中小尺度动力气象学
动力气象学第三章 尺度分析与基本方程组的简化
t x y
x
v u v v v fu 1 p
t x y
y
3.3.2 铅直运动方程的简化，静力平衡近似
w u w v w w w 1 p g
t x y z z
W
UW WW P g
L D D
107
107 108 101 101
p g
z
3.3.3 连续方程的简化
V
w
( u
u v w 0 x y z
热力学方程
u v w 0
t x y z
T t
u
T x
v
T y
(
d
)w
0
3.3.4 平衡与非平衡简化方程组，大尺度运动的基本性质
大尺度零级近似方程组
1 p fv 0
x
1 p fu 0
y
1 p g 0
z
u v 0 x y
中纬度大尺度运动是准水平、 准地转平衡、准静力平衡、 准水平无辐散、缓慢变化的 涡旋运动。
D<H时为浅（薄）对流，D~H时为深厚对流。
§3.3 基本方程组的简化与中纬度大尺度运动的性质 g~101m/s2，f0~10-4/s，L~106m，N~10-2/s，U~101m/s， D~H~104m，τ~L/U~105s，W~10-2m/s， π~10-3t/m3， ΔP~100tm-1/s2 ，Δπ~10-5t/m3 3.3.1 水平运动方程的简化，地转近似
诊断方程、平衡简化方程组。
一级简化方程组
u u u v u 1 p fv
t x y x
u u u v u 1 p fu
t x y y
1 p g 0
z (u v ) w 0
x y z
中小尺度天气系统资料
12
13
2）结构特点 ――有如同“象鼻子”一样的漏斗状云柱自对流云底盘旋而下 ――有时成对出现，一个是气旋式的，另一个是反气旋式的， 气旋式龙卷较为常见。 3）产生条件 ――强的层结不稳定性，因此产生龙卷的雷暴云比别的雷暴云 更高、更强。 4）出现时间 ――主要出现在春、夏季，陆地上以下午到傍晚的机会居 多，海上一般出现在清晨6h前后。 5）发生地区 ――墨西哥湾、地中海和孟加拉湾上空，水龙卷出现最频 繁。我国南海西沙群岛一带，一年四季均可出现，尤 以8、9月为最多。美国是龙卷出现最多的国家。
3
一、雷暴（Thunderstorm） 1、概述 1）定义 ――积雨云中发生的激烈放电、雷鸣现象，一般伴有阵 雨，所以常与雷雨通称。 产生雷暴的积雨云叫做雷暴云或雷暴单体，是小尺度天 气系统。多个雷暴单体成群成带地聚集在一起，叫做雷 暴群或雷暴带（又称多单体雷暴）。 普通雷暴――伴有阵雨的雷暴。 强雷暴――伴有暴雨、阵性大风、冰雹、龙卷等强对流 天气的雷暴，也叫“强风暴”。包括飑线、 多单体风暴和超级单体风暴。 2）活动地区 低纬多于中纬，中纬多于高纬； 山地多于平原，内陆多于海洋。 3）季节性：夏季出现较多，冬季几乎绝迹。
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2、一般特征 ――水平范围很小； ――持续时间很短； ――移动路径多为直线，漏斗状云柱的倾斜方向，通常 指示龙卷移动的方向； ――中心气压极低，可低至400hPa以下，甚至达到200hPa。 ――风力大，最大可达100～200m/s，风速自中心向外增 大，在距中心数十米的区域达到最大，再往外，风速 便迅速减小。 ――破坏力巨大。
中小尺度天气动力学课件 第二章
转子气流（rotor streaming） 山脉背风波的一种特殊形式 (闭合涡旋) 风速有极大值。
This figure shows the development of the typical features often associated with a mountain wave system. Notice the wind flow, with a strong component perpendicular to the primary ridge line. This is a typical condition for mountain wave development, as is a stable atmosphere. If air is being forced over the terrain, it will move downward along the lee slopes, then oscillate in a series of waves as it moves downstream. Sometimes these waves can propagate long distances in "lee wave trains."
图2.1 Trajectories of free balloon ( Von Ficker，1913）
infrared 红外云图
Water vapor水汽图像
Satellite images observed on March 6,2004,in East side of Rocky Mountain
（N. L. Uhlenbrock , et al, 2006）
动力气象学要点.
