第十二讲天气预报

1、1 第十二讲第十二讲 天气预报天气预报 n天气预报的历史天气预报的历史 n气象观测气象观测 n资料传输和处理资料传输和处理 n气象分析气象分析 n气象预报气象预报 n天气预报的未来天气预报的未来 阅读：阅读：Meteorology Today：第：第14 章章 2 1、天气预报的历史天气预报的历史 n18201820年，世界上诞生了第一张天气图。年，世界上诞生了第一张天气图。 n18551855年，法国人莱伐尔用天气图追索克里米亚战年，法国人莱伐尔用天气图追索克里米亚战 争时出现的风暴。争时出现的风暴。 n18601860年，英国人弗兹罗用电话收集天气报告，绘年，英国人弗兹罗用电话收集天气报告

2、，绘 成天气图。成天气图。 n第一次世界大战时第一次世界大战时, ,地面天气图已成为天气预报地面天气图已成为天气预报 的工具。的工具。 n二战以后，随着高空探测的增多和世界高空探测二战以后，随着高空探测的增多和世界高空探测 站的逐渐加密，天气分析从二维扩展为三维。站的逐渐加密，天气分析从二维扩展为三维。 3 Loomis在在1885绘制的绘制的 1870年年2月位于北大西洋的风暴月位于北大西洋的风暴 4 天气预报的历史天气预报的历史 n1922年年,英国气象学家英国气象学家Richardson曾尝试曾尝试 数值天气预报数值天气预报.但当时的计算速度太慢但当时的计算速度太慢,数值数值 预报并没有

3、实用价值预报并没有实用价值. n1950年，美国的查尼年，美国的查尼(Charney)等人第一等人第一 次使用电子计算机制作数值天气预报成功。次使用电子计算机制作数值天气预报成功。 n现在数值天气预报已被广泛地应用于实际天现在数值天气预报已被广泛地应用于实际天 气预报中气预报中(不相信数值预报是傻瓜不相信数值预报是傻瓜,完全相信完全相信 数值预报也是傻瓜数值预报也是傻瓜). )0(, 0tBBt A t B 5 从气象观测到天气预报从气象观测到天气预报 n预报员在做出天气预报之前预报员在做出天气预报之前, ,必须具有足够的气必须具有足够的气 象观测资料象观测资料, ,并根据资料作出未来的天气预

4、报。并根据资料作出未来的天气预报。 n观测资料是由世界各地收集来的观测资料是由世界各地收集来的, ,大量的观测资大量的观测资 料需通过特定的渠道传输到一个气象台站。料需通过特定的渠道传输到一个气象台站。 n当所需的资料收集完毕后当所需的资料收集完毕后, ,预报员必须对这些资预报员必须对这些资 料作出分析研究再作出未来的天气预报。料作出分析研究再作出未来的天气预报。 n最后最后, ,预报员根据分析的结果作出和发布天气预预报员根据分析的结果作出和发布天气预 报。下面对这几个步骤做详细的说明。报。下面对这几个步骤做详细的说明。 6 2、气象观测气象观测 气象观测有以下几类气象观测有以下几类: : n

5、常规地面气象观测常规地面气象观测 n海面气象观测和航空气象观测海面气象观测和航空气象观测 n高空气象观测高空气象观测 n气象雷达观测气象雷达观测 1.1.气象卫星观测气象卫星观测 7 (1)常规地面观测常规地面观测 n用气象仪器测定的要素用气象仪器测定的要素气压、气温、水汽气压、气温、水汽 含量、风向、风速、降水量、日照时间、太阳含量、风向、风速、降水量、日照时间、太阳 辐射量（直接辐射和总辐射）。辐射量（直接辐射和总辐射）。 n用用”眼睛眼睛”等观测的要素等观测的要素云、能见度、大云、能见度、大 气现象（降水、雾、霜等在大气中和地表面生气现象（降水、雾、霜等在大气中和地表面生 成的现象，依赖

