天气学原理和方法(1-5)
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。
气象学中的天气预报原理与方法
气象学中的天气预报原理与方法气象学作为一门研究大气现象和气象变化规律的科学，天气预报是其重要的应用之一。
天气预报旨在提前预测未来一段时间内的天气情况，为社会经济和人类生活提供准确的气象信息，以便人们能够做出合理的防范和决策。
本文将探讨气象学中的天气预报原理与方法。
一、天气预报原理1. 大气的运动规律天气预报的核心在于对大气的运动规律的研究。
大气层中存在着许多复杂的运动模式，如水平风场、垂直气流等。
通过对这些运动规律的研究和观测，可以预测未来一段时间内的天气情况。
2. 大气的物理参数天气预报所依赖的另一个重要因素是大气的物理参数，如气温、湿度、气压等。
通过对这些参数的观测和分析，可以了解大气的状况及其变化趋势，从而进行天气预报。
3. 大气环流系统大气环流系统是影响天气的重要因素之一。
全球大气环流系统包括赤道气流带、副热带气流带、中纬度气流带等。
通过研究和监测这些环流系统的变化，可以预测气候变化和天气趋势。
二、天气预报方法1. 统计方法统计方法是最早也是最常用的天气预报方法之一。
它基于历史天气数据，通过统计学方法对趋势和规律进行分析，从而预测未来的天气情况。
统计方法适用于气象变化较为平稳的地区和时间段。
2. 动力学方法动力学方法基于大气物理学理论和数值模拟技术，通过对大气的运动和物理参数进行模拟和预测。
这种方法需要大量的数学模型和计算资源，能够提供较为精确的天气预报结果。
3. 经验法与专家判断经验法与专家判断是结合专家经验和实际观测数据进行天气预报的方法。
经验法基于多年的观测和经验总结，通过观察各种天气现象的相关特征来判断未来天气情况。
4. 基于遥感技术的预报近年来，随着遥感技术的发展，人们通过卫星观测、雷达观测等手段获取更多的大气数据和图像，从而提高了天气预报的准确性。
基于遥感技术的预报方法依赖于对大气的高时空分辨率观测和数据分析。
结论天气预报是气象学的重要应用之一，它通过研究大气运动规律、物理参数和环流系统等因素，以及运用统计、动力学、经验法和遥感技术等方法，提供准确的天气预报信息。
天气学原理-第一章
气压梯度力的讨论：
1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。
2.气压压指G梯向 度 低力压Px的，x方垂yy向直z z指于向等–压1 线P的。方 向1 ，Px即i由 高Py
j
P z
k
3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空 气密度成反比，即等压线越密集，气压梯度 越大。 在同样的气压梯度下，高处的风就比低处 的风大，因为高空的密度小。
3.关于静力学方程，连续方程，热力学方程的方程式 和意义；速度散度的表达式和意义
4.大气运动系统的分类与尺度 5.地转风、梯度风、热成风的定义、表达式、意义 6.热成风与冷暖平流的关系 7.中纬度系统的温压场结构特点 8.地转偏差的定义 9.摩擦层中、自由大气中的地转偏差的概念、表达式和意义
0
1
p y
f u
0
1
p g z
39
大尺度运动系统的特征(中高纬):
1.准水平
ω→0
2.准静力平衡
3.准地转
地转偏向力与气压梯度力相平衡
4.自由大气
F→0
40
第4节 “P”坐标系中的基本方程组
P坐标系的运动方程
z坐标系：(x，y，z，t)来表示空间点的位置 p坐标系：(x，y，p，t)来表示空间点的位置
3、地转风风速大小与水平气压梯度成正比，等压线越密 集，地转风越大；与纬度成反比，相同的水平气压梯 度力，高纬风小，低纬风大。风速相同，在低纬的等 高线应比高纬的等高线分析得稀疏些。
4、
地转风散度为零
51
5、地转平衡只能看成是一种近似关系，绝对的地转 平衡并不存在。
天气学原理和方法
2.大气运动的守恒定律？（P10）：大气运动总是受质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等基本物定律所控制。