动力气象学要点.名词解释1、β平面近似及f 平面近似；所谓的β平面近似是对f 参数作高一级的近似，其主要内容是：⑴当f 处于系数地位不被微商时，取常数=?0f f ；⑵当f 处于对y 求微商时，取常数==βdydf 。
采用β平面近似的好处是：用局地直角坐标系讨论大尺度运动将是方便的，而球面效应引起的f 随纬度的变化对运动的作用被部分保留下来。
在低纬度大气动力学研究中，取0f ≌0，f ≌βy,这称为赤道β平面近似。
f 平面近似：这是对地转参数f=2Ωsin ?采用的一种近似。
在中纬度地区，若运动的经向水平尺度远小于地球半径时，可以取常数=?0f f ，即把f 作为常数处理，这种近似称为0f 近似。
这种近似完全没有考虑f 随纬度的变化。
2、斜压大气与正压大气；斜压大气是指：当大气中密度的分布不仅随气压而且还随温度而变时，即ρ≡ρ(P ,T),这种大气称为斜压大气。
所以斜压大气中等压面和等密度面（或等温面）是相交的，等压面上具有温度梯度，即地转风随高度发生变化。
在中高纬度大气中，通常是斜压大气。
大气中斜压结构对于天气系统的发生、发展有着重要意义。
正压大气是指：当大气中密度分布仅仅随气压而变时，即ρ≡ρ(P),这种大气称为正压大气。
所以正压大气中等压面也就是等密度面，由于p=ρRT,因此正压大气中等压面也就是等温度面，等压面上分析不出等温线。
由此，也没有热成风，也就是地转风随高度不发生变化。
3、地转偏差与地转运动；地转偏差是指实际风和地转风的矢量差，地转偏差和水平加速度方向垂直，在北半球指向水平加速度的左侧。
地转运动是指等压线为一族平行的直线时的平衡场，在地转运动中，水平气压梯度力和科里奥利相平衡。
4、Rossby 数与Rossby 参数；Lf U Ro 0==水平科氏力尺度水平惯性力尺度，称为罗斯贝数，它是一个无量纲参数， yf y y f f f β+=??+=00)/(若Ro 《1，表示水平惯性力相对于科氏力的量级要小得多，则水平气压梯度力与科氏力的量级相同（这被称为地转近似的充分条件及其物理意义）；若Ro ～1，则水平惯性力、科氏力与水平气压梯度力的量级相同；若Ro 》1,则水平惯性力远大于科氏力，水平气压梯度力与水平惯性力量级相同。
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和 101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波 ,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
中小尺度天气动力学课件 第1章+中尺度数值模拟-绪论
中尺度数值模拟—第一章
α中尺度 β中尺度
突发性强对流天气演变机 理和监测预报技术研究
γ中尺度
1.1中尺度天气及重要性
乳山个例 12小时 时段强降 水预报图
中尺度数值模拟—第一章
北京
山东 半岛
南京
基于15km粗网格数值模式
“今天下午，本市局部 地区有时有雷阵雨”
设置专门的中尺度观测网 。如美国在1966年就设置了中尺度观测 网，高空站距28km，每隔1.5h或3h施放一次探空仪，地面站距20-30km。 日本、瑞典、英国、法国、加拿大等国家也建立了试验监测网。
我国也分别在京津冀、长江三角洲、武汉和珠江三角洲四个地区 建立起中尺度监测网，设置了一定数量的自动地面站。
CISP （英国，2007）
TOMACS （日本，2010-2013）
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
美国国家天气局强天气预报研究计划（WoF)
观测雷达回波
观测
高分辨率(1km)实时试验预报
预报
1.1中尺度天气及重要性
三个国家重点基础研究发 展计划“973”项目
我国重大天气灾害的形成 机制和预测理论研究
需要定时、定点、定量
1.1中尺度天气及重要性
研究方法
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测 野外观测实验 中小尺度天气分析 模式的发展及应用 动力学研究
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测：
雷达、卫星、新型飞机、大气风廓线仪 ，另外也利用声雷达、激 光雷达、微波辐射仪、灵敏微压计、天电观测等 。
