南京信息工程大学天气学原理第五单元知识点

知识点第五单元§5.1天气系统外推预报法1.天气预报的概念及其分类天气预报是根据气象观测资料，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做出定性或定量的预测。

天气预报包括天气形势预报和气象要素预报。

2.外推预报法的概念及其分类外推预报法是根据最近一段时间内天气系统的移动速度和强度变化规律，顺时外延，预报出天气系统未来的移动速度和强度变化。

外推预报法分为等速外推和加速外推两类。

3. 等速外推等速外推假定系统的移动速度和强度变化基本上不随时间改变，系统的移动距离或它的强度与时间成线性关系，外推依据这种线性关系进行。

因此，等速外推又称为直线外推。

4. 加速外推加速外推假定系统的移动速度和强度变化接近等加速状态。

这时，系统的移动距离或它的强度与时间成曲线关系，外推时要考虑加速情况。

因此，加速外推又称为曲线外推。

常见问题第五单元§5.1天气系统外推预报法1.天气形势预报和气象要素预报的区别和联系。

天气形势是指大范围流场、气压场、温度场三度空间的分布形势。

它包含了大范围的环流及环流形势的各个天气系统。

天气形势预报用以预报各种天气系统的生消、移动和强度变化。

气象要素预报，包括气压、气温、湿度、风、云量、降水量和能见度等气象要素的预报。

天气系统及天气形势预报是气象要素预报的基础。

2.等速外推和加速外推的比较两者都是外推法。

如果是等速外推，至少需要两个时次的数据，方可推知第三个时次系统的位置和强度。

而对于加速外推，则至少需要三个时次的数据，才可推知第四个时次系统的位置和强度。

3.外推法的注意事项大气运动需处于相对稳定的状态，天气系统的运动速度和强度变化通常是渐进的，且具有连续性，此时运用外推法做预报比较有效。

而当大气处于显著变动状态时，天气系统的运动速度和强度就会发生剧烈变化，或者大气运动由相对稳定状态转为显著变动状态时，就不能简单地应用外推法来做预报。

若属于外推预报法适用的情形，应用时仍要注意以下三点，1、系统位置和强度一定要定准确；2、已知数据各个时次的时间间隔不能过长；最后，外推时间不能过长。

知识点第五单元§5.2天气系统运动学预报法（1）1. 固定坐标系和运动坐标系中局地变化的关系不考虑垂直运动，固定坐标系中：2∇∙+∂∂=V t dt d 运动坐标系中：2)(∇∙-+=C V t dt d δδ任何气象要素的个别变化与所取坐标系无关，即运固)（)（dtddt d = 可得如下关系式：22)(∇∙-+=∇∙+∂∂C V t V t δδ进一步整理得：2∇∙+∂∂=C t tδδ 上式左端表示运动坐标系中局地变化，右端第一项表示固定坐标系中局地变化。

2. 高空槽、脊的移速公式推导取运动坐标系随着槽、脊线一起移动，设X 轴垂直于槽、脊线，自西指向东，则移速x C C =。

在槽、脊线上0=∂∂xH。

将x H ∂∂代入2∇∙+∂∂=C t t δδ，得：(()(x Hx C x H t x H t x ∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂δδ。

