中尺度天气系统的特征
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中尺度数据简介
中尺度数据简介天气系统指的是一个地方的大气运动系统，是由若干个大大小小的系统(高压、低压等)相互作用、相互影响引起的。
通常用特征尺度或运动尺度来衡量大气系统的影响范围，该影响范围包括水平尺度(千米)和时间尺度。
根据水平尺度(千米)和时间尺度的大小，将天气系统分为行星尺度天气系统、大气尺度天气系统、中间尺度天气系统、中尺度天气系统和小尺度天气系统。
天气系统的特征尺度根据中尺度天气系统的特征尺度得知中尺度天气运动剧烈，破坏性大。
雷暴、寒潮、沙尘暴、台风等极端气候都属于中尺度天气系统的范畴，中尺度天气在风资源测量评估的过程中的重要意义可见一斑。
《风电场风能资源评估方法(GB/T18710-2002)》指出在分析测风数据的时候可根据附近长期测站的观测数据对测风数据进行插补订正。
而现实中在缺失长期测站信息的时候，该怎么办呢？这个时候需要中尺度模拟的风资源再分析数据来做参考，目前在最新的再分析产品中，被广泛使用的有如下三种资料：(1)NCEP气候预报系统再分析资料—CFSR；(2)ECMWF过渡时期再分析资料—ERA-Interim(ERA-I)；(3)NASA现代回顾性分析研究和应用再分析资料—MERRA。
三种模式的再分析资料在模式精度和分辨率上各有所长，现实在运用的过程中可根据实际情况选用更适合的资料。
三种当代再分析资料的概况那么问题来了，什么情况下可以运用再分析数据呢？（1）在长期测站的观测数据缺失且再分析数据的盛行风向与风场实测数据风向一致，风速相关性较好时，可暂用再分析数据进行参考计算。
（2）在长期测站的观测数据与风场实测数据相关性较差且再分析数据与风场实测数据的盛行风向基本一致、风速相关性较好，可适当选用再分析数据来进行辅助参考并与通过长期测站的观测数据计算的结果进行综合分析。
其中在进行相关性分析时，分为风向和风速两个方面综合评定相关性的好坏，即盛行风向基本趋于一致，风速通过采用16扇区、8扇区和全年数据整体相关等多种相关方法得出风速相关性。
中尺度大气运动的基本特征
中尺度大气运动的基本特征中尺度大气运动这个词听起来很高深，但其实它就是研究天气变化中，像龙卷风、气旋这种中等规模的气象现象。
说白了，它比我们熟悉的微观天气变化（比如说小雨、小风）要大，但又比整个气候系统小得多。
就像一块蛋糕，上面有各种各样的果仁和奶油，但中间的蛋糕体才是我们最关心的。
今天就来聊聊这些中尺度大气运动的基本特征，看看它们到底有多有趣。
1. 中尺度运动的范围和特征1.1 定义和范围中尺度运动一般是指那些范围在几十公里到几百公里之间的大气运动。
这种运动在时间上通常持续几个小时到几天，听起来是不是有点像过年的鞭炮，一声响起，短暂而热闹。
像气旋、反气旋、冷锋和暖锋这些都是常见的中尺度运动。
它们在我们的生活中扮演着重要角色，比如调皮的天气变化，或许明天阳光灿烂，后天却乌云密布，简直让人摸不着头脑。
1.2 特征与影响说到特征，中尺度运动的最大特点就是它的变化多端。
就像那位总是带着变色龙的小伙伴，一会儿活泼可爱，一会儿又忧伤沉默。
气象条件的变化、地形的影响、海洋的温度等都会影响中尺度运动的形成。
天气预报员每天都在琢磨这些变化，像侦探一样努力揭开天气的谜团。
有时候一场小雨就能把气温降到十几度，简直是让人又爱又恨。
2. 中尺度运动的成因2.1 地形的影响谈到中尺度运动的成因，地形绝对是一个不容忽视的因素。
想象一下，一座高山耸立在平原上，气流在山体附近翻滚，形成了各种奇妙的天气现象。
这就像在朋友聚会上，突然有个家伙高歌一曲，瞬间吸引了大家的注意。
山脉、丘陵和水体的存在，都会对周围的气流产生影响，产生一些奇特的天气变化。
2.2 温度的差异温度的差异也是中尺度运动的重要成因。