6、于人的感觉进行监视）。成的现象，依赖于人的感觉进行监视）。 n观测时刻指定以世界时观测时刻指定以世界时00 UTC (GMT)00 UTC (GMT)为基准，为基准， 每每3 3小时或每小时或每6 6小时进行小时进行1 1次（定时观测）。次（定时观测）。 8 中国及周边的中国及周边的气象观测站分布气象观测站分布 9 (2)(2)海面气象和航空气象观测海面气象和航空气象观测 n海面气象观测和航空气象观测，同样也是立海面气象观测和航空气象观测，同样也是立 足于地球表面的观测，大部分内容与地面气足于地球表面的观测，大部分内容与地面气 象观测基本相同。象观测基本相同。 n由航空气象部门在机场实施的航空

7、气象观测，由航空气象部门在机场实施的航空气象观测， 是以有助于飞机起飞、降落时的安全为目的。是以有助于飞机起飞、降落时的安全为目的。 10 (3)高空观测高空观测 n高空气象观测的基本手段是使用气球和探空高空气象观测的基本手段是使用气球和探空 火箭携带的无线电探空仪火箭携带的无线电探空仪( (测量气压、气温和测量气压、气温和 湿度湿度) )和无线电测风仪和无线电测风仪( (测量风速、风向测量风速、风向) )以及以及 把二者组合在一起的无线电探空测风仪。把二者组合在一起的无线电探空测风仪。 n高空观测点的间距，高空观测点的间距，WMOWMO建议陆地为建议陆地为300km300km， 海上为海上为

8、1000km1000km，这是以高、低压和锋面等大，这是以高、低压和锋面等大 尺度现象的分析为目标。尺度现象的分析为目标。 11 中国及其周边高空观测站分布中国及其周边高空观测站分布 12 (4)气象雷达观测气象雷达观测 n雷达雷达(RADAR)是是Radio Detection and Ranging的简称，是发射电磁波以探测目标的简称，是发射电磁波以探测目标 的存在并测定其位置的设备。的存在并测定其位置的设备。 n利用利用“多普勒效应多普勒效应”测定降水粒子速度沿雷测定降水粒子速度沿雷 达波束轴线方向的分量，即测定径向速度的达波束轴线方向的分量，即测定径向速度的 雷达，就是多普勒雷达。如果

9、处理多普勒雷雷达，就是多普勒雷达。如果处理多普勒雷 达的测定值就可以得到有关风速的信息。达的测定值就可以得到有关风速的信息。 13 雷达观测网雷达观测网 14 (5)气象卫星观测气象卫星观测 n气象卫星是观测来自云和地球表面的辐射气象卫星是观测来自云和地球表面的辐射(红外线红外线) 以及太阳光的反射以及太阳光的反射(可见光线可见光线)的被动型遥感设备。的被动型遥感设备。 n可见光观测时的图象，基本上是与观测者从气象卫可见光观测时的图象，基本上是与观测者从气象卫 星上观测地球的图象相同的。红外线观测，是对由星上观测地球的图象相同的。红外线观测，是对由 云和海等地球表面辐射的红外线能量的测定。假定

10、云和海等地球表面辐射的红外线能量的测定。假定 地球表面为黑体，通过对它辐射的红外线能量的测地球表面为黑体，通过对它辐射的红外线能量的测 定，就可以求得云和海的温度。定，就可以求得云和海的温度。 n静止卫星静止卫星 ,高度在约高度在约36000km （2006年年12月月10 日日FY-2D） n极轨卫星极轨卫星 n热带测雨卫星热带测雨卫星TRMM nGPS全球定位系统来反演大气中整层水汽含量全球定位系统来反演大气中整层水汽含量 15 北京大学大气科学系接收的北京大学大气科学系接收的 卫星云图卫星云图 80oE85oE90oE95oE100oE105oE110oE115oE120oE125oE1

