准地转理论及其在天气预报中的应用(I 基本理论)李国平
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。
(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
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）
天气预报理论摘要
天气学第一章大气运动的基本特征：1．4风场和气压场的关系一、地转风：二、梯度风：四、地转风随高度的变化——热成风：五、地转偏差：第十章东亚季风环流：10．1 东亚季风环流系统10．3 东亚季风与低频振荡我国各季环流概况和主要天气过程：第一部分：冬季寒潮等（反气旋）秋季：高空副高，地面冷高，秋高气爽。
副高增强并稳定控制，秋老虎天气。
华西秋雨。
冬季：东亚大槽140°E附近，青藏高原北部脊90°E附近，我国上空基本气流是西北风。
地面蒙古冷高压（中心贝加尔湖附近），我国北部盛行西北偏北气流。
长江以南为东北偏北气流，冬季风十分稳定。
只有在高空有较大的低槽东移而地面气旋发展时蒙古冷高压才短时间内受到破坏，但是这种高空槽和地面气旋往往又诱导一次新的强冷高压入侵东亚地区，造成一次强冷空气或寒潮天气过程。
另外，诱导强冷空气向南爆发的高空槽在东移动过程中加强为大槽取代衰老的东亚大槽，于是东亚大槽经历了一次新陈代谢。
当这种过程结束后冬季风又会相对稳定一段时间，整个冬季基本上就是这样一次次冷空气活动不断重复的过程。
同时，南支槽输送暖湿气流，形成华南昆明准静止锋。
以过程降温与温度负距平相结合来划定冷空气活动强度。
过程降温≥10°C，温度负距平绝对值≥5°C，寒潮；过程降温8-9°C，温度负距平绝对值4°C，强冷空气；过程降温5-7°C，温度负距平绝对值≤3°C，一般冷空气；第四章大气环流：4．5 西风带大型扰动二、西风带长波长波槽前对应着大范围的辐合上升运动和云雨天气区，槽后脊前对应着大范围辐散下沉运动和晴朗天气区。
4．3极地环流概况四、极地环流的异常寒潮三、阻塞高压与切断低压阻塞高压的建立、崩溃、后退常常伴随着一次大范围的环流形势的强烈转变（即寒潮）。
它的长久维持会使大范围地区的天气反常（如梅雨）。
四、切断低压东北冷涡西部常有冷空气不断补充南下，在地面图上常表现为一条条副冷锋向南移动，有利于冷涡的西、西南、南至东南部发生雷阵雨天气，而且类似的天气可以连续几天地重复出现。
第5章 波动的不稳定理论
2
《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
图 5.1 大气扰动与动力不稳定的关系
§2 惯性稳定度
1．定义 地转平衡大气中，基本气流上作南北运动的空气质点形成的扰动其振幅是否随时间增长的问题。表示 惯性振荡或快波的不稳定发展现象。
3
《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
2
uc
u c
2
y2 y1
f y dy 0 ，此积分式的几何意义： （面积和）
s1 s2 0 ，
因此 f y 必经过 f ( y ) 0 处，即 f y 在 y1 , y2 内必定至少改变一次符号。所以，正压不稳定的 必要条件为：在 y1 , y2 内至少存在一点 yc ，使得:
又 * ，
2ici 1 1 ，则有： 2 * uc uc u c
2 u 2 y2 y 2 ci dy 0 2 y1 uc
对于正压不稳定， ci 0
2 2
（5.25）
所以
( 0 ，令 f y
2 u ) y 2
§1 波动稳定度的概念
1.波动稳定度的定义 定常的基本气流 u 上有小扰动产生， 若扰动继续保持为小扰动或随时间衰减,则称波动是中性的或波动 是稳定的 ；若扰动随时间增强，则称波动不稳定。
2.稳定度的表达方式 设有波动 q Qe
ik ( x ct )
Qei ( kx t )
(5.1)
6
《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
《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
第6章大气中的准地转运动
横辐散风）。
V2
1/
f
VhVh
/ sn
1/
f
VhVg
/ sn
横辐散偏差风