中尺度数值模拟—第一章
中尺度天气系统的特征
26
END
27
10
1. 早期的经验分类
天气系统——大尺度、中尺度和小尺度 空间尺度分别为：106m、105m和104m 时间尺度对应为：105s、104s和103s
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2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）依据无量纲数罗斯贝数Ro和拉格朗日
时间尺度T的尺度分类，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
1) 空间尺度范围广，生命周期跨度大； 2) 气象要素梯度大； 3) 散度、涡度与垂直速度； 4) 非地转平衡和非静力平衡； 5) 质量场和风场的适应； 6) 小概率和频谱宽、大振幅事件
16
中尺度大气运动的基本特征
1）空间尺度范围广，生命周期跨度大 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
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§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
中小尺度动力气象学
中小尺度天气动力学第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度天气系统：时间尺度和空间尺度比常规探测站网小，但比积云单体的生命周期及空间尺度大得多的一种尺度。
即水平尺度为几公里到几百公里，时间尺度由1小时到十几小时。
2、划分依据及分类：1）早期的经验分类天气系统——大尺度、中尺度和小尺度空间尺度分别为：106m、105m和104m时间尺度对应为：105s、104s和103s2）依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类方法）依据无量纲数罗斯贝数Ro 和拉格朗日时间尺度T的尺度分类行星尺度、气旋尺度、中尺度、积云尺度、小尺度3）Orlanski的综合分类（观测与理论分类）大尺度（α、β）中尺度（α、β、γ）小尺度3、中尺度大气运动的基本特征1)空间尺度范围广，生命周期跨度大；2)气象要素梯度大；3)散度、涡度与垂直速度；4)非地转平衡和非静力平衡；5)质量场和风场的适应；6)小概率和频谱宽、大振幅事件第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统的分类：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波的基本类型主要依赖风的不同类型（1）层状气流小风、层状气流。
平滑浅波，波动只发生在山脉上空的浅层，向上很快消失——山脉波（mountain wave）（2）驻涡气流：在山顶高度以上风速较大时，可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动，上面则有气流的平滑浅波——驻涡（standing eddy）（3）波动气流当风速随高度增大时，在背风坡出现波动气流——背风波（lee wave）。
背风波可以伸展到对流层上层和平流层。
（4）转子气流：在背风波出现时，当垂直方向有风速极大值出现时，则会形成转子气流（rotor streaming）。
驻涡和转子是背风波的特殊形式！3、背风波的形成、特征及大气条件背风波是地形波的一种类型，由于障碍物引起空气垂直振荡而造成的。
特征：波长：1.8～70km之间，多为5～20km左右。
波长一般随高度而变，高层较长，低层较短。
中小尺度天气动力学课件 第三章
➢ 不同的重力波对天气的影响不同。许多天气分析 表明，一些大振幅的次天气尺度或中尺度的重力 波(或重力惯性波)与对流天气的发生有密切的关 系。
典型的对流层中尺度 重力波包括大振幅的 不规则型和振幅较小 的较规则型。
重力波产生的天气条件
➢逆温层或稳定层存在
➢明显的风速垂直切变
➢Ri<0.5（ 有时Ri<0.25） ，Ri越小 重力波振幅越大。
N2 ( u )2
Ri; N2
g
0
z
z
l 2 0 z