3.大尺度系统的运动方程及其的简化方程式，组成部分？（P13-/公式1.16、1.80）：12dV p V g F dt ρ=-∇-Ω⨯++ （右一为梯度力，右二为地球自转角速度，右三为重力（惯性离心力与地心引力），右四为摩擦力）该式就是选装坐标系中牛顿第二定律的表达式，称为单位质量空气的相对运动方程，也就是一般称谓的旋转坐标系中的大气运动方程。
简化方程：{ 5.地转风的定义、表达式、意义？（P37/1.81）：水平运动方程的零级简化方程表示了两个力的平衡关系，即： { 这个关系式通常称为地转关系或地转平衡方程。
满足上式的风称为地转风。
意义：①从运动方程简化中，当加速度、摩擦力项以及垂直速度引起的水平地转偏向力项略去时，才能建立地转平衡。
在中纬度，自由大气的大尺度系统中，这种平衡是近似成立的。
地转平衡只能看成一种近似关系，绝对的地转平衡是不存在的。
②地转风速大小与水平气压梯度力成正比。
③地转风与等压线平行，在北半球背风而立，高压在右，低压在左。
④地转风速大小与纬度成正比这是因为纬度愈高，同样的风速，地转偏向力愈大；所以水平气压梯度力相同时，纬度愈高地转风速愈小。
10.锋的概念（P63）：天气图上温度水平梯度大而窄的区域，如果它又随高度向冷区倾斜，这样的等温线密集带通常称为锋区。
就是密度不同的两个气团之间的过渡区。
11.锋的类型：a.根据锋在移动过程中冷、暖气团所占的主次地位分为：冷锋、暖锋、准静止锋、锢囚锋 b.根据锋伸展的不同高度分为：对流层锋、地面锋、高空锋 c.根据气团的不同地理类型分为：冰洋锋、极锋、副热带锋。
△19.涡度（P109）：表示流体质块的旋转程度和旋转方向。
流场中某一质块的涡11p fu y p fv x ρρ∂=-∂∂=∂ 零级简化： 一级简化： 10p fv x ρ∂=-+∂ 10p fu y ρ∂=--∂ 1du p fv dt x ρ∂=-+∂ 1dv p fu dt y ρ∂=--∂度定义为质块速度的旋度，其表达式为：V ξ=∇⨯ 这里的V 是三维速度。
天气学原理和方法--第5章--周雪松--整理
b) 天气模式与统计物理量相结合的预报方法。 37. 根据天气分析预报实践的总结，我国常见的大风有冷锋后偏北大风，高压后 部偏南大风，低压大风，以及台风大风和雷雨冰雹大风等。 38. 动力统计预报方法，包括完全预报方法（ PP 法）和模式输出统计方法（MOS 法）两种。 39. 一般的专家系统通常由以下五个部分构成：知识库，数据库，推理机，解释 部分，知识获取部分。
பைடு நூலகம்1. 地转涡度平流的作用： a) 对于偏南北向的槽（脊） ，地转涡度平流有使其向西移动的作用。
b) 对于偏东西向的槽（脊） ，地转涡度平流对槽脊的移动无明显作用。 c) 当槽（脊）线上为偏北气流时，有正的地转涡度平流，对涡度局地变化 有正的贡献， 因而使槽加深 （脊减弱） ； 反之， 在槽脊线上为偏南气流时， 槽将减弱（脊加强） 。 12. 相对涡度平流在自然坐标系中的表述如下：
概率统计学处理，给出在统计意义上的定量关系的统计模式。 33. 一般将平均风速达到 6 级（10.8-13.8 米/秒）以上的风，成为大风。 34. 预报冷锋后偏北大风是，主要应分析锋后的冷空气活动。具体从以下几个方 面进行： a) 利用高空图分析冷平流的分布和强度；
b) 利用地面图分析三小时边压得分布和强度。 35. 低压大风即低压发展加深时一般在低压周围气压梯度最大地区出现的大风。 在我国经常出现大风的低压系统有东北低压、江淮气旋、东海气旋等。 36. 大风的预报方法主要有： a) 从形势预报入手的方法；
天气学原理和方法 第 5 章
1. 在天气系统的外推预报法中，推法分为两种情况：等速外推（支线外推）和 加速外推（曲线外推） 。 2. 空气质点的个别变化在运动坐标系中可展开为：
d (V C ) ，其中 dt t
科普天气学了解天气背后的科学原理
科普天气学了解天气背后的科学原理天气是我们日常生活中非常重要的一部分，它直接影响着我们的穿着、活动和出行。
然而，天气并非只是简单的晴雨预报，背后隐藏着许多科学原理。
本文将为您科普天气学，了解天气背后的科学原理。
一、大气压力与气压系统天气的变化与大气中的气压密切相关。
气压是指单位面积上气体对于所在面的垂直作用力。
