南大天气学原理第8章

1、南大天气学原理第8章常用的天气预报技术方法天气学预报方法统计学预报方法动力学预报方法天气-统计预报方法动力-统计预报方法(MOSPP法)天气-动力预报方法 天气预报的种类按预报时效:临近预报(0-2小时)甚短期预报(2-12小时)短期预报(12-48小时)中期预报(3-10天)长期预报(10天以上)等;按服务对象:日常天气预报专业天气预报(如航空天气预报);按预报范围区域预报站点预报等。 一个地区的天气变化主要由天气系统变化所决定。天气预报实际上分为两个步骤：第一步是天气形势预报，预报各种天气系统的生消、移动和强度的变化，它是气象要素预报的基础。第二步是气象要素和天气现象预报，是对气温、湿度、

2、风、云、降水和其它天气现象变化的预报。8.1 天气形势预报的基本方法天气形势预报主要是气压场和流场的预报。气压场和流场相互适应而接近于地转平衡形势预报的两种处理方式：从气压场变化入手，找出气压变化的规律。如：减压地区可能形成低压或使原有低压加强，即有气旋发生发展。从流场变化入手，通常得用涡度方程进行分析。如：正涡度增加地区，有气旋的发生发展；负涡度增加地区，则可能有反气旋的发生发展。形势预报的方法可分为两大类:数值预报方法，天气学方法。本节主要讨论利用天气学方法制作天气形势预报的常用方法。趋势法根据最近一段时间内天气系统演变的趋势，预报未来短时间内天气系统强度变化及移动，这种方法叫做趋势法。趋

3、势法通常分为外推法和运动学方法两种。1.外推法根据最近一段时间内天气系统的移动速度和强度变化的规律，顺时外延，预报出系统未来的移动速度和强度变化，这种方法叫做外推法。外推法又可分为两种情况：一种是系统的移动速度或强度变化基本上不随时间而改变，按这种规律外推，叫做直线外推，也称为等速外推。另一种是当系统的移动速度或强度变化接近 “等加速”状态时，外推时要考虑它们的 “加速”情况，按这种规律外推，叫做曲线外推。 应用外推法可以对高、低压系统和槽、脊的移动和强度作出预报。直线外推时只需要根据当时和上一时次的两张天气图即可进行，而曲线外推需要利用三张(或以上)天气图进行比较。（1）高低压系统的外推直线

4、外推移动距离：S2=S1移动方向：不变强度：PPP2+(P2-P1) =1006+(1006-1008) =1004曲线外推移动距离：S3-S2=S2-S1， S3=S2+S=S2+(S2-S1)移动方向： 34=23+(23-12)强度： P34 - P23= P23 - P12P4=P3+(P3-P2)+(P3-P2)-(P2-P1) =995+(-7)+(-7)-(-9) =990S1S2S310111002995（2）高空槽脊的外推高空槽线外推。因为槽线各段移动速度不同，可以在槽线上取几个代表性的点。槽线方向变化高空槽脊强度外推（从等高线的形状来外推）选择能表示槽、脊的某条等高线，如5

5、40线，追踪该线与槽、脊的交点，对两交点进行外推。当槽(脊)过分拉长时，应考虑将有切断低压或闭合高压出现。注意（1）外推法主要用于天气系统呈相对静止状态。（2）所用资料的时间间隔不宜过长。（3）气压系统的中心位置和中心数值要尽量准确。（4）要注意气压日变化的影响。（5）外推时，还要根据天气系统变化的物理原因以及周围天气系统和地形的影响，考虑系统的变化。2.运动学方法利用气压系统过去移动和强度变化所造成的变高（或变压）的分布特点，通过运动学公式导出的一系列定性预报规则，来预报系统未来的移动速度和强度变化的方法，叫做运动学方法。 （1）气压系统移动的预报取x轴与C的方向一致，则在气压系统上取一些特