Ri<0.25
8-10km 高空锋区、风垂直切变局地最 大值、理查森数最小值
第三章 自由大气非对流性中尺度环流
§3.1 自由大气的重力波 §3.2 重力波的发生发展 §3.3 锋和急流系统 §3.4 锋-急流附近的次级环流
本章要求
掌握：重力波的观测特征 熟悉：重力波的天气背景 理解：重力波的发生发展 了解：重力波的结构及其对天气的影响 初步了解：锋和急流系统及次级环流
dz
z
0
dw g [ (z) (z)] dt
得：dw dt
g
[0
0
d
dz
z]
g d z dz
2、高空急流附近的重力波的发生发展
Vg 中尺度重力波发生时的天气学概念模型
(Uccelini and Koch 1987)
中尺度重力波发生时的天气学概念模型：在地面上的波 动活动区上游有一低压系统（有时为一地面倒槽）；从 低压中有明显的锋面伸展到波动活动区的南方或东南方； 波动一般发生在对流层低层有逆温层存在的区域，而在 对流层高层，波动都发生在高空急流的出口区，且主要 在急流轴的右侧，即反气旋切变一侧；活动区位于 300hPa槽脊间转折轴与下游的高度脊脊线之间。
动力气象学第3章 尺度分析
注意：
运动方程的零级近似式中不含有气象 要素的时间导数项，称其为诊断方程。不 能对速度场作确定，因此不能作为预报方 程。
四、连续方程的零级简化形式：
u v 0 －－水平无辐散 x y
连续方程的零级简化说明大尺度运动是准水 平无幅散的。
小结：
1 p fv 0 “零级近似”得到的平衡方程： x 1 p y fu 0 •这组方程中不含有时间偏导数项， 1 p g 0 所以称之为“平衡简化方程组”。 z •这组方程中不含有热力学方程 u v 0 x y
高层：层流，分子、湍 流粘性力可略－自由大 气； 低层：湍流粘性力重要 ，分子粘性力可略－湍 流边界层
⑵ 取“零级近似”， 即只保留量级最大项，得到的简化方程为：
1 1 1 p fv 0 x p fu 0 y p g 0 z
物理量变化尺度： hV zV V ; hW zW W ; 同时认为：任意物理量 F的时间变化尺度与 其水平变化尺度相同 , 即： t F h F
气压和密度的变化： h P ~ 10 3 Pa， z P ~ P ~ 10 5 Pa
h ~ 10 2 kg / m3 , z ~ ~ 10 0 kg / m3
此外，热力学方程此时常采用绝热形式：
dT 1 dp Cp 0 dt dt
由尺度分析可以证明，气压的全导数几乎由垂直运
动决定。对于中纬度大尺度运动
1 dp 1 p u p v p w p dt t x y z
尺度分析得：
1 p u p v p U h P ~ ~ ~ ~ 10 2 s 1 t x y L w p w z P ~ ~ 101 s 1 z H
中小尺度天气动力学课件 第八章
• 波包是由一个辐合区和一个辐散区组成的， 其波长相当于中尺度风暴的直径。对流股 流在辐合区中发展并向辐散区移动。
8.3 惯性不稳定
一、惯性不稳定及判据 定义：水平面上处于地转平衡的基本气 流受到横向扰动后，扰动位移随时间变 化的趋势。 扰动位移随时间增大，为惯性不稳定 扰动位移随时间减小，为惯性稳定 扰动位移随时间不变，为惯性中性
第八章 大气不稳定和对流
§8.1 大气位势不稳定 §8.2 第二类条件性不稳定 §8.3 惯性不稳定 §8.4 条件性对称不稳定
本章要求
掌握：位势不稳定性 熟悉：第二类条件性不稳定 理解：条件性对称不稳定 了解：影响对流系统发生发展的因子
8.1 大气位势不稳定性与对流的关系
大气稳定性处于某种平衡状态的基本气流,受到扰动 后,扰动增长或减小的趋势称为稳定性 若扰动随时间增长称为不稳定 若扰动随时间减小称为稳定 若扰动不随时间变化称为中性
dz
dt
由于当dw 0时有加速运动，dw 0时减速
dt
dt
而决定加速减速运动的量为 d
dz
因此 d 可作为静力稳定度判据：
dz
0 静力稳定
d
dz
0
0
静力中性 静力不稳定
(6)
二、条件性不稳定（对流不稳定）
条件性不稳定,对干空气是静力稳定的,但对饱和湿空气 是静力不稳定的,这种不稳定性称为条件性不稳定。
(f u )纬向气流的绝对涡度。对径向切变气流， y
绝对涡度则为f v 。 x
对二维情况 a
f
v x
u y
a 0 惯性稳定 a 0 中性 a 0 惯性不稳定
