天文动力结构分析与灾害性天气过程预报的业务检验讲座(2)

LOGO天文动力结构分析与灾害性天气过程预报的业务检验讲座（2）——天文动力结构分析的基本概念和原理的解读屈信军基本概念和假设气候距平等级和逐日变量等级1天文引潮力量级的评估23欧氏距离的引入45常规天文动力和异常天文动力感应动力作用和时空积累效应6“三点一线”分析思路技术研发的基石困扰技术研发的问题：量级作用机制可借鉴的理论基础：海洋潮汐理论“三点一线”理论需要解决的问题：资料统计和分析方法（让天文资料与气象资料接轨）作用机制（找到预报的切入点，以便建立预报工具）量级评价（确定天文引潮力在天气预报中的地位）天文指标组合（分离天文动力调制作用和动力触发作用）理论计算方式（确定动力预报的指标）动力和静力耦合机制（形成预报业务流程）业务检验和推广方案（课题工作要求）纵深研究问题（在气候预测和短时临近预报业务中的预报能力的研究）天文引潮力资料的同化处理距平等级是逐日天文动力与逐日气候距平离散度的百分比值，客观定量地表征天文动力强度变化特征，对判断转换关键日和天文动力系统最有用。这是一个状态量，能够较准确地描述天文动力气候分布特征。量级比强度值小一个量级。（大气状态的调制作用）气候距平等级逐日变量等级变量等级是逐日变量与逐日变量离散度的百分比值，客观定量地描述天文动力变化的快慢，时空积累量可以描述动力的稳定状况。在判定大气动力不稳定度层结方面具有独到的作用。这是一个比强度值小一个量级状态量。（不稳定层结积累）天文动力资料的气象同化处理逐日变量气候距平距平等级变量等级逐日离散度天文动力资料统计分析指标形成气象资料统计思路距平等级=气候距平/距平逐日离散度变量等级=逐日变量/变量逐日离散度作用机制探究密闭大气假设感应动力作用时空积累效应感应动力作用1、时间上某一地域的三维动力分量互相转换，阻力减半。2、空间上上升力和下沉力成对、南风力北风力成对、东西力成对存在。3、时空动力转换无障碍，动力作用效果成倍增益。4、天文动力作用无间隙与大气质量不可压缩性都是无可辩驳的事实。5、气候距平等级决定天气发生的关键日和天文动力系统开始的时刻。时空积累效应1、天文引潮力以场的形式存在，天文引潮力就是场强，具有动力加速度的属性。2、矢量的时间积累使运动加速，是单位质量的冲量在持续时间最后时刻达到最大，达到打破大气运动平衡的动力量级。3、矢量的空间积累是自由大气不可压缩性在空间内形成的卷挟增益效应，空间越大，卷挟增益越强。4、标量的时空积累就是大气不稳定层结的有效表征。天文引潮力是没有被平衡的外力天文引潮力调制和触发大气运动前人对作用机制的应用和研究成就与缺憾天文气象预报业务发展缓慢行星对应区三星一线潮汐组合与南北振荡资料没有同化处理作用机制研究不明晰没有与现行业务接轨天文引潮力与大气运动动力量级的评估天文作用动态量级理论计算与大气动力量级比较刘式适、任振球的研究成果从海洋潮汐强度类比来看第三层次评估第二层次评估第一层次评估感应动力与时空积累使天文动力作用大气运动阻力减半，效益倍增。第四层次评估天文动力：10-6—10-7与大气运动垂直力相当，比水平运动大1-2个量级。强对流天气过程中上升力量级与天文垂直力量级相当。海洋强潮汐相当于1/10大气压，气体块等容上升1000米距离。传统量级评估和作用机制研究的误区大气运动速度量级与天文动力量级的比较；天文动力作用的静力观测数据量级与静力观测状态值的量级比较把天文引潮力当作单向作用力，片面地讨论垂直力的作用效果，忽略了天气引潮力是系统的、周期变化的场力。用气块法来分析大气运动受天文引潮力作用的情况。全球大尺度中心分布的特点与局地强对流天气现象在尺度上的巨大差异，误导人们认为天文引潮力对局地灾害天气没有预报能力，这是忽略了天文引潮力无间隙分布的特点的原因。天气动力学的迅猛发展使人们在天气预报研究方向都吸引走了，忽略甚至压制了天文气象学的发展。欧氏距离的引入原因静力能量的保守性天文动力的回归性欧氏距离的表现力自由大气静力能量中，潜热能、显热能、位势能自由转换天文引潮力三维分量，以周期性相互转换的形式运动变化各特征量距平等级的零值交汇时段就是能量相互转换的关键时刻天文动力预报工具的技术构成极大值为动力强迫扩张作用，极小值为动力强平压缩作用，这是最基本的预报要领。距平等级距离减去变量等级距离（极小值）距平等级的欧氏距离（极小值）引入欧氏距离变量等级的欧氏距离（极大值）“天文动力”和“静力能量”欧氏距离的耦合结构ABCFED耦合要件及构成静力欧氏距离极小值时刻动力欧式距离极大值时刻静力欧氏距离零值时刻静力欧氏距离极大值时刻动力欧氏距离零值时刻动力欧氏距离极小值时刻CF组合，冷空气活动AD组合，局地对流天气BE组合，无明显天气耦合的天气类型分析CF组合是动力欧氏距离极小值与静力能量欧氏距离极小值的重合。