天原笔记（5） 天气形势及天气要素的预报
天原笔记（5） 天气形势及天气要素的预报
根据《天气学原理和方法》课本总结，边复习边记下来，仅供参考，有缺漏或错误的请联系我改正，谢谢！
用最人话的人话讲天原，侧重经验性结论，公式推导部分较少，结构清晰，看着轻松
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系列文章链接汇总
第一章：大气运动的基本特征
大气运动的基本特征
第二章：气团与锋
气团与锋
第三章：气旋与反气旋
气旋与反气旋
第四章：大气环流
大气环流
第五章：天气形势及天气要素的预报
天气形势及天气要素的预报
方程汇总篇
方程汇总篇
方程汇总篇
方程汇总篇
文章目录
- 天原笔记（5） 天气形势及天气要素的预报
- 系列文章链接汇总
- 第一章：大气运动的基本特征
- 第二章：气团与锋
- 第三章：气旋与反气旋
- 第四章：大气环流
- 第五章：天气形势及天气要素的预报
- 方程汇总篇
- 方程汇总篇
- 一. 外推预报法
- 1. 等速外推（直线外推）
- 2. 加速外推（曲线外推）
- 3. 适用范围
- 二.运动学预报法（变压法）
- 1. 运动坐标系与固定坐标系局地变化关系
- 推导
- 理解
- 2. 上述关系在预报上的应用
- 3. 槽脊系统的移动
- 性质
- 4. 地面高低压系统的移动
- 性质
- 5.使用外推法注意
- 三. 高空形势预报方程
- 1. 公式
- 2. 绝对涡度平流项
- 地转涡度平流
- 东西向槽脊
- 南北向槽
- 相对涡度平流项
- 曲率项
- 散合项
- 疏密项
- 小结
- 3. 热成风涡度平流项
- 四.地面形势预报方程
- 1. 高度说明
- 2. 公式
- 3. 平均层高度变化项
- 4. 平均温度平流项
- 5. 垂直运动产生的绝热变化项
- 6. 非绝热加热项
- 五. 引导气流
- 六. 地形对系统的影响
- 1. 地形造成的垂直运动
- 2.摩擦造成的垂直运动
- 3. 摩擦作用
- 4.分析西风槽经过高原时移速变化
一. 外推预报法
天气过程的发展在一定时间间隔内具有连续性，可以把天气系统过去的演变趋势外延到以后一段时间来推测天气形势的未来变化，这种方法被称为外推法
1. 等速外推（直线外推）
- 系统的移动速度和强度变化基本不随时间改变，移动距离和强度与时间成线性关系
- 两个时间点的数据就可以外推
2. 加速外推（曲线外推）
- 系统的移动距离或强度与实践成曲线关系，要考虑他们“加速”的情况
- 需要至少三个时间点的数据才能外推（两两之间算出加速度）
3. 适用范围
- 大气处于相对稳定状态时，天气系统的运动速度和强度变化是渐进的且具有连续性，适用
- 大气处于显著的变动状态时候，天气系统的运动速度和强度会发生剧烈变化，不适用
- 外推的时间不能过长，所用图次时间间隔也不能太长
二.运动学预报法（变压法）
1. 运动坐标系与固定坐标系局地变化关系
推导
- 基于一个前提：
运动坐标系和固定坐标系下个别变化项是同一个东西，而两者坐标系下的局地变化是不同的 - 上式减下式得
理解
- 运动坐标的局地变化可以看作是以速度C运动的某点的个别变化
2. 上述关系在预报上的应用
- 在一些特征点和特征线上有某一物理量在运动坐标系中的局地变化为0
- 使得上述式子移项后化为
x方向分母就偏x，y，z方向类似
3. 槽脊系统的移动
- 槽脊系统变高梯度为0（槽脊是取极值的地方，对x方向偏导数为0）
- 将高度沿x方向导数带入得到
性质
- 槽沿变高梯度方向移动（从高压指向低压的方向）
- 脊沿变高升度方向移动（从低压指向高压的方向）
- 槽/脊的强度越强，系统移动速度越慢
- 槽/脊的变高梯度/升度越大，移动速度越快（高低压差越大越快）
4. 地面高低压系统的移动
- 地面高低压系统在系统中心气压梯度为0
- 将气压沿x，y方向导数带入得到
- 移动方向与x轴夹角为θ，tanθ表示为
- 变压升度与x轴的夹角β，与移动方向夹角的关系如下
性质
- 正圆高压系统（正圆中气压二阶导数xy方向相等）移动方向和变压升度方向一致
- 正圆低压系统移动方向和变压梯度方向一致
- 为椭圆时，移动方向位于长轴和变压升度之间，即θ<β,且长轴越长，椭圆越扁，运动方向越接近长轴
5.使用外推法注意
- 适用范围：大气运动处于相对稳定状态，不能预报系统转折性变化
- 三小时变压需要消除日变化的影响
三. 高空形势预报方程
- 涡度和等压面高度的变化关系
- 求出高空涡度的变化就等于知道了位势高度的变化
推导略
1. 公式
关于方程的说明：
- 假设地面平坦且无摩擦
