第五章3高空天气形势预报方程

第五章实习一、实习目的：高空天气形势预报方程的应用二、实习内容：应用高空天气形势预报方程中的地转涡度平流，相对涡度平流（散合项、曲率项、疏密项），热成风涡度平流在2012年10月31日-11月4日500hPa高空图中的应用。

三、天气图分析：2012年11月3日到4日，北京遭遇“冬半年”历史最大暴雪，北京市降水量平均值超过50毫米，降水量超冬半年历史极值，致京藏高速八达岭路段严重积雪。

在此次暴雪之前，10月31日500 hPa高空图上，在巴尔喀什湖以东有一东北西南向的高空槽，槽后为强西北气流，槽前有强西南气流，地转涡度平流使得此槽将加强，，巴尔克什湖附近有强的温度脊，高度槽处在温度槽的槽前，温度脊的脊后，高度槽处有强的正热成风涡度平流（，热成风涡度平流也使得次槽将加强。

此槽槽前等高线汇合，槽后等高线发散，散合项使得此槽西移，而槽前有正的曲率涡度平流，槽后有负的曲率涡度平流，曲率项使得此槽东移，散合项和曲率项的共同作用使得此槽缓慢旋转东移。

11月1日，此槽明显加深，但仍然处在巴尔克什湖以东，温度场振幅大于高度场振幅，冷中心位于槽底，此槽将加深。

强度增强将使得它移动缓慢，但槽前疏散，槽后汇合，散合项使得此槽移动加速，由南向北出现阶梯槽。

11月2日，槽分裂为南北两支，位于我国内蒙的南支槽，槽后有强的冷中心，热成风涡度平流使得此槽将一步加强，此槽为短波槽，地转涡度平流影响较小，曲率涡度平流将使得此槽移动加快，而且槽前疏散，散合项也使得此槽移动加快。

11月3日，此槽发展成冷涡，冷中心和涡度中心中心基本重合，涡旋的中心就在华北地区上空，预示此槽将进一步加强，由于出现闭合中心，槽前后的相对涡度平流（曲率项）减弱，使得此冷涡移动缓慢，影响的时间加长，冷涡前部有比较强的偏东南的气流，此偏东南气流将我国渤海、东海、黄海地区的水汽向华北输送，产生了比较强的降水。

数值天气预报第五章_原始方程模式1.引言数值天气预报是指通过计算机模拟大气运动的数值模型，预测未来一段时间内的天气情况。

原始方程模式是数值天气预报的基本模型，它通过求解大气运动的基本方程，来模拟大气的运动和演化过程。

本章将介绍原始方程模式的基本原理和求解方法。

2.基本原理原始方程模式是基于大气运动的基本方程来描述大气的运动和演化过程的。

它包括连续性方程、动量方程、热力学方程和状态方程。

这些方程描述了大气中的质量、动量、能量和热力学状态的变化。

通过求解这些方程，可以得到未来一段时间内的大气状态，进而预报天气。

连续性方程描述了大气中质量的守恒关系，即质量在空间和时间上的变化率等于质量流入和流出的差值。

动量方程描述了质点在外力作用下的运动规律，包括质点的加速度和速度与质量和外力之间的关系。

热力学方程描述了大气中的能量变化规律，包括热量的传递、辐射和物理过程等。

状态方程描述了大气中热力学参数之间的关系，例如温度、压强和密度之间的关系。

3.求解方法求解原始方程模式需要使用数值方法，将连续的方程离散化为离散点上的方程，并通过迭代求解得到解。

求解方法包括有限差分法、有限元法和谱方法等。

有限差分法是最常用的求解原始方程模式的方法。

它将连续方程离散化成网格上的差分方程，然后通过迭代求解差分方程得到解。

差分方程的求解可以使用迭代算法，如雅可比迭代、高斯-赛德尔迭代和逐次迭代法等。

有限元法是一种将连续问题离散化为离散问题的方法。

它将连续方程离散化为有限数量的元素上的方程，然后通过迭代求解元素上的方程得到解。

有限元法适用于复杂的几何形状和不规则网格。

谱方法是一种基于特定函数的展开形式的方法。

它将连续方程以特定函数（如Trigonometric函数、Legendre多项式和Chebyshev多项式）为基函数展开，然后通过求解展开系数得到解。

谱方法适用于光滑的函数和边界条件。

4.模型评估在应用原始方程模式进行天气预报之前，需要对模型进行评估，以保证预报结果的可靠性和准确性。

南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试《天气学》考试大纲科目代码：805科目名称：天气学第一部分目标与基本要求一、目标：天气学原理与方法（天气学）主要内容是以天气动力学原理揭示大气运动的基本特征和用此原理论述天气系统及天气过程生、消演变规律的天气学原理及中国天气，为进一步学习动力气象学、低纬度天气动力学、中尺度天气学、大气环流及中长期预报，也为将来天气预报业务及研究工作打下基础。

