天气学诊断分析第1--5章
《天气学诊断分析》课程教学实践与尝试
《天气学诊断分析》课程教学实践与尝试本文主要讲述了有关《天气学诊断分析》课程教学实践与尝试的情况。
《天气学诊断分析》这门课程在大学开设，被认为是一门有关气象预报和预测的重要专业，非常重要。
因此，它的教学实践和尝试也十分重要，这一实践也能激发学生学习的热情，让他们更加深入地认识和掌握有关天气学的专业知识。
首先，在这门课里，老师会给学生一个关于天气学的理论框架，使学生理解和掌握相关理论。
同时，老师还会用一些图表、标注和模型，让学生对天气学的概念有一个全面的认识，从而增强学生的理论知识。
然后，在学习中，老师会与学生就有关天气学的实践进行一系列活动，这些活动旨在运用理论知识，更加熟悉和灵活运用有关天气学的诊断分析思维方式，还可以通过实验进行发现和解决问题。
这样，学生就可以在发现问题时，直接综合天气学的诊断分析知识，制定良好的解决方案，从而提高学生的实践能力。
最后，老师会安排一些模拟气象诊断分析题目，让学生熟悉思考如何运用天气学的诊断分析思维，以得出准确的结果。
气科天气分析第五讲
2020/10/31
HHH为等压面的绝对位势高度。
500hPa
填千、百、十位
850和700hPa 填百位、十位和个位
（历史填图格式），
现在填图与500hPa同
gpm为单位
TT为等压面上的温度。
填小数一位（历史填图格式），
现在填图不带小数
dd、ff为风向和风速。填写格式同地面图
DD 为等压面上气温与露点差。 5℃以下填个位、小数一位；5℃以上
• 分析等压面形势图的目的是要了解空间气压场的情况。等压面起伏不平现象 实际上反映了等压面附近水平面上气压分布的高低。
• 同高度上气压比四周高的地方，等压面的高度也较四周为高，表现为向上凸 起，且气压高的越多，等压面凸起也越厉害；同高度上气压比四周低的地方， 等压面高度也较四周低，表现为向下凹陷，而且气压越低，等压面凹陷得也 越厉害。
• 若降水区内某一个或某几个测站无降水，应将 其用绿色铅笔圈起，该圈内不画绿色斜线；
• 过去一小时降水，视同现在降水。 • 当雷暴区在一般降水范围内时，绿色斜线可穿
越；个别站除分别标注其填图符号外，绿色斜 线可穿越；
• 标注大风符号的风向应和实际风向一致。当风向 变化较大时，应标注不同方向的风的符号，所标 注的不同风向之间间隔必须大于90°
要标识的天气符号：
雨、雪、大风、雾、沙尘暴、台风
天气区 常见：雨、雪、大风、浓雾、雷暴、沙尘暴
雨不标天气现象 雪要标注天气现象 间歇性降水用斜线 连续性的涂色 大风、沙尘暴要标
注 大雾要分析
注意的几点问题
• 相邻2个以上测站有降水时，用绿色笔圈出降水 区范围，并在该区域内画绿色斜线。该斜线应 与纬度线交角为45°，斜线的走向应为东北— 西南向，间隔为5～10 mm。
第一章 天气分析的内容和方法
第一章天气分析的内容和方法学习要点本章介绍了常用的天气分析预报的资料、图表、分析方法、预报方法和预报思路。
天气分析是根据天气学和动力气象学的原理，对天气图和各种探测资料进行分析。
通过天气分析，可了解天气系统分布状况、空间结构及其演变的过程，明确天气系统和天气变化的关系，进而判断未来天气变化趋势，为天气预报提供依据。
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。
本章从天气图分析、物理量诊断、卫星、雷达等探测资料分析以及中尺度分析、数值预报产品、集合预报等方面对天气分析的主要内容和方法作一简要介绍。
1.1 天气图分析天气图是填有各地同一时间气象观测记录的特种地图，它描述了某一瞬间某一区域的天气状况。
天气图能显示各种天气系统和天气现象的分布及其相互关系，是分析判断天气变化、制作天气预报的基本工具。
一般分为地面天气图、高空天气图和辅助天气图三类。
过去天气图的填绘主要由手工完成，现在天气图的绘制都是由计算机完成。
目前业务上使用的MICAPS平台能显示常用的各种天气图。
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。