6、性点和特性线，使得在这些点和线上有F/t=0，于是，这些点和线的移动速度为(i)等压线移动的预报使运动坐标系随等压线p一起移动，若等压线的移动方向为法线方向，则取x轴与等压线的法线方向一致。这样，等压线p的移动速度为若某处有正变压，等压线向低压方向移动；若某处有负变压，等压线向高压方向移动。移动速度与变压成正比，与气压梯度成反比。(ii)槽、脊线移动的预报使运动坐标系随槽、脊线一起移动，取x轴垂直于槽、脊线，并指向气流的下游方向，和槽、脊线的移动方向基本一致。由于在槽、脊线上槽、脊线的移动速度为对槽来说，说明槽沿变高梯度方向移动槽前变高槽后变高，槽前进槽前变高槽后变高，槽后退对脊来说，说明脊沿

7、变压升度方向移动脊前变高脊后变高，脊前进脊前变高脊后变高，脊后退槽脊移动速度与变高梯度成正比，与（槽脊强度）成反比。(iii)高、低压中心移动的预报在低压中，可设有2条相互垂直的线，分别与x轴和y轴重合，低压中心的移动速度C可看成两线移动的矢量和。对近于圆形的低压，由于将沿变压梯度方向移动；同理，对近于圆形的高压，将沿变压升度方向移动。椭圆形高压(低压)的移动方向介于变压升度(梯度)与长轴之间，长轴越长，移动方向越接近于长轴。移动速度的大小与变压升度(梯度)成正比，与系统中心强度成反比。(iv)气压系统强度变化的预报在高、低压中心，p0同样，在槽(脊)线上，取x轴垂直于槽(脊)线，并指向气流的

8、下游方向，当低压中心或槽线上出现负变压(正变压)时，低压或槽将加深(填塞);当高压中心或脊线上出现正变压(负变压)时，高压或脊线将加强(减弱)。例外槽线上负变压，脊线上正变压 槽脊发展?槽（脊）上变压梯度（升度）为零槽脊发展? 不移动？预报经验(i)如果气旋中心出现了负变压，这个气旋将要加深；反之，如果出现了正变压，气旋就会填塞。如果反气旋中心出现了正变压，反气旋将要加强；反之，如果出现了负变压，反气旋就会减弱。(ii)如果零值变压线接近于气旋或反气旋中心，则表示这个气旋或反气旋未来的强度变化不大。如果零值变压线处在气旋或反气旋后部较远的地方，则气旋或反气旋要加强；如果零值变压线处在气旋或反气

9、旋前部较远的地方，则气旋或反气旋将很快减弱。(iii)如果在低压槽或均压区中，出现了明显的3小时负变压中心(2.0hPa)，则该处可能有高压生成。(iv)由于锋面气旋常沿暖区等压线方向移动，故暖区中变压不大。如果暖区中出现了较大的负变压，表示气旋将发展；反之，气旋将填塞。高空系统预报的经验(24小时变高)(1)高压常向正变高中心移动，低压常向负变高中心移动。(2)槽线前后分别有一负、正变高中心时，这种槽一般移动较快。变高梯度越大，槽移动越快。(3)当槽(脊)线上出现负(正)变高中心时，则槽(脊)将加强，且移动较慢；反之，槽(脊)将减弱，且移动加快。(4)当移动缓慢的高压脊西北方出现负变高中心，

10、并不断加强，则此脊将减弱。注意当天气系统的移动和强度无突然变化或无天气系统的新生、消亡时，应用上述趋势法的较果较好；反之，预报往往与实际不相符合。 8.1.2 涡度观点的应用1. 地面气旋（反气旋）发展方程2. 平均层涡度方程3. 引导气流原理的应用1. 地面气旋（反气旋）发展方程Petterssen发展方程无辐散层绝对涡度平流项非绝热加热项温度平流项垂直运动项涡度平流，地面气旋发展温度平流，地面气旋移动2. 平均层涡度方程平均层上的相对涡度平流热成风涡度平流地转涡度平流地形作用 涡度平流对称槽（脊），涡度平流影响槽（脊）移动。不对称的槽（脊），涡度平流影响槽（脊）强度。 热成风涡度平流在温度