当地转风沿流线方向增大时，则由此引起的地转偏差风 指向地转风的左侧（左图）；当地转风沿流线方向减小时 ，则由此引起的地转偏差风指向地转风的右侧（右图）
（2）纵辐散风
V
Vh2
s
f rs
槽前脊后的区域是地转偏差风 的纵辐散区，而在脊前槽后区 域则是地转偏差风的纵辐合区。
§6.2 地转适应理论概要
1、适应过程和演变过程的基本概念：
演变过程
由动力平衡向动力不平衡过渡的
准 （发展过程） 过程，属于平衡中的运动过程。
地
转
过
适应过程
由动力不平衡向新的动力平衡过渡
程 （调整过程） 的过程，属于运动中的平衡过程。
2、适应过程与演变过程的可分性
1）时间尺度上的可分性
P坐标系大尺度水平运动方程一级简化可写为：
纵辐散辐合偏差风
（3）风的对流变化引起的地转偏差－－热成偏差风
V
k
Vh
f p
k
Vg
f p
f
R 2p
hT
热成偏差 风与大气的斜压性和垂直运动有关：当有上升运 动时，V 与 hT 方向相反；当有下沉运动时， V 与 hT 方 向相同，如出现暖（冷）中心区，则偏差风矢量由四周（ 中心）指向中心（四周）。
V
V
V
h
(
H t
)
h
(
H t
)
V
V
负变高中心
V
正变高中心
(2) 横辐散和纵辐散风：
1 f
k
《动力气象学思考题与习题集》
动力气象学思考题与习题集
（大气科学专业适用）
李 国 平 编
成 都 信 息 工 程 学 院 大 气 科 学 系
二 O O 一年六月编写 二 O O 五年八月修订
1
电子文档制作：成都信息工程学院 大气科学系 李国平（教授） ，2005 年 8 月
CP RT ) Cv
注意第(3)个关系仅是数量上的近似关系。 5 利用埃克曼公式，对于行星边界层中的单位截面积气柱，假定空气密度ρ为常 数，试求 (1)气压梯度力作功(或湍流摩擦耗损，两者在数量上相等)； (2)平均运动动能； (3)平均运动动能与扰动动能之间的转移率。 6 上题若假定空气密度 ρ =
2 1 ρ g z (其中 z 为液体自由面在水箱底以 2
-1
6
电子文档制作：成都信息工程学院 大气科学系 李国平（教授） ，2005 年 8 月
(2)试证明每单位面积的平均有效位能等于
1 ρ gz '2 ，其中 z'=z- z 。 2
(3)试证明从位能转化成动能的平均转换率为-ρgwz。 其中 w 为自由表面的铅直速 度。并根据水平气流穿越等压线的现象，对此结果作定性解释。 －2 3 设通过大尺度热力直接环流，全球平均动能产生的速率约为 2 瓦特·米 。 －1 (1)假定大尺度大气运动的均方根速度为 17 米·秒 ，试计算要完全补偿大气环流 的动能需要多长时间? (2)试计算大气热机的热效率。 (3)试计算大气热源与热汇间的温差。 4 若满足静力平衡，证明以地面为底(气压为 p0)，高为 h(气压为 ph)的单位截面积 * * * * 气柱，其位能Φ ，内能 I ，全位能 P 及动能 K 之间满足下列关系
第1章 大气边界层
z
=
z0
时仍满足对数分布规律：
∂V ∂z
z = z0
=
V* kz0
又∵
∂V ∂z
β = z = z0
V* z01−ε
∴ β = kz0ε
l
=
kz
⎛ ⎜ ⎝
z z0
⎞−ε ⎟ ⎠
（1.13） （1.14）
6
《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
(u
+
iv)
=
−if
ug + ivg
（1.22）
为求解方便，取
x
轴平行等压线，则
∂p ∂x
=
0, vg
=
0 （即此时地转风只有东西向分量），有
kz
∂2V * ∂z 2
−
ifV
*
=
−ifug
（1.23）
或
kz
d 2V * dz 2
− ifV *
=
−ifug
（1.23）’
方程的性质：一元二次非齐次常微分方程
) >> ∂ (
) ∂(
,
)。
∂z
∂x ∂y
5).湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常。
4 Ekman 层的主要特点
2
《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
1).湍流摩擦力，气压梯度力和科氏力同等重要。 2).物理量垂直梯度>>水平梯度。 3).下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送。 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman 螺线规律。