白天太阳直晒，地面热得像锅里煮的水，空气上升形成了对流；而夜晚，地面降温又让空气下沉，形成了对流循环。
就像炒菜，热油在锅里翻腾，蔬菜在里面欢快地翻滚，这种运动让气流不断变化，导致不同天气现象的发生。
3. 中尺度运动的表现形式3.1 风暴与降水中尺度运动最常见的表现形式就是风暴和降水。
中小尺度天气系统资料
三、龙卷（Spout / Tornado） 1、概述 1）定义 ――和强对流云相伴出现的、具有垂直轴的小范围强烈 涡旋，是破坏力很大的小尺度风暴系统。
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2）结构特点 ――有如同“象鼻子”一样的漏斗状云柱自对流云底盘旋而下 ――有时成对出现，一个是气旋式的，另一个是反气旋式的， 气旋式龙卷较为常见。 3）产生条件 ――强的层结不稳定性，因此产生龙卷的雷暴云比别的雷暴云 更高、更强。 4）出现时间 ――主要出现在春、夏季，陆地上以下午到傍晚的机会居 多，海上一般出现在清晨6h前后。 5）发生地区 ――墨西哥湾、地中海和孟加拉湾上空，水龙卷出现最频 繁。我国南海西沙群岛一带，一年四季均可出现，尤 以8、9月为最多。美国是龙卷出现最多的国家。
3
一、雷暴（Thunderstorm） 1、概述 1）定义 ――积雨云中发生的激烈放电、雷鸣现象，一般伴有阵 雨，所以常与雷雨通称。 产生雷暴的积雨云叫做雷暴云或雷暴单体，是小尺度天 气系统。多个雷暴单体成群成带地聚集在一起，叫做雷 暴群或雷暴带（又称多单体雷暴）。 普通雷暴――伴有阵雨的雷暴。 强雷暴――伴有暴雨、阵性大风、冰雹、龙卷等强对流 天气的雷暴，也叫“强风暴”。包括飑线、 多单体风暴和超级单体风暴。 2）活动地区 低纬多于中纬，中纬多于高纬； 山地多于平原，内陆多于海洋。 3）季节性：夏季出现较多，冬季几乎绝迹。
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2、一般特征 ――水平范围很小； ――持续时间很短； ――移动路径多为直线，漏斗状云柱的倾斜方向，通常 指示龙卷移动的方向； ――中心气压极低，可低至400hPa以下，甚至达到200hPa。 ――风力大，最大可达100～200m/s，风速自中心向外增 大，在距中心数十米的区域达到最大，再往外，风速 便迅速减小。 ――破坏力巨大。
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2）结构特点 ――有如同“象鼻子”一样的漏斗状云柱自对流云底盘旋而下 ――有时成对出现，一个是气旋式的，另一个是反气旋式的， 气旋式龙卷较为常见。 3）产生条件 ――强的层结不稳定性，因此产生龙卷的雷暴云比别的雷暴云 更高、更强。 4）出现时间 ――主要出现在春、夏季，陆地上以下午到傍晚的机会居 多，海上一般出现在清晨6h前后。 5）发生地区 ――墨西哥湾、地中海和孟加拉湾上空，水龙卷出现最频 繁。我国南海西沙群岛一带，一年四季均可出现，尤 以8、9月为最多。美国是龙卷出现最多的国家。
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一、雷暴（Thunderstorm） 1、概述 1）定义 ――积雨云中发生的激烈放电、雷鸣现象，一般伴有阵 雨，所以常与雷雨通称。 产生雷暴的积雨云叫做雷暴云或雷暴单体，是小尺度天 气系统。多个雷暴单体成群成带地聚集在一起，叫做雷 暴群或雷暴带（又称多单体雷暴）。 普通雷暴――伴有阵雨的雷暴。 强雷暴――伴有暴雨、阵性大风、冰雹、龙卷等强对流 天气的雷暴，也叫“强风暴”。包括飑线、 多单体风暴和超级单体风暴。 2）活动地区 低纬多于中纬，中纬多于高纬； 山地多于平原，内陆多于海洋。 3）季节性：夏季出现较多，冬季几乎绝迹。