11、槽附近，热成风涡度最大，在温度脊附近，热成风涡度最小。温度槽落后于高度槽，高度槽将加强。高度槽落后于温度槽，高度槽将减弱。3. 引导气流原理的应用地面高、低压中心的移动速度与系统中心上空平均层上的地转风一致。实际工作中可利用700hPa或 500hPa等压面上的地转风加以适当订正以预报地面系统中心的移动，这就是所谓的“引导气流原理”。地面气压系统中心的移动速度为其上空500hPa风速的倍，700hPa风速的0.8-1倍。夏季常用500hPa作引导层，冬季常用700hPa作引导层。地面气压系统的移动方向与引导气流的方向有一定的偏角，大多数偏于引导气流的左侧，引导气流越大，偏角越小，反之亦然。在实

12、际应用引导气流规则时，必须充分考虑引导气流本身的特点和变化。同时还要注意地形的影响。另外，引导气流对浅薄系统的预报效果较好，当地面系统加深以后，则效果较差。8.1.3 位涡思想的应用1.位涡及其分析方法位涡分析方法:在等位温面上分析等位涡线，亦称等熵位涡分析（IPV分析）；在等位涡面上分析等位温线，亦称等位涡位温分析（iso-PV分析）；分析等位涡面的位势高度，亦称动力对流层顶（dynamic tropopause）分析。由于PV和在绝热条件下的守恒性，前两种分析方法对于诊断某一时段内大气的运动状况是比较理想的。 在作IPV分析时，一般选取与极锋地区对流层顶相重合的等位温面，在北半球冬季可取=

13、315K，夏季取=325K。在这两个特殊的面上，PV=2（或3）的等值线可以被看作是来自低纬地区对流层低值PV大气与来自高纬地区平流层高值PV大气之间的边界。通常称在很高纬度地区能够发现的平流层大气为平流层大气库。显然，在绝热、无摩擦条件下，等PV线将在这两个面上作平流运动。等熵位涡分析中经常可以见到，高值位涡区伸向南方的正位涡异常区和低值位涡区指向北方的负位涡异常区，这些位涡异常区随空中气流作平流运动，其形状发生改变，有时甚至从源地被切断。因此，利用位涡异常区的这种物质守恒性质可以识别和追踪大气扰动的演变过程。 在作等位涡位温分析和动力对流层顶分析时，通常选取PV=2这个特殊的等位涡面。这是

14、由于PV=2介于平流层大气PV和对流层大气PV数值之间，在副热带急流以北地区PV=2的等位涡面接近于实际大气的对流层顶，一般称之为动力对流层顶。在PV=2的面上，数值较低的大气对应于高纬地区大气，而 数值较高的大气对应于低纬大气。在绝热条件下，等线也将作平流运动。分析PV面的位势高度具有两个优点，一是它可以直接反映正的位涡异常对低空大气的影响程度，当对流层顶（局地正的位涡异常）下降时（例如处于一个发展着的气旋后部），相应地，PV=2的等位涡面的高度下降，对地面系统发展的影响加大；二是PV=2的等位涡面高度与业务工作中常用的对流层顶高度图的关系密切，两者的图形十分相似，而且在PV=2面上的特征更

15、为明显。 2.等熵位涡思想的基本要点及其应用位涡具有两个基本性质：一是守恒性，即在绝热无摩擦条件下，运动大气的位涡保持不变；二是反演性，在给定位涡的分布及适当的边界条件，并假定运动是平衡的（地转平衡，梯度风平衡）情况下，可以反演出同一时刻的风、温度、位势高度、垂直运动的分布。利用等熵面上位涡的守恒性和反演性原理可以解释准平衡大气运动的动力学特征，Hoskins等人(1985)称这种方法为“等熵位涡思想（IPV thinking）”。基本要点将大气结构看成是由基本气流及高空正、负位涡异常迭加在地面正、负位温异常之上所组成。而在涡度观点中，将大气结构看成是由高空移动性的槽、脊迭加在地面气旋、反气旋