11、30oE135oE140oE145oE N o 10 N o 15 N o 20 N o 25 N o 30 N o 35 N o 40 N o 45 N o 50 开发者：北京大学物理学院大气科学系中尺度气象及其科学视算组 ? 200306221201?UTC,?IR1 16 3、资料传输和处理资料传输和处理 n气象观测资料、分析资料、预报资料等等，气象观测资料、分析资料、预报资料等等， 无论是国内或海外，都必须在短时间内无论是国内或海外，都必须在短时间内( (实实 时时) )正确地收集和传送。正确地收集和传送。 n另外，预报和警报等等，也必须迅速、准确另外，预报和警报等等，也必须迅速、准确

12、 地传送给用户。地传送给用户。 n同时，在中间阶段要进行资料的检查和质量同时，在中间阶段要进行资料的检查和质量 管理。管理。 17 气象通讯网气象通讯网 n在国际上，依照由世界气象组织在国际上，依照由世界气象组织(WMO：World Meteorological Organization)推进的世界天气推进的世界天气 监视网监视网(WWW：World Weather Watch)计划，计划， 由其中的全球通信组织承担。由其中的全球通信组织承担。 n全球通信组织的通信网主要分主通信网和区域通全球通信组织的通信网主要分主通信网和区域通 信网，北京作为区域通信中枢占据两个通信网的信网，北京作为区域通

13、信中枢占据两个通信网的 重要位置。重要位置。 n在中国国内通信系统北京有在中国国内通信系统北京有6条主干线路，分别与条主干线路，分别与 沈阳、武汉、上海、兰州、成都、广州沈阳、武汉、上海、兰州、成都、广州6个区域中个区域中 心相连接。香港特区经广州电路连接。心相连接。香港特区经广州电路连接。 18 4、资料分析资料分析 n资料分析分为资料分析分为主观分析主观分析和和客观分析客观分析两种两种. .主观分析主观分析 指的是预报员进行的人工分析指的是预报员进行的人工分析, ,而客观分析是根据而客观分析是根据 一定的数学原理和物理原理的约束条件以求得气象一定的数学原理和物理原理的约束条件以求得气象 要

14、素的三维空间分布，称之为客观分析。通常用计要素的三维空间分布，称之为客观分析。通常用计 算机来进行处理：算机来进行处理： n主观分析主观分析: :预报员绘制地面预报员绘制地面, ,高空等值线高空等值线( (等高线和等温线等高线和等温线 等等) )天气图天气图. .在八十年代以前的相当长一段时间内在八十年代以前的相当长一段时间内, ,主观分主观分 析是气象资料分析的主要手段析是气象资料分析的主要手段. . n客观分析客观分析: :八十年代以后八十年代以后, ,随着计算机技术的发展随着计算机技术的发展, ,气象资气象资 料分析逐渐以客观分析为主料分析逐渐以客观分析为主, ,人工分析为成为辅助性手段

15、人工分析为成为辅助性手段. . 19 2002年年7月月00时时850 hPa 高空天气图高空天气图 20 大气科学系的客观分析大气科学系的客观分析 ( (卫星云图已叠加到天气图上卫星云图已叠加到天气图上) ) 21 客观分析给出的客观分析给出的 500 hPa等高线等高线(黑黑),等温线等温线(红红) 22 5、气象预报、气象预报 预报内容：要素预报，形势预报预报内容：要素预报，形势预报 n(1)(1)预报的气象要素预报的气象要素天气天气( (晴、阴、雨和雪等晴、阴、雨和雪等) )，降水，降水 量，风，气温，湿度等。量，风，气温，湿度等。 n(2)(2)预报区域划分预报区域划分特定地点特定地

16、点( (机场、港口、事件场所机场、港口、事件场所) )， 都府县，地区都府县，地区( (东北、关东、东海等东北、关东、东海等) )，全国等。，全国等。 n(3)(3)预报时间划分预报时间划分每小时，每小时，3 3小时，小时，6 6小时，天，旬，小时，天，旬， 月等。月等。 n(4)(4)预报时效预报时效( (提前多长时间作预报提前多长时间作预报)1)1小时，小时，3 3小时，小时， 半天，半天，1 1天，旬，月等。天，旬，月等。 n(5)(5)发布形式发布形式回归预报，定量预报，概率预报等。回归预报，定量预报，概率预报等。 23 天气预报天气预报“时效时效”分类分类 n短时预报短时预报未来未来