在运动坐标系中，槽、脊线上的x H ∂∂的局地变化为零，即0)(=∂∂xHt δδ。

等式左端为零。

由此，可得到高空槽、脊系统的移速公式如下：222x H t x HC C x∂∂∂∂∂-==。

3. 高空槽、脊移动的定性规则方向：槽沿变高梯度方向移动，脊沿变高升度方向移动。

大小：槽的移速大小与变高梯度成正比，脊的移速大小与变高升度成正比；槽、脊的移速大小与系统的强度成反比。

常见问题第五单元§5.2天气系统运动学预报法（1）1.如何定性判断高空槽、脊的移动方向。

槽沿变高梯度方向移动，脊沿变高升度方向移动。

2.如何根据移速公式判断高空槽、脊的移速大小。

由高空槽、脊的移速公式：222x H t x H C C x∂∂∂∂∂-==。

当系统强度相同时，即移速公式的分母部分位势高度的二阶偏导数相同。

则对于槽而言，位势高度的二阶偏导数大于零，所以移速大小与变高梯度成正比。

对于脊而言，位势高度的二阶偏导数小于零，所以移速大小与变高升度成正比。

而当变高升度或梯度相同时，槽、脊越强，则位势高度的二阶偏导数的绝对值越大22x H∂∂，那么移速的绝对值就越小。

可见，强系统比弱系统移动慢。

3.如何使运动学方法成为具有动力学意义的方法。

不用过去的变高（或变压）代入运动学公式，而使用运动学方法分析所得的变高（或变压）代入运动学公式中，则运动学公式就有了动力学意义，不再是简单的外推法。

知识点第五单元§5.2天气系统运动学预报法（2）1.地面高、低压系统中心的移速公式推导由于气压系统一般是近椭圆的，取坐标原点o、x 轴、y 轴分别与椭圆的中心、长轴和短轴重合，则系统中心的移速C可分解为x C 和y C 两个分量。

将x P ∂∂代入2∇∙+∂∂=C t t δδ，得以下关系式：)()()()(x Py C x p x C x P t x P t y x ∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂δδ。

由于系统中心0=∂∂x P ，则0(=∂∂x p t δδ，02=∂∂∂xy P 。

则等式左端为零，右端第三项也为零。

由此，可得系统中心在x 方向的移速公式如下：222x P t x PC x∂∂∂∂∂-=。

同理，可得系统中心在y 方向的移速公式：222y P t y P C y∂∂∂∂∂-=2. 地面高、低压系统中心移动的定性规则方向：正圆形高压沿变压升度方向移动，低压沿变压梯度方向移动。

椭圆形高压的移动方向介于变压升度与长轴之间，长轴越长，越接近于长轴方向；椭圆形低压的移动方向介于变压梯度与长轴之间，长轴越长，越接近于长轴方向。

大小：高压移速与变压升度成正比，低压移速与变压梯度成正比；高、低压移速均与系统中心强度成反比。

常见问题第五单元§5.2天气系统运动学预报法（2）1.如何定性判断椭圆形闭合系统移动方向。

椭圆形高压：移动方向介于变压升度与长轴之间，且长轴越长，高压越接近于长轴方向移动。

椭圆形低压：移动方向介于变压梯度与长轴之间，且长轴越长，低压越接近于长轴方向移动。

2.如何用运动学方法预报气压系统的发展。

从原则上讲，当低压中心出现负（正）变压时，低压将加强（减弱）。

当高压中心出现正（负）变压时，高压将加强（减弱）。

3.实际工作中，如何定性地判断系统的移动快慢。

在不考虑变压（变高）梯度或升度变化的情况下，加强的系统移动是减速的，减弱的系统移动是加速的。

4.运动学预报法的适用范围。

运动学预报法本质上仍是外推法，适用于相对稳定的大气运动，不能预报出系统的转折性变化。

知识点第五单元§5.3 高空形势预报方程（1）1. 平均层的概念。

dp tp t p ⎰∂∂=∂∂01ζζ 利用积分中值定理，平均层可理解为固定点整层涡度局地变化的积分平均等于平均层上该点的涡度局地变化，即用平均层来代替整层的结果。

从实际工作和理论分析来看，平均层接近600hPa 。

平均层涡度方程T T V f V tζζζ∇⋅-+∇⋅-=∂∂6.0)(，其中的V 用地转风g V 代替后，即为高空形势预报方程的基本方程：T T g g g V f V tζζζ∇⋅-+∇⋅-=∂∂6.0)(，高空形势通常用500hPa 等压面图形势表示，并假定它近似表示了大气的平均层。

