《天气学原理》教学课件-第一章 绪论.ppt
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天气学原理江静1参考书v朱乾根,林锦瑞等编,天气学原理和方法,气象出版社v钱维宏编著,天气学,北京大学出版社2第一章绪论介绍天气学的研究对象、内容和方法,简要说明天气学发展史。
31.1天气学的研究对象天气学的研究对象v天气预报的重要性天气预报的重要性4最低气象条件最低气象条件:
v海岸风力不大于级,海峡不出现巨大涌浪,便于军舰航行和登陆;海岸风力不大于级,海峡不出现巨大涌浪,便于军舰航行和登陆;v月亮出得晚,早晨和夜间处在低潮状态,以便在接近敌人时能得到暗夜月亮出得晚,早晨和夜间处在低潮状态,以便在接近敌人时能得到暗夜的掩护,而在进攻登陆时又能看得清,一天有两次登陆机会;的掩护,而在进攻登陆时又能看得清,一天有两次登陆机会;v登陆前要有分钟晓光,低云不超过万,能见度要大于千米,确登陆前要有分钟晓光,低云不超过万,能见度要大于千米,确保空军实施轰炸。
保空军实施轰炸。
根据对根据对月光月光和潮汐的和潮汐的要求要求,只有将,只有将66月月5-75-7日满足要求,将登陆日期日满足要求,将登陆日期定于定于66月月55日,并将日,并将66月月66日和日和66月月77日作为合适的替换日日作为合适的替换日。
19441944年年66月月44日,英吉利海峡风急浪高。
日,英吉利海峡风急浪高。
著名气象学家著名气象学家RossbyRossby:
66月月55日有风暴通过海峡,日有风暴通过海峡,66日有适宜登陆的天日有适宜登陆的天气气。
盟军气象联合小组也得出相同结论。
盟军气象联合小组也得出相同结论。
德国气象专家虽也报出了德国气象专家虽也报出了66月月44日的低压风暴,但认为风暴持续时间日的低压风暴,但认为风暴持续时间较长,在美英联军发起进攻前的几小时,德军的天气预报还表示:
较长,在美英联军发起进攻前的几小时,德军的天气预报还表示:
从目前的月相和潮汐来看,恶劣天气形势还将在英吉利海峡持续下从目前的月相和潮汐来看,恶劣天气形势还将在英吉利海峡持续下去。
去。
天气预报的应用天气预报的应用在军事上的保障作用在军事上的保障作用19441944年年66月月66日是气象学最辉煌的日是气象学最辉煌的日子日子诺曼底登陆战役5东风-11(M11)近程战术导弹东风-15(M9)近程战术导弹东风-3中程弹道导弹导弹气象保障:
导弹气象保障:
保障各类导弹和火炮的发射、航迹飞行和落区的安全和准确率6卫星气象和空间环境保障:
卫星气象和空间环境保障:
保障各类卫星和航天器的发射和空间飞行7天气学天气学v是研究是研究天气系统天气系统和和天气现象天气现象发生、发生、发展及变发展及变化的基本规律,并利用这些规律来预测未来化的基本规律,并利用这些规律来预测未来天气的一门学科。
天气的一门学科。
8系统系统v系统系统是指在时间或空间上可以与其他系统区分开来的一个实体。
不同系统之间有着明显不同的性质孤立系统、封闭系统、开放系统v天气系统天气系统指具有一定的温度、气压或风等气象要素空间结构特征的大气运动系统。
如温带气旋,反气旋,锋面,热带气旋,高压,低涡,长波,短波等。
天气系统是开放系统。
9尺度尺度v尺度尺度用来表征一个系统在空间上的大小,或者在时间上持续的长短。
不同的系统通常具有不同的时间和空间尺度例如,可取气旋的半径作为气旋的空间尺度,而把气旋持续时间看作是气旋的时间尺度。
气旋的空间尺度大约为数百公里到数千公里,而其时间尺度大约为数天到数周。
对于积云而言,它的水平范围只有数公里到数十公里,其持续时间也只有数小时到半天。
不同尺度的天气系统具有不同的动力学特性气旋与积云的发生、发展的机制也是有所不同的。