中纬度大尺度运动的准地转理论
Ro ~ 101, 可以取为摄动量
①
(11.21)
②
8
将②代入①，有：
平面近似：
将（11.31）、（11.34）随（11.29）一道，代入基本方程组（11.28），可 得无量纲方程组：
实为 的量级，即
D
～ R0 1
表明：这类准地转运动具有涡旋运动为主的特点。
1 f 0U 2 ～ . . gH
●由（11.6） 可知：
U R0 H W～ L
，若认为它与绝热方程分析出的 W ～
1 f 0U 2 L . gH H
大小相当，
U 即：L HR 0
Ro U f0 L
对于合理的小，若在整个区域内满足 ：渐进展式的相邻两项 中，后项量级小于前项 量级，即渐近解在区域 上市一直有效的，则这 一摄动问题成为正则摄 动问题；反之， 渐近解在区域上非一直 有效的问题，称奇异摄 动问题。 §11.2.2 例如，对浅水方程组 x分量方程 u u u u v fv 0, t x y x (1)无量纲化，取： ( x, y ) L( x* , y * ), (u , v) U (u * , v* ), t f 0 LU * , L * t U f f 0 (1 Ro * y * ), (11.19)
§11.2.1 摄动方法与多尺度方法 奇异摄动理论实为一庞杂体系，这里仅简述其思路步骤，再由实例加以运用： （1）对方程和定解条件进行无量纲化；（2）选取一个合适的摄动量，它是一 个无量纲的小的（或大的）参数ε；（3）将方程的解按此ε展开为幂级数，如 u=u0+ εu1+ ε2u2+……; (4)将该级数代入到无量纲方程，可得关于小参数ε的各 级近似方程，继而可确定出幂级数的各个系数u0、u1、u2、……；（5）若是 正规（则）摄动问题，就可对级数进行截断，便得到原方程之渐近解u≈u0+ εu1+ ε2u2 7 小参数方法， Wentzel, Kramers& Brillouin
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。
研究气象学中的天气预报理论
研究气象学中的天气预报理论一、气象学中的天气预报意义气象学是研究天气变化的学科，天气预报是气象学中一个非常重要的分支。
具有预报空气质量、自然灾害、交通运输、农业生产、旅游等方面的意义。
二、天气预报的基本要素天气预报需要考虑的主要元素包括温度、湿度、气压、风向和风速、降水等。
在预报时需要使用到的工具包括地面观测、气象卫星、雷达和数值模型等。
三、经验预报理论经验预报理论即根据历史气象数据和经验推断出未来天气的方法。
这种方法依赖于气象学家对历史天气的理解和运用。
例如，如果在同一地点的相同时间段内多次出现雷雨天气，那么根据以往的经验，可以推断出这段时间可能会出现雷雨。
四、数值模型预报理论数值模型预报理论是指根据数学建模的方式来计算未来气象值的预报理论。
这种预报方法需要有足够的计算机技术支持。
从数值预报的方法角度来看，预报结果由方程及初始条件推导而来。
五、机器学习预报理论机器学习预报理论是指根据过去气象数据和当前环境情况来推断未来气象预报的方法。
例如机器学习算法能够借助卫星图像和其他气象数据来自动预测当天和未来几天的天气状况。
六、深度预报理论深度预报理论是指基于大量数据预处理，以及结合机器学习算法来提高预报的准确率。
对于天气预报来说，此理论的表现形式就是将一些基础气象数据作为输入后，让神经网络自主学习，在不断地迭代后，较好地实现了准确预测。
总而言之，天气预报需要涵盖的因素非常多，理论上也非常多，不断研究和发展新的理论，才能更好地帮助人们预知未来的天气情况。
科技的不断提升，更好的数据准确性，以及算法的不断优化，这些都将带来气象学在天气预报方面的革命性进步。
准确预测地震的理论和方法
准确预测地震的理论和方法关键词：视觉感知规律，质体，同轴同旋定律，支撑律，质体效应推动人类文明进步的有两种技术，一种是经验性技术，像针灸，虽能治病，但不知道技术原理，它只是人们长期实践经验的积累。
另一种是以科学发现为基础建立的理论，在这种理论（原理）指导下实现的技术，推动人类社会文明进步的，主要是后一种技术。
质体论的物理学原理就是指导实现准确预测地震方法技术的理论。
