天气预报原理培训

天气预报原理培训广元市气象局李志华认识地球•地球是一个近似圆形的椭圆形球体,在研究大气远动时都把它当成一个正圆形球体对待.•地球除围绕太阳公转之外,还存在着自西向东的自转.存在于地球上的任何事物都会随着地球一起转动.但处于同一个相对坐标系之中的人是感觉不到自己在转动的.地球的自转对于大气运动来说却是十分关键的影响因素.•由于地球的自转和公转,导致地球赤道与极地之间受到太阳辐射的强度和时间的差异,使赤道与极地之间的热力差异达到很大的数值,大气受热的不均匀造成水平面上的气压差是大气运动的直接原因.地球的自转与公转•地球公转就是地球按一定轨道围绕太阳转动（TheEarthrevolutionaroundsun）。像地球的自转具有其独特规律性一样，由于太阳引力场以及自转的作用，而导致地球的公转。地球的公转也有其自身的规律。地球的公转这些规律从地球轨道、地球轨道面、黄赤交角、地球公转的周期和地球公转速度和地球公转的效应等。•地球自转：地球绕自转轴自西向东的转动，从北极点上空看呈逆时针旋转[1]，从南极点上空看呈顺时针旋转。关于地球自转的各种理论目前都还是假说。地球自转是地球的一种重要运动形式，自转的平均角速度为7.292×10-5弧度/秒，在地球赤道上的自转线速度为465米/秒。地球自转一周耗时23小时56分，约每隔10年自转周期会增加或者减少千分之三至千分之四秒。一般而言，地球的自转是均匀的。四季的产生•在天文上，季节划分是以地球围绕太阳公转轨道上位置确定的。当地球在一年中不同的时候，处在公转轨道的不同位置时，地球上各个地方受到的太阳光照是不一样的，接收到太阳的热量不同，产生季节的变化和冷热的差异。地球上的四季不仅是温度的周期性变化，而且是昼夜长短和太阳高度的周期性变化。•地球绕太阳公转的轨道是椭圆的，而且与其自转的平面有一个夹角。当地球在一年中不同的时候，处在公转轨道的不同位置时，地球上各个地方受到的太阳光照是不一样的，接收到太阳的热量不同，因此就有了季节的变化和冷热的差异。•在气候上，四个季节是以温度来区分的。在北半球，每年的3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～2月为冬季。在南半球，各个季节的时间刚好与北半球相反。南半球是夏季时，北半球正是冬季；南半球是冬季时，北半球是夏季。在各个季节之间并没有明显的界限，季节的转换是逐渐的。回归线•回归线指的是地球上南、北纬23.5度的两条经纬圈。是太阳每年在地球上直射来回移动的分界线。•地球在围绕太阳公转时，地轴(地球自转轴)与黄道面(公转轨道平面)永远保持66°34′的交角。也就是说，地球总是斜着身子在绕着太阳旋转。这样，地球有时是北半球倾向太阳，有时又是南半球倾向太阳，因而太阳光直射地球的位置会随时间而发生南北的移动。到夏至这一天，太阳光直射北纬的纬线上。过了夏至，太阳光逐渐南移，北半球受太阳照射的时间逐渐减少。北纬23°26′的纬线是太阳光在北半球上直射点的最北界限,因此把这条纬线称为北回归线。冬至时太阳光直射在南纬23°26′的纬线上，冬至过后，太阳光又开始逐渐北移，到夏至时，再次直射北回归线。南纬23°26′的纬线则是太阳光在南半球上直射点的最南界限，因此把这条纬线称为南回归线。•南北回归线是热带和南北温带间的分界线。北回归线和南回归线之间的地区为热带，这里太阳终年直射，获得的热量最多；北回归线和北极圈(北纬)之间的地区为北温带，南回归线和南极圈(南纬66°34′)之间的地区为南温带。温带地区太阳终年斜射，获得的热量适中。我国大部分地区位于北温带内，属于温带气候。气候带•气候带（climaticzone）根据气候要素的纬向分布特性而划分的带状气候区。在同一气候带内，气候的基本特征相似。•太阳辐射是气候带形成的基本因素。太阳辐射在地表的分布，主要决定于太阳高度角。太阳高度角随纬度增高而递减,不仅影响温度分布,还影响气压、风系、降水和蒸发，使地球气候呈现出按纬度分布的地带性。《中华人民共和国气候图集》（1979）将中国东部地区划分成南、中、北热带，南、中、北亚热带和南、中、北温带等9个气候带。