础
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1.天气形势预报： 大范围环流，高低气压系统（高
空的长波槽、脊和地面气旋、反气旋） 和锋面等的预报。
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在中纬度，天气形势预报包括：
西风带的强弱，位置的变化； 长波槽脊的强度和移动方向、速
度； 地面气旋、反气旋强度的变化和移
小学科学8天气预报是怎样制作出来的教材解读及综合练习教科版三年级科学上册
小学科学8天气预报是怎样制作出来的教材解读及综合练习教科版三年级科学上册天气预报是指根据气象观测资料和对天气演变规律的分析，预测未来一段时间内的天气情况。
在小学科学教材中，涉及到天气预报的内容主要是帮助学生了解天气预报的制作过程以及其中涉及到的科学原理。
本文将对小学科学教材中有关天气预报的内容进行解读，并提供综合练习，以帮助学生巩固所学知识。
首先，我们来了解一下天气预报的制作流程。
天气预报是通过收集、分析和解读大量的气象观测数据来进行的。
气象观测数据主要包括温度、湿度、气压、风向和风速等方面的信息，这些数据通过气象观测仪器和设备收集到。
收集到的观测数据被输入到计算机模型中，通过数学和物理的运算处理，结合人工经验和专业知识，预测未来一段时间内的天气情况。
在天气预报制作过程中，科学原理起着至关重要的作用。
首先，气象观测数据的收集依赖于科学仪器和设备的运作。
例如，温度计可以测量空气的温度，湿度计可以测量空气中的湿度，风向仪可以测量风的方向等。
这些仪器和设备都是基于物理原理设计和制造的，通过它们的运作,我们才能获得真实可靠的气象观测数据。
其次，气象数据的分析和解读也离不开科学原理的指导。
气象学是研究大气现象和天气变化规律的科学，通过气象学的知识，我们可以更好地理解和解读气象观测数据。
例如，我们知道气压的高低与气候的变化密切相关，气压升高预示着晴朗的天气，而气压降低则可能意味着天气将要转变。
此外，天气预报还需要借助数学模型和计算机技术，对观测数据进行运算和处理。
这些数学模型是根据气象学和物理学的原理建立起来的，通过这些模型的运算处理，我们可以得到对未来天气的预测。
计算机技术的应用则可以提高数据的处理速度和准确性，使天气预报更加及时和准确。
从以上的解读中，我们可以看出天气预报制作的过程是基于科学原理的，涉及到物理、数学和计算机等学科的知识。
小学科学教材中的内容主要围绕着引导学生了解天气预报的制作过程、了解背后的科学原理，以及培养学生对天气的观察和预测能力。
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未来集合预报研究方向（THORPEX建议） （1）初条件对预报的不确定性 如果小尺度运动的初值有不确定性，可通过 逆尺度使预报误差迅速增长。而分析和预报 不确定是以缓变，更强的大尺度运动为主。 应研究上述与其它初始不确定性在限制预报 技巧中的相对作用，应研究更合理的集合预 报系统的初始扰动方案。
（2）改进集合预报系统 这包括集合的初始扰动（陆面和海面），分 析不确定性，非参数化，不可分辨现象对可 分辨尺度的影响，预报模式（数值计算与参 数化）等。还应研究多模式，多参数集合预 报方法以及随机参数化和集合样本数的最佳 选取。 （3）在生成集合中，利用适用方法，包括集 合预报系统的构造，使其适合天气状态和用 户需求。如分辨率与样本数之间的最佳选取 等。
存在两个问题 （1）高影响天气预报的准确率需要提高。 高影响天气：对社会、经济和环境产生重大影响的 天气现象与事件，如对流性和地形降水造成的洪水、 暴雨雪、沙尘暴，破坏性地面大风等。也包括高温/ 冷害、干旱、影响空气质量的气候条件以及具有高 度社会和经济影响的非极端天气等。它们一般由包 含有中尺度天气的温带和热带气旋等天气系统引起。 高影响天气事件的发生是小概率事件，但风险很高， 其后果可能是灾难性的。改进高影响天气的预报技 巧是21世纪重大科学与社会挑战之一。
用数值模式进行的可预报性研究还清楚地表明，理 论预报误差的增长与大气尺度有关。换句话说，可 预报性与所预报的运动尺度有密切关系。大尺度运 动比较小尺度有更大的可预报性。用正压模式进行 的可预报性理论研究表明，20000km波的可预报性 几乎比5000km的波大4倍。