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2、一般特征 ――水平范围很小； ――持续时间很短； ――移动路径多为直线，漏斗状云柱的倾斜方向，通常 指示龙卷移动的方向； ――中心气压极低，可低至400hPa以下，甚至达到200hPa。 ――风力大，最大可达100～200m/s，风速自中心向外增 大，在距中心数十米的区域达到最大，再往外，风速 便迅速减小。 ――破坏力巨大。
(完整版)强对流天气的中尺度分析
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa湿度场 •干线（露点锋） ：相邻 两站的露点温度相差10℃ 以上时，沿湿度梯度最大 处分析干线 •显著湿区：T-Td≤5℃， 从1℃开始 •干舌
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
850hPa（925hPa）分析
➢ 风场：切变线（辐合线） 、低空急流、 显著流线 ➢ 温度场：暖脊（温度脊）、T850-T500大值区 ➢ 湿度场：干线（露点锋）、湿舌
850hPa风场 •最大风速带（急流） •辐合区（切变）
以2013年3月23日南方强对流天气为例
低空急流（LLJ） •12-13m/s,有弱对流 •13-17m/s,有中等对流 •18m/s以上,有强对流
•显著湿区：T-Td≤5℃
•湿舌
•干线：相邻两站的露 点温度相差10℃以上时， 沿湿度梯度最大处分析 干线（露点锋）。
低空湿度（露点）
•≤8℃,有弱对流
•9-12℃,有中等对流
•＞12℃,有强对流
850hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa分析
➢ 风场：低空急流、 切变线（辐合线）、 显著流线
7．不满足静力平衡
在强烈发展的对流云附近，静力学关系不适用。在云中，特别是上升 气流和下沉气流强的地方，静力学关系更不能用。
强对流天气的定义
强对流天气定义(美国)：
直径1.9cm以上的冰雹、除了水龙卷之外的所有龙卷、 阵风25.7m/s以上的雷暴大风;
极端强对流天气：5cm以上冰雹，F2级以上龙卷， 33m/s以上雷暴大风；
展望
天 中短期预报
700hPa湿度场 •干线（露点锋） ：相邻 两站的露点温度相差10℃ 以上时，沿湿度梯度最大 处分析干线 •显著湿区：T-Td≤5℃， 从1℃开始 •干舌
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
850hPa（925hPa）分析
➢ 风场：切变线（辐合线） 、低空急流、 显著流线 ➢ 温度场：暖脊（温度脊）、T850-T500大值区 ➢ 湿度场：干线（露点锋）、湿舌
850hPa风场 •最大风速带（急流） •辐合区（切变）
以2013年3月23日南方强对流天气为例
低空急流（LLJ） •12-13m/s,有弱对流 •13-17m/s,有中等对流 •18m/s以上,有强对流
•显著湿区：T-Td≤5℃
•湿舌
•干线：相邻两站的露 点温度相差10℃以上时， 沿湿度梯度最大处分析 干线（露点锋）。
低空湿度（露点）
•≤8℃,有弱对流
•9-12℃,有中等对流
•＞12℃,有强对流
850hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa分析
➢ 风场：低空急流、 切变线（辐合线）、 显著流线
7．不满足静力平衡
在强烈发展的对流云附近，静力学关系不适用。在云中，特别是上升 气流和下沉气流强的地方，静力学关系更不能用。
强对流天气的定义
强对流天气定义(美国)：
直径1.9cm以上的冰雹、除了水龙卷之外的所有龙卷、 阵风25.7m/s以上的雷暴大风;
极端强对流天气：5cm以上冰雹，F2级以上龙卷， 33m/s以上雷暴大风；
展望
天 中短期预报
2 中尺度系统
§7.2 中尺度系统
• 天气尺度系统中包含了中尺度系统。中 尺度天气系统是对流系统的背景或母 体。我们以下给出一些中尺度系统。