2. 高空形势预报方程各项名称及基本方程的讨论。

T T g g g V f V tζζζ∇⋅-+∇⋅-=∂∂6.0)(方程左端为涡度局地变化，方程右端第一项为绝对涡度平流项，右端第二项为热成风涡度平流项。

方程的几点说明：(1)在推导过程中，假设地面平坦且无摩擦作用，00≈P ω。

(2) 严格讲，平均层是随时间地点而改变的，不一定固定于某一等压面上，接近于600hPa ，但实际工作中只分析500hPa 等压面图，因而方程也可近似地应用于500hPa 等压面上以预报500hPa 的形势。

(3) 考虑了大气的斜压性，因而方程右端出现了热成风涡度平流项。

同时该项前面乘了0.6，说明500hPa 等压面上天气系统的发生发展及移动以绝对涡度平流为主，但热成风涡度平流仍很重要。

高空形势预报方程是在若干近似条件下获得的，因而不可能与实际情况完全符合。

但是，通过除去一些次要因子得到的近似情况来抓住影响天气形势演变的主要因子是必要的。

实践证明，绝对涡度平流和热成风涡度平流是天气系统发生、发展的主要因子。

3. 地转涡度平流项的物理意义。

绝对涡度平流项包含地转涡度平流和相对涡度平流两项。

对于长波而言，由于地转涡度平流项与相对涡度平流项量级相当，因此需要考虑地转涡度平流的作用。

在北半球，由于地转涡度f随纬度增加而增大，所以，当有北风分量时，有正的地转涡度平流作用，对应产生负变高；当有南风分量时，有负的地转涡度平流作用，对应产生正变高。

该项主要使得长波竖槽向西移动，而强度无影响；对横槽强度有影响，而移动无明显作用。

常见问题第五单元§5.3 高空形势预报方程（1）1. 如何理解平均层的概念？平均层可理解为固定点整层涡度局地变化的积分平均等于平均层上该点的涡度局地变化，即用平均层来代替整层的结果。

2. 在北半球，对于波长大于3000KM的长波，地转涡度平流项对竖槽、横槽所产生的作用分别是什么？（1）竖槽：在槽前脊后，有偏南气流，所以为负的地转涡度平流，对涡度局地变化有负的贡献，对应有正变高；在槽后脊前，有偏北气流，故为正的地转涡度平流，对涡度局地变化有正的贡献，对应有负变高；而在槽线上，主要为西风，无南北风分量，故地转涡度平流为0，变高相应也为0。

所以对于竖槽，地转涡度平流项主要使得其沿变高梯度方向移动，即向西移动，而槽的强度无变化。

（2）横槽：位于低压左半部分的横槽。

在其槽线上，有偏北气流，故有正的地转涡度平流，对涡度局地变化的贡献为正，对应有负变高，槽将加深；在槽前后，同样均有北风分量，因而地转涡度平流对涡度局地变化的贡献相同，对应产生的变高性质也相同，均为负变高，所以它对槽的移动无明显作用。

同理，位于低压右半部分的横槽。

在其槽线上，有偏南气流，故有负的地转涡度平流，对涡度局地变化的贡献为负，对应有正变高，槽将减弱；在槽前后，同样均有南风分量，因而地转涡度平流对涡度局地变化的贡献相同，对应产生的变高性质也相同，均为正变高，所以同样地，它对槽的移动也无明显作用。

因此，地转涡度平流对于横槽的作用主要是使得槽的强度发生变化，而对其移动无明显作用。

知识点第五单元§5.3 高空形势预报方程（2）1. 相对涡度平流项在自然坐标系下的表达式、各项名称。

在自然坐标系中采用地转近似后，可得到表达式：(8.9)(222222n H s s K n H n s H K n H f n s V s K V s V K V A s s g s g gs g ∂∂∂∂-∂∂∂∂+∂∂∂∂∂-=∂∂∂-∂∂+∂∂-=ζ 从左往右依次为散合项、曲率项、疏密项。