通过气压的分布，我们可以了解天气系统的形态与发展。
1. 高压系统高压系统指的是大气中气压较高的区域。
在高压系统中，空气向四周辐散，使天气晴朗、干燥。
通常，高压天气为晴天或少云天气，空气稳定，降水几率较低。
2. 低压系统低压系统指的是大气中气压较低的区域。
在低压系统中，空气会由周围辐合向中心聚集，导致云量增多、天气多变。
低压天气通常伴随着云朵、风雨等天气现象。
二、湿度与降水湿度是指空气中所含水蒸气的含量，是天气预报中常重要的气象要素。
湿度的变化直接影响着降水的形成与发展。
1. 饱和与凝结当空气中的湿度达到一定饱和程度时，水蒸气会凝结成液态水或固态水。
冷却是导致水蒸气凝结的主要原因，例如空气的快速升高和冷却会形成云朵。
云朵进一步凝结形成水滴，当水滴足够大时，就会降落成雨、雪或雾等天气形式。
2. 相对湿度与露点温度相对湿度是指实际水蒸气含量与饱和水蒸气含量之间的比值，以百分比表示。
当相对湿度达到100%时，空气饱和，凝结就会发生。
而露点温度是指当空气冷却到饱和时的温度，是气温下降到露点温度时会出现露水、雾或冰霜的临界点。
三、气候与气象天气和气候是两个不同的概念，它们之间存在着密切的联系。
1. 天气天气是指短时间内大气的状态变化，通常是一天或几天的时间范围内。
天气的变化受到许多因素的影响，包括气压系统、湿度、风向风速等。
2. 气候气候是指长时间内特定地区的气象条件的统计结果。
气候的研究需要考虑长时间尺度上的气象数据，并结合地理环境、海洋等其他因素。
气候也受到许多因素的影响，包括纬度、海洋环流、地形等。
天气学原理和方法
天气学原理和方法作为人类活动的一个重要方面，气象已经成为了一个广受欢迎的话题。
在讨论天气时，我们经常听到一些专业的词汇和术语，比如温度、气压、湿度等等。
这些都是气象学的一些基础概念，也是学习气象科学的第一步。
那么，什么是天气学原理和方法呢？本文将对此进行一番探讨。
天气学原理天气学是研究大气现象、发生机理和预报方法的一门学科。
天气学的基础原理是气象学。
气象学是研究大气现象的学科，它是大气科学的一部分。
大气科学是研究地球大气层的物理性质、化学特性及其与地球和太阳等其他天体相互作用的学科。
天气学的基础原理是气象学中的许多原理及其应用。
天气学中的一些基础原理包括：大气热力学原理、大气动力学原理、大气化学原理等。
其中，大气热力学原理主要用于解释大气现象的形成和演化。
大气动力学原理则主要用于解释大气运动和对气体较复杂流场的描述和计算。
而大气化学原理主要研究大气层的化学反应、污染物的传输和纵向分布等。
天气学分析的主要方法是气象学的数学方法。
数学方法是对气象学进行研究以及预报天气的一种很重要的方法。
气象学的数学方法包括应用大气物理学、数学物理学、云物理学、数值计算等方法，具有很高的准确性和预报时效性。
数学方法的应用要根据不同的气象特征和目的所需的准确度来选择。
例如，在气象研究方面应用较多的有斯特菲特定理和拉格朗日微分方程等。
这些方法可以有效地解决不同类型的大气现象和气象特征。
天气学方法天气学的研究方法有很多种，但这里主要介绍以下几种：地面气象观测、遥感气象技术、气象模拟和数值预报方法。
地面气象观测：观测是气象学的关键环节，是对现象的直接观察。
利用气象观测可以获取大气的物理状况、气体性质和降水量等信息。
地面气象观测主要有以下几种常见的方法：气象观测站测量、天气雷达、降水量传感器、GPS气象等。
地面观测数据是气象学研究的一种最基本的资料。
遥感气象技术：遥感气象技术是指利用卫星遥感、飞机遥感、地面遥感等技术手段观测大气和地表情况的一种技术。
天气预报的原理和方法解读
2．气象要素预报： 主要包括温度、风、云、雾和降水 的预报。 根据天气形势预报的结果和各种天 气系统中天气分布的特点，结合各地 特殊的自然地理条件，气象要素的统 计规律来做出未来气象要素的变化情 况的推断。
诊断分析 诊断分析是天气学与动力气象学 逐步结合的产物，其主要任务是利用 实测气象资料计算出散度、涡度、垂 直速度、水汽通量、热量和能量等物 理量场，分析其空间分布和时间演变 特征，分析它们与天气系统发生演变 的关系。
涡度方程:
u v d f ( f ) v dt y x y