中尺度雨团
• 在一次较大范围的强降水区中，可能镶嵌有中α尺度雨带， 称为中尺度雨带，中尺度雨带中含有中β尺度雨团，称为中 尺度雨团。一次暴雨过程中，可能出现两条或两条以上的中 尺度雨带及多个中尺度雨团活动，它们是造成暴雨天气的重 要成员。中尺度雨团有如下基本特征： • (1) 水平尺度小，通常不超过200km。 • (2) 生命期短，一般在10小时以内。 • (3) 低空辐合强，对流层低层水平散度量级达10-4/s。(4) 多 次发生，一次强降水过程中可出现多个中尺度雨团。 • (5) 降水强度大，１小时降水量可达50ｍｍ以上。 • (6) 两种动态：移动性和准静止性，以移动性的中尺度雨团 为多。 • 这些中尺度雨团在流场上的反映主要是在近地面层 （300ｍ），850百帕层已ＣＣ 及其附近的 流场环境示 意图细箭头 线为流线， 黑箭头为上 升运动，空 心箭头为下 沉运动
中尺度雨带有如下基本特征
• 中尺度雨带常几条并存，并相互平行，其间距大致 相同，约为 100km 。每条雨带的宽度约 10~50km 。 有时中尺度雨带只有一条。 • 一条中尺度雨带由更小的对流单体组成，它们分别 处于不同的发展阶段。 • 中尺度雨带的移动方向，明显偏向平均风方向的右 侧，移动速度可大于平均层的风速。 • 中尺度雨带多出现在大气层结为位势不稳定的地 区。 • 中尺度雨带通过测站时，地面气象要素会发生明显 变化，如气压骤升，气温下降，湿度上升及风向风 速突然变化等。台风和热带气旋中存在中尺度雨 带。
美国中部地区ＭＣＣ个例图示
MCC特点
• • 在对流层下半部（尤其是700百帕附近）有从四周进入系统的相对入流。 在对流层中层，相对气流很弱，因为系统几乎是随对流层中层气流移动 的。在对流层上层，相对气流向系统周围辐散，下风方的辐散比上风方 更强。 最强的中尺度对流元通常出现在系统的右后象限，有时呈线状，排列方 向平行于系统移向。 大面积的轻微降水和阵雨通常出现在强对流区的左边平均中尺度上升区 内。 MCC出现在低空偏南气流最大值前的强暖平流区及明显的辐合区中。 系统在浅边界中是一个冷核，贯穿于对流层中层大部分的则是暖核。然 后在对流层上层又是冷核。 在热力结构上，边界层中产生一个中尺度高压，其上有中尺度低压，到 对流层上层，又有中尺度高压盖在系统之上。中低压起了增强进入系统 的入流的作用。在高层，中高压加强了系统北部边缘的高压梯度，并加 强了反气旋弯曲的外流急流。
• 天气尺度系统中包含了中尺度系统。中 尺度天气系统是对流系统的背景或母 体。我们以下给出一些中尺度系统。
中尺度雨团
• 在一次较大范围的强降水区中，可能镶嵌有中α尺度雨带， 称为中尺度雨带，中尺度雨带中含有中β尺度雨团，称为中 尺度雨团。一次暴雨过程中，可能出现两条或两条以上的中 尺度雨带及多个中尺度雨团活动，它们是造成暴雨天气的重 要成员。中尺度雨团有如下基本特征： • (1) 水平尺度小，通常不超过200km。 • (2) 生命期短，一般在10小时以内。 • (3) 低空辐合强，对流层低层水平散度量级达10-4/s。(4) 多 次发生，一次强降水过程中可出现多个中尺度雨团。 • (5) 降水强度大，１小时降水量可达50ｍｍ以上。 • (6) 两种动态：移动性和准静止性，以移动性的中尺度雨团 为多。 • 这些中尺度雨团在流场上的反映主要是在近地面层 （300ｍ），850百帕层已ＣＣ 及其附近的 流场环境示 意图细箭头 线为流线， 黑箭头为上 升运动，空 心箭头为下 沉运动
中尺度雨带有如下基本特征
• 中尺度雨带常几条并存，并相互平行，其间距大致 相同，约为 100km 。每条雨带的宽度约 10~50km 。 有时中尺度雨带只有一条。 • 一条中尺度雨带由更小的对流单体组成，它们分别 处于不同的发展阶段。 • 中尺度雨带的移动方向，明显偏向平均风方向的右 侧，移动速度可大于平