8.4 条件性对称不稳定
条件性对称不稳定（CSI：Conditional Symmetric Instability） 对称不稳定（SI）又称浮力惯性不稳定。 在中尺度天气中经常有对称不稳定发展，最 显著的标志是多条带状云系。
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
《动力气象学简史》
动力气象学简史人类生活在地球大气层的底层，人类社会的所有活动无不受其影响。
气象科学（简称气象学）的英文单词meteorology源于希腊文meteoros和logos，意为“上空的”和“推理”。
因此，传统意义上气象学主要是研究大气中各种天气现象发生、发展规律的科学。
气象学经历了一个漫长的发展历史。
从古代的神话迷信到千百年来的感性知识，直到1851年英国格莱舍首先用电报传送的气象观测资料绘制出第一张地面天气图，气象学才开始了近代科学探索的历史。
在18、19世纪，气象学附属于地理学，是作为其一个分支而存在的。
到20世纪初，气象学从地理学分出，逐渐发展成为地球科学中的一个大分支。
20世纪20年代，地面气象观测网的建立，以及30～40年代高空气象观测网的发展，增进了人类对大气的认识，加速了气象科学的发展。
60年代以来，电子计算机、卫星、雷达等的应用，使气象科学呈蓬勃发展之势，研究内涵日渐丰富，外延也不断拓展。
20世纪90年代以后，随着现代科学知识和高新技术在气象学中的大量应用，“气象学”或“气象科学”的概念已逐渐被“大气科学”的概念所取代，其研究内容也大大超出了传统气象学的范畴。
纵观大气科学的发展历史，大体上可划分为四个发展时期：（1）气象经验、知识的积累时期(自人类文明开始至16世纪)：这五、六千年为古代气象知识的积累时期。
其源流主要有两个：一个在亚洲，以中国和印度为主；另一个在地中海东部，即欧亚非三大洲的交汇地带，这里是埃及文化、巴比伦文化和希腊文化的发祥地。
（2）大气科学开始建立的时期 (17世纪～19世纪初)：17～18世纪是科学革命的时代。
随着14～16世纪文艺复兴、资本主义生产方式的出现，以及航海业的兴起，天文学和物理学出现了重大突破。
测量仪器的陆续发明，观测和实验的大量开展，以及在观测和实验基础上进行的理论研究，是大气科学这一时期发展的重要标志。
（3）大气科学主要分支学科的形成时期(19世纪初～20世纪40年代)：在气象仪器发明、观测网建立以及流体动力学理论发展的基础上，大气科学的主要分支学科相继形成，例如天气学、动力气象学和大气物理学等。
动力气象学第3章 尺度分析
V ~ 101 f0L
R0>=1时，非线性平流项不能忽略，因此，方 程式非线性的，相对涡度大于或等于牵连涡度， 运动的平流时间小于或等于惯性运动时间，这样 的运动过程称为快过程。
Rossby数的应用：
a) 中纬度大尺度运动：
f0
~ 104 s,V
~ 101
m s
L ~ 106 m
R0
V f0L
~ 101 1
——准地转
在南半球：高压——反气旋——逆时针
② 垂直方向上：
1 p g 0 －－静力平衡
z
Hydrostatic equilibrium
上式表示：在垂直方向上气压梯度力与重力基本平衡， 在大尺度运动中，任何一点的气压相当精确地等于该点 以上单位截面积的重量。
注意：这不意味没有垂直运动，只是近似平衡。这个关 系不仅成立于大尺度系统，还成立于中小尺度系统。
纲参数都具有明确的物理意义。无量纲方程 和无量纲参数在对大气运动进行动力分析时 十分有用。
方程无量纲化的步骤：
1）把方程各项写作 “特征量×无量纲量”的形式。
2）化为“无量纲方程” ： 用方程中某一项的特征量同除方程
的每一项（量纲齐次性原理） ——无量纲方程 ——各项前面的系数－无量纲（数） ——体现各项的相对重要性。
若水平速度尺度（特征值）记作V，实 际水平速度可以写为：u=Vu* v=Vv*， u*、v*为一无量纲量，其量值在0.5-2.5之 间。
将任一物理量写作： q Qq *
其中： Q－－特征量， 表示该物理量的一般大小； 常量；有量纲
q * －－无量纲量，
量级在 100左右，表示物理量的具体 大小；是变量；没有量纲
这里的q是广义的，不仅包括气 象要素，还包括方程各项。
中小尺度天气动力学课件 第一章