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。
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；
第六章
天气预报的原理和方法
天气变化与人们的生产活动、 社 会活动、 军事活动以及日常生活都有 着十分密切的关系。 自古以来， 人们总是想方设法去 预测未来的天气变化， 利用有利的天 气，避开不利的天气，以减少不必要 的损失。
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。准确地预报天气一直是大气 科学研究的一个重要目标。
云、雾和降水的预报 对云雾的预报航空和交通部门要 求更高。 降水的预报目前都认为难度很大， 特别是中小尺度的降水， 其强度和落点 都较难报准， 通常要配合统计方法进行 预报。给出降水的概率。
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。
天气学原理
天气学原理Char1 大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、磨擦力( 1 ) 气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生( 2 ) 地心引力：地球对单位质量空气的万有引力( 3 ) 磨擦力：单位质量空气受到的净粘滞力2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反。
C= Ω2R地转偏向力：由于坐标系的旋转导致物体没有受力却浮现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立。
地转偏向力的特点： A= -2Ω×V( 1 )地转偏向力 A 与Ω相垂直，在纬圈平面内(2)地转偏向力 A 与风速 V 垂直，只改变气块运动方向，不改变其速度大小( 3)在北半球 A 在水平速度的右侧，在南半球 A 在水平速度的左侧( 4 )地转偏向力的大小与相对速度成正比，V=0 时，A=0 ；惟独在做相对运动时 A 才存在重力：地心引力与惯性离心力的合力。
重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。
3、地转偏向力与水平地转偏向力有何相同与不同？水平地转偏向力：大气中垂直运动普通比较小，气块的运动主要受 x 方向和 y 方向的影响。
通常情况下 w 很小，于是近似有Ax=2 Ωv 和Ay= -2Ωu。
对水平运动而言，北半球 Ax 、Ay 使运动向左偏，南半球右偏。
地转偏向力：包括垂直运动。
4、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程5、温度平流变化-V · hT 是气块在温度水平分布不均匀的区域内保持原有的温度作水平运动而对局地温度变化所提供的贡献，称为温度平流变化。
- T 温度梯度由高温指向低温。
当-V ·hT<0 时，有冷平流，夹角为钝角，风从冷区吹向暖区，使局地温度降低。
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。
天气学原理和方法
农业气象监测
01
对农田的气象要素进行监测，提供实时的气象数据和预报服务，
帮助农民合理安排农业生产活动。
农业保险服务
02
为农业提供气象保险服务，降低因气象灾害造成的农业损失。
农业技术推广
03
推广适应气候变化的农业技术，提高农业生产效益和农产品质
量。
06
未来天气学的发展趋势
高精度数值预报模式
总结词
随着计算机技术的不断进步，数值预报模式在天气预报中发挥着越来越重要的作用。高 精度数值预报模式能够更准确地模拟大气运动，提高天气预报的准确性和精细化程度。
<完>
3
05
天气学应用
气象灾害预警与防范
01
02
03
气象灾害预警
通过监测和分析气象数据， 对台风、暴雨、暴雪等气 象灾害进行预警，提醒公 众提前做好防范措施。
灾害风险评估
对不同地区的气象灾害风 险进行评估，确定重点防 范区域和对象，为政府和 相关部门提供决策依据。
应急响应