由于海陆分布，海拔高度、地形和大气环流等因素影响，实际的气候带界线并不完全和纬度圈平行，尤其在较高纬度上，有些同纬度地区的气候差异较大。综观全球，在下垫面均匀的海洋和平原上，气候带表现清晰而有规律；在高山和高原地区，气候带虽有反映，但是不完整、不连续。气候带概念还可应用到山地自然景观上。在水分供应充分的情况下，由于气温的垂直变化，在热带赤道地区的高山上，从山麓到山顶，可出现从热带雨林到终年积雪，即类似于从赤道到极地的各种气候带。这种气候带结构称为垂直气候带谱。太阳高度角•对于地球上的某个地点，太阳高度是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，专业上讲太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角。简称高度角大气层•大气层或者叫大气圈，或者叫大气，是星球表面上的空气，因为星球引力影响，在星球表面积蓄而成的一圈气体.•从低到高大气可分为:湍流层(近地面层)、对流层、平流层、中间层、电离层（暖层）、散逸层（又称外层）。•天气现象主要出现在对流层内（湍流层为对流层最下层，隶属于对流层），对流层厚度在8~17公里，随季节和纬度而变化。随高度的增加平均温度递减率为6.5℃/km，有对流和湍流。逆温•一般情况下，大气温度随着高度增加而下降，即是说在数千米以下，总是低层大气温度高，高层大气温度低，显得“头重脚轻”。这种大气层结容易发生上下翻滚，即“对流”运动，可将近地面层的污染物向高空乃至远方输散，从而使城市空气污染程度减轻。对人体健康影响不大。可是在某些天气条件下，地面上空的大气结构会出现气温随高度增加而升高的反常现象，“头轻脚重”从而导致大气层结（层次结构）稳定，气象学家称之为“逆温”，发生逆温现象的大气层称为“逆温层”。•1.辐射逆温：经常发生在晴朗无云的夜空，由于地面有效辐射很强，近地面层气温迅速下降，而高处大气层降温较少，从而出现上暖下冷的逆温现象。这种逆温黎明前最强，日出后自上而下消失。•2.平流逆温：暖空气水平移动到冷的地面或气层上，由于暖空气的下层受到冷地面或气层的影响而迅速降温，上层受影响较少，降温较慢，从而形成逆温。主要出现在中纬度沿海地区。•3.地形逆温：它主要由地形造成，主要在盆地和谷地中。由于山坡散热快，冷空气循山坡下沉到谷底，谷底原来的较暖空气被冷空气抬挤上升，从而出现气温的倒置现象。•4.下沉逆温：在高压控制区，高空存在着大规模的下沉气流，由于气流下沉的绝热增温作用，致使下沉运动的终止高度出现逆温。这种逆温多见于副热带反气旋区。它的特点是范围大，不接地而出现在某一高度上。这种逆温因为有时像盖子一样阻止了向上的湍流扩散，如果延续时间较长，对污染物的扩散会造成很不利的影响。大气受力•近地面大气水平运动形成风。•大气的水平运动称为风。空气运动是在力的作用下产生的，作用于空气的力有重力、气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、摩擦力。这些力的性质各不相同，对大气运动产生的作用也不一样。•在近地面，因为惯性离心力较小可以忽略不计，风主要受三个力的影响：有重力、气压梯度力、地转偏向力、摩擦力。•气压梯度力是大气运动的成因，地转偏向力不改变运动速度，但能改变大气的运动方向，是大气在做南北向运动是发生偏转，逐渐变成东西向运动。摩擦力对大范围大气运动可以忽略不计。•气压梯度是一个向量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于单位距离内的气压差。水平气压梯度很小，一般为1hPa/赤道度~3hPa/赤道度。而垂直气压梯度在低层大气可达1hPa/10m，相当于水平气压梯度的十万倍。但有重力与其平衡，因此，运动的空气所受的总垂直分力并不大，对空气产生运动的作用并不如水平气压梯度明显。水平气压梯度虽小，却是推动空气运动的起始动力，是空气产生水平运动的直接原因和动力。地转偏向力•由于地球自转而产生作用于运动物体的力，称为地转偏向力，简称偏向力。它只在物体相对于地面有运动时才产生(实际不存在)，只能改变水平运动物体运动的方向，不能改变物体运动的速率。