16、之上所组成的。围绕高空正位涡异常中心及周围地区出现气旋性风场，围绕高空负位涡异常中心及周围地区出现反气旋性风场；对于近地面层而言，当有正温度异常出现时，对应一个气旋性风场，而负温度异常对应一个反气旋性风场。上述各异常所诱生的风场之和组成了总的风场。基本要点（续）假设大气运动是绝热无摩擦的，位涡在等熵面上作平流运动，由此引起位涡的局地变化。各异常区所诱生的风场将改变IPV的分布。由此造成的新的IPV分布又与新的诱生风场相联系。天气系统的强烈发展过程往往发生在当对流层顶附近正的位涡异常区东移迭加在低空原先已经存在的锋区之上，气压、风、质量之间原来的平衡关系遭到破坏以后。由高空正位涡异常区诱生的气旋

17、性环流，造成在高空正位涡异常区前方有暖空气向北平流，结果在地面形成明显的正位温异常区（它稍位于高空异常区的前方），该异常区亦将相应地诱生出一个气旋性环流。上述两个高、低空异常区的同位相迭加，使得它们各自所诱生的气旋性环流将进一步发展。只要低空异常区保持位于高空异常区之前，与高空异常区相联系的、位于其后方的、向赤道方向运动的气流将使高值IPV空气向南方平流，从而加强了高空正位涡异常。这就是一种所谓的“自我发展（self-development）”过程。这种过程直至上下两个异常区的轴线垂直，新的平衡建立为止。上述过程恰好就是天气系统（地面气旋）发生、发展的过程。 利用IPV思想，还可以解释地面气旋

18、的移动，高空系统的形成和移动，地形对地面气旋和反气旋移动的影响，以及高空波动的侧向和垂直传播等,有兴趣的读者可参阅Bluestein(1993)所著的中纬度天气动力气象学中的有关章节。IPV思想的主要优点是，它能够识别出具有重要动力学意义的，且比等压面上所显示的更为精细的高空形势特征，估计潜在的发展趋势，追踪高空系统的演变等。 在自由大气中，非绝热加热的作用是十分重要的。前面已经提到，在凝结加热区下方，大气的位涡增大，而在其上方位涡减小，变化量可达到每天一个PVU。因此，中纬度地区低压系统中的潜热释放将导致低空气旋性环流的显著增强，并且使位于其前方的高空高压脊得到显著的发展。 另外，在实际业务

19、预报工作实践中，人们发现，在中纬度地区（特别是在极锋附近及其以北地区），位涡特征与卫星水汽图像特征之间存在着一种良好的对应关系，即水汽图像上狭长的干区（dry slot）往往与位涡“槽”底和位涡大值区前缘相对应，最干区域一般对应于位涡梯度最强区或等位涡线最大的弯曲处。利用这种对应关系，可以检测数值预报模式预报结果的误差，特别是在卫星红外云图或可见光云图上的无云区或当云层尚未出现时，通过比较位涡图和水汽图像上的特征，可以发现模式结果的误差。同样，当位涡特征与水汽图特征配合良好时，表明模式结果是好的，可信的，至少在对流层高层是这样。位涡的形状分布特征对于天气系统发展是极为重要的，如果模式出现差错，

20、水汽图像上的特征形状往往是反映实际大气运动状况的，因而对预报有指示意义。 最后需要指出的是，远离极锋，特别是在其暖区，上述对应关系不成立。 经验预报法相似形势法，或模式法综合分析，归纳出典型模式统计资料法平均数据作参考预报指标法寻找若干指标站还要注意周围系统的变化上下游系统中低纬系统8.2 气象要素预报 气象要素预报：主要包括风、气温、雾、云和降水等气象要素的预报。气象要素预报方法：天气学方法统计预报方法动力统计预报方法（MOS法和PP法）8.2.1 几种主要气象要素形成的宏观条件 1.风 风的方向：根据地转风原则来确定，在地面图上要注意由摩擦引起的风和等压线的交角，风向偏向低压一侧。风的强度