在气象灾害发生时，启动 应急响应机制，协调各部 门开展抢险救灾工作，降 低灾害损失。
统计预报方法
基于历史数据和统计规律的预报方法
统计预报方法是通过分析历史气象数据，寻找天气现象与时间、空间等变量的统计关系，从而预测未来天气。这种方法简单 易行，但需要大量的历史数据和良好的统计技巧。
经验预报方法
1
基于经验和个人判断的预报方法
2
经验预报方法是通过气象人员的经验和直觉进行 预测。这种方法依赖于个人的经验和判断力，但 可能受到主观因素的影响。
VS
详细描述
地球系统模式能够更全面地考虑各种因素 对天气的影响，如气候变化、人类活动等 。这有助于更准确地预测长期天气变化和 气候变化，为气候风险管理、环境保护和 可持续发展提供科学依据。同时，地球系 统模式的发展也需要解决许多技术挑战， 如数据同化、模式验证和计算资源等问题 。
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。
天气学原理与方法
F ma
力 真实力(基本力,牛顿力，在空间固定、绝对坐标 系中): 气压梯度力、地心引力、摩擦力 非真实力（视示力、外观力，在旋转坐标系中）： 惯性离心力、地转偏向力
一、基本作用力（真实力）
1. 气压梯度力
气压梯度力
当气压分布不均匀时，单位质量气块上受到的 净压力称为气压梯度力
单位质量空气的气压梯度力
• 一. 地转风
• 零级近似
1 p 0 fv x 1 p 0 fu y 1 p 0 g z
f 2 sin
-(1/) ▽p
低压
Vg
高压
A
du z g ( ) p fv dt x dv z g ( ) p fu dt y z 0 g ( ) p fv x z 0 g ( ) p fv x z z fu g ( ) p ( ) p , fv g ( ) p y y x
特征值或特征尺度：表示特定类型的运动 （如大尺度运动或中小尺度运动）的空间范 围和时间区间的物理量或其他特性的一种尺 度。
（2）用特征值比较方程中各项的大小 例：
3.大气运动系统的分类
行星尺 度
大尺度（天气尺度） 中尺度
对流或小尺度
104km 103km
102km
10km
4.大尺度系统的各场变量的特征尺度
变压风
---
+
思考题
1.什么是零级近似和一级近似? 2.写出零级近似和一级近似的方程组。 3.什么叫位势、位势米、位势高度？ 4.写出个别变化、局地变化、平流变化的P坐标与Z坐标转换关系。 5.写出P坐标系的基本方程。 6.什么是自然坐标？写出自然坐标水平运动方程。 7.什么是地转风？它有哪些基本性质？写出表达式。 8.什么是梯度风？它有哪些基本性质？写出表达式。 9.什么是热成风？它有哪些基本性质？写出表达式。 10.什么是偏差风？它有哪些基本性质？写出表达式。 11.地转偏差是哪些原因造成的？什么是变压风、法向和切向地 转偏差？
天气学原理和方法[1_5]
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天气学原理和方法第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。
第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析一、旋转坐标系中运动方程1. （绝对速度）与（相对速度）t时刻一空气质点位于P点，经t 时间，质块移到Pa点，地球上的固定点P移到了Pe位置位移假设为R，质块相对固定地点的位移为R，图1.1 旋转坐标系显然当 0位移很小时单位时间内的位移为由此得此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和2．与的关系地球自转角速度为则于是由此可得微分算子将微分算子用于则有再将代入上式右端得（*）式中为地转偏向力加速度，即柯氏加速度为向心力加速度3．牛顿第二定律单位质量的空气块所受到的力在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有+：地心引力F：摩擦力将此式代入（*）式：二、作用力分析1．