(完整版)第一章有限差分方法
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诊断方程： 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。
16
- 1 ¶p + fv = 0
r ¶x
- 1 ¶p - fu = 0
r ¶y
- 1 ¶p - g = 0
r ¶z
运动方程 的零级简
化
诊断分析的应用
在日常业务预报中，为天气预报提供更多依据
在气象研究工作中，了解产生某些天气现象的物理原因
天气分析预报物理量计算基础，气象出版社，刘健文，郭虎，李耀东，刘还 珠，吴宝俊主编，2005；
天气学原理和方法，气象出版社，朱乾根，林锦瑞、寿绍文、唐东昇编著， 2007；
3
课程简介
➢ 诊断分析方法是现代天气学研究和业务工作中常用方 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，是当前天气工作者必须掌握的基本技能。
4
天气图分析的优点与问题
优点：图像直观，容易理解 存在的问题： 带有一定的人为主观性 不能分析复杂天气演变的物理原因 分析的项目与大气动力学原理相差甚远
天气诊断分析的优点与问题
优点：完全在天气动力学理论的指导下计算分析影响 天气过程的各种物理因子，所得结果定量、客观 存在的问题： 所用资料存在观测误差 所用资料存在代表性误差 差分计算方法的误差 （截断误差）
天气诊断分析方法简介，气象出版社，董晓敏,田盛培， 1986；
天气过程诊断分析原理和实践，北京大学出版社，陶祖钰 谢安编著，1989 ；
天气动力学中的诊断分析方法，科学出版社，丁一汇编著，1989；
Weather Analysis，Prentice Hall，Dusan Djuric,1994；
An Introduction to Dynamic Meteorology，Academic Press， James R. Holton, 2004；
诊断方程的形式应便于计算，使计算在允许的 精度范围内越简单越好
微分形式的诊断方程用差分近似地代替，将其 转化成计算数学表达式，然后编程计算得出物 理量的三度空间分布
授课内容
第一章 有限差分方法 第二章 温湿特征参量的计算 第三章 运动学特征参量的计算 第四章 由风场计算速度势、流函数和高度场 第五章 大尺度水汽、涡度收支的计算 第六章 稳定度的计算
诊断分析的前期准备工作：
1.熟练使用Fortran程序语言 2.掌握物理量的计算方法 3.熟悉所用的资料 常见的大气再分析资料：
NOAA: NCEP-NCAR reanalysis ECWMF: ERA-15/ ERA-40/ ERA-Interim JMA: JRA-25/ JRA-55
7
一般气象站
一般站。主要 是按省（区、 市）行政区划 设置的地面气 象观测站，获 取的观测资料 主要用于本省 （区、市）和 当地的气象服 务，也是国家 天气气候站网 的补充。
基本气象站
简称基本站。 是根据全国气 候分析和天气 预报的需要所 设置的气象观 测站，大多担 负区域或国家 气象信息交换 任务，是我国 天气气候站网 中的主体。
6次/min
6次/min 6次/min 6次/min
13
14
15
相对涡 度平流
地转涡 度平流
涡度垂 直输送
涡度倾侧项
绝对涡度与散度
（散合项）
预报场： 对未来某时刻某物理量的预报结果，在预报方程中含有 该物理量对时间的微商项。
诊断场： 物理量在某时刻的空间分布是该物理量在某时刻的分布 实况，在计算该物理量的方程中不含有对时间的微商项 。
基准站）
0.1m由他m 观要测素04.4％m直计（m（＞接算≤110得间0mmmm到接）） 的获，得累必计 须通1过次/m其in
60s
0.1h
累计
0.1mm
0.1℃ 1W/m2 1W/m2 1W/m2
1.5％
0.5℃ 0.3℃（基准站）
5％ 15％～20％
2％
累计
1min 1min 1min 1min
0～360°
风速
0～60m/s
降水 日照
雨强 0～4mm/min
0～24h
蒸发
0～100mm
地温
总辐射 净辐射 直接辐射
-50～+80℃
0～2000W/m2 -200～1400W/m2
0～2000W/m2
分辨率
准确度
平均时间 采样速率
0.1℃
0.2℃
1min
6次/min
1％
4％（≤80％） 8％（＞80％）
天气学诊断分析
大气科学学院 高庆九 杜银 徐蜜蜜 主讲