下午16:00-16:30，义和镇兴业村小学教 室多次遭受雷电闪击，并伴有球形雷的发 生，当雷电直接击中教室金属窗时，由于 该金属窗未做接地处理，雷电流无处泄放， 靠近窗户的学生就成了雷电流泄放入地的 通道，雷电流的热效应和机械效应导致学 生出现伤亡。
Windstorm 30%
Slides 7%
Wild Fires 2%
1980-2005年亚洲各种灾害的比例数
(Kuniyuki SHIDA ,2006)
1993-2003中国气象灾害直接经济损失高达 RMB 21,146亿
2012年7月21日北京遭遇61年最强暴雨
遇难人数79人
2012年7月21日，市气象台连发五个预警，暴 雨级别最高上升到橙色。截至22日2时，全市 平均降雨量164毫米，为61年以来最大。其中， 最大降雨点房山区河北镇达到460毫米。暴雨 引发房山地区山洪暴发，拒马河上游洪峰下泄。 截至22日17时，暴雨洪涝灾害造成房山、通州、 石景山等11区（县）12.4万人受灾，4.3万人 紧急转移安置。全市受灾人口190万人，其中 房山区80万人。23日，全市经济损失近百亿元。
暴雨云团
2008年7月22日13时，槽前云系影响中东 部，云带狭长，呈东北－西南走向，西 南端处于孟加拉湾，水汽输送充足，影 响我国的范围广。
22日晚上20点低涡切变逐渐东移
15：00
• 15 • 16
15：24
15：12 15：36
中尺度对流复合体（MCC）
舟曲泥石流
2010年8月7日22时许，甘南藏族自治州舟 曲县突降强降雨，县城北面的罗家峪、三 眼峪泥石流下泄，由北向南冲向县城，造 成沿河房屋被冲毁，泥石流阻断白龙江、 形成堰塞湖。据中国舟曲灾区指挥部消息 ，到28日，舟曲特大山洪泥石流灾害造成 1463人遇难，失踪302人，受伤住院人数72 人。
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中小尺度天气动力学第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度天气系统：时间尺度和空间尺度比常规探测站网小，但比积云单体的生命周期及空间尺度大得多的一种尺度。
即水平尺度为几公里到几百公里，时间尺度由1小时到十几小时。
2、划分依据及分类：1）早期的经验分类天气系统——大尺度、中尺度和小尺度空间尺度分别为：106m、105m和104m时间尺度对应为：105s、104s和103s2）依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类方法）依据无量纲数罗斯贝数Ro 和拉格朗日时间尺度T的尺度分类行星尺度、气旋尺度、中尺度、积云尺度、小尺度3）Orlanski的综合分类（观测与理论分类）大尺度（α、β）中尺度（α、β、γ）小尺度3、中尺度大气运动的基本特征1)空间尺度范围广，生命周期跨度大；2)气象要素梯度大；3)散度、涡度与垂直速度；4)非地转平衡和非静力平衡；5)质量场和风场的适应；6)小概率和频谱宽、大振幅事件第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统的分类：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波的基本类型主要依赖风的不同类型（1）层状气流小风、层状气流。
平滑浅波，波动只发生在山脉上空的浅层，向上很快消失——山脉波（mountain wave）（2）驻涡气流：在山顶高度以上风速较大时，可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动，上面则有气流的平滑浅波——驻涡（standing eddy）（3）波动气流当风速随高度增大时，在背风坡出现波动气流——背风波（lee wave）。
背风波可以伸展到对流层上层和平流层。
（4）转子气流：在背风波出现时，当垂直方向有风速极大值出现时，则会形成转子气流（rotor streaming）。
驻涡和转子是背风波的特殊形式！3、背风波的形成、特征及大气条件背风波是地形波的一种类型，由于障碍物引起空气垂直振荡而造成的。
特征：波长：1.8～70km之间，多为5～20km左右。
波长一般随高度而变，高层较长，低层较短。
随风速而变，风速愈大，波长愈大。
波幅：指流线的峰、谷之间的距离。