气压梯度力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力②表达式G=-(1.1)③推导：图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量x方向：B面 PA面：-（P+净压力：-同理y方向：z方向：净空气总压力④讨论：大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向2．地心引力① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力② 表达式(1.2)K：万有引力常量M：地球质量a：到地心的距离③ 推导：图1.1.3 地心引力受力分析图④ 讨论：大小：不变，常数方向：指向地球心3．惯性离心力① 定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力。
天气学原理和方法
天气学原理和方法第一章大气运动的基本特征1、大气运动受什么定律支配？质量守衡、动量守衡和能量守衡定律2、影响大气运动的真实力有哪几种？气压梯度力、地心引力、摩擦力。
3、影响大气运动的视示力（外观力）有哪几种？惯性离心力、地转偏向力。
4、气压梯度力的方向？气压梯度力的大小与气压梯度和空气密度有什么关系？方向指向—▽P 的方向，即由高压指向低压的方向；气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比。
5、地转偏向力的向量表达式？? ? ? A ? ?2? ? V 6、地转偏向力的几个重要特点？（1）地转偏向力A 与Ω 相垂直，而Ω 与赤道平面垂直，所以A 在纬圈平面内；（2）地转偏向力A 与V 相垂直，因而地转偏向力对运动气块不作功，它只能改变气块的运动方向，而不能改变其速度大小。
（3）在北半球，地转偏向力 A 在V 的右侧，南半球，地转偏向力A 在V 的左侧。
（4）地转偏向力的大小与相对速度的大小成比例。
当V=0 时，地转偏向力消失。
7、连续方程的表达式：P19 ?? ?t ? ? ? ( ?V ) ? 0 1 8、尺度分析是针对某类运动估计基本方程各项量级的一种简便方法。
通过尺度分析，保留大项，略去小项，可以使方程得到简化。
9、气象学中的静力方程表达式？P26 0?? 1 ?p ?g ? ?z 10、什么是重力位势？P28 单位质量的物体从海平面上升到高度Z 克服重力所作的功。
位势的单位是焦耳/千克。
11、为什么应用等压面图比用等高面图要方便？P30 因为在等高面上计算水平气压梯度力时，只知道气压梯度还不够，还必须知道该处的空气密度才能计算，而在等压面上计算时，只要根据等位势线计算位势梯度即可，不必考虑密度的大小，所以用高空各层等压面上的位势梯度就可以比较各层上的水平气压梯度力的大小。
而用等高面时，则各层的水平气压梯度力就不能作简单的比较。
因此，应用等压面图比用等高面图要方便得多。
12、什么是地转风？在水平方向上满足地转偏向力和气压梯度力平衡的风称为地转风。
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天气学原理和方法第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。
第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析一、旋转坐标系中运动方程1. 二（绝对速度）与丁（相对速度）假设t o 时刻一空气质点位于P 点，经t 时间，质块移到Pa 点，地球上的固定点P 移到了 Pe 位置位 移为R ，质块相对固定地点的位移为 兰R ，图1.1旋转坐标系显然匚：=Z-血 &当…- 0位移很小时边左=匚圧_晟占daR dR d^R----- = ------ + -------单位时间的位移为 皿 逸 皿由此得=「兀此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和d^V dV2.与az 的关系地球自转角速度为= Q: /x -S由此可得微分算子则于是daR _dtda d -——=—十C △将微分算子用于―则有dCt VCt ——= ---+ G A 九dt dt再将兀！