二、基本要求：要求学生掌握有关内容基本概念、基本理论和基本方法，以便提高综合分析及解决问题的能力。

第二部分内容与考核目标第一章大气运动的基本特征1.了解大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义2.了解个别变化、局地变化、平流变化含义3. 会推导连续方程，了解质量散度、速度散度含义、表达式及其物理意义，4.了解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理5.理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子6.了解实际工作中高空分析等压面图而不分析等高面图（P坐标系的优越性）7.了解位势、位势高度、位势米、几何米概念8.理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示9.理解地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及掌握它的讨论10.了解正压大气、斜压大气概念；掌握热成风发生在斜压大气中11.了解地转风、梯度风及热成风实用意义12.掌握低压中心附近及其边缘，还有高压边缘等压线可以分析密大风经常出现，而高压中心附近不能有上述现象13.理解变压风及切向、法向地转偏差含义，要求会画图解释第二章气团与锋1.了解锋、锋面、锋线、锋区含义及锋倾斜原因2.了解冷性锢囚锋、暖性锢囚锋含义，要求会画出剖面图中锋位置及等温线分布3.了解以密度零级不连续面模拟锋时，锋面坡度公式物理意义4.理解锋附近温度分布特征及锋面附近气压、变压分布特征5.掌握锋面分析中，高空测风资料应用图2.27(a)(b)(c)6.了解锋生带（线）、锋生函数、锋生条件概念7.掌握锋生、锋消公式讨论第三章 气旋与反气旋1. 了解大气作水平运动、绝对涡度概念及理解 2h H ∇含义2. 理解大尺度系统运动中，固定点相对涡度变化可以用此点位势高度变化表示3. 掌握涡度方程、位势倾向方程及ω方程等式右端各项名称及画出有关图,用相关因子进行讨论4. 掌握在温带气旋发展中,动力因子(涡度因子)及热力因子对500hpa 高空槽及温带气旋变化,要求会画图解释5. 了解气旋族含义6. 了解北方、南方气旋活动范围及包括哪些气旋7. 掌握“倒槽锋生型”、“静止锋波动型”，要求画图解释江淮气旋生成过程第四章 大气环流1. 了解控制大气环流基本因子、了解三圈环流的形成2. 了解三圈径向环流、极锋锋区与副热带锋区及其对应急流概念3. 了解信风与季风概念4. 了解沃克环流含义5. 了解我国各季环流概况及主要天气天气过程特点第五章 天气形势及天气要素预报1. 理解运动学公式中t δδ及t∂∂含义，掌握用运动学公式推导锋面移速公式并会讨论冷锋、暖锋移速情况与变压分布特征2. 掌握用运动学公式讨论非闭合系统及闭合系统移动及强度3. 高空形势预报方程中，由于各层等温线平行，因此各层热成风方向相同，这样任意层风速 P p T V V AV =+注意理解A 的系数确定4. 掌握相对涡度平流在自然坐标系中展开分成三项，其中曲率项及散合项在实际天气图中会应用5. 掌握用高空形势预报方程有关项，结合等高线等温线分布解释500hpa 槽、脊变化6. 熟悉地面形势预报方程由哪几项组成，要求会讨论应用7. 掌握地形对低值系统(槽、低压)移动及强度影响8. 了解数值预报产品的“释用”第六章 寒潮天气过程1.了解极涡及上下游游效应含义2.了解长波波速公式的推导，会对该公式进行讨论3.会运用形势预报原理解释“小槽发展型”、“横槽转竖型”的寒潮短、中期过程第七章 大型降水天气过程1.理解水汽通量、水汽通量散度概念、表达式及物理意义2.了解中国及其各地暴雨有何天气系统影响3.熟悉我国东部雨带活动概况4.理解行星尺度、天气尺度系统对暴雨作用第八章对流天气过程1.了解飑中系统含义及飑线与冷锋区别2.理解对流性不稳定与条件性不稳定概念3.理解强雷暴发生发展有利条件第九章低纬度与高原环流系统1.熟悉西太平洋副热带高压变动与我国天气关系2.掌握南亚高压与西太平洋副热带高压区别3.掌握台风结构4.掌握台风发生发展第十章东亚季风环流1.了解季风的概念，了解东亚冬、夏季风环流系统的组成2.了解东亚季风形成的原因第三部分有关说明与实施要求1.考试目标的能力层次的表述本课程对各考核点的能力要求一般分为三个层次用相关词语描述: 较低要求——了解一般要求——理解、熟悉、会较高要求——掌握、应用一般来说,对概念、原理、理论知识等,可用“了解”、“理解”、“掌握”等词表述；对应用方面，可用“会”、“应用”、“掌握”等词。