（3）固有不确定性或剩余不确定性。由不可分辨运 动造成，这种运动是独立于预报模式分辨的运动。 主要由有限模式分辨率产生。不论谱模式或格点模 式，这种由离散网格点代替连续时空的计算方法都 会带来一定误差。 根据实际资料进行的数值实验得到的有用可预报性 为4~5天（预报误差达到气候方差的时候）。另外 并得到：（1）在预报开始，误差增长要快得多； （2）对某些模式，超长波的可预报性比较小尺度的 波动小；（3）所有数值模式都产生系统误差，且具 有特征的地理分布；（4）每天、每段时间的可预报 性变化都很大。
THORPEX计划的建立即是应对这种挑战。 目前已具备五个条件来应对这种挑战：
1. 对大气可预报性的理论和实际界限的认识在深 入，包括年际与季节内气候变率对预报技巧的 影响； 2. 地球系统观测的扩展； 3. 能够同化各种观测资料的天气预报系统的迅速 发展； 4. 具有先进的预报方法，如数值方法改进，物理 过程表述更准确合理，集合天气预报方法应用， 超级计算速度和存储猛增等； 5. 对预报系统设计和实施的创新理念与途径，据 此将大大促进天气信息的社会与经济利用。
区域气候模式—动力Downscaling即把包含最 高风险的全球集合成员取出，组成一个子集 合集，用高分辨区域模式再做一次预报。这 样可充分了解与评估高影响天气可能产生的 社会/经济影响。全球EPS的全部成员可做为 驱动区域模式的边条件，也可取其中高影响 天气潜力最大的子集做为边条件。据此可以 得到区域模式的PDF及其不确定性，甚至可 以了解边界条件不确定性来自何处。
五、天气预报中的主要动力过程
主要天气事件包括：（1）温带气旋，它受年 际和次季节变率控制；（2）由大尺度 Rossby波引起的下游斜压发展形成的温带气 旋；（3）锋面及其相关的降水系统，由大尺 度形变引起；（4）有组织的中尺度降水系统； （5）热带气旋及变性的系统。
两种最重要的动力过程引起上述事件的发生 和发展
集合预报可看做是计算条件概率分布的一种过程， 即用一特定预报模式和初条件计算由一预报模式系 统得到的PDF。在预报开始的时候，PDF开始很狭 窄，预报成员的初始离散度反映的是分析的不确定 性。随着预报超前期增加，初始小扰动出现混沌增 长，这使预报变得越来越不确定，并且在较短时间 内对小尺度系统的可预报性不断消失，以后是大尺 度系统的可预报性也消失。一个有技巧的PDF旨在 抓住这种PDF的演变，因而PDF是随地点与时间而 变，例如对一个发展的气旋2天预报的不确定性可能 比一准静态反气旋大。
分析表明，预报开始的时候，误差的迅速增长最可 能由初始状态规定的不确定引起，尤其是位相误差 可引起初始误差很快的增长。如果模式的水平和垂 直分辨率不足或物理参数化模式过于简化，则超长 波的误差增长率较高。但一般复杂的预报模式对超 长波预报得较好，如欧洲中期天气预报中心的模式， 报超长波比中间尺度 的波要好。系统误差与长波误 差有关。因为大尺度长波具有特征的大尺度地理分 布，故大尺度系统误差反映了长波系统的预报误差， 这些误差在冬季最明显，其共同特征是在大西洋西 部预报的高度值偏高，而东大西洋地区偏低。太平 洋地区有类似的误差分析。
四、次季节尺度的天气预报：天气与气候预 报的交叉（2周以上，月预报以下） 简化模式的试验证明，天气预报系统如果改 进热带对流的分辨率和加热，则可有更长时 期的预报技巧。预报热带对流的爆发和演变 要求：（1）非常高的模式分辨率，且以显式 分辨对流或改进对流参数化方案。（2）海气 耦合预报系统。（3）改进大气和海洋边界的 表征。因而为把预报时效扩展到2周或2周以 上，必须使预报系统的海洋部分由一简单的 一维混合层模式扩展到三维海洋模式。
（2）预报初值条件的不确定性。由观测的系统和随 机误差，时空分布的不均匀性，观测系统对预报模 式可分辨的时空尺度的代表性，以及资料同化系统 的近似性等造成。简言之，这是由于大气实际的初 始状态与用于模式初值之间的差别造成。初始误差 随时间增长，3—5天时，误差变成2倍，对于小的 误差增长更快。短期天气预报误差的最大贡献是由 初始条件不确定性造成。 “经典”的可预报性理论的研究是把大气处理成一 种不稳定的非线性湍流系统，在这个系统中，任何 扰动，不管它是怎样小，最终都会发展到超过系统 的确定性变化。除系统的气候状态之外，一切都将 被破坏。经典理论最主要内容是估计小误差的增长 率。