代入上式右端得daVa dVdt _ _ __ _ _ 存=-- 2Q ----- +0八（Q 人卫）dt dt式中■■- !'为地转偏向力加速度，即柯氏加速度：'''■■- ' ：'' ■"■，＜；为向心力加速度 3 •牛顿第二定律F — m --------------dt在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有叱L=_—w+ /去：地心引力F:摩擦力将此式代入（*）式:竺二一丄VF + GC-2Q A产一心八⑸入氏）十F di q 、作用力分析 1 .气压梯度力(*)daVa F=> dt单位质量的空气块所受到的力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量-&电& = Fyy方向：哲'- —&①隹=Fzz方向：F =弘+ Fy ¥ F去净空气总压力—（迄+K/+里灯％沁dx dy fem =a②表达式③推导:x方向: B面PA 面:-(P+u净压力: g茨&卸歷=F A同理G=-大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向①定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力G：= ^=常数②表达式K:万有引力常量M :地球质量图1.1.3 地心引力受力分析图④讨论:大小：不变，常数④讨论:a：到地心的距离(1.2)实用标准文档3.惯性离心力①定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（•’'■观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力图1.1.4旋转坐标系中的惯性离心力④讨论：大小：- 与纬度成反比，赤道处最大方向：在纬圈平面，垂直地轴指向4.重力方向：指向地球心②表达式(1.5)③推导: di① 定义： 地心引力与惯性离心力的合力图1.1.5 重力大小：随纬度增大而增大方向：垂直地球表面指向5 .地转偏向力①定义： 观测者站在转动地球上观测单位质量空气块运动(〕右偏的力，在南半球它向左偏。
此力就称为地转偏向力。
② 表达式 」-二丁 (1.7) ③ 推导： 见《流体力学》② 表达式: ③ 讨论：詰 F - S QR N ® R (1.8) 发现在北半球有一个向图 1.1.6地转偏向力④讨论:大小：4与厂成正比，与夹角也成正比方向:垂直地轴和厂，指向右（北半球）※…只能改变运动方向，但不能改变的大小6.摩擦力这里所说的摩擦力是指大气因具有粘性，当有相对运动时所受到的一种粘性力第二节基本方程组运动方程运动方程丄V尸十- 2G " - G八0八R）十F(1.16)状态方程状态方程F = pRT三.连续方程1•各种形式的连续方程（1）.质量散度形式的连续方程二 _厂「「小―「厂⑵•+V ^ = 0 速度散度形式的连续方程：」文案大全⑶.空=0不可压缩流体的连续方程：-=2.质量散度形式的连续方程的推导单位时间二方向流入A面的质量图1.2单位体积的质量净流量同理，「方向:v 岔®念=一匹&卸&根据质量守恒原理：犬文案大全Sfy 3M总净流出：m■ 0^◎至1T'■'方向流出B面的质量净流出质量V •（尹）----- —（1.34）3. 讨论：含义：单位时间通过固定的单位体积的质量改变量。
大于零表示净流出，质量减少；小于零表示净流入，质量增加。
四•热力学能量方程热力学能量方程&Q = dT_ _ 乱BT dp第三节大尺度系统运动的控制方程一.大气分类大气运动系统分类行星尺度］KM大尺度：KM中尺度…“ KM小尺度〔：KM二.引入特征尺度特征尺度的含义：特征尺度是表示特定类型运动（如大尺度运动或小尺度运动）的空间围和时间区间的物理量或其它特性一般大小的一种尺度，也就是用来表示特征值的尺度例如：-v—”厂'就是特征尺度rm ■ c1■ sec大尺度系统运动在中纬度地区，特征尺度数量级，采用制子T 10吃拠5“W T W^s-1£ T 10，_，H T 106^竺T 1（/CT沪S」P三.运动方程简化水平方向的运动方程的尺度分析表1水平运动方程的尺度分析先看两个水平方向的运动方程，可知：气压梯度力与地转偏向力具有同一量级，它们比其它项大1至3个量级。