17、3 3小时中的每小时；小时中的每小时； n天气预报天气预报到明后天到明后天( (分为今天，今夜、分为今天，今夜、 明天、明后天明天、明后天) )； n周天气预报周天气预报未来未来1 1周之内的每天；周之内的每天； n季预报季预报未来未来1 1个月的每旬，未来个月的每旬，未来3 3个月的个月的 每月。每月。 24 经验预报经验预报 ( (定性预报定性预报) ) n外推外推: :天气系统和天气区位置和强度简单外天气系统和天气区位置和强度简单外 推，线性外推。推，线性外推。 n概念模型概念模型: :气旋、锋面等天气系统的结构和气旋、锋面等天气系统的结构和 发生发展及与天气分布和强度的联系。发生发展及

18、与天气分布和强度的联系。 n相似法：相似法：历史天气个例的预报经验。历史天气个例的预报经验。 n诊断法诊断法: : 各种动力学和热力学物理量与天各种动力学和热力学物理量与天 气系统发生发展和天气的关系。气系统发生发展和天气的关系。 25 经验预报经验预报: :个例个例1 1 n星期二星期二,早上早上06点点,一个气旋风暴位于美国大平一个气旋风暴位于美国大平 原南部原南部.一个高压中心位于蒙大那州一个高压中心位于蒙大那州,另一个位另一个位 于美国东南沿海于美国东南沿海.这个气旋将向哪里移动这个气旋将向哪里移动? 26 分析分析: :地面气压趋向地面气压趋向 过去过去3小时的气压趋向。小时的气压趋

19、向。R：气压上升，：气压上升，F：气压下降：气压下降 27 500 hPa高度场高度场 一个槽位于美国中部一个槽位于美国中部( (偏向地面低压中心西侧偏向地面低压中心西侧),),脊位于美国西海岸脊位于美国西海岸. . 28 从高空流场可以预测地面天气系统的发展趋向从高空流场可以预测地面天气系统的发展趋向. .例如例如, ,当当 地面气旋中心位于高空槽前时地面气旋中心位于高空槽前时, ,气旋将加强气旋将加强, ,高空槽越深高空槽越深, , 地面气旋越强地面气旋越强. .反之反之, ,当地面气旋中心位于高空槽后时当地面气旋中心位于高空槽后时, ,气气 旋将减弱旋将减弱. .而且而且, ,浅槽对应着

20、相对较弱的地面气旋浅槽对应着相对较弱的地面气旋. . 29 发布预报发布预报 由于地面气旋中心由于地面气旋中心( (低压中心低压中心) )位于高空槽前位于高空槽前, ,气旋有加气旋有加 强的可能强的可能. .地面气压趋向显示降压区在东北方向地面气压趋向显示降压区在东北方向, ,升压区升压区 在西侧在西侧. .根据经验根据经验, ,该气旋中心东北方向移动该气旋中心东北方向移动, ,同时同时, ,冷锋冷锋 向东南向东南, ,暖锋向东北暖锋向东北. .冷暖锋前后有降水冷暖锋前后有降水, ,气旋北侧可能降气旋北侧可能降 雪雪, ,南侧降雨南侧降雨. . 30 星期三早上星期三早上06点实际天气状况点实

21、际天气状况 气旋中心移至气旋中心移至5 5大湖南部大湖南部, ,冷锋移至南海岸冷锋移至南海岸. .气旋气旋 周围有降雪周围有降雪, ,南部冷锋变性成静止锋南部冷锋变性成静止锋, ,锋面后降锋面后降 水水. .中部平原大风中部平原大风. .实际天气现象和预报基本一实际天气现象和预报基本一 致致. . 31 2004年年11月月9-10日日 一次中国寒潮的天气分析和预报一次中国寒潮的天气分析和预报 (2004/11/09,00时地面天气图时地面天气图) H L 32 2004/11/09，00时时850hPa 天气图天气图 33 2004年年11月月09日日00时时 卫星红外云图卫星红外云图 34