详情进入图1.1 MICAPS中地面填图格式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。
天气诊断分析
天气诊断分析（讲义）尚可政王式功靳立亚兰州大学大气科学学院内容简介本书简明介绍了天气分析和预报中各种常用物理量场特别是涡度、散度、垂直速度、水汽通量散度、能量场、Q矢量、位涡度、条件性对称不稳定、粗Ri数、螺旋度、能量-螺旋度指数、雷暴大风指数等的诊断分析方法和数值预报产品的应用技术。
全书约13万字，共分八章。
可做为高等院校大气科学专业本科生的教材，也可供相关专业的教师、研究生及气象台站预报人员使用。
前言诊断分析方法是大气科学研究中常用的一种方法。
在天气分析中有一些十分重要的物理量，如涡度、散度、垂直速度和水汽通量散度以及各种能量场等等，这些物理量与一般的气象要素(温、压、风、湿)不同，它们通常是无法由观测直接得到的，而必须通过其它要素由计算间接获得。
这些物理量在某时刻的空间分布被称为“诊断场”。
诊断场和预报场是不同的，预报场是对未来时刻某物理量场的预报结果，在反映大气环流演变的流体动力学天气方程组中有一些十分重要的物理量即属于可以通过时间积分作预报的“预报方程”一类；而诊断场是物理量方程中不含有它对时间的微商项。
反映各气象要素场之间关系的不含有对时间微商的方程称为“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、发展的关系称为诊断场分析。
诊断分析方法是加深认识天气系统及其发生、发展过程的一种重要途径。
可应用于大气科学中的各个领域，如气候诊断分析，大气环流模式和天气预报模式的诊断分析以及物理量场的诊断分析等等，随着计算机的发展和普及诊断分析方法已在气象台站业务中得到广泛应用，并且越来越受到广大气象工作者的重视。
本书着重介绍天气分析和预报中各种物理量场的诊断分析方法，其中不少是作者近年来在科研中改进应用的新方法。
由于作者学术水平的限制，可能会有不少错误和不妥之外，欢迎广大读者批评指正。
作者 2012年03月于兰州大学目录第一章地图投影诊断分析中需要计算某些物理量(如涡度、散度等)的空间导数，如何计算，这就涉及到坐标的选取问题。
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
天气学诊断分析第1--5章
维展开式是：
f x x f x
df
dx
d2f x x dx2
x2 d3f
x
2!
dx3
x3 x 3!
它表示间隔为Δx的离散点f(x+Δx)和f(x)之间 与导数f´(x),f’´´(x) ，……的关系。在理论上， 其展开式是精确成立的。
各种差分公式都是由泰勒 （Taylor)展开式来构成。
x
(2x) 3 3!
(1.1.3) (1.1.4)
• (一）两点式差分方案 • 将（1，1，1）式移项并整理,可得
dA dx
x
Ax
x
x
A(x)
d2A dx 2
x
x 2!
d3A dx 3
x 2 x 3!
• 略去方栝号內高阶微商项。得一阶微商的向前差分方案
• •
dA dx
x
Ax x A(x)
（三）用几何图形直观地理解，上述几种一阶微 商(导数) 差分方案的精度。如图2所示：
• A(x)的一阶导数是表示，A(x)曲线在 x 点的切 线L0的斜率.向前差
• 分两点式是表示直线 • L1的斜率。向后差分 • 两点式是表示直线L2 • 的斜率。三点式（中 • 心）差分是表示直线 • L3的斜率.可见，L3 与L0的斜率误差较小, • 其它的误差都较大.
Ax x Ax dA
dx
x
x
d2A dx 2
x
x 2 2!
d3A dx 3
x
x 3 3!
• • 因为气象要素场多呈现波动规律,因此我们可以 • 假定: A(x)=BSin(2πx/L), • 式中L为A要素场的波长, B为其振幅。
• 其一阶微商是 • A'(x)=BCos(2πx/L) ·(2π/L), • 其二阶微商是 • A''(x)=-BSin(2πx/L) ·(2π/L)², • 其三阶微商是 • A'''(x)=-BCos(2πx/L) ·(2π/L)³.