《天气学原理》课程教学大纲课程名称：天气学原理英文名称：Principle of Synoptic Meteorology学分：4 总学时：57 理论学时：46 实验（上机）学时：11适用专业：大气科学一、课程的性质、目的天气学原理是研究不同尺度的天气系统和天气现象发生发展及其变化的基本规律，并利用这些规律来预测未来天气的科学。

该课程是大气科学专业本科生的重要专业基础课程和主干课之一，属于专业核心课程。

该课程侧重理论教学，主要介绍天气学的经典理论：大气运动的基本特征、锋面理论、气旋与反气旋、大气环流概况、天气系统和天气形势的天气学预报方法。

通过本课程的学习使学生掌握天气学预报的基本原理、基本概念和基本分析方法。

二、教学基本要求通过学习“天气学原理”课程，学生应掌握天气学预报的基本原理和基本概念，掌握天气系统多维结构的建立，以及天气学理论和具体天气过程、天气系统的相互融合，掌握天气学预报的基本分析方法，具有推导基本方程和公式的能力，初步做到利用天气学原理的知识解释和分析基本天气事实，并为后续专业课程的学习和今后的业务与科研工作奠定坚实的理论基础。

三、课程教学基本内容第1章大气运动的基本特征1、教学内容1.1旋转坐标系运动方程及作用力分析熟练掌握大气运动各作用力含义、表达式及理解它的物理意义。

1.2控制大气运动的基本定律理解个别变化、局地变化、平流变化含义，熟练掌握质量散度（质量通量散度）含义、表达式及其物理意义。

1.3大气尺度系统的控制方程理解尺度分析含义、掌握在自由大气中大尺度系统运动，可以作为准地转、准静力处理，理解热力学能量方程中引起固定点温度变化的因子。

1.4“P”系统中的基本方程组掌握P坐标系的优越性，掌握位势、位势高度、位势米、几何米概念，理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示。

1.5风场和气压场的关系熟练掌握地转风、梯度风、热成风、地转偏差含义、表达式及有关讨论，并会应用。

Char3 气旋与反气旋1、气旋（反气旋）是占有三度空间的，在同一高度上中心气压低（高）于四周的流场中的涡旋。

气旋在北半球逆（顺）时针旋转，在南半球相反。

温带的气旋和反气旋冬季强于夏季，海上的气旋强于陆上的，陆上的反气旋强于海上的。

气旋按地理分为热带气旋和温带气旋；按热力结构分为锋面气旋和无锋气旋反气旋地理分为极地、温带和副热带反气旋；按热力结构分为冷性和暖性反气旋2、涡度方程涡度：表示流体质块的旋转程度和旋转方向∂ ξ /∂ t >0表示气旋性涡度增加，反气旋性涡度减小∂ ξ /∂ t <0表示反气旋性涡度增加，气旋性涡度减小涡度倾侧项：由于垂直速度在水平方向分布不均匀，引起涡度的变化水平无辐散大气中绝对涡度守恒。

位势涡度守恒解释气柱上山下山强度变化：气柱上山，H减小，辐散，f不变，则气旋性涡度减小，反气旋性涡度增大；气柱变短，为了保持位势涡度守恒，正涡度减小，有正变高，所以槽和低压减弱，脊和高压增强；青藏高原（第五章）：上（下）山，气柱缩短（伸长），为了保证整层大气的不可压缩性，必伴有水平辐散（合），同时在水平地转偏向力作用下，反气旋（气旋）涡度生成，则气旋性涡度减小，反气旋性涡度增大；考虑准地转运动有等压面高度升高（降低），低值系统（高空槽、低中心）减弱（加强），高值系统（高空脊、高中心）加强（减弱）。