准备预测地震的理论——质体论“质体论"总结出人类视觉感知六大规律，开创了运用视觉规律，从物质世界怎样体现了独立质量个体、质量的角度，认识物质世界，研究物理学的方法。
发现了第一种密度所体现的独立质量个体是物体，第二种旋转速度体现的独立质量个体是“质体”，创立了质体概念。
物质世界(宇宙)是一个旋转套着旋转，大旋涡套着小旋涡，小旋涡套着小旋涡的质体的世界(宇宙)。
发现了同轴同旋定律，支撑律和推动宇宙这架永动机(质量能量转换器)永远旋转下去的“质体效应”。
并发现牛顿经典力学混淆了物体和质体两种独立质量个体，修正了牛顿引力定律的阐述。
物质世界各范围有着各范围的规律，这些规律不能超范围的使用，超范围使用时，必须顺向使用，不能逆向使用，发现了“派次不逆定律”。
又发现自然界的强作用、弱作用、电磁作用，引力是质体组成质体，质体组成物体，质体和物体共同组成质体，物体组成质体，物体组成物体，物体质体共同组成物体，特殊组合型式中，质体效应所体现力的不同现象，运用质体效应统一了四大相互作用。
又搞清楚了质量、能量、时间、引力同是质体的旋转速度，揭示出真正的质量、能量转换过程和转换关系。
发现了景像呈现定律，揭示了角动量为什么会守恒，角动量守恒的存在，证明了“质体效应”的存在。
并揭示了正负电荷为什么会相互吸引，同性电荷为什么会相互排斥。
“质体论”在物理学研究中，用质体概念把宇观天体、宏观物体、微观粒子的三大系统，综合在“质体”的一个系统中，支称律、同轴同旋定律、“质体效应”适用于三大系统的统一描述。
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…………………………………………………………。
气象学与天气预报的基本原理与实践
气象学与天气预报的基本原理与实践气象学旨在研究和探索地球大气的变化规律，运用科学的手段对天气进行观测、分析和预报。
天气预报是气象学的一个重要应用领域，通过对天气系统的观测和分析，可以预测未来一段时间内的天气情况，为社会经济和公众生活提供有益的信息。
一、气象学的基本原理气象学的研究对象是大气的组成、结构、运动等方面的基本法则。
其基本原理主要包括大气层的分布、大气成分与气体运动定律。
1. 大气层的分布地球大气层可以分为对流层、平流层、中间层和热层等不同层次。
对流层是人类活动的舞台，大部分天气现象也发生在这个层次，而平流层则是飞机和居住在高山上的人们所在的区域。
中间层和热层则对人类的生活影响较小。
2. 大气成分与气体运动定律地球大气主要由氮气、氧气、水蒸气和少量的其他气体组成，其中水蒸气是天气变化的关键因素。
气体运动定律主要包括气压、温度和湿度的变化规律，这些因素相互作用产生了各种天气现象。
二、气象观测与数据分析天气观测是气象学的基础，通过对各种气象元素的观测，可以获取大量的数据，为天气预报和气象研究提供重要依据。
1. 气象观测要素气象观测要素包括气温、气压、湿度、风向风速和降水量等。
这些要素的观测可以通过气象站、卫星和雷达等设备进行。
2. 数据收集与传输观测到的气象数据经过采集、处理和传输后，形成气象数据库。
气象数据库的建设和管理对于天气预报的准确性和及时性至关重要。
3. 数据分析与模型运算通过对观测数据进行分析和处理，可以揭示天气系统的特征和变化规律。
利用气象模型进行数值模拟，可以预测未来一段时间内的天气情况。
三、天气预报的实践应用天气预报的目的是为了提供准确、及时的天气信息，以便公众和相关部门做出合理的决策和安排。
1. 天气预报类型天气预报分为短期预报、中期预报和长期预报。
短期预报通常是基于实时观测和近期模型预测，其时间范围一般为几小时到三天。
中期预报的时间范围为3天到10天，长期预报则是10天以上。
地球系统模型在气候预测中的应用
地球系统模型在气候预测中的应用气候变化已经成为世界各国共同关注的问题。
气候预测可以帮助人们了解未来可能的天气情况，以便采取相应的措施。
地球系统模型正被广泛应用于气候预测中，为气候预测提供了更加科学准确的预测结果。
什么是地球系统模型？地球系统模型是一种运用自然科学、数学和计算机科学来描述地球大气、地表水三维空间运动规律的模型。
地球系统模型被广泛应用于地球科学研究中，通过对自然过程的理论模拟与实验验证来提升人们对地球环境与生命系统的认知。
在气候预测中应用地球系统模型地球系统模型将全球气候、水文循环、生态系统和人类活动等多种因素结合在一起，提供了气候预测所需的科学信息。