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。
天气诊断分析5
第四章 垂直速度的计算垂直速度ω是一个在一般条件下不能直接测量,却又非常重要的物理量。
垂直上升运动可以使空气质点从未饱和状态达到饱和状态,水汽凝结后可产生降水。
它是预报降水,尤其是暴雨、冰雹等灾害性天气的重要因素之一。
因此，近年来人们对计算垂直速度的方法作过多种试验和结果对比。
由于垂直速度计算方面的内容较多，因此单独编为一章进行叙述。
本章介绍几种常用的计算垂直速度的方案，并简述各种方案的优、缺点。
§4.1 个别变化法对任何一种气象要素的个别变化,可以写成ddt t V w Z =+∙∇+∂∂∂∂求解w,可以写成w d dt tV Z=-+∙∇⎛⎝ ⎫⎭⎪⎡⎣⎢⎤⎦⎥∂∂∂∂ (4.1)这种方法中，d/dt 项不易确定。
如果用比湿q 来计算垂直速度时，设大气中没有蒸发、凝结过程,则dq/dt=0，有w dq dt q tV q q Z=-+∙∇⎛⎝ ⎫⎭⎪⎡⎣⎢⎤⎦⎥∂∂∂∂ (4.2)根据上式，已知比湿的局地变化、湿度的平流和比湿的垂直梯度,就可以计算出大气的垂直速度。
湿度变化较大，计算也麻烦，一般常取湿度的个别变化来计算大气中的垂直速度。
根据热力学第一定律，当大气处于绝热状态时，可以写成ωPC RT dtdP P C RT dtdT p p ==(4.3)将ωρ=-gw 代入上式,则dT dtw d=-γ展开可以写成∂∂∂∂γTt V T w T Zw d+∙∇+=- ，移项后∂∂γγT tV T w d+∙∇=--() (4.4)求出 w TtV Td=-+∙∇-∂∂γγ(4.5)上式中Z T C g p d ∂∂γγ-==,/用(4.5)式计算大气垂直速度时,只要知道固定地点的温度局地变化和温度平流，再知道实际温度递减率就可以计算出大气中的垂直速度。
对于干空气来讲，位温具有保守性，它比温度属性更好些、位温的个别变化为d dt t V w Zθ∂θ∂θ∂θ∂=+∙∇+ (4.6) 则有w tV Ztux vyZ=-+∙∇=-++∂θ∂θ∂θ∂∂θ∂∂θ∂∂θ∂∂θ∂(4.7)因为pC Rp T ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1000θ，在等压面上可以写成θ=∙T k p (),同时考虑∂θ∂θγγZ T d=-()，代入(4.7)得：)())(()()(γγ∂∂∂∂∂∂γγ∂∂∂∂∂∂γγθθ∂∂θ-++-=-++-=-∇∙+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛dyT vxT u tT dp k p k yT vxT utT d TV t w(4.8)从上式可知在等压在上计算垂直速度的公式与(4.5)式是一样的。
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Ax x A(x)
x
(1.1.5）
（1，1，5）式向前差分两点式的几何意义，是表 示通过A(x+x)和A(x)两点直线的斜率。
而一阶微商的几何意义是：表示通 过A(x)点曲线的切线斜率。
Ax x Ax
x x x
用同样方法,由（1.1.2）式可得一阶微商的 向后差分方案
• 三,诊断分析的应用(它的应用主要在两方面) • 1，在天气动力学的研究中，可做为有力 • 的研究工具。用诊断分析来了解产生某些天 • 气过程的物理原因。例如，用ω方程做为诊 • 断方程，用暴雨过程的实测资料,计算该方 • 程中各物理量，以了解在此次暴雨过程中强 • 上升运动，主要是那些因子引起的。又例如, • 用涡度方程和ω方程做为诊断方程，用气旋 • 过程的实测资料，计算诊断方程中各物理量, • 以了解在此次气旋发展中，涡旋运动的加强 • 和减弱，主要是那些因子引起的。
Ax x Ax dA
dx
x
x
d2A dx 2
x
x 2 2!
d3A dx 3
x
x 3 3!
(1.1.2)
Ax 2x Ax dA
dx
x
2x
d2A dx 2
x
(2x) 2 2!
d3A dx 3
x
(2x) 3 3!
Ax 2x Ax dA
dx
x
2x
d2A dx 2
x
(2x) 2 2!
d3A dx 3
天气学诊断分析
引言 目前天气学对天气作分析有两种方法。一种是天 气图分析；另一种是诊断分析。以下首先对比这两 种方法的优缺点，以便能更好地应用好这两种方法。 一， 天气图分析的优点与问题 优点： 天气图分析能展示出大气中气压场，温 度场和天气区分布特征及其演变情况, 图象很直 观, 一般情况下也容易被理解。为我们提供了 很有用的天气研究工具和天气予报工具。
x
(2x) 3 3!
(1.1.3) (1.1.4)
• (一）两点式差分方案 • 将（1，1，1）式移项并整理,可得
dA dx
x
Ax
x
x
A(x)
d2A dx 2
x
x 2!
d3A dx 3
x 2 x 3!