22、 2004/11/10，00时地面天气图时地面天气图 H 35 2004/11/10, 00时卫星红外云图时卫星红外云图 36 数值天气预报数值天气预报 n将支配大气运动的偏微分方程，以观测值为初始条件，将支配大气运动的偏微分方程，以观测值为初始条件， 利用计算机的数值解法利用计算机的数值解法( (时间积分时间积分) )求得的预报称为数求得的预报称为数 值预报。值预报。 n描述大气运动的方程，描述大气运动的方程，流体力学的纳维耶斯托克斯流体力学的纳维耶斯托克斯 方程方程( (牛顿力学第牛顿力学第2 2定律定律) )；热力学方程热力学方程( (热力学第热力学第1 1定定 律律) )；水汽和空气的

23、连续方程水汽和空气的连续方程( (质量守恒法则质量守恒法则) )。 n大气和数值模式就是将这些非线性偏微分方程简化，大气和数值模式就是将这些非线性偏微分方程简化， 在指定的边界条件下，用于理想化的模式大气。在指定的边界条件下，用于理想化的模式大气。 n控制方程是非线性的，得不到解析解，只能用数值求控制方程是非线性的，得不到解析解，只能用数值求 解的方法，将实况观测值作为初值，利用电子计算机解的方法，将实况观测值作为初值，利用电子计算机 求解求解( (时间积分时间积分) )，所以加上，所以加上“数值数值”两字。两字。 37 为什么天气预报会出现错误为什么天气预报会出现错误? ? n对人工对人工(

24、 (经验经验) )天气预报来说天气预报来说, ,预报员作出的天气预报是预报员作出的天气预报是 根据经验根据经验, ,线性外推线性外推, ,统计分析等作出的定性预报统计分析等作出的定性预报, ,而天而天 气系统是一个非线性系统气系统是一个非线性系统. .这就决定了人工预报是不可这就决定了人工预报是不可 避免地会出现错误的，尤其是在天气发生转折性变化避免地会出现错误的，尤其是在天气发生转折性变化 时时, ,人工预报常出现错误。人工预报常出现错误。 n数值预报可以作出定量的天气预报数值预报可以作出定量的天气预报, ,如降水量如降水量, ,温度值温度值, , 风速值等。但是数值预报的准确性与初始场风速

25、值等。但是数值预报的准确性与初始场, ,模式的参模式的参 数化方案以及数值求解技术等都有密切关系数化方案以及数值求解技术等都有密切关系. .初值的观初值的观 测误差和分析误差、大气数值模式的不完善测误差和分析误差、大气数值模式的不完善( (物理过程物理过程 的表现等的表现等) )引起的误差，以及求解控制方程时的近似引起的误差，以及求解控制方程时的近似 ( (非线性方程的数值解法等非线性方程的数值解法等) )误差都会引起数值预报误误差都会引起数值预报误 差。差。 38 为什么天气预报会出现错误为什么天气预报会出现错误? ? n在数值积分过程中在数值积分过程中, ,数值误差随着时间的延长数值误差随着时间的延长 而增长。因此预报结果的误差随预报时间逐而增长。因此预报结果的误差随预报时间逐 渐增大，最后失去预报价值。甚至有理论指渐增大，最后失去预报价值。甚至有理论指 出出, ,天气预报的时限在一个星期以内。天气预报的时限在一个星期以内。 n初值场的微小误差，便可以带来完全不同的初值场的微小误差，便可以带来完全不同的 预报结果，这便是预报结果，这便是LorenzLorenz的浑沌理论所隐含的浑沌理论所隐含 的重要结论之一的重要结论之一, ,