通过对全球气候系统运动规律的模拟，地球系统模型可以预测未来几天、几周甚至几个月内的天气情况。
地球系统模型主要由以下几个方面组成：1. 大气层模块：包括对大气温度、湿度和气压等变量进行预测。
2. 海洋层模块：包括对海水的温度、盐度和流量等变量进行预测。
3. 地球表面模块：包括对陆地表面、水体表面和海底等变量进行预测。
4. 生态系统模块：包括对全球生态系统的变化进行预测。
5. 人类活动模块：包括对人口增长、交通运输、工业生产等人类活动对气候的影响进行预测。
这些模块可以互相连接，形成一个完整的地球系统模型，模拟地球上的物理、生态和人类系统之间的相互作用，以预测未来的天气情况。
地球系统模型的优点1. 多元化的信息传输：地球系统模型将全球各个区域的气候、大气、水文循环和生态系统等多种信息相互联系，可以更好地预测世界各国的气候情况。
2. 更加准确的预测结果：地球系统模型考虑了全球气候系统的复杂性，预测的结果更加准确，比传统的气象预测方法具有更高的精度。
3. 模型适用性强：由于地球系统模型不仅仅反映气象和大气信息，还考虑了环境和生态等因素，所以它所预测的结果将更加接近实际情况，从而提高了其应用价值。
地球系统模型的限制1. 模型复杂度高：地球系统模型需要运用自然科学、数学和计算机科学等多学科知识，建立模型的复杂度极高，对于科技水平低的国家，可能存在难度和经济成本。
天气预报的三次跃进
天气预报的三次跃进杜钧;钱维宏【摘要】The scientiifc evolution of weather forecasts is brielfy reviewed from a historical perspective in this paper. During the last 100 years, applications of weather maps (surface and upper air) and numerical weather prediction (NWP) to daily weather forecasts marked two major achievements:weather maps expanded our view from two dimensions to three dimensions in space and NWP brought us ahead of real weather in time. Through these advancements, weather forecasting has gradually evolved from an empirical to a qualitatively-reasoning and further to an exact physical science based on mathematical equations. With the discovery of chaos by Prof. Edward Lorenz, weather forecasting is now undergoing its third philosophical revolution from a deterministic to probabilistic world to facing the reality of its limited predictability. Two different approaches are presented, as the main focus of this paper, to deal with the limitation of predictability and forecast uncertainty: one is using ensemble forecasting technique to directly quantify and include forecast uncertainty information in a forecast which can be utilized by end-users to make better decisions;the other is an attempt to have a workaround of nonlinearity mathematically by decomposing a meteorological ifeld into climatic and anomalous two components. Therefore, weather forecasting could be possibly simpliifed in dealing with the anomalous components only.%回顾过去100多年，天气预报经历了两次跃进：第一次是地面和高空天气图的绘制和应用（空间上的跃进），第二次是数值预报的实施（时间上的跃进）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