AD组合是动力欧式距离极大值与静力能量欧氏距离极大值的重合。这两种耦合形式是最极端的天气形势。前者是强冷空气作用的天气。后者是暖热空气背景下的局地对流性天气过程。可以先计算动力时空积累值，用静力能量相应的积累量去耦合，确定天气的爆发时刻。1AF组合是静力能量收缩与动力扩张的耦合，是动力对静力能量的调制作用，为缓慢升温过程，为晴好天气。CD组合是动力欧式距离极小值与静力能量欧氏距离极大值的耦合，是天文动力强迫压缩对不稳定静力能量的触发作用，往往会出现较强的系统性降水天气，降水天气持续时间长，面雨量大，过程降水强。3BE组合是没有天气的耦合形式，配合的天气形势多为较稳定的纬向环流形式，冷暖空气团形成的高低压相对较弱，不能够形成有相当强度的天气现象。伴随天气以晴有时多云为主，气温缓慢上升或缓慢下降，风力较小。动力欧式距离零值B或静力欧氏距离零值E与相对应极值的耦合，因为调制和触发不到位，天气都较弱。2天文引潮力的四种主要施力天体太阳恒星体月球八大行星群体11颗恒星群体射电天体太阳系行星太阳月球常规天文动力与常规天文动力的相互作用机制分析月球对地球的作用主要是引潮力的动力扰动，是大气不稳定能量的策动源。射电天体和八大行星与月球位置的叠加可以极大地增强异常天文引潮力的强度，使天文引潮力出现短暂地不稳定切变，触发各类极端气象灾害。尤其是八大行星与月球位置的叠加，在对天文动力的分析中，这一部分尤为重要。距平等级就是对这一部分最好的分析和体现。太阳对地球的作用在有动力作用的同时更多的表现为对地球大气能量的补充，射电天体和八大行星与太阳的位置叠加不仅能够增强天文引潮力的瞬间强度，更多意义上可能增强了对地球大气能量的补充。尤其是增强地球大气半年系统的强度，形成异常气候的动力背景。由于射电天体和八大行星在地球上的视位置变化较慢，时空积累效应很明显。太阳、月球与地球的位置关系决定了地球天文引潮力基本运动状态。太阳和月球的引潮力占太阳系中所有天体对地球引潮力的95%以上，其中月球的引潮力是太阳引潮力的2.25倍，而月球的强度变化在65%~135%之间。太阳和月球对地球的引潮力变化连续、稳定、强度大。常被称为常规天文引潮力。常规天文引潮力构成能量的叠加增益效应不稳定层结叠加增益“三星一线”的特征及作用带上升力中心下沉力带转换不连续带下沉力强切变带两个天体与地球处在同一条直线上时，天体在地球水平面上的垂点及其附近地区就是上升力中心，是上升力得到同相位叠加最有力的区域。该区域是静力不稳定能量最有效的调制区，也是动力不稳定的最小值区域。全球范围有两个上升力中心。与上升力中心呈90°的环形区带即为天文引潮力的下沉力带。在“三星一线“时刻，下沉力带就是极地冷空气向南爆发的最佳通道。在下沉力带的区域多会出现寒潮大风和系统性大降水天气。在全球范围内，下沉力带合二为一条最强的绕过两极地区的环形带。与上升力中心圆心角在45°~54.7°之间的环形区带，这个区带内垂直力和水平力的转换不连续。水平力极大值与上升力搭配置极易触发强对流天气过程，尤其在盛夏。在全球范围内，转换不连续区带有两个，分别位于上升力区域内侧。这是一个以降水为主要天气现象的天文动力系统。与上升力中心圆心角为80°附近处，为下沉力强切变区。下沉力强切变区带分布在下沉力区带的两侧，位于下沉力前的往往引发动量下传型的的强大风天气，同时可能形成强冷空气动力抬升类的大降水（雪）天气。在全球范围内，下沉力强切变带有两条，分别分布于下沉力环形带的两侧。不同位置配置的天文动力的天气学意义（大圆圆心角）0°大大潮，上升力与下沉力发生转换，位势能释放，南北力特强烈爆发。大范围降水天气。45°垂直力与西北力转换。极地下沉力与热带上升力有效积累，有利引发大风天气。90°小潮，极地下沉力强烈积累，低纬度垂直力最小大气层位势不稳定达到最大。135°垂直力与东南力转换，中纬度暖热空气北挺，暖锋降水概率较大。180°小小潮，上升力与下沉力转换，位能释放，南北力爆发，大风降温明显。纬度值越小，纬度差越小，极地下沉力中心偏离极地中心越小；反之极地下沉力中心偏离极地中心越大。MarketingDiagram天文动力不稳定层结特征及动力触发指标的建立动力结构特征与天气过程的对比检验分析距平等级和变量等级分析动力感应作用和时空积累效应欧氏距离概念引入及拓展应用“三星一线”及常规/异常力的组合LOGO