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天气学原理2011年9月黎伟标TheearthsystemInJune2007,theSpaceShuttlecrew(STS-117)visitingtheInternationalSpaceStation(ISS)observedspectacularpolarmesosphericcloudsovernorth-centralAsia(top).Thered-to-darkregionatthebottomoftheimageisthedensepartoftheEarth’satmosphere.(courtesyofNASA)Theatmosphere2008/8/119:44:40Theatmosphere2008/8/119:50:31TheatmosphereTheevolutionandvariabilityoftheatmosphere——Weatherandclimate大气圈层的运动和变化会导致….各种天气现象：风、云、雨、雪、电闪雷鸣、严寒酷暑、干旱洪涝……怎样才能对这些天气现象和天气过程进行预报呢？绪论一、天气学的研究对象和任务二、天气学的研究内容和方法三、天气学发展简史一、天气学的研究对象和任务降水、高温、大风等天气在什么情况下会发生？我们怎样才能预报天气？某一地区的天气现象都是和特定的天气系统与天气过程联系在一起的。什么是天气、天气过程以及天气系统？天气与天气过程天气是指某一地区、在某一时段内由各种气象要素综合体现的大气状态，大气中发生的阴、晴、风、雨、雷、电、雾、霜、雪等等都是天气现象，它们的产生都与天气系统的活动有密切的关系，而天气与人类的生活、社会、经济活动有着十分密切的关系。天气过程则指天气随时间的演变过程。系统所谓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。在系统与系统之间存在着一个界面，而各系统的物理量,如辐射、热量和动量等可以通过界面而进行交换。从严格意义上说，这里所指的系统是开放性系统。整个大气可看作是一个系统,因为大气与海洋之间是存在着一个明确的界面，大气中的水汽、热量与动量可以通过这个界面进行交换。但是，在天气学中，又往往把气旋或反气旋等看作是系统，虽然它们与周围大气并没有什么明确的界面，但它们与周围大气在性质上有明显的不同。对于整个大气或是整个背景场而言，在某一段时间內，其变化是较缓慢的，而气旋或反气旋的变化则相对于背景场来说是较快的，它们可以看作是背景场上的一种扰动，因此在天气学中，往往把天气系统看作是一个扰动。例如，气旋或者反气旋可看作是大气背景场或气侯场中的一种扰动，称之为大尺度天气系统。而气旋中的积云对流，由于它的变化远比气旋的变化为快，这样可把它看作是气旋中的一个扰动，是气旋系统中的一种尺度较小的天气系统。在大气中，由于系统与系统之间存在着各种物理量的交换，也就是说天气系统是一种开放系统。天气系统一个地方的天气变化，是由于其中一个个移动的大大小小的系统（高压、低压等）引起的，这些系统称为天气系统。气象卫星观测资料表明，大大小小的天气系统是相互交织、相互作用着、在大气运动过程中演变着。最大的天气系统范围可达2,000公里以上，最小的还不到1公里。尺度越大的系统，生命史越长；尺度越小的系统，生命史越短，较小系统往往是在较大尺度系统的孕育下形成、发展起来的，而较小系统的发展、壮大以后，又给较大系统以反作用，彼此相互联系，相互制约，关系错综复杂。各类天气系统，都是在一定地理环境中形成、发展和演变着，都具有一定地理环境的特性。比如极地和高纬地区，终年严寒、干燥。这一环境特性成为极地和高纬地区的高空极涡、低槽和低空冷高压系统形成、发展的必要条件。赤道和低纬地区，终年高温、潮湿，大气处于不稳定状态，是对流天气系统形成、发展的重要基础。中纬度处于冷暖气流交汇地带，不仅冷、暖气团频繁交替，而且锋面、气旋系统得以形成、发展。天气系统的形成、活动，反过来又会给地理环境以影响。因而，认识和掌握天气系统的结构、组成、运动变化规律以及同地理环境间的相互关系，了解气候的形成、变化和预测地理环境的演变都是十分重要的。天气图中的天气系统：气旋、反气旋和锋面2003/8/2908h高空槽脊2003/8/2908h尺度所谓尺度，是表征一个系统在空间上的大小，或者在时间上持续的长短。例如，在一般情况下，气旋的半径大约为数百公里到数千公里，而其持续时间大约为数天到数周。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。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。显然，气旋与积云的时间或空间尺度都是不同的。不同尺度的天气系统具有不同的动力学特性，因而，气旋的发生、发展的机制与积云的发生、发展的机制也是有所不同的。常见天气系统的尺度名称行星尺度天气尺度中尺度小尺度微尺度尺度定义水平尺度(km)103—104102—103101—102101时间尺度(h)10210210110-1天气系统温带系统超长波、长波温带气旋、移动性高压、锋、槽脊系统背风波、中低压雷暴边界层湍流副热带系统副热带高压切变线、低涡、副热带气旋飑线、龙卷气旋龙卷边界层湍流热带系统ITCZ、热带对流层高空槽、季风热带气旋、东风波、云团MCC对流单体边界层湍流物理参数散度(S-1)10-610-6—10-510-410-3垂直速度(cm/s)10-1100101102天气学是研究天气系统和天气现象的发生、发展及其变化规律，并利用这些规律来预测未来天气的学科。