3.7中小尺度天气系统解析

中尺度气象系统的探究气象系统是指在地球大气中形成并具有一定规模和特征的各种气象现象的总和。

其中，中尺度气象系统是指在气象尺度上介于数十到数百千米之间的气象系统。

这些系统通常具有较为明显的特征和运动规律，对天气的形成和演变有着重要的影响。

本文将对中尺度气象系统进行探究，探讨其类型、特征、形成原因以及对天气的影响等方面内容。

一、中尺度气象系统的类型中尺度气象系统主要包括各种中尺度气旋和中尺度气团。

中尺度气旋是指在中尺度范围内形成并具有旋转运动的气象系统，如中纬度地区的阵雨、雷暴等；中尺度气团是指在中尺度范围内形成并具有一定独立性的气团，如冷锋、暖锋等。

这些系统在大气中具有一定的空间尺度和时间尺度，对天气的变化和气候的演变有着重要的作用。

二、中尺度气象系统的特征中尺度气象系统具有以下几个显著的特征：1. 尺度适中：中尺度气象系统的空间尺度介于数十到数百千米之间，时间尺度通常为数小时到数天。

这种尺度既不及大尺度气象系统那样广阔，也不及小尺度气象系统那样局部，正好处于中等尺度范围内。

2. 运动迅速：中尺度气象系统的运动速度较快，通常几十公里到几百公里每小时。

这种快速的运动速度使得中尺度气象系统能够在短时间内对天气产生较大影响。

3. 形态多样：中尺度气象系统的形态多种多样，有旋转对流云系、冷暖锋面、对流云团等。

这些形态在大气中呈现出不同的特征，对天气的变化起着重要的作用。

4. 形成快速：中尺度气象系统的形成速度较快，通常在数小时内形成并发展成熟。

这种快速的形成速度使得中尺度气象系统能够在短时间内对天气产生较大的影响。

三、中尺度气象系统的形成原因中尺度气象系统的形成主要受到以下几个因素的影响：1. 大气环流：大气环流是中尺度气象系统形成的重要因素之一。

大气环流的不稳定性和湍流运动会导致中尺度气象系统的形成和发展。

2. 地形影响：地形对中尺度气象系统的形成有着重要的影响。

地形的高低起伏、山脉和平原等地形特征会影响中尺度气象系统的形成和演变。

第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。

②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。

（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。

Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。

范围很宽。

性质不同。

（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和 101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。

（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。

大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。

大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。

中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。

第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。

3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波 ,风小。

驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。

第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。

②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。

（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。

Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。

范围很宽。

性质不同。

（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。

（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。

大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。

大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。

中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。

第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。

3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。

驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。

中小尺度天气动力学第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度天气系统：时间尺度和空间尺度比常规探测站网小，但比积云单体的生命周期及空间尺度大得多的一种尺度。

即水平尺度为几公里到几百公里，时间尺度由1小时到十几小时。

2、划分依据及分类：1）早期的经验分类天气系统——大尺度、中尺度和小尺度空间尺度分别为：106m、105m和104m时间尺度对应为：105s、104s和103s2）依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类方法）依据无量纲数罗斯贝数Ro 和拉格朗日时间尺度T的尺度分类行星尺度、气旋尺度、中尺度、积云尺度、小尺度3）Orlanski的综合分类（观测与理论分类）大尺度（α、β）中尺度（α、β、γ）小尺度3、中尺度大气运动的基本特征1)空间尺度范围广，生命周期跨度大；2)气象要素梯度大；3)散度、涡度与垂直速度；4)非地转平衡和非静力平衡；5)质量场和风场的适应；6)小概率和频谱宽、大振幅事件第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统的分类：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波的基本类型主要依赖风的不同类型（1）层状气流小风、层状气流。

平滑浅波，波动只发生在山脉上空的浅层，向上很快消失——山脉波（mountain wave）（2）驻涡气流：在山顶高度以上风速较大时，可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动，上面则有气流的平滑浅波——驻涡（standing eddy）（3）波动气流当风速随高度增大时，在背风坡出现波动气流——背风波（lee wave）。

背风波可以伸展到对流层上层和平流层。

（4）转子气流：在背风波出现时，当垂直方向有风速极大值出现时，则会形成转子气流（rotor streaming）。

驻涡和转子是背风波的特殊形式！3、背风波的形成、特征及大气条件背风波是地形波的一种类型，由于障碍物引起空气垂直振荡而造成的。

特征：波长：1.8～70km之间，多为5～20km左右。

波长一般随高度而变，高层较长，低层较短。

以下均为老师的重点，按顺序整理1.简述Orlanski分类法对中尺度的分类？2.简述中尺度天气系统的基本特征？（1）空间尺度小，生命期短。

β中尺度系统的水平尺度(L)一般为20-200 km，垂直尺度(H)为10 km左右，因而形态比H／L为10-1-100β中尺度系统的生命史一般在几小时到十几小时，（2）气象要素梯度大。