学时安排和要求
➢ 学时安排： ✓ 讲课 36学时， 实习 12学时
➢ 要求： ✓ 熟悉各种基本物理量和温湿Baidu Nhomakorabea征参量的计算 ✓ 掌握计算机编程、文件的输入输出 ✓ 绘图； ✓ 对绘制的图形，结合所学知识进行分析
2
参考书籍
现 代 天 气 学 中 的 诊 断 分 析 方 法， 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 ， 丁 一 汇 ， 1984；
1min
6次/min
0.1h观Pa 测可获0.得3hP一a 般的气1m象in 要素6（次/m温in 、
压、湿、风），但如涡度，散度， 0.31°m垂散/s 度直速，（（0.0度以3.+5+0.0，及05.30°3VV水各））mm汽种/s/（s 通能量量120m和场3msiinn水等汽等通无1次量法/s
日常观测资料
非观测物理量
➢ ①基本热力、动力学参量
➢ ②非绝热加热的计算
➢ ③大尺度水汽，热量，涡度和能量的收支
➢ ④大气环流的诊断分析
➢ ⑤中小尺度天气的诊断分析
20
水汽通 量散度
蒸发率
21
水汽平流项 风场散度项
22
怎样进行诊断分析
针对诊断对象（某类灾害性天气或典型天气过 程），选取合理的诊断方程，使之能体现出大 气物理过程的基本特点
➢ 它用各种实测资料，结合适当的热力学和动力学方程 ，对所关心的物理量或有关的诊断方程中的各项进行 计算，对天气演变过程中伴随的各种物理过程或某一 物理过程中起作用的各个方面作出定量的估计和解释 。
➢ 它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。
基准气候站
简称基准站。是 根据国家气候区 划，以及全球气 候观测系统的要 求，为获取具有 充分代表性的长 期、连续气候资 料而设置的气候 观测站，是国家 气候站网的骨干。 必要时可承担观 测业务试验任务。
测量要素 气温
测量范围 -50～+50℃
相对湿度
0～100％
气压 风向
500～1100hPa（任 意200hPa）
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- 1 ¶p + fv = 0
r ¶x
- 1 ¶p - fu = 0
r ¶y
- 1 ¶p - g = 0
r ¶z
运动方程 的零级简
化
诊断分析的应用
在日常业务预报中，为天气预报提供更多依据
在气象研究工作中，了解产生某些天气现象的物理原因
天气分析预报物理量计算基础，气象出版社，刘健文，郭虎，李耀东，刘还 珠，吴宝俊主编，2005；
天气学原理和方法，气象出版社，朱乾根，林锦瑞、寿绍文、唐东昇编著， 2007；
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课程简介
➢ 诊断分析方法是现代天气学研究和业务工作中常用方 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，是当前天气工作者必须掌握的基本技能。
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天气图分析的优点与问题
优点：图像直观，容易理解 存在的问题： 带有一定的人为主观性 不能分析复杂天气演变的物理原因 分析的项目与大气动力学原理相差甚远
天气诊断分析的优点与问题
优点：完全在天气动力学理论的指导下计算分析影响 天气过程的各种物理因子，所得结果定量、客观 存在的问题： 所用资料存在观测误差 所用资料存在代表性误差 差分计算方法的误差 （截断误差）
天气诊断分析方法简介，气象出版社，董晓敏,田盛培， 1986；
天气过程诊断分析原理和实践，北京大学出版社，陶祖钰 谢安编著，1989 ；
天气动力学中的诊断分析方法，科学出版社，丁一汇编著，1989；
Weather Analysis，Prentice Hall，Dusan Djuric,1994；
An Introduction to Dynamic Meteorology，Academic Press， James R. Holton, 2004；
诊断方程的形式应便于计算，使计算在允许的 精度范围内越简单越好
微分形式的诊断方程用差分近似地代替，将其 转化成计算数学表达式，然后编程计算得出物 理量的三度空间分布
授课内容