i若保留方程中的最大项，则得到大尺度运动的零级简化方程：ii若保留比最大项小一个量级的项而略去小于两个量级的项，则得到一级简化方程式中「称为地转参数动方程的零级，一级以至再精确一些的简化方程均为:n1知° = - ——-g门(1.47)这就是气象学中的静力方程。
四•连续方程的简化表3连续方程的尺度分析方程1 dp 1 . dp 1 3* du 8v 3w+ (肚+ F ) + TV 十L + )十!- 0 p 51 p 8x 5x p dz dx Sy 5z各项尺度氐Q P 占"S s pW V W ------ --------- - ■ _______________ . _________ P L p L pH L L H(1.43 1.44)(1.45 1.46)再看垂直方向的运动方程，可以看出和.两项最大，其它项比这两项小得多，所以垂直运一级简化方程为:dT 3T_ _-v ——+ (扁~n =——+打——+3^S A dyc ? dt第四节 "P"坐标系."P"坐标系 1.定义：为了等压面图分析需要，将"Z"系垂直变量改为"P"系，"Z"系中变量x,y 在"P"系中不变，此坐标系为 "P"系。
2 . "P"系的优越性① .不用观测空气的密度② ."Z"系中方程显得复杂，而"P"系中方程简单③ .为了满足分析等压面的需要，因为实际工作中不分析等高面而分析等压面3 .位势与位势高度㈠位势①. 定义：单位质量的物体从海平面上升到 Z 高度克服重力所做的功数量级10 10零级简化方程位为:型+空+空+诩卫』=0 dx Sydz五.热力学能量方程的简化 零级简化方程为:(1.53)3T ¥ (1.55)② .表达式：几-.丄一二:」(1.56)③. 讨论：等位势面= 就是水平面等位势面与等高面不重合探严格地讲等高面不是水平面 ㈡.位势高度1位势米：单位质量空气块上升，克服重力做功，从海平面 0上升到几何高度1米处，所具有的能量 是三上匸9 8 9.8位势高度和几何高度数值近似相等，但物理意义不同，位势面反映能量的分布 二. "P"系与"Z"系的转换关系 1 . 空间导数的转换关系设F=Z 分别代入水平关系式中，并利用准静力平衡方程，可得:(1.58)(1.59)(1.60)<t =水平导数转换关系式:垂直导数转换关系式:四. "P"系中的运动方程 "Z"系中的运动方程为:-丄唾fQ SJTIB占一 -- _ 齐P A"P"系中的运动方程为:營“瓠F丄（轨飞帝）厂牛 p dx 抵 OT(1.61)丄（学h （寻人=（竽P 3^如dy(1.62)丄巧戸=£卩=J ①写成向量形式：■' ■'或式中下标”表示水平算子2. 时间导数的转换关系(1.68)三. "P"系中的连续方程 "Z"系中的连续方程为:（瓠乜（瓠十魯十叭字人+小瓠+ （竺）「竺" oi dx dy dz dx Sd 卫dzdP-7—= 一幅将丄代入，得"P"系中的连续方程:迥+（竺儿+（空九=0曲 3A dy(1.71)1__________ ------------------------ ------------------------(1.73)五. "P"系中的热力学能量方程"P"系中的热力学能量方程眾二一几亿-胃艸十丄0 业(1.76)第五节地转风梯度风一. 地转风J == —AT/sV^ =—K^k ZSr圧』圧』左』JgJ J J3 .推导:图1.3地转风一严严加"根据定义：「除以•，再乘以九1 .定义： 空气块直线运动，在水平气压梯度力和水平地转偏向力平衡的作用下，风沿等压线或等(大尺度系统，北半球)位势线吹，背风而立气压高的在右。
沪一］2 .表达式"P"系:F f fi / * f A4•讨论：① 采用地转近似（大尺度、北半球、直线运动、在中高纬地区30~60度）②大小：和水平气压梯度力成正比，与纬度和空气密度成反比③方向：沿等压线（等位势线）吹，背风而立，右手边较高二. 梯度风1 . 定义：空气块作曲线运动，风沿等压线或等位势线吹，在三个力，即水平气压梯度力、水平地转偏向力、惯性离心力的作用下风呈气旋性弯曲（逆时针旋转），或反气旋性弯曲（顺时针旋转），这种风称为梯度风。