中尺度天气系统气象要素的梯度很大，气压达1~3 hPa／10 km，温度3℃以上／10 km，中尺度系统如飑线过境时，变温为10℃／15 min左右，变压为6 hPa／15 min 左右。

中尺度天气系统产生的天气现象一般比较激烈（3）非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动。

尺度分析表明，中尺度系统的动量方程中，加速度项与地转偏向力和气压梯度力具有相同的量级，不能满足地转平衡关系对于β中尺度，尤其是γ中尺度运动，准静力平衡假定对所描述的中尺度系统有明显的歪曲，垂直运动速度也明显大于大尺度运动（4）小概率和频谱宽、大振幅事件。

中尺度系统在统计的意义上是小概率的它的空间尺度跨越的范围宽（频谱宽）且中尺度系统影响时的要素变化激烈，表明它是频谱宽的大振幅事件。

3.滞弹性近似、包辛内斯克近似及适用条件？1.包辛内斯克近似：(1)在连续性方程中不考虑密度的个别变化，是完全非弹性，因此是速度无辐散的；(2)与重力相联系的方程中要部分考虑密度的影响，(3)状态方程或热流量方程中要考虑密度变化的影响，(主要是由受热不均匀即温度变化引起的密度变化)，不考虑压力效应对密度变化的影响；它主要适用于浅对流的中尺度运动2.滞弹性近似比包辛内斯克流体在弹性近似方面更接近实际流体，其主要特征是：（1）连续性方程中虽然不考虑密度的个别变化，但保留了平均密度的垂直变化，因而是滞弹性的，或称之为质量无辐散，（2）与重力相联系的方程及状态方程和热流量方程中要同时考虑压缩效应和热膨胀效应引起的密度变化。

因而滞弹性流体主要适用于研究深对流的中尺度运动，它是另一种形式的包辛内斯克近似4.什么是“对称不稳定”?所谓对称不稳定，从物理上看就是大气运动在垂直方向上是对流稳定的和水平方向上是惯性稳定的情况下，作倾斜上升运动时仍然可能发生的一种不稳定大气现象5.简述强风暴发生的天气学必要条件？①位势不稳定层结，并常有逆温层存在；②低层有水汽辐合；③有不稳定的释放的机制；④强的风垂直切变；⑤低空急流；⑥中空干冷空气等6.什么是条件不稳定、对流不稳定？其适用条件各是什么？对流性天气一般发生在条件性不稳定层结的情况下，但有时在上干下湿的条件性稳定层结下，如果有较大的抬升运动，特别是发生整层大气得到抬升时，原先的条件性稳定层结变成不稳定的了，这种不稳定层结称为对流性不稳定，其适用于气层。

中国中小尺度强对流天气气候学特征中国中小尺度强对流天气气候学特征强对流天气是指在短时间内产生的局地剧烈天气现象，包括龙卷风、暴雨、冰雹等。

这些天气现象在中国的中小尺度区域经常出现，给人们的生活和农业生产带来了许多困扰。

了解中国中小尺度强对流天气的气候学特征非常重要，可以为天气预报和防灾减灾工作提供科学的依据。

中国中小尺度强对流天气主要分布在夏季，其中又以6月至8月为主。

这段时间是中国大陆地表温度较高、所受日照辐射也较多的时候，能量供给充足，为强对流天气的形成提供了条件。

此外，中国中小尺度强对流天气主要活动区域为华北、东北、长江中下游地区和西南地区。

这些地区的地理环境和气候条件使得强对流天气频繁发生。

中小尺度强对流天气具有剧烈且短暂的特点。

一次强对流天气往往持续时间较短，通常在20分钟至1小时内消失。

其短暂性给天气预报带来了一定的困难，需要及时、准确地对其进行预测。

此外，强对流天气具有局地性和强降雨、大风的特点。

有时，降雨量甚至可以达到每小时200毫米以上，对农业、城市排水系统等产生严重影响。

同时，强对流天气还会伴随着雷电和冰雹等现象，对人们的生命安全构成威胁。

遥感技术在强对流天气气候学研究中发挥了重要作用。

卫星云图能够提供大范围的云图观测，并通过云图解译反演强对流天气云团的性质。

雷达可探测到强对流天气的形成和发展过程，提供降雨和风暴结构等信息。

这些遥感技术的应用，使得强对流天气的监测和预测更加准确可靠。

强对流天气的成因多种多样，主要包括地表和对流层动力、稳定度、湿度等因素的相互作用。

中国中小尺度强对流天气的形成与东亚季风和台风活动密切相关。

东亚季风带来的暖湿空气在相对较干燥的地表气候背景下上升，与上层冷空气的相遇使得空气产生剧烈对流。

台风活动则会增强对流天气的形成，使其更加频繁和剧烈。

此外，地形、城市热岛等人为因素也会影响对流天气的发生与发展。

强对流天气的气候学特征是多变的，对其研究需要结合气象观测和数值模拟等手段进行多角度、多尺度的分析。

第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。

②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。

（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。

Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。

范围很宽。

性质不同。

（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。

（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。

大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。

大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。

中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。

第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。

3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。

驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。

中尺度气象数值模式简介何为中尺度？天气系统根据其空间尺度及时间尺度的不同可划分为行星尺度、大尺度、中尺度和小尺度，中尺度气象关注的尺度在几公里到几百公里，持续时间则为几天。