10天气系统水平尺度时间尺度最大风速温带气旋冷锋反气旋暖锋飓风热带气旋热带低压干锋小型台风中尺度高压阵风锋中尺度气旋下坡风大暴流微暴流龙卷抽吸性涡旋沙尘暴500-2000km500-2000km500-2000km300-1000km300-2000km300-1500km300-1000km200-1000km50-300km10-500km10-300km10-100km10-100km4-20km1-4km30-3000m5-50m1-100m3-15day3-7day3-15day1-3day1-7day3-15day5-10day1-3day2-5day3-12h0.5-6h0.5-6h2-12h10-60min2-15h0.5-90min5-60s0.2-15min55m/s25m/s10m/s15m/s90m/s33m/s17m/s20m/s50m/s25m/s35m/s60m/s55m/s40m/s70m/s100m/s140m/s40m/s表表1.1地面附近天气系统的水平尺度与时间尺度的特征地面附近天气系统的水平尺度与时间尺度的特征(取自Fujita,T.T.,1986,P.S.Ray,18-35.)11表表1.2中、髙层天气系统的空间和时间尺度的特征中、髙层天气系统的空间和时间尺度的特征(取自Fujita,T.T.,1986)天气系统水平尺度时间尺度长波短波气旋波西风急流低空急流急流轴砧状云团(中尺度对流复合体)单体砧状云超级单体风暴积雨云积云上冲堆状云龙卷涡旋扰动上冲塔状云热泡云内团流涡动8000-40000km3000-8000km1000-3000km1000-8000km300-1000km200-1000km200-1000km30-200km20-50km10-30km2-5km2-5km1-5km100-500m100-1000m10-100m15day3-15day2-5day5-15day1-3day2-5day3-36h1-5h2-6h1-3h10-100min2-10min20-90min1-3min5-20min不定12天气系统天气系统的分类的分类v400km大尺度系统大尺度系统v4km-400km中尺度系统中尺度系统v40m-4km小尺度系统小尺度系统v40m微尺度系统微尺度系统每一个等级的大小差一个量级每一个等级的大小差一个量级1314由于不同尺度的天气系统,其影响的范围、持续的时间与发展的强度都是显著不同的,而其发生、发展的动力学和热力学机制也是不同的,因此,就构成了天气学的不同分支,例如大尺度天气学、中小尺度天气学等。
151.2天气学发展简史与展望天气学发展简史与展望v由于天气变化的影响是如此巨大,作出正确的天气预报,从古以来,一直是人们努力追求的目标,也是大气科学中的一个重要研究方向v要做好天气预报,首先要了解过去与现在的天气特征,要了解演变的规律,然后利用天气学的基本原理,进行未来天气预报16v近百年来的天气预报的实践与发展的历史,可分为以下几个阶段单站预报方法阶段地面天气图阶段单站与天气图预报方法结合阶段Bergen学派的建立高空天气图的引入与波动理论的建立阶段开展数值天气预报的研究与应用阶段数值预报与卫星、雷达等先进探测技术综合应用阶段171单站预报方法阶段通过生产实践,人们观测与总结了当地许多天气变化的前兆,留传了许多天气谚语,早期就根据这些经验来进行天气预报,18v农谚:
础润而雨,日晕而雨,月晕而风,东北风雨太公,v物象:
蚂蚁成群出行将有大水,蚂蟥跳动不安将有天气变化,有些老人腰酸腿痛,也会感到天气将会发生变化19v由于应用的是单站的资料,不能全面地反映出平面或空间的天气状况的分布及其变化,许多经验也有局地性、季节性,因此,预报的准确率不髙,v这就促使人们希望进一步了解天气在空间上的变化,并设法利用其规律来改进预报的准确率。