•地转偏向力可分解为水平地转偏向力和垂直地转偏向力两个分量。由于赤道上地平面绕着平行于该平面的轴旋转，空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与地平面垂直的平面内，故只有垂直地转偏向力，而无水平地转偏向力。由于极地地平面绕着垂直于该平面的轴旋转，空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与转动轴相垂直的同一水平面上，故只有水平地转偏向力，而无垂直地转偏向力。在赤道与极地之间的各纬度上，地平面绕着平行于地轴的轴旋转，轴与水平面有一定交角，既有绕平行于地平面旋转的分量，又有绕垂直于地平面旋转的分量，故既有垂直地转偏向力，也有水平地转偏向力。惯性离心力•惯性离心力是转动参照系（圆盘）中的观察者，在不知道系统作圆周运动的情况下，为解释他所观察到的现象而引入的一个假想力，而不是惯性系中的观察者看到的作圆周运动的小球施于弹簧上的离心力。大气运动单圈环流的形成过程•在不考虑地球自转、公转、海陆差异、地形高低起伏等因素的情况下，赤道与极地之间的单圈环流是怎样形成的？赤道与极地处的对流层厚度是否一样？为什么？假设地球不自转，地表性质均一，太阳直射赤道。此时引起大气运动的因素是高低纬度之间的受热不均。因而在终年炎热的赤道地区，大气受热膨胀上升，在终年严寒的两极地区，大气冷却收缩下沉。这样，在高空，赤道形成高气压，气压梯度力的方向指向极地，大气由赤道上空流向两极上空。在近地面，赤道形成低气压，两极形成高气压，气压梯度力的方向指向赤道，大气由两极流回赤道。因此，在同一半球，赤道和极地之间形成了单圈闭合环流。三圈环流的形成过程•地球的自转，假设地表性质均一，太阳直射赤道，则引起大气运动的因素是高低纬之间的受热不均和地转偏向力。从北半球来看，赤道地区上升的暖空气，在气压梯度力作用下，由赤道上空向北流向北极上空（南风），受地转偏向力影响，由南风逐渐右偏成西南风，到30°N附近上空时偏转成了西风，来自赤道上空的气流不能再继续北流，而是变成自西向东运动。由于赤道上空的空气源源不断地流过来，在30°N附近上空堆积，产生下沉气流，致使近地面气压升高，形成副热带高气压带。近地面，在气压梯度力作用下，大气由副热带高气压带向南北流出。向南的一支流向赤道低压，在地转偏向力影响下，由北风逐渐右偏成东北风，称为东北信风?东北信风与南半球的东南信风在赤道附近辐合上升，在赤道与副热带地区之间便形成了低纬环流圈。近地面，从副热带高气压向北流的一支气流，在地转偏向力的作用下逐渐右偏成西南风即盛行西风。从极地高气压带向南流的气流（北风）在地转偏向力影响下逐渐向右偏形成东北风，即极地东风。较暖的盛行西风与寒冷的极地东风在60°N附近相遇，形成锋面（极锋）。暖而轻的气流爬升到冷而重的气流之上，形成了副极地上升气流。上升气流到高空，又分别流向南北，向南的一支气流在副热带地区下沉，于是在副热带地区与副极地地区之间构成中纬度环流圈;北的一支气流在北极地区下沉,是在副极地地区与极地之间构成了高纬度环流圈。由于副极地上升气流到高空便向南北流出,使近地面的气压降低,成了副极地低气压带。同理,南半球同样存在着低纬、中纬、高纬三个环流圈。因此,近地面,球共形成了7个气压带、6个风带。大气环流的成因•一是太阳辐射，这是地球上大气运动能量的来源，由于地球的自转和公转，地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的。热带地区多，而极区少，从而形成大气的热力环流。•二是地球自转，在地球表面运动的大气都会受地转偏向力作用而发生偏转。•三是地球表面海陆分布不均匀。•四是大气内部南北之间热量、动量的相互交换。以上种种因素构成了地球大气环流的平均状态和复杂多变的形态。大气的水平运动人们在气象研究中，通过大量观测发现，自由大气中大尺度空气水平运动近似于稳定、水平运动。根据物体受力与运动的关系，可以把大气的水平运动情况分为以下几种。（一）地转风地转风的行成是气压梯度力与地转偏向力相平衡时，空气作等速、直线的水平运动。如右图所示