为了定量研究中尺度系统的演化，科学工作者建立了描述大气运动的基本方程组，分别从质量、动量、能量、水汽守恒的角度对大气运动进行阐述。

这样就构成了一组偏微分方程组，由于湍流项的存在，这个方程组无法求出解析解，对它的求解通常是采用差分离散化方式求出数值解。

由于计算量非常大，通常通过高性能计算机集群实现。

由于大气中的湍涡最小尺度约为毫米量级，计算中尺度现在的计算机还不能支持如此大量的计算，目前中尺度气象数值模式用的比较多的网格尺度一般为几公里到几十公里，视具体的研究个例而定，而对尺度小于网格尺度的物理过程，模式中是通过参数化实现的（不具体描述物理过程，而使用其他模式已知物理量计算其最终效果）。

除了数值模式本身，我们还需要其它的一些输入才能实现模式的计算，这里面有静态地理资料如地形数据、土地利用类型等，还有驱动模式的初始场。

中尺度数值模式作为有限区域模式，它的计算还需要边界场作为输入。

而使用最广泛的初始场和边界场包括FNL、ERA、MERRA等全球格点数据。

作为对大气运动的抽象描述，我们也很容易看到数值模式计算结果的不确定性所在。

首先模式初始场和边界场存在误差，其次大气运动方程组对湍流描述本身就是经过简化的，并且由于我们模式格点分辨率较低，对于小尺度的过程不能显式描述，只能通过参数化进行处理，这一过程又引入了误差，另外由于对很多物理过程本身并没有理解清楚，对云微物理、积云对流等的描述也会带来误差。

当我们拿模式结果与我们的观测进行对比时又会带来代表性误差，因为模式结果代表的是区域平均的结果而并不精确对应我们的观测点。

为了提高数值模式结果的准确性，各种先进的技术正在被引入。

比如集合预报、资料同化技术用于提升模式初始场和边界场的准确性；大涡模拟技术及与CFD模式的耦合；选用更适用区域气候的物理参数化方案以及模式结果的后处理。

第一章1. （选填）简述Orlanski分类法对屮尺度的分类？Meso: a中尺度200—2000km ; 3 中尺度20—200km ; 丫屮尺度2—20km2. （选简）简述屮尺度天气系统的基本特征？（按时空细分）①空间尺度小，生命期短。

②气象要素梯度大。

③非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动。

④小概率和频谱宽、大振幅事件。

第二章1 什么是〃对流近似” ？只有与重力联系的项屮保留了密度扰动，而在气压梯度力项屮，则略去了密度扰动的影响，这样的近似称为对流近似。

2 什么是“对称不稳定” ？判断用气块法所谓对称不稳定，从物理上看就是大气运动在垂直方向上是对流稳定的和水平方向上是惯性稳定的情况下，作倾斜上升运动时仍然可能发生的一种不稳定大气现象。

第三章1 （★反复记忆）简述强风暴发生的天气学必要条件？①位势不稳定层结，并常有逆温层存在②低层有水汽辐合③有不稳定的释放的机制④强的风垂直切变⑤低空急流⑥中空干冷空气等。

2 （★）什么是条件不稳定、对流不稳定？其适用条件各是什么？①条件不稳定：丫m<Y <Y d,对于未饱和大气是静力稳定的，而对饱和湿空气来说是静力不稳定，这种大气层结称为“条件不稳定”层结。

适用于气块②对流性不稳定：对流性天气一般发生在条件性不稳定层结的情况下，但有时在上干下湿的条件性稳定层结下，如果有较大的抬升运动，特别是发生整层大气得到抬升时，原先的条件性稳定层结变成不稳定的了，这种不稳定层结称为对流性不稳定。

适用于气层3 逆温层和干暖盖的作用是什么？在强对流爆发前，屮低层常常有逆温层和稳定层，它相当于一个阻挡层，暂时把低空湿层与对流层上部的干层分开，阻碍了对流的发展，这样使风暴发展所需要的高静力能量得以积累，当大气低层出现阻挡层时，一般称为干暖盖。

具有稳定层结的干暖盖抑制对流的作用是十分清楚的，另一方面它对于大气低层不稳定能量又有储存和积累作用。

4 普通积云的云外下沉气流与强风暴屮尺度环流的下沉运动对对流运动各起什么作用？①普通积云对流的云外下沉运动的出现，使对流运动的发展受到不利的影响。