21、：根据气压梯度或位势高度梯度的大小来确定。风还具有很强的地方性特点。影响地面风的因子（1）地表的动力作用地表摩擦作用。摩擦层中，实测风与等压线的交角的大小与摩擦力和地转偏向力有关，也就是与地面粗糙度和纬度有关。一般情况下，地面粗糙度越大，纬度越低时，风向与等压线的交角越大，风速也越小；反之，交角小，风速大。通常地面比海面粗糙，所以在相同的气压梯度力作用下，风向的交角在陆地上大于海洋上；而风速则是海洋上大于陆地上。地形阻挡作用。由于山脉或地形对气流的阻挡作用，气流将被迫改变方向或爬升，并在迎风坡减速，使实际风向显著偏离气压场。地形狭管作用。当气流从开阔地区流入峡谷时，风速加大，而当流出峡谷时，风

22、速减小。这种地形峡谷对气流的影响称为“峡管效应”。（2）局地热力环流在地表热力性质差异较明显的地区(如海滨地区、山谷地区、高地与平原毗邻地带)，由于下垫面受热不均，常有局地热力环流产生，如山谷风、海陆风等，这类风的风向日变化明显，风速一般不大。这类热力环流的影响，在大范围气压场微弱时才比较明显。当气压系统较强时，如果热力环流中的风与气压系统的一致，则风增强，反之减弱。（3）动量传递作用在摩擦层中，风速一般自地面向上增大，垂直方间上有风的切变存在。当大气中有湍流或对流运动时，空气将上下交换，在交换过程中，上层动量较大的空气传到下层使地面风速增大，下层动量较小的空气传到上层，使上层风速减小。动量传

23、递作用的大小，由大气的稳定度和风的垂直切变决定。大气越不稳定，风的垂直切变越大，动量传递的作用就越大。我国常见的大风冷锋后的偏北大风高压后部的偏南大风低压发展时的大风：东北低压、江淮气旋、东海气旋台风大风雷暴大风大风区和冷平流的关系2.气温 由热力学第一定律可得 影响某地气温变化的因子主要有温度平流垂直运动非绝热因子 （1）温度平流的影响 即（ ）项，温度平流项是由于气温沿气流方向分布不均匀，由空气水平运动所引起的局地温度变化。暖平流( 0)引起局地气温上升( 0)，冷平流( 0)引起局地气温下降( 0) 时,上升运动(0)，将引起局地降温（ 0)，将引起局地增温（ 0）；当大气层结不稳定时,

24、则情况相反。 （3）非绝热因子的影响 即 项， 0引起局地降温（ 0引起局地气温上升（ 0）. 非绝热因子包括辐射、湍流交换、凝结等过程。主要表现在大气低层，空气与外界的热量交换。 气温日变化气温日变化的大小，是预报员制作日最高和最低气温预报时要考虑的一个十分重要的问题。这里主要讨论在同一气团控制下，由某些气象气素，通过非绝热因子引起的气温日变化的问题。这些要素是：云风低层大气稳定度地表湿度城市热岛效应3.雾（1）辐射雾（2）平流雾（1）辐射雾：由于辐射冷却而形成的雾由于近地面层强烈的辐射冷却，使潮湿空气温度降到露点温度而形成。形成辐射雾的四个有利条件：晴夜微风近地面层水汽充沛气层比较稳定或有

25、逆温存在。（2）平流雾：暖而湿的空气流经冷的地表面，贴近下垫面的空气冷却凝结而形成的雾。平流雾形成的条件平流条件：风速适中。冷却条件：平流过来的暖湿空气与冷下垫面之间的温差越大，低层冷却越大，平流逆温越强，越有利于平流雾的形成。湿度条件：平流过来的暖空气，湿度大。层结条件：低层有比较稳定的层结。平流雾出现的常见天气形势：入海变性高压西部太平洋暖高西伸脊西部气旋和低槽东部4.云形成云的基本条件有两个：一是空中要有足够的水汽，二是要有使空气中的水汽发生凝结的冷却过程，主要是由上升运动引起的绝热冷却。低云低云由大气低层的水汽凝结或凝华而形成。预报低云时着重分析大气低层（地面和850hPa）的水汽条件