3、位势倾向方程（1）地转风绝对涡度平流可分为地转涡度的地转风平流和相对涡度的地转风平流解释槽脊移动：波长<3000km的短波，以相对涡度平流为主槽前脊后：正相对涡度平流，有负变高；槽后脊前：负相对涡度平流，有正变高槽线、脊线：相对涡度平流为0，等压面高度没有变化，槽脊不会发展，而是向前移动。

物理解释：槽前脊后借助西南风将正相对涡度大的向小的方向输送，使得其固定点正相对涡度增加，在地转偏向力作用下伴随水平辐散，气柱质量减少，地面减压，有负变压中心，地面辐合，这样高空辐散，地面辐合，有上升运动，上升绝热冷却，气柱收缩，高层等压面高度降低，有负变高；相反，槽后脊前引起高层等压面高度增加，槽线处变高为零，所以，槽无加深减弱，向东，即向前移动。

天气与天气预报设计说明本节课主要通过引导学生课前收看天气预报节目,熟悉天气预报的内容,根据天气预报图模拟播报天气;通过自主学习、小组合作探究,区分天气和气候、读懂卫星云图;通过生活中的实例,理解天气对人们生产生活的影响;通过观看云的不同形态图片,课前搜集天气谚语等活动,认识到云和天气关系密切。

学习目标1.区分描述天气和气候的语言,正确描述某时的天气状况和某地的气候特征。

结合实例,说明天气和气候对人们生产和生活的影响。

(综合思维、人地协调观)2.收看天气预报节目,识别常见的天气符号,模拟播报天气。

(地理实践力、综合思维)3.通过简单的天气图,判断某地可能出现的天气情况。

(综合思维)4.认识云的基本形态,体会云与天气的关系,学会看云识天气。

(地理实践力)重点难点重点:1.天气和气候的描述。

2.识别常见的天气符号。

难点:模拟播报天气。

教学方法创设情境法、自主学习法、合作探究法等。

教学过程一、预习检查完成《七彩作业》知识梳理部分的内容。

二、学习任务一教学模块师生活动设计意图教师:古人依靠经验对天气作的预测,往往不够准确,因而会感叹“天有不测风云”;如今依靠卫星、计算机等科技手段,人们可以比较准确地预测天气变化。

收看天气预报,预知天气变化,有助于我们合理安排生产与生活。

运用对比,激发学生学习的兴趣。

教师:天气、气候与人类生活密切相关,是人们经常谈论的话题。

学生通过自主学习,根据1.天气(1)概念:天气是指某个地方距离地表较近的大气层在短时段内的具体状态。

(2)天气状况描述:晴、雨,气温高、气温低,风力大、风力小等。

(3)突出特点:多变。

2.气候(1)概念:气候是指一个地方多年的天气平均状况。

(2)特点:具有相对稳定性。

(3)判断下列语言描述的是天气还是气候。

风和日丽昆明四季如春暴风骤雨忽如一夜春风来,千树万树梨花开。

夜来风雨声,花落知多少。

一山有四季,十里不同天。

学生:“昆明四季如春”和“一山有四季,十里不同天”属于气候,其他属于天气。

南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试考试大纲科目代码：805科目名称：天气动力学第1部分目标与基本要求《天气动力学》主要涵盖了《天气学原理》、《中国天气》及《动力气象学》三部分内容。

《天气学原理》和《中国天气》主要以天气学理论揭示大气运动的基本特征并阐述天气系统及天气过程生、消演变规律以及影响中国的主要天气过程。

《动力气象学》在热力学和流体力学的基础上，研究大气运动的动力过程、热力过程，从理论上探讨大气环流、天气系统演变的过程、规律和机理。

要求学生掌握系统掌握天气学和大气动力学的基本概念、基本理论和基本方法，理解天气系统演变的基本规律和机理，并理解各理论、学说之间的有机联系，提高分析问题、解决问题的能力，能理论联系实际并提高自己吸收新知识的能力。

