高等天气学思考题讲解

第一单元绪论1、天气学发展史，取得了哪些重要成就？（1）、单站预报方法阶段——气压计的发明大气科学研究开始由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段。

（2）、地面天气图阶段（1860～1900）历史上第一张天气图，开创了近代天气分析和天气预报方法，为大气科学向理论研究发展开辟了途径。

（3）、单站与天气图预报方法结合阶段（1900 ～1920）随后他们又将低压中心的暖锋和冷锋结合起来，创立了近代锋面-气旋模式，并一直被沿用至今。

（4）、高空天气图的引入与波动理论的建立阶段（1920 ～1950）由于无线电探空技术的发展使人们对高空气象资料的获取成为可能，对高空气象状况有了进一步了解。

（完成了点平面空间；一维二维三维）。

（5）、开展数值天气预报的研究与应用阶段随着计算机的发展，使得利用动力气象中的偏微分方程来定量预报大气要素与状况成为可能，同时使天气学和动力学更加紧密地结合起来。

（6）、数值预报与卫星、雷达等先进探测技术综合应用阶段由于科技进步，卫星、雷达和自动监测站的进一步应用，已使天气预报的方法有了很大的变化。

在概念上也发生了改变。

如近年来提出的临近预报或现时预报（Nowcasting），就是利用先进的观测手段和通讯卫星以及各种统计方法作出及时的短期（0～6h）天气预报。

2、大气科学的发展有哪些新趋势，有何规律（可以发挥）？（1）、新世纪初大气科学发展的一个显著特点是学科交叉大气科学的研究已从大气圈、水圈、生物圈、冰雪圈和岩石圈的相互作用来理解全球气候，理解发生在大气中的各种运动和过程。

（2）、重视观测系统的建设和新观测技术的应用更多地运用气象卫星、海洋观测卫星、多普勒雷达和各种特殊装备的飞机等多种探测手段，以及新的大气化学观测和分析方法，进行各种特殊项目的观测。

（3）、年际和年代际的气候变化及其预测将是大气科学研究的重要前沿问题人类是否正在改变着地球的气候？人类的影响相对于气候的自然变化来说有多大？未来的气候在多大程度上可以被预测？人类应当如何应对地球气候的重大变化。

（4）、全球和区域环境变化及其影响、预测和控制问题日益为大气科学界所瞩目随着环境问题的日益突出,全球环境变化的区域响应已成为全球变化研究的优先领域和热点问题之一。

（5）、灾害天气和气候等高影响天气气候动力学的研究日益受到重视开展我国重大气候和天气灾害的预测理论研究，解决特大暴雨气象灾害的预警、预报模式和方法的科学性，客观性和准确性以及与强暴雨系统有关的大尺度天气系统如副热带高压短期异常变化的时间和条件，既是气象科学领域面临的重大课题，也是防御和减轻气候和天气灾害所造成的损失的关键，是国民经济建设的当务之急。

（6）、在新世纪中全球将更重视温室气体的监测和大气化学的研究目前，人们对温室气体及其对全球气候变暖影响的关注主要在二氧化碳方面，而对甲烷却了解太少。

其实甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体。

但是在导致气温升高方面，甲烷的危害比目前最主要的温室气体二氧化碳高20倍。

如果北极永久冻结带开始融化，那么大气中甲烷的含量将持续升高，全球气温也将会加速变暖（7）、边界层与天气、气候相互作用为边界层动力学主要研究内容之一（8）、大气科学综合探测系统向以空基为主的方向发展我国已初步形成天基、空基和地基相结合、门类较为齐全、布局较为合理的基本气象观测系统。

它们由大气观测、海洋观测、水文观测、冰冻观测、农业与生态观测、卫星观测等系统组成。

（9）、气象综合探测获得各种资料将会得到最佳应用中国有步骤地积极参与该组织的各项活动。

如今，中国参加了世界气象组织世界天气监视网计划、世界气候计划、大气研究和环境计划、水文和水资源计划、教育培训计划、区域计划、技术合作计划等各项计划和活动，发挥了中国在国际气象事务中的应有作用。

第二单元 锋生的近代理论和气旋1、锋生公式中各项的物理意义？并会判断锋生锋消。

（1）锋生函数可以表示为（Ninomiya ，1984）：222211211 2 h h h h h h d d F dt dt u v x y x y u v v u x y x y x y x y θθθθθθθθθθθθ=∇=∇⋅∇∇∂∂∂∂-++∇∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂---++∇∂∂∂∂∂∂∂∂⎡⎛⎫⎤⎪⎢⎥⎣⎝⎭⎦⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦11234h p x x y y FG FG FG FG θθωθωθ∂∂∂∂∂-+∇∂∂∂∂∂=+++⎧⎫⎨⎬⎪⎩⎭⎡⎛⎫⎤⎪⎢⎥⎣⎝⎭⎦FG1、FG2、FG3、FG4项分别表示非绝热加热、水平汇合/疏散、水平变形和倾斜的作用。

（2）锋生函数可以表示为（Ogura 和 Portis ，1982 ）：2cos 222 1234yx r x x py y pQ Q d dQdQQ dtQ x dtQ y dtQ def Q Q D Q QQ Q QF F F F βωω∂∂∇=+∇∂∇∂∇+⨯∇--∇-∇=+++F1、F2、F3、F4项分别是非绝热项、变形项、辐合项和倾斜项。

式中Q 为某物理量，β角为伸长轴至该物理量等值线的角度，D 是水平散度。

2、半地转近似、准地转近似、非地转运动 （1）概念、数学表达式，其运用 （2）引入准地转的意义（2点）（1）概念:在一个方向上，风速呈准地转近似，而在另一方向上，则地转风关系不成立，通常把具有这种特征的运动称之为半地转运动。