• 略去方栝号內高阶微商项。得一阶微商的向前差分方案
• •
dA dx
x
Ax x A(x)
维展开式是：
f x x f x
df
dx
d2f x x dx2
x2 d3fxຫໍສະໝຸດ 2!dx3x3 x 3!
它表示间隔为Δx的离散点f(x+Δx)和f(x)之间 与导数f´(x),f’´´(x) ，……的关系。在理论上， 其展开式是精确成立的。
各种差分公式都是由泰勒 （Taylor)展开式来构成。
• 而我们能得到的气象要素值都是在离散点上得到
• 的离散值。我们不可能对气象要素进行理论上的
• 导数运算。因而在应用天气动力学理论，对具体
• 天气资料做研究时，我们必需用有限差分方法代
• 替导数运算。因此，这也是气象理论研究和实际
• 工作中必需掌握的基本方法。
§1 简单有限差分公式
其理论依据是：泰勒（Taylor) 展开式。它的一
天气学诊断分析存在的问题是： • 1、计算值的准确性问题。 其原因是： • 1），所用资料存在观测误差。 • 2），所用资料存在代表性误差。主要指大 • 尺度的观测网，包含有局地地形影响和中小尺度 • 天气的观测值。 • 3），差分计算方法的误差。 • 2、天气动力学理论方程的不完整性。因为 • 理论方程常常是在某些假定下得到的。这样 • 假定有时与实际相差甚远。
f x x f x
x x x
一。 一阶微商的几种差分方案
设已知某一要素A(x)在等距离格距Δx的格点的 值为 A(x), A(x+Δx), A(x +2Δx), 则其泰勒 （Taylor)展开式为:
Ax x Ax dA
dx
x
x
d2A dx 2
x
x 2 2!
d3A dx 3
x
x 3 3!
(1.1.1)
2，在日常天气业务予报中，也可做为有力的工 具。用诊断分析来展现那些天气物理因子的空间分 布特征和天气区的关系及其时间变化规律，为天 气预报提供更多的合理依据。
在日常天气业务予报工作中，诊断分析和天气图 分析，应该是相辅相成的工具。
本课的第一章有限差分方法，讲解天气学理论中偏 微分公式如何转变成差分公式以便实际计算；
天气图分析存在的问题有： 1，分析有一定人为的主观性。如锋面和槽线
的分析，缺少数量的标准。 2，不能分析出复杂天气演变的物理原因。 3，它所分析的项目与天气动力学理论要求相
差甚远。
• 二， 天气学诊断分析的内容及其优点与问 题
• 它的分析内容及优点是：完全在天气动力学理 • 论指导下，计算分析天气动力学因子。例如它 • 计算分析：比湿，相对湿度，相当位温，风场 • 的涡度和散度,垂直速度，水汽通量，水汽通量 • 散度，涡度平流，温度平流等等。 • 比较定量客观地展示这些物理量空间分布和 • 时间变化情况。为我们提供了从物理原因上， • 理解天气变化规律，为天气学理论在实际天气 • 研究与预报提供了很有用的工具。
天气学诊断分析 徐文金 (南京信息工程大学大气科学学院) 本课为选修课，总学时32，其中讲课26学时， 上机实习6学时，周学时2 ，学分2.
讲课的时间和地点按学校规定的课程表进行。
上机实习时间定在12、13、14周的星期五下午7～8
节，地点在网络中心（老图书馆）311和205室。
参考书： 1.周军，天气学诊断分析，我校自编教材。 2.朱乾根等，天气学原理和方法（第四版）， 第七章§7.1和第十一章，气象出版社，
x
（1.1.5）
• 其误差(也称为截断误差)即是所略去的高阶微商项. • 误差的数量级取决于其中微商阶数较低的第一项.并 • 与其中的Δx 幂次方成正比.因为微商阶数较低的项其
数量级较大. 在(1,1,5)式中误差的数量级与Δx一次方成正比.记为 O(Δx). 并称之为一阶精(确)度.
dA dx
x
第二章讲解温湿特征参量的计算方法和应注意的问题； 第三章讲解运动学特征参量的计算方法和应注意的问 题； 第四章讲解由风场计算速度势和流函数的计算和求解 方法；
第五章讲解水汽通量、水汽通量散度和理论降水量 的计算方法和应注意的问题。
•
第一章 有限差分方法
• 学习有限差分方法的必要性：
• 描述天气演变规律的理论，都是偏微分方程。