天气分析
气压场分析
等压面高度的意义：
相同质量垂直气柱的高度 （在海平面气压相同的前提下，
1000 hPa等压面的起伏非常小）
等压面的高度取决于 该等压面以下整个气 柱的平均密度/温度
大气质量的空间分布—— 密度或温度+气压分布 （大气状态方程）
理论的价值
• 发现混沌现象的著名理论气象学家E.N.Lorenz（洛伦兹） 的一段演讲词： • “我很清楚，一个有经验的预报员和一个没有经验的预报 员作出的预报，其准确率可以相差很大，主观经验是很有 价值的，应该提倡在实践中积累经验。但是，经验没有历 史，经验父亲不能传给儿子，丈夫不能传给妻子，人存经 验在，人亡经验消。要发展气象科学，提高天气预报准确 率，经验方法不能作为主要途经。而要依靠将经验的方法 转变为数学和物理的方法。”
Lagrange法和Euler法
拉格朗日变量（观点）：简称拉氏变量。着眼于个别流点，跟踪考察确 定的个别流点在不同时刻的速度和位置。即以某一流点为对象，研究其 空间位置及物理量随时间变化的规律，进而推广到整个流体中的所有流 点。实例：漂流瓶、示踪剂。 欧拉（Euler）变量：以流体空间某一固定体积元（空间中的固定点）为 对象，研究不同时刻流体通过该固定点时的运动状态及物理量的变化规 律。实例：气象站、水文站。
二、基本概念
认识地球大气
薄 流体 准水平
连续介质假设：大气是连续的流体介质，
没有固定的形状； 地球大气是三维的，没有侧边界和上边界， 只有下垫面； 薄层近似：地球大气是扁平的（对大尺度系统
而言）
高︰宽≈10km︰103-5km 准水平近似：大气以水平运动为主，垂直 运动很弱 （10 m/s : 0.01 m/s）
尺度问题，观测资料的代表性，多尺度，尺度转化 静力学方程 动力学方程，地转风 连续方程，（高低空）质量补偿原理，抽吸作用 （效应） 热力学方程，绝热变化，非绝热加热（外部加热）
准地转理论在大尺度天气预报中的应用 及个例分析
最后（实习课）！
目 标
准地转理论的关键是 高低空要素场的配置！
天气分析要建立静态的三维空间配置的概
准地转理论 及其在天气预报中的应用
I 基本理论
成都信息工程学院 李国平 ()
2013年11月
注：基于北京大学陶祖钰教授和中国气象局干部培训学院周小刚副教授等的课件增添改编而成
提纲
引言 基本概念 准地转方程 地转适应过程
课外学习资料
一、引言
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
在对流层上部，海平 面气压的大小对等压 面高度的影响很小， 可以忽略不计。 等压面高度高，其下 方的空气暖、密度小； 高度低，其下方的空 气冷、密度大。
气压和温度密不可分： dp=-gdz 高空观测： 等压面高度是根据气压和
d RTd ln P
标准等压面的 p 2 平均高度和变化范围（大致） 1 2 RTm ln p1 1000 hPa: 0米，~50米 925 hPa：700米，~100米 850 hPa：1500米，~200米 p1 700 hPa：3000米，~300米 500 hPa：5500米，~500米 300 hPa：9000米，~800米 200 hPa：12000米，~900米 p2
准地转理论 Quasi-geostrophic theory QG理论
为什么要学准地转理论？
预报员的困惑 理论抽象 不好捉摸 没有头绪
如何分析 天气系统？
动力气象学+天气学原理 认识大气规律的方法论 大气哲学
名词多、概念杂
位温，位涡
？
天气预报问题的根本
中高纬度大气三维结构的关系 大尺度水平环流与次级环流（垂直运动）的 关系 天气系统发生发展的机理