二、天气学的研究内容和方法内容：1、揭露和探讨天气现象及其演变规律2、天气系统的结构及发生、发展的物理图象3、大气环流的特征及其形成和演变规律4、研究天气分析和预报方法天气学研究方法方法：1、通过天气图分析，归纳出各种天气现象和天气系统的演变规律2、天气学原理及模型与数值预报产品相结合3、利用统计法寻找天气系统及天气现象的变化规律除上述的一般方法和原理之外，还须注意以下几点：1、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。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。2、研究不同地区、不同地理环境下的天气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。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。3．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。因此，在研究不同尺度的天气系统的结构与其动力学性质的同时，还应特别注意各种尺度之间的相互作用与相互影响，只有这样，才能精确地了解主要系统的演变过程，最终作出正确的预报。例如，热带气旋是在一定的大尺度环境场中才能生成，而当它生成之后，它的移动又会受到大尺度系统如副热带高压外围气流的引导作用。所以，了解不同尺度天气系统的相互作用，是天气学也是大气动力学中的一项重要内容。4．研究与掌握各种天气的预报方法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。整个天气学发展的历史，就是天气预报原理与方法的发展历史。例如，最早是利用单站气象要素来预测未来天气，后来利用地面天气图进行预报，这是一个发展，即从一个点发展到一个面。后来又发展了高空天气图，结合单站与地面天气图进行预报，就是从二维发展到三维空间的问题。近年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是计算机的快速发展，天气预报技术在短短的几十年间，也随之有了飞快的发展。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。但正确的数值预报，除了要有完善的数值预报模式，快速的计算条件外，还必需有正确的天气观测资料与正确的天气分析，因此，要提高天气预报准确率，必须综合多种学科，不断改进与发展各种预报方法。三、天气学发展简史1、单站预报方法阶段天气谚语‘东虹日头，西虹雨’‘钩钩云，雨淋淋’‘钩钩云’，一般出现在七、八千米以上的高空，云丝向上，一端带有小钩。这种云由冷晶构成，所以云色乳白而透亮，在气象学上叫作钩卷云。常出现在北方冷空气或高空低气压影响之前。当出现钩卷云，云量增加，云层加厚，就预示冷空气或高空低气压逼近，不久就下雨了。如果钩卷云逐渐消散，那是由于高空低气压离开本地而移去。所以又有“钩钩云消散，晴天多干旱”的谚语，预兆未来是晴天少雨虹是由于太阳光射到空中的水滴，发生折射与反射形成的。因天气系统运动的规律，是自西向东移动，西边出现虹，表明西边的雨区会移来，本地将有雨下；东边有虹，表明雨区在东，它往东移出，就不会影响本地，未来无雨。Some“folklores”areuseful“东虹日头西虹雨”2、地面天气图阶段早在电报发明之前，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。1853～1856年，为争夺巴尔干半岛，沙皇俄国同英法两国爆发了克里木战争，正是这次战争，导致了天气预报的出现。这是一场规模巨大的海战，1854年11月14日，当双方在欧洲的黑海展开激战时，风暴突然降临，海上掀起了万丈狂澜，使英法舰队险些全军覆没。事后，英法联军仍然心有余悸，法军作战部要求法国巴黎天文台台长勒佛里埃仔细研究这次风暴的来龙去脉。那时还没有电话，勒佛里埃只有写信给各国的天文、气象工作者，向他们收集1854年11月12～16日5天内当地的天气情报。他一共收到250封回信。勒佛里埃根据这些资料，经过认真分析、推理和判断，查明黑海风暴来自茫茫的大西洋，自西向东横扫欧洲，出事前两天，即11月12日和13日，欧洲西部的西班牙和法国已先后受到它的影响。勒佛里埃望着天空飘忽不定的云层，陷入了沉思：“这次风暴从表面上看来得突然，实际上它有一个发展移动的过程。电报已经发明了，如果当时欧洲大西洋沿岸一带设有气象站，及时把风暴的情况电告英法舰队，不就可避免惨重的损失吗？”于是，1855年3月19日，勒佛里埃在法国科学院作报告说，假如组织气象站网，用电报迅速把观测资料集中到一个地方，分析绘制成天气图，就有可能推断出未来风暴的运行路径。勒佛里埃的独特设想，在法国乃至世界各地引起了强烈反响。人们深刻认识到，准确预测天气，不仅有利于行军作战，而且对工农业生产和日常生活都有极大的好处。由于社会上各方面的需要，在勒佛里埃的积极推动下，1856年，法国成立了世界上第一个正规的天气预报服务系统。1857年Buys-ballot就利用这些天气图给出了风和气压场的关系1861年英国首先在预报业务中引入天气图1887年Abercromby提出了气旋的天气图模式天气图是指填有各地同一时间气象要素的特制地图。在天气图底图上，填有各城市、测站的位置以及主要的河流、湖泊、山脉等地理标志。气象科技人员根据天气分析原理和方法进行分析，从而揭示主要的天气系统，天气现象的分布特征和相互的关系。天气图是目前气象部门分析和预报天气的一种重要工具。Buys-Ballot'sLaws1.Thewindis,ingeneral,paralleltotheisobar.2.Theyouturnyourbacktothewind,thelowerpressurewillbeonyourleftandthehighertotheright.3、单站与天气图预报方法结合阶段——Berge