高等天气学讲座
第一讲 天气预报的可预报性 和动力过程
丁一汇 国家气候中心
一、数值天气预报的成功是20世纪最重要的科学， 技术和社会成就之一。在过去25年，数值天气预报 的技巧有明显提高。至少是每十年增加1天。
图1.1 1980—2004年南北半球温带地区数值天气预报预报 技巧的演变。ECMWF500hPa高度距平相关系数（ACC）。 阴影区是南北半球技巧差（Hollingsworth et al., 2003）。
图1.2 ECMWF对风暴“Lother”海平面气压（1999年12月24 日）的集合预报（TL255）。上图左：确定性预报，上图右： 验证分析。下面的50幅小图是集合预报的各个成员。可以看 到虽然确定性预报并没有抓住这个极端事件，但其中14个成 员预报出了强度大致相近的风暴（取自THORPEX科学计划， 2004年）
图1.4 地球模拟器对降水率的高分辨气候模拟 （T1279L96；~10-km水平分辨；500m垂直分辨 率）（0.0—30mmh-1：蓝到白色）。海温由 T319L24模式提供，初条件为9月初。（取自 THORPEX科学报告）
36-h Refly
图1.3 说明某一预报时刻气候（平均值为0）与预报的PDF （偏离0平均）示意图。它是由一个初始很狭窄的PDF演变 而来。为使EPS可靠起见，在该超前期的检验分析必须落 在气候分布区内。彩色区指明落入气候极值区内检验分析 的机会，它与由气候分布所预期的机会有很大差别。（取 自THORPEX科学报告）
可预报性随时间有很大的变化。根据欧洲中期天气 预报中心高分辨全球格点模式7次计算表明，可预报 性从不到5天到8天以上。在有些天，所有预报都不 好，而另些天，都不错。可预报性这种随时间变化 的原因还不清楚。
三、集合预报
解决初值条件误差和模式误差的途径是使用集合天 气预报系统（EPS），以此估计可能预报结果发生 的概率。EPS是由略微不同的初值或不同模式作出 个别预报（预报成员）的集合。集合平均代表EPS 确定性的预报结果，各成员对集合平均的散布或标 准差，代表EPS的不确定性，一般认为由内部变率 造成。任一地点和任一变量的EPS不确定性可由概 率密度函数（PDF）表征。它是由不同集合成员构 成的一种频率分布。
NEXRAD-Radar
图1.5 WRF质量纵坐标模式预报的美国中部有组 织的对流系统。检验时刻：2003年6月10日 1200UTC，模式分辨率：4km，显示积云对流方 案。图中是反射率。左：36hr预报，中：12hr预 报，右：实测雷达反射率。
在天气与气候预报的交叉中有两个重要问题 值得考虑
（1）气候态与天气过程的相互作用 持续的强烈的天气过程或事件可影响气候态从而影 响气候预报。例如1999年中国梅雨季（6月下旬）。 （2）大尺度流型或气候态可影响天气预报技巧的气 候学。这包括：纬向或阻塞状态，低频变化及遥相 关，如MJO，PNA，ENSO，NAO，QBO等； Rossby波传播与可预报性。不同大尺度气流状况或 气候态下的天气预报技巧是不同的。其中高频天气 尺度活动与低频变化的相互作用是十分重要的问题。 一方面表现为瞬变天气尺度涡对低频气流的强迫作 用，使低频气流维持或变化。另一方面，变化的低 频气流可以形成和组织中尺度风暴的活动与演变。 气候条件与气候变化可影响天气事件，如气候变暖， 气候变冷，Laps rate。
（4）多中心集合 多模式或多参数化集合会产生另外的有用的散布分 布，但这些方法多是特定的。尚不清楚，其收效是 由于多种模式的应用，不同模式系统提供的初值差 异，还是所用模式中不同偏差相互抵消或上述诸种 原因的组合造成。将来可发展和评估一种新的集合 系统（称THORPEX交互式大全球集合系统）。它 是各数值天气预报中心产生的集合预报的组合。这 种方法的优点是用了不同的资料同化，集合生成和 NWP模式设计的方法。这种多模式，多分析与多国 家集合可为全球用户提供任何地区的高影响天气的 集合预报。
（2）预报时效要进一步从7天扩展到14天， 即达到中短期天气预报的极限值。再进一步， 与气候预报相衔接，要共同解决2周到几周的 天气预报，这是目前无缝隙预报的主要问题。