第2部分内容与考核目标第一章大气运动的基本特征1. 了解大气运动各作用力含义、表达式及理解其物理意义2. 了解个别变化、局地变化、平流变化含义3. 掌握连续方程推导，了解质量散度、速度散度含义、表达式及其物理意义4. 了解尺度分析含义、掌握并理解自由大气中大尺度系统运动的特征5. 掌握Ro数的定义、物理意义和重要性6. 理解大尺度系统热力学能量方程的物理意义7. 了解P坐标系的优越性8. 了解位势、位势高度、位势米、几何米的概念9. 理解等高面上水平气压梯度力可以用等压面上位势梯度或等压面坡度表示10. 理解并掌握地转风、梯度风、热成风、地转偏差的含义、表达式、讨论及应用11. 了解正压大气、斜压大气的概念及物理意义第二章气团与锋1.了解锋、锋面、锋线、锋区含义及锋倾斜的原因2.了解冷性锢囚锋、暖性锢囚锋含义，要求会画出剖面图中锋位置及等温线分布3.了解马古列斯锋面坡度公式的物理意义4.理解锋附近温度分布特征及密度零级不连续面模拟锋面时，锋面附近要素场特征5.理解以密度一级不连续面模拟锋面时，锋面附近要素场特征6.掌握锋面分析中，高空测风资料应用7.了解锋生、锋消概念及概况；了解锋生带（线）、锋生函数、锋生条件概念8.理解锋生、锋消的运动学特点9.了解锋生、锋消的动力学特点第三章气旋与反气旋1.了解气旋和反气旋特征及分类2.理解绝对涡度、相对涡度和行星涡度概念、表达式、物理含义及含义2h H 3.理解大尺度系统运动中，固定点相对涡度变化可以用其位势高度变化表示4.掌握环流定理与涡度方程的物理意义；掌握大气中涡旋系统演变的主要物理机制5.理解位涡的概念，了解位涡方程的推导，了解“位涡思想”在天气学中的应用，会初步应用位涡守恒定律解释实际过程。

天⽓原理复习题及答案（1）第⼀章1．从⼒的平衡观点说明为什么在北半球⼤尺度系统运动中，⾼压内空⽓作顺时针旋转？2．下图为单站⾼空风分析图上的热成风T v，试分析：（1）.冷平流及暖平流层次（2）.3KM⾼度上的⽔平⽓压梯度⼒⽅向。

（3）.5—6KM⾼度上的平均温度梯度⽅向。

3．等压⾯分析⽐等⾼⾯分析有哪些优越性？5．由梯度风风速率公式---=nPRffRvTTfρ422说明⾼压中⼼附近等压线不应分析得很密，⽽在⾼压边缘等压线应分析得密集些？6．已知摩擦中实际风为东南风（如下图所⽰）试画出此时摩擦⼒F，地转偏差D，地转风g v，等压线及⽔平⽓压梯度⼒G、7．已知在摩擦层内，某测站为西北风，试作图表⽰Gρ（⽔平⽓压梯度⼒），Aρ（⽔平地转偏向⼒），Fρ（摩擦⼒），Vρ（实际风），gVρ（地转风）的结构态势。

8．850hPa某地区的流场如下图所⽰，试在图中两条虚线与两条平直流线之间的区域标出变压风1D ρ，横向地转偏差2n D ，纵向地转偏差2s D ，并说明该区域有辐合还是辐散？（注意此系统是⾃东向西移动）9．简述热成风的成因第⼆章1．解释在稳定⼤⽓中，冷锋上⼭（爬坡），此锋是加强还是减弱？2．下图为地⾯天⽓图上的冷暖锋的分布，试沿AB 线作⼀空间垂直剖⾯图请画出垂直剖⾯图上锋附近及其周围等温线的分布⽰意图。

3．由上图单站⾼空风判断测站上空是否有锋存在？若有试确定锋的类型，锋所在⾼度及锋线的⾛向，并简述理由。

4．证明锋⾯移速公式()αρρtg g t P t P C N L N L x -??-??-=，讨论此公式成⽴的条件及冷暖锋移速⼤⼩与何有关？5．某⽇某时地⾯图上有⼀冷式锢囚锋（如图所⽰）分别画出通过AA ',BB '，CC '的垂直剖⾯⽰意图（请标出锋附近及其周围等温线分布）6．判断图中单站上空有⽆锋存在，锋的⾛向及性质是什么？7．标出图中地⾯锋线对应的⼤致位置及性质8．某⽇某时地⾯图上有⼀暖式锢囚锋（如图所⽰）分别画出通过AA',BB'和CC'的垂直剖⾯⽰意图（请标出锋附近及其周围等温线分布）9．极锋锋区与副热带锋区有何不同？10．请⽤运动学公式导出锋⾯的移速公式（锋⾯作为密度的零级不连续⾯处理）第三章1．在图中标出，⽆相对涡度平流及正、负相对涡度平流区。