念（高低空之间和气象要素之间配置） 天气预报思路要建立准地转演变发展理论 的概念（动态的三维空间配置） 回归“正统”和“常识”（厘清动力气象 的基本概念） 用好数值预报产品（动力气象理论成功应 用的重要标志)
准地转是三维问题
斜压发展 天气分析预报要讲究 高低空配合！
当前学习准地转理论的意义
风力预报 气压梯度
降水预报
水汽条件
上升运动
气压系统
气压倾向 降水系统
温度预报
（热力学方程）
什么是ห้องสมุดไป่ตู้地转理论？
中纬度 大尺度 斜压扰动 发生发展的机理
动力气象学（大气动力学）理论在天气学中的重 要应用
短期天气预报的理论基础，指导思想，以及分析 技能（工具） 例如： （1）天气系统发生发展的机理和判据 （2）上升和下沉运动等动力强迫的产生机理和 判据 （3）三维结构（高低层配置）关系分析的依据
拉氏观点的优点：描述流体运动直观、明了（跟踪流点），如研究高层 大气中的物质输送问题。缺点：解决问题时，应用数学工具不方便。 欧拉观点的优点：把流体运动当作（流）场随时间的变化，便于应用矢 量分析、场论和数理方程等数学工具，应用更为广泛，如流体力学、动 力气象学研究中涉及的绝大多数问题。缺点：研究整个流场需要建立很 多观测点。
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
等压面形势随高度的变化
（三维空间配置问题） 根本原因： 温度分布不均匀 等压面厚度公式
（静力学关系的另一种形式）
大气的斜压性 中高纬度大气的基本特性！ 正压：等温面和等压面平行，等压 面上温度均匀，等压面坡度不随高 度变化（等压面形势不随高度变化） p 1 2 RTm ln 2 斜压：等温面坡度大，与等压面斜 p1 交； 等压面上温度不均匀（包括等 温线和等高线不平行）；等压面坡 度随高度变化 气压系统的垂直结构 热力对称的气压系统
地转风公式 热成风公式 准地转涡度方程 准地转方程组（准地转模式） 准地转位涡方程 准地转位势倾向方程（诊断系统的强度及移动） 大气运动方程组 准地转ω方程（诊断垂直运动） 的高度概括 准地转Q矢量 地转偏差 准地转演变过程 地转适应过程
学习方法
1、严谨：概念和范畴（还要懂一点哲学，
逻辑思维，自然辩证法：矛盾转化）
2、基础：物理学、流体力学、数
学
结合天气图！
3、求实：大气动力学结合天气学
以及天气实例
推导可以不强求
4、重在理解：懂得基本公式的重要方程，但数学
逻辑思维
名词定义的唯一性 逻辑关系环环相扣 同一事物的不同侧面 * 风场分解与辐合辐散——辐合辐散是风场的一种特征 * 辐合辐散与垂直运动——是组成次级环流的两个方面 （方向） * 变压风、散度风（辐散风）、无辐散风（旋转风）、地 转风、非地转风 动力强迫——物理机理（因果问题）
气象量变化的数学表示
涡度（矢）
涡度与角速度的关系
散度
连续方程---质量守恒定律
气压场分析
气压水平分布的意 义： 大气质量的空间分 布（密度分布） 气压的意义： 微观：分子撞击 宏观：气柱重量 （静力学公式，垂 直方向气压梯度力 和重力的平衡） 唯物论和辩证法： 物质和物质的运动
基本环流（水平） 和 次级环流（垂直）
连续介质假设
质点力学中把实际物体抽象概括称为“质点”（ 有质量但无体积），流体力学也把实际流体抽象 概括为“流点”或“连续介质”。 连续介质假设：把离散分子构成的实际流体，看 作是由无数流体质点没有空隙、连续分布而构成 的，称为“流点”，即流体质点是大量流体分子 的集合，气象上称为空气微团或气块。
流体质点是连续分布的，其上的物理量（如温度 、密度、速度等）也是连续分布的，从而构成各 种可用连续函数表示的物理量场，可运用高等数 学中微积分、矢量分析与场论的知识加以研究。
欧拉方法 流体力学的 场：变量在某一瞬时的空间分布 基本概念 系统：场的某种结构（型式，如波动） 系统移动速度：场随时间的变化，如波速。 波速（波的传播速度）风速（气块的流动速度） 气象观测：固定地点（气象站） 引导？ 流体力学方法：简洁、完整 （内在规律） 拉格朗日方法 风：空气质点的运动速度 轨迹：不同时刻空气质点的位置 物理规律直接明了 直观易懂 不易观测（可操作性差） 但不一定对 （表象）
准地转方程组是近代动力气象学的核 心 （Holton，《动力气象学引论》）
认识大尺度环流变化的机理
正本清源
如何在天气预报中应用？
提高天气分析水平和预报思路 正确释用数值预报产品
数值预报是 人类20世纪 最伟大的科 学成就之一
预报员不是工匠