被平流的风是地转风，平流它的风并非地转风，而包含有非地转风分量。

这种平流的风为非地转，被平流的风为地转，有人称之为地转动量近似，也有人泛称为半地转运动。

（2）半地转运用:主要用于研究大气锋生、研究斜压不稳定理论，另外其它比如气流过山，尤其是陡峭地形、Ekman 边界层动力学、锋带中的强迫垂直环流等。

（3）引入地转坐标系的优点：①保持了原空间中的地转静力学、热成风关系②在引入地转动量坐标后，在（x,y,z,t ）坐标系中的半地转（或地转动量近似），在（X ，Y ，Z ，T ）坐标系中就成为准地转运动。

3、推导半地转运动方程证明：物理坐标系中的动量近似或（半地转运动），在地转动量坐标系中就成为准地转运动。

地转动量坐标系为: g g v u X x Y y Z z ff=+=-=，，，T=t将上式对时间微分，有：11gg dv dX dX dx dt dT dt f dtdu dY dY dy dt dT dt f dt==+==-上式中f 的个别变化是忽略不计的，也就是说，考虑的f 平面上的运动是地转动量近似的条件，在这一限制下，可以得到物理上相应的守恒律。

由于dx dyu v dt dt ==，，上式可简化为：11ggdv dX dX u dt dT f dt du dY dY v dt dT f dt==+==- 利用运动方程式和地转风平衡关系，可以得到：X g g d dYu v dT dT==， 在新坐标中有：g g d dX dY dZ u v w dt t X dt Y dt Z dt T X Y Z∂∂∂∂∂∂∂∂=+++=+++∂∂∂∂∂∂∂∂ 可见在（X,Y,Z,T ）坐标中，平流的风速分量是地转风，即准地转近似，也就是说在(x,y,z,t)坐标中的半地转运动或者地转动量近似，在（X,Y ,Z,T ）坐标中形式上就成为准地转运动了。

4、Sawyer-Eliassen 锋面-急流次级环流方程各项的物理意义，会用该方程非奇次项（地转变形项、切变项）判别次级环流的性质。

次级环流与基本环流的关系。

一、 锋面-急流次级环流方程的特点以及应用（Sawyer-Eliassen 锋面-急流次级环流方程各项的物理意义）。

1、Sawyer-E1iassen 锋面-急流次级环流方程：层结稳定度 风垂直切变 惯性稳定度 地转变形强迫 （1）、如果假定m 和θ以及方程右边的强迫项已知，边值条件规定在（y,p ）内处处满足椭圆性条件，并设,,m mA rBC p p pθ∂∂∂=-==-∂∂∂，对于方程的椭圆性条件是Δ=AC-B>0。

利用热成风关系，有：P 2是P 坐标系中Ertel 位涡。

（2）、对方程的非齐次项进行讨论，有两种形式：地转变形强迫项：代表由于地转风场的会和作用加强正交于锋面的温度梯度的作用； 地转切变项：表示由地转风切边把锋面的温度梯度旋转成正交于锋面的温度梯度的作用；二、用Sawyer-E1iassen 方程判断次级环流特征（给出公式和图，温度槽）（会用该方程非奇次项（地转变形项、切变项）判别次级环流的性质）。

1222g g u u Q rQ r x y y xθθ∂∂∂∂=-=∂∂∂∂，5、高空急流入口区及出口区的次级环流及这种次级环流对低层天气系统可能的影响。

动能在急流入口区出现正的最大值，而在急流出口区为负的大值区。

前者表明位能向动能转换，后者是动能向位能转换。

在入口区辐散的气流向量表现地一单圈的直接力管环流，冷空气下沉，暖空气上升。

这支简单的环流与极锋和急流横交，厚度达整个对流层，它可以解释该区强的动能制造。

在急流出口区为明显的深厚间接力管环流圈，这说明动能向位能的转换很强。

6、爆发性发展气旋的定义及主要特征，海洋温带气旋爆发性发展的原因。

1、主要特征：（1）爆发性气旋主要是海洋现象； （2）频率发生最大值区在两大洋的西部； （3）主要发生在冬半年；（4）在墨西哥湾流和黑潮暖流区或以北。

2、原因：近年来，人们从天气学，诊断分析，数值模拟的角度做了一些工作，得到温带气旋的爆发性发展基本是一种斜压不稳定现象。

其中：（1）涡度平流，温度平流常常是气旋爆发性发展的一种启动因子； （2）凝结释放潜热总是重要的； （3）海气交换（感热，潜热输送）；（4）高空急流，摩擦作用等因子对其形成也有重要贡献。

但至今不能肯定哪种或者哪几种物理因子是最重要的。

第三单元中尺度天气系统的发展1、大气中中尺度系统产生的原因。

（1）主要由地面非均匀性强迫产生的（地形诱发的中尺度系统），包括地形的机械动力作用以及下垫面的热力作用。

（2）主要由移动性大尺度扰动不稳定性强迫产生的（天气尺度运动诱发的中尺度系统）。

2、对称不稳定（斜压不稳定）（1）定义：所谓对称不稳定，从物理上看，就是在垂直方向上为对流稳定和在水平方向上为惯性稳定的环境中，空气作倾斜上升运动时可能出现的一种不稳定。

（2）有何重要性在二维情况下，这种不稳定性沿热成风方向呈现滚轴状形式，在无限的静力平衡大气中，在等熵面上，这种不稳定状态可描述为惯性不稳定。

3、横波不稳定、Eady不稳定（1）定义：横波型扰动是指扰动等位相面垂直于基本气流，即传播方向与基本气流平行的扰动，横波型扰动的不稳定机制也就是横波不稳定。