背风波的波幅可在几 百米至2km 之间。
一般在0.3~0.5 km 。
与波长无一 定联系。
当波长与山脉形状一致时，振幅最大。
垂直速度：一般为2~6 m/s ，最大可达15 m/s 。
波长为13km 的背风波的垂直速度最大。
4、 海陆风发生时间与强度的规律：中午12时前后，开始吹海风，15时前后海风最强；夜间03时前后，开始吹陆风，凌晨06时前后陆风最强。
风向变化的规律： 一般情况下，北半球多随时间顺时针旋转，南半球呈逆时针旋转。
风向取决于：地球自转项、中尺度气压梯度力项、大尺度项、摩擦项、平流项P32第三章 自由大气非对流性中尺度环流1、 重力波的定义、分类、基本特征、发生的天气条件、对天气的影响定义： 重力波是因静力稳定大气受到扰动而产生的惯性振荡的传播，属于横波（质点扰动方向与波的传播方向垂直）。
分类：重力外波——由外部条件作用下存在的重力波；重力内波——当外部条件被限制时，存在于流体内部的重力波 ；惯性重力内波——考虑地球自转的影响基本特征：在大气中经常发生重力波(或重力惯性波)，它的频谱很广，周期、波长、移速差别很大，从周期10分钟，气压振幅只100微巴的高频波，到周期为几十小时，或者气压振幅达几毫巴的大振幅波。
产生的天气条件：稳定层（或逆温层）；具有明显的风速垂直风切变；通常而言，Ri<0.5，Ri 越小重力波振幅越大。
重力波的作用①可触发对流②可引起晴空湍流 (CAT ，clear air turblence)③高低空能量传输④不同尺度之间能量交换2、风速垂直切变与重力波发生发展的关系 在基本气流随高度变化，即 的环境中，扰动会受到风速垂直切变的显著影响，风速垂直切变愈强，影响愈大。
3、锋与锋生锋——通常指具有强大水平温度梯度和较大静力稳定性以及较大气旋性涡度的狭长地带。
长度约为1000 km ，宽度约为 100 km 。
锋长度属于中尺度系统的范围。
锋生、锋消：锋的形成（加强）——锋生锋的消亡（减弱）——锋消4、中尺度高空急流急流：一条强而窄的准水平的气流带。
低空急流：700 hPa 左右的急流 0u z∂≠∂高空急流：一般指对流层上部的急流。
具体强度标准一般是规定急流中心最大风速在对流层的上部必须大于或等于30 m/s，风速水平切变量级为每100 km为5m/s，垂直切变量级为每千米 5～10 m/s。
第四章：中尺度对流系统1、定义：中尺度对流系统（MCS）泛指水平尺度为10-2000km左右的具有旺盛对流运动的天气系统。
2、分类：按天气现象分类：暴雨、暴雹、飑线按系统结构分类:孤立对流系统；带状对流系统；中尺度对流复合体（MCC）按运动状态分类:移动性、静止性和准静止性对流系统3、孤立对流系统有三种基本类型：普通单体雷暴、多单体风暴与超级单体风暴。
普通单体雷暴：通常将一个强上升区（垂直速度>=10m/s，水平范围十至数十千米，垂直伸展几乎达到整个对流层）称为一个对流单体。
伴有强烈放电现象的对流系统称为雷暴；只有一个对流单体构成的雷暴系统叫做单体雷暴，亦即普通单体雷暴。
单体雷暴的发展经历塔状积云、成熟、消散三个阶段。
每个阶段的主要特征的差异主要表现在云内的垂直气流、温度和物态等几个方面。
雷暴系统一般随最低5-8km 高度的环境平均风移动。
伴随有阵风、阵雨、小雹等强天气现象，时间一般比较短暂。
多单体雷暴：多单体雷暴（muti-cell storm）是由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体组成，是具有统一环流的雷暴系统。
通常在风暴移动方向上辐合最强，从而促使沿阵风锋附近新的上升气流发展。
然后每个新生对流单体又经历其自身的发展过程。
多单体风暴中的单体呈现有组织的状态，这与新单体仅出现在一定的方向上有关，否则，便会呈现无组织的形态。
在多单体风暴中，个别单体的传播可能有三种不同方式：1）个别单体向平均风左侧传播；2）个别单体向平均风右侧传播；3）个别单体随环境风移动。
超级单体风暴超级单体风暴（super-cell storm）是指直径达20~40km 以上，生命期达数小时以上，即比普通的成熟单体雷暴更巨大、更持久、天气更猛烈的单体强雷暴系统。
它具有近于稳定的、高度有组织的内部环流（图4.11）。
并且连续地向前传播可达数百公里。