电报的发电报的发明,使这一希望得以实现明,使这一希望得以实现v但由于天气现象与局地的环境具有非常密切的关系,即便在当今天气预报技术非常先进的时代,单站天单站天气预报方法气预报方法仍是不可忽视的,可把它作为近代天气预报的一种补充。
202地面天气图阶段自从电报发明电报发明之后,各地的资料可以进行及时的传输,这就为进行二维天气图二维天气图分析与预报提供了条件。
v早在电报发明之前,大约在1826年,德国的Brandes就曾利用1783年西欧与中欧稀少的同期多天的气压和风的资料,第一次绘制了供事后研究用的天气图。
他利用这些图讨论1783年全年的天气形势。
v到了1857年,Buys-Ballot就利用这些天气图给出了风与气压场的关系,这就是所谓的Buys-Ballot定理。
但是Brandes的第一次天气图的尝试,很快地被人遗忘与冷落了。
v于1861年在英国开始引入天气图天气图,接着,各国便先后开展了天气图的分析,于是形成了天气学发展的新高潮。
21v这一阶段工作,主要是根据外推法来预报天气,利这一阶段工作,主要是根据外推法来预报天气,利用稀少测站的气压与风的记录,预测气压系统的移用稀少测站的气压与风的记录,预测气压系统的移动,并根据气压上升或下降,来预测未来的天气。
动,并根据气压上升或下降,来预测未来的天气。
一般认为低压系统往往带来坏天气。
一般认为低压系统往往带来坏天气。
v1887年,年,Abercromby总结自总结自1860-1880的天气图的天气图预报的经验,提出了气旋的天气图模式。
预报的经验,提出了气旋的天气图模式。
22气旋的天气图模式气旋的天气图模式v当气旋来临之前,天气良好,随着气旋的接近,天气逐渐变得灰濛濛,而且很闷热,天空从卷层云逐渐变为层积云,云量増多,最后变为阴天与混乱天空,然后出现零星阵雨,毛毛雨,再后来,出现飑线与阵雨。
当气旋过后天气转凉爽,云层变高变薄最后出现蓝天。
2324v但这种模型与实际情况有较大的出入,利用它所作的预报并不是经常有效的,这又促进了以后进一步完善天气学的模型与预报方法。
253单站与天气图预报方法结合阶段Bergen学派的建立大约在1906年以后,V.Bjerknes会同其他科学家,开始系统地研究了分析大气状态与运动的理论和方法。
这些结果反映在他们的二部巨著:
动力气象学和动力气象学和水文学水文学、静力学与运动学静力学与运动学之中。
26v在1918-1928年这一段时期内,V.Bjerknes与J.Bjerknes,Solberg,Bergeron等人,在Bergen开始利用这些理论与方法,对实际天气资料与天气图进行了分析,v并首先分析与发现了大气中的气团与不连续面,称之为锋面锋面。
v随后,他们又将低压中的冷锋和暖锋结合起来,创创立了近代锋面气旋模式立了近代锋面气旋模式。
在这一模式中,冷暖锋交汇于气旋中心,冷锋后面与暖锋前面各有一大雨区,这一锋面气旋与降水的模型一直被沿用至今。
272829利用气团与锋面的概念,并把它作为天气分析和预报的主要着眼点,这就是Bergen学派标志性的成果,它对近代天气学的发展起到了重要的作用。
304高空天气图的引入与波动理论的建立阶段v由于无线电探空技术的发展,使得高空气象的状况有了进一步的了解。
在1933年前后,已有足够多的高空观测资料,可以用来分析高空天气图。
v英、美等国先后开始分析高空等高面天气图高空等高面天气图,而德国的Scherhag等人,于1935年开始采用等压面天气图等压面天气图来分析高空形势,一直到了1945年,才由联合气象委员会决定统一采用高空等压面高空等压面来绘制与分析高空形势图。
v从此以后,天气学进入了一个新的阶段。
31v1939年,Rossby根据大量的天气图的资料,分析了大气中的半永久活动中心与高空波动的关系,指出气旋或反气旋是在高空波动的特定位置下发展起来的,并对高空波动的移动作了理论分析,v指出,由于旋转大气中的Beta作用,使大气波动具有特殊的性质,这种波动的移动、静止与天气过程有密切关系,这种波动后来称之为Rossby波,由此天气学就与动力学紧密结合起来。