26、和冷却过程。中高云中高云是在中高层（主要是700hPa, 500hPa）上升运动作用下，使空气冷却凝结或凝华而形成。中高空水汽主要靠水平输送，冷却主要靠系统性的上升运动和波动。中高云的演变与中高空天气形势关系密切。在高空槽和低涡的前部，暖平流和锋区附近，有利于中高云发展；在低槽和低涡的后部，冷平流区，深厚的暖高压和浅薄的热低压，不利于中高云生成。5.降水要形成降水，必须具备二个必要的条件，一是要有比形成云更充足的水汽供应（输送），二是要有强的上升运动。常用各层天气图上的露点温度的大小表示水汽含量的多少。用温度露点差表示空气的饱和程度，将T-Td2C（或3C）的区域作为饱和区，可取T-Td4-5

27、C作为湿区。湿层（或饱和层）越厚，越有利于降水。上升运动分为两类：一类是大范围的、系统的上升运动，另一类是与大气层结不稳定相联系的对流上升运动。 用天气学方法制作气象要素预报的一般思路和方法1.气象要素预报的一般思路依据对未来天气形势的预报，正确估计在这种天气形势下本地区可能出现的天气，然后再结合本地区的自然地理条件以及气象要素的日变化规律和预报员的经验，来具体确定预报时效内各种气象要素的变化。 例：地面风预报(1)先制作形势预报。即根据天气学方法或数值预报方法预报的地面天气形势，确定本站未来受什么气压系统控制，处于气压系统的什么部位，然后根据摩擦层中的风和气压场的关系，判断未来风向与风速变化

28、的大致趋势。如，B站处于低压南部，吹西南风6 m/s，根据形势预报，未来低压将向东北移到虚线所示的位置，即 B站未来将处于低压的后部，相当于原来 A站所处的位置。若未来该低压强度变化不大，则可预报 B站未来的风向和风速为:在冷锋过境前，为西南风 6 m/s;过境时，风向从西南转为西北;过境后，为西北风 8 m/s。若该低压在移动过程中是逐渐加强的，则风速可报大一些;若在移动中减弱，则风速可报小一些。(2)制作地面风的预报在上述预报的基础上再考虑地形、热力环流以 及动量的上下交换等因素，结合预报经验，进行订正就可作出该站地面风的预报。例如，当气旋由陆地移到海面时，由于摩擦力减小，即使气旋强度不变

29、，气旋内的风速也会加大，风向与等压线的交角则会变小。当热力环流的低层水平风向与由气压场所决定的风向一致时，风速应报大一些;反之，则报小一些。若未来大气层结和风的垂直切变有利于动量传递，则白天风速应报大些，风向与上层风接近，夜间风应报小些，等等。地面气温预报要预报气温必须对影响气温的各种因子进行综合分析。如果有强的冷暖平流，应先考虑平流变化，然后再考虑日变化。气温预报主要是预报最高气温和最低气温。（1）最低气温预报方法在天气形势预报的基础上，应用经验和指标方法进行预报。（i）根据经验作预报。若在预报时效内，天气形势变化不大，预报地区仍受同一气团控制，则可根据预报气团内部气温变化的经验来预报。若在

30、预报时效内，有锋面过境，则可根据高空冷平流强度，综合分析平流变温和非绝热变温对最低气温的影响，然后根据预报经验作预报。（ii）外推法作定性预报。若在预报时效内天气形势无大变化，可根据当天和前一天天空状况和最低温度作外推。（iii） 利用夜间冷却量作预报。Tm=T19-T其中Tm为最低温度，T19为当日19时的干球温度，T为冷却量，即19时至次日最低温度出现时由于冷却而降温的数值。冷却量根据天气条件如云和风，利用统计方法求得。 （2）最高气温预报方法（i）外推法。在天气形势变化不大的条件下，可根据最近一两天的最高温度来预报。（ii）利用统计资料作预报。 TM=TM0+T，T=T1+T2+TRTM为预报最高温度，TM0为当日最高温度，T1为白天云量日际变化所引起的变温，T2为风向日际变化所引起的变温，TR为降水引起的订正值。（iii）显著冷暖平流的影响。 TM=TM0+TVT可计算850hPa上的平流强度。降水预报的一般思路(1)初步了解本地区上游已发生的降水情况，分析其成因，找出影响降水的主要天气系统。(2)了解雨区和主要天气系统的历史演变，根据形势预报方法，对可能影响本地区的天气系统做出预报。