超级单体的雷达观测：1）在RHI（距离-高度显示器）上有穹窿（无或弱回波区）、前悬回波和回波墙等特征； 2）在PPI（平面位置显示器）上有“钩”状回波（图4.12）龙卷风暴产生龙卷的强风暴系统称为龙卷风暴（tornadic storm），它的风暴云十分高大并有明显的旋转性，通常是一种超级单体风暴。
下击暴流对流风暴发展成熟时，会产生很强的冷性下沉气流，到达地面时便形成风速达17.9m/s（~8级）以上的灾害性大风。
Fujita等将这种局地强烈下沉外流气流称为下击暴流（downburst）。
下击暴流的雷达回波通常显示为钩状回波和弓状回波。
下击暴流一般产生在中等到强垂直风切变的环境条件下。
产生下击暴流的对流风暴的种类较多，尺度变化较大。
第五章中尺度带状对流系统1、概念：带状对流系统指由对流单体侧向排列而成的中尺度对流系统。
2、分类：常见的带状对流系统有飑线（温带飑线、热带飑线）、锋面中尺度雨带和台风附近的中尺度雨带等类型。
3、飑线：一种带(或线)状中尺度系统是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线）；其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速气压、温度等突变的狭窄强对流云带；为破坏力的严重灾害性天气。
4、飑中系统：指飑锋（飑线）、飑线前低压、雷暴高压、尾流低压。
一般在成熟阶段才同时出现。
5、中尺度飑线的分类及其特征1)具有前导对流线和尾随层状云区以及具有由前向后和由后向前两支入流的飑线飑线的前方有一支由前向后的入流迎着飑锋上升，到高层分裂成向前和向后的两支气流，其后部中层则另有一支由后向前的入流。
在由前向后的气流中，由于老单体衰亡，形成宽广的尾随层状云区。
由于在高层不断有冰质点从对流区向后飞落到尾随层状云区中，加上在尾随层状云区中包含着次级环流造成的上升运动，因此在尾随层状云区下方仍有明显降水。
2)后部建立型飑线这类飑线经常发生在西风带高空槽前，是中纬度最典型的飑线。
它们通常由多单体风暴和超级单体风暴组成。
这类飑线的南端由于风的垂直切变形势有利于新对流的发展，因而使飑线不断伸长；而在飑线的北端，各单体不断衰亡，衍变成层状云，并沿高空风向东北方向延伸而形成大片砧云。
这种飑线的特点是砧状云伸向飑线前方，而在飑线后方没有层状降水区。
中层上升气流的逆切变倾斜，低层暖湿空气入流和中层干冷空气入侵以及飑线后方低湿球位温的下沉气流等。
6、热带飑线热带飑线是由排列成带的成熟积雨云（对流区）和层状云组成的。
在对流云带前方不断有新对流云生成，而在对流云带后方，老的对流云消亡，形成宽阔的尾随层状云区。
飑线前方低层有高温、高湿空气流入飑线对流云区，云顶可高达16一17km。
尾随层状云区前范围可达200km以上。
与中纬度飑线的区别为：不存在引导层；最强对流回波出现在对流层的下层。
7、大气中飑线的触发机制：①高空槽后型②高空槽前型③“阶梯”槽型第六章锋面气旋及台风附近的中尺度雨带1、暖输送带定义：在槽前辐合区的边界上通常可以看到一支狭长的云带。
这是由来低纬度低空对流边界层的暖空气在其逐渐向北、向上运行，升入到对流层中、高层时所形成的。
由于这支狭窄的气流具有朝极地方向和朝上输送大量热量以及水汽和动量的作用，所以称为“暖输送带（WCB）”。
暖输送带一般具有下述持征：1）它的位置一般处在冷锋前头，然后上升到地面暖锋上面。
西边界清楚，东边界不太清楚；2）暖输送带经常与一条低空急流相对应；3）暖输送带通常几千千米长，属于一种天气尺度系统。
2、冷输送带(CCB) ：定义：它起源于气旋东北部的高压的外围，是一支反气旋式的低空入流。
其作用：将把北方冷空气气向南方输送。
3、锋面附近的中尺度雨带的类型及划分依据中尺度雨带粗略可分为三类：U型、L型和D型。
出现在对流层中上层的浅层对流称为U型，出现在对流层低层的浅层对流称为L型而直展深层的对流则称为D型。
这三类雨带还可以进一步细分类。
其中U型可细分为暖锋雨带、锋前冷涌雨带和冷锋雨带。
L型可细分为窄的冷锋雨带和暖区小雨带(横向和纵向雨带)，D型可细分为暖区雨带和锋后雨带。
4、暖锋雨带的云物理成因：在暖锋上的浅层对流云中冰质点不断生长和落出。
他们落进在对流云下面的层状云中，通过聚集而生长，并促进层状云滴冻结，造成较大的冰质点密度，从而引起该地区较强的降水。
5、对流云发生在位势不稳定被大尺度上升运动所释放的地方。