32在此后一段较长时期内,除了应用长波理论来指导天气预报外,Sutcliffe提出了相对辐散理论,用它来预测地面气旋的发生与发展。
33Petterssen利用高空涡度变化,来诊断地面气旋发展问题。
这是近代天气学发展的一个重要阶段。
这一阶段的主要特点,是把天气学与大气动力学密切地结合起来,为近代天气学的发展奠定了基础。
345开展数值天气预报的研究与应用阶段v随着计算机的发展,使得利用动力气象学中的偏微分方程组来定量预报大气要素与状况成为可能,同时也使天气学与动力气象学更加紧密地结合起来成为可能。
v1950年,利用计算机制作了第一张天气预报图,经过数十年的努力,数值天气预报的方法已成为日常天气预报的一种不可缺少的重要工具。
v随着大气科学和计算机技术的迅猛发展,目前,不仅能制作大尺度业务数值天气预报,而且还可以制作中小尺度的业务数值天气预报。
35v利用数值预报输出大量的物理量,来进行诊断分析。
v利用数值预报的产品,结合单站的天气资料,进行统计分析,并作出单站的天气预报,是天气预报方法中最普遍的一种方法,通常称之为模式输出统计方法或MOS,这种方法对于提高天气预报准确率是有很好的作用的。
数值预报产品的释用是当前天气预报中的一种常用而有效的方法。
36Runningmeanof24-hforecasterrorovertheNorthernHemisphereFigurecourtesyof(CanadianMeteorologicalCentre)ECMWFNECPCMCDWDFRANCEUKMET3738Verificationof72hForecastvs.AnalysesfortheNorthernHemisphere12MonthRunningMeanUSAECMWFIfECMWFfreezestheirsystemitwilltake5.5yearsfortheUStoreachthislevelofskillat72h!
391990T42L9Northhemisphere5daysforecast1993T63L16Global7daysforecast1997T106L19Global10daysforecast2002T213L31Global10daysforecast我国近年业务化数值天气模式发展的现状我国近年业务化数值天气模式发展的现状40中国数值预报产品中国数值预报产品T106的误差的误差(2002年以前)年以前)图a各个模式预报误差随时间的增长曲线(相对于各自的客观分析场)中国业务数值天气预报模式中国业务数值天气预报模式T106与国际各模式预报误差增长曲线与国际各模式预报误差增长曲线.图b各个模式预报误差随时间的增长曲线(相对于实测探空值)(王元(王元潘益农等潘益农等2002;李羽中李羽中王元王元等等2001)41T213和欧洲中心等各模式预报误差比较和欧洲中心等各模式预报误差比较0244872961200.00.51.01.52.02.53.03.54.04.50244872961200.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5a.RMSErrorof850hPaTemperature(oC)RMSERRORPredictingTime(hours)ECT213RMSERRORCorrelationCoefficient024487296120020406080100120024487296120020406080100120b.RMSErrorof500hPaGeopotentialHeight(m)RMSERRORPredictingTime(hours)ECGFST213(QianH.andWangY.2005)42天气预报由主观走向客观天气预报由主观走向客观v天气分析已从主观到客观,实现了无纸化天气分析已从主观到客观,实现了无纸化,计算机分析取代了人工分析;计算机分析取代了人工分析;v数值预报产品已经成为日常预报的主要手数值预报产品已经成为日常预报的主要手段或参考工具;段或参考工具;v多种工具和资料多种工具和资料(如云图、雷达等如云图、雷达等)的综合的综合应用,预报准确率从总体上说,有了明显应用,预报准确率从总体上说,有了明显提高;提高;v在预报准确率明显提高的同时,有时也出在预报准确率明显提高的同时,有时也出现了现了“马失前蹄马失前蹄”的情况,的情况,436数值预报与卫星、雷达等先进探先进探测技术综合应用测技术综合应用阶段v1960年美国首先发射了第一颗气象卫星,至今已近年美国首先发射了第一颗气象卫星,至今已近四十多年,在此期间,先后发射了四十余颗业务气四十多年,在此期间,先后发射了四十余颗业务气象卫星,目前,将进入第五代的气象卫星象卫星,目前,将进入第五代的气象卫星。
v卫星的探测技术在各个领域都有非常广泛的应用,卫星的探测技术在各个领域都有非常广泛的应用,例如,在全球变化的研究中,可以监测植被的覆盖例如,在全球变化的研究中,可以监测植被的覆盖情况、地壳构造的变化、地形下沉、火山喷发、海情况、地壳构造的变化、地形下沉、火山喷发、海洋环流异常与洋环流异常与ElNino事件等,也可以监测大气中事件等,也可以监测大气中的臭氧,以及大气环境的变化。
的臭氧,以及大气环境的变化。
44v对天气预报来说,卫星资料更有广泛而直接的应用。
由于全球表面差不多70%以上为海洋,而在海洋上几乎没有日常观测资料,只有通过卫星的监测,才能得到海洋以及资料稀少地区的气象信息。
v45v由于近年来卫星反演技术的发展,从卫星资料中可以发掘许多对天气预报有用的信息。
v卫星资料的反演与同化,同时也大大地改进了数值预报的初场,使数值预报的准确率有了显著的提高。
v而卫星资料对于海洋上台风中心的定位,台风的移动,对流云团与暴雨的监测,已起到了重要作用。
46高清晰的云图可看到台风底层的高清晰的云图可看到台风底层的海洋的变化海气相互作用与台风海洋的变化海气相互作用与台风47海洋的冷尾流海洋的冷尾流卫星观测表明:
卫星观测表明:
台风冷却海面现象其冷却效果可达摄氏台风冷却海面现象其冷却效果可达摄氏6度度()之剧;之剧;而台风离开后此冷却现象继续留在海面上慢慢消失,整个而台风离开后此冷却现象继续留在海面上慢慢消失,整个过程可达两周;过程可达两周;这种台风引起的海洋冷却现象会再度反馈至大气,造成大这种台风引起的海洋冷却现象会再度反馈至大气,造成大气边界层风速显著减弱,每气边界层风速显著减弱,每1减弱每秒减弱每秒1米米(1m/s)的风速。
的风速。
48v1960年,第一次使用了脉冲Doppler雷达雷达。
利用它可以很好地监测雷暴,降水等系统的结构,结合卫星,并可很好了解这些系统的移动、发生、发展及其演变,因而可在较短时间內作出灾害性天气预报。
49v由于高科技的进步,卫星、雷达和自动监测站的进一步的应用,已使天气预报的方法有了很大的变化,甚至于在概念上也发生了改变。
v例如,近年来提出的临近预报或现时预报临近预报或现时预报(Nowcasting),就是利用先进的观测手段和通讯工具,以及各种统计方法,作出及时的短期内例如0-6小时内发生灾害性天气的预报。
v这种临近预报同惯用的天气预报方法即主要依靠常规天气资料与天气图作出未来24小时以上的预报是有所不同的。
50v高科技如卫星,雷达等综合应用,也发现了许多新的事实,v例如,锋面与雨区,并不与挪威学派十分一致,51雷达观测到的梅雨锋中尺度雨带的基本结构:
雷达观测到的梅雨锋中尺度雨带的基本结构:
暖空气北上时的准东西向多重雨带暖空气北上时的准东西向多重雨带安徽省气象台提供安徽省气象台提供52雷达观测到的梅雨锋中尺度雨带的基本结构:
雷达观测到的梅雨锋中尺度雨带的基本结构:
冷空气南压时的冷空气南压时的东北西南向多重雨带多重雨带安徽省气象台提供安徽省气象台提供53v经历了百余年的发展,天气预报已从经验、半经验发展到科学、定量的预报。
v由于影响天气变化的因子太复杂,要作出准确的定量预报,还需继续进行深入的研究。
541.3天气学的研究方法与注意点v从上述的介绍,可以看到,要学好天气学,不仅要学好基本理论,还要理论紧密联系实际v要注意系统与尺度的关系,不同尺度的天气系统,有不同的天气现象,而它们之间又是相互作用55天气预报的一般原理与方法天气预报的一般原理与方法v首先,仔细分析天气图中的观测资料,了解天气系首先,仔细分析天气图中的观测资料,了解天气系统与天气状况分布与演变的特点;统与天气状况分布与演变的特点;v然后,利用天气学原理,诊断与分析为什么在这些然后,利用天气学原理,诊断与分析为什么在这些地区有这样的天气出现,为什么有这样的特点;地区有这样的天气出现,为什么有这样的特点;v最后,利用天气学和动力学原理,结合天气学模型最后,利用天气学和动力学原理,结合天气学模型和数值预报的产品,以及最新的观测资料和数值预报的产品,以及最新的观测资料,进行未进行未来的天气预报。
来的天气预报。
561天气现象与天气系统的分析与综合天气现象与天气系统的分析与综合利用观测到的天气现象与有关资料,分析与揭示出天气系统与天气现象分布的联系、特点及其演变规律。
注意一注意一57在一般情况下,天气系统比较容易确定,而其移动规律也是比较容易掌握,因此,在分析了天气系统的移动、发生、发展和演变的规律之后,再研究与这些系统相联系的天气现象的变化特征,有助于作出未来天气现象的正确预报。
582研究不同地区、不同地理环境下的天气研究不同地区、不同地理环境下的天气特征与变化规律特征与变化规律在地球上,有陆地和海洋,有高山与湖泊,这些地表状况会影响到天气变化。
除此之外,在不同的地理位置,也有不同的天气系统与不同的天气现象。
注意二注意二59例如,在极地有极地的天气系统:
极地低压等;在中纬度地区,地面有气旋波与锋面等系统,而在高空有槽脊系统等;在热带地区,却有其独特的天气系统,如台风、赤道辐合带等。
不同地区的天气系统,有不同的变化规律,有不同不同地区的天气系统,有不同的变化规律,有不同的发生、发展的机制。
对于不同地区的天气预报,的发生、发展的机制。
对于不同地区的天气预报,要掌握不同天气特征与变化的规律。
要掌握不同天气特征与变化的规律。
603研究不同尺度天气系统的结构及其相互作用研究不同尺度天气系统的结构及其相互作用不同尺度的天气系统有其独特的发生、发展的规律,但是不同尺度天气系统之间又是相互联系的。
例如,热带气旋是在一定的大尺度环境场中才能生成,例如,热带气旋是在一定的大尺度环境场中才能生成,当它生成之后,它的移动受到大尺度系统如副热带当它生成之后,它的移动受到大尺度系统如副热带高压外围气流的引导作用,同时,热带气旋还会影高压外围气流的引导作用,同时,热带气旋还会影响周围的大尺度环境。
响周围的大尺度环境。
注意三注意三614研究与掌握各种天气的预报方法v利用天气学的基本原理,提高预报准确率,研究并发展天气预报方法,是天气学的最终的目的。
v目前的天气预报也逐步从定性走向定量,数值预报已成为目前天气预报方法中的一种主要的工具。
注意四注意四62小小结结1概念:
概念:
天气学、系统、尺度、天气学的分支天气学、系统、尺度、天气学的分支2天气预报的一般原理与方法天气预报的一般原理与方法63
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