第一章 有限差分方法 第二章 温湿特征参量的计算 第三章 运动学特征参量的计算 第四章 由风场计算速度势、流函数和高度场 第五章 大尺度水汽、涡度收支的计算 第六章 稳定度的计算
诊断分析的前期准备工作：
1.熟练使用Fortran程序语言 2.掌握物理量的计算方法 3.熟悉所用的资料 常见的大气再分析资料：
NOAA: NCEP-NCAR reanalysis ECWMF: ERA-15/ ERA-40/ ERA-Interim JMA: JRA-25/ JRA-55
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一般气象站
一般站。主要 是按省（区、 市）行政区划 设置的地面气 象观测站，获 取的观测资料 主要用于本省 （区、市）和 当地的气象服 务，也是国家 天气气候站网 的补充。
基本气象站
简称基本站。 是根据全国气 候分析和天气 预报的需要所 设置的气象观 测站，大多担 负区域或国家 气象信息交换 任务，是我国 天气气候站网 中的主体。
6次/min
6次/min 6次/min 6次/min
13
14
15
相对涡 度平流
地转涡 度平流
涡度垂 直输送
涡度倾侧项
绝对涡度与散度
（散合项）
预报场： 对未来某时刻某物理量的预报结果，在预报方程中含有 该物理量对时间的微商项。
诊断场： 物理量在某时刻的空间分布是该物理量在某时刻的分布 实况，在计算该物理量的方程中不含有对时间的微商项 。
基准站）
0.1m由他m 观要测素04.4％m直计（m（＞接算≤110得间0mmmm到接）） 的获，得累必计 须通1过次/m其in
60s
0.1h
累计
0.1mm
0.1℃ 1W/m2 1W/m2 1W/m2
1.5％
0.5℃ 0.3℃（基准站）
5％ 15％～20％
2％
累计
1min 1min 1min 1min
0～360°
风速
0～60m/s
降水 日照
雨强 0～4mm/min
0～24h
蒸发
0～100mm
地温
总辐射 净辐射 直接辐射
-50～+80℃
0～2000W/m2 -200～1400W/m2
0～2000W/m2
分辨率
准确度
平均时间 采样速率
0.1℃
0.2℃
1min
6次/min
1％
4％（≤80％） 8％（＞80％）
天气学诊断分析
大气科学学院 高庆九 杜银 徐蜜蜜 主讲
学时安排和要求
➢ 学时安排： ✓ 讲课 36学时， 实习 12学时
➢ 要求： ✓ 熟悉各种基本物理量和温湿Baidu Nhomakorabea征参量的计算 ✓ 掌握计算机编程、文件的输入输出 ✓ 绘图； ✓ 对绘制的图形，结合所学知识进行分析
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参考书籍
现 代 天 气 学 中 的 诊 断 分 析 方 法， 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 ， 丁 一 汇 ， 1984；
1min
6次/min
0.1h观Pa 测可获0.得3hP一a 般的气1m象in 要素6（次/m温in 、
压、湿、风），但如涡度，散度， 0.31°m垂散/s 度直速，（（0.0度以3.+5+0.0，及05.30°3VV水各））mm汽种/s/（s 通能量量120m和场3msiinn水等汽等通无1次量法/s
日常观测资料
非观测物理量
➢ ①基本热力、动力学参量
➢ ②非绝热加热的计算
➢ ③大尺度水汽，热量，涡度和能量的收支
➢ ④大气环流的诊断分析
➢ ⑤中小尺度天气的诊断分析
20
水汽通 量散度
蒸发率
21
水汽平流项 风场散度项
22
怎样进行诊断分析
针对诊断对象（某类灾害性天气或典型天气过 程），选取合理的诊断方程，使之能体现出大 气物理过程的基本特点
➢ 它用各种实测资料，结合适当的热力学和动力学方程 ，对所关心的物理量或有关的诊断方程中的各项进行 计算，对天气演变过程中伴随的各种物理过程或某一 物理过程中起作用的各个方面作出定量的估计和解释 。
➢ 它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。
基准气候站
简称基准站。是 根据国家气候区 划，以及全球气 候观测系统的要 求，为获取具有 充分代表性的长 期、连续气候资 料而设置的气候 观测站，是国家 气候站网的骨干。 必要时可承担观 测业务试验任务。
测量要素 气温
测量范围 -50～+50℃
相对湿度
0～100％
气压 风向
500～1100hPa（任 意200hPa）