- 近似应用于500hpa等压面上以预报500hpa的形式
- 考虑了大气的斜压性，因此有热成风涡度平流
- 涡度平流和热成风涡度平流是天气系统发生，发展的主要因子
2. 绝对涡度平流项
绝对涡度平流=地转涡度平流+相对涡度平流
地转涡度平流
东西向槽脊
- 槽前——南风——f变大——涡度减小——正变高
- 槽后——北风——f变小——涡度增大——负变高
- 东西走向的槽脊线上变高为0，槽的强度不变
- 加大槽前后的变高梯度，让槽西移
南北向槽
- 槽前后——偏北风——f减小——负变高
- 槽上为北风——负变高——槽加深
- 槽前后都为南风，正变高，槽减弱
相对涡度平流项
用自然坐标系来表示
曲率项
- 弯曲程度越大，曲率越大
- 槽前弯曲程度减小，曲率减小，负变高
- 槽后弯曲程度加大，曲率增大，正变高
- 槽线上没有曲率变化
散合项
- 对于对称槽：槽前负变高，槽后正变高，槽移动，不发展
- 对于疏散槽：等高线一直在变疏，槽线上有负变高，槽发展，对移动的影响不大
- 对于汇合槽：等高线一直在变密，槽线上有正变高，槽减弱，对移动的影响不大
- 不论是槽还是脊：疏散就会加强，汇合就会减弱
疏密项
属于小项，不是很重要
小结
- 曲率项对于东西向的槽脊系统有移动作用，没有发展作用；对于南北向的槽脊系统主要是发展作用
- 散合项：对称槽脊有移动作用，非对称槽脊基本上是发展作用；汇合会减弱，疏散会发展
3. 热成风涡度平流项
分析方式同相对涡度平流
- 当温度槽落后于高度槽时的分析如下
- 温度槽落后于高度槽的时候在温度槽前有正热成风涡度平流输送，使高度槽上负变高，槽发展——解释了温度场落后于高度场可以使槽发展
四.地面形势预报方程
1. 高度说明
- H拔为平均层高度，H0为1000hpa高度
2. 公式
3. 平均层高度变化项
- 该项就是高空形势预报方程那两项
- 物理意义例子：地面温带气旋处于高空槽前脊后，高空的正涡度平流会引起地面的减压，加深发展
4. 平均温度平流项
- 当有冷平流时，地面等压面抬升——对应高空槽上有冷平流时地面加压
- 当有暖平流时，地面等压面降低——对应高空脊上有暖平流时地面减压
5. 垂直运动产生的绝热变化项
在干绝热稳定大气中：
- 上升运动使等压面升高，等压面升高意味着是有气流下沉加热，气柱膨胀，因此地面是加压的
- 下沉运动使等压面降低，等压面降低意味着是有气流上升冷却，气柱收缩，因此地面是减压的
- 由此看来，在稳定大气中，气旋是上升运动，就意味着气旋要消亡，反气旋下沉运动，意味着反气旋要消亡（负反馈）
在不稳定大气中则相反（正反馈）：
- 上升运动有利于气旋发展
- 下沉运动有利于反气旋发展
6. 非绝热加热项
- 非绝热加热项包括：乱流，辐射，蒸发，凝结
- 在热源地区（右式小于零），有负变高，气旋加强：我国冬季被陆地包围的暖水面如贝加尔湖等容易形成气旋
- 在冷源有正变高
五. 引导气流
- 地面系统中心可以视为沿平均层的地转风方向移动，称平流层的气流为引导气流
- 下图中t0，t1为两个时段的槽，虚线为平均等高线方向，地面气旋沿着平均等高线移动，平均等高线上的气旋比起始时引导气流偏右，同理反气旋比起始时引导气流偏左
- 由于绝热变化项和非绝热变化项对温度平流的抵消作用，实际地面系统移速比引导气流小
- 实际案例：副热带高压的引导气流对台风轨迹的影响
六. 地形对系统的影响
1. 地形造成的垂直运动
- 当山的坡度越大，风速越大，风向和山的走向越垂直时，垂直运动越强
- 与变高的关系：
- 迎风坡：上升运动，正变高，气旋减弱
- 背风坡：下沉运动，负变高，气旋增强
- 迎风坡背风坡的物理意义：（每理解透）
- 迎风坡：迎风坡气柱垂直方向被压缩（上升运动随高度升高而减少，等于是高层不动低层往上送气流，只能辐散掉），辐散，气旋性减弱，有下沉运动，高层正变高
- 背风坡：背风坡气柱垂直方向伸长，辐合，气旋性加强，有上升运动，高层负变高
2.摩擦造成的垂直运动
- 在地转偏差那章中分析过摩擦会产生指向低压的地转偏差
- 因此在流线为气旋性曲率区域中，摩擦使其辐合，有上升运动
- 流线为反气旋曲率区域中，摩擦使其辐散，有下沉运动
3. 摩擦作用
- 摩擦虽然使气旋辐合造成上升作用，但这种作用随着高度减弱，使得近地层以上的大气辐散，水平方向上辐散，最终减弱系统
4.分析西风槽经过高原时移速变化
- 曲率项让槽前负变高，槽后正变高
- 槽前端上坡下坡，后端上坡下坡会影响变高
- 槽前后的变高梯度决定了槽的移动速度
- 槽经过高原时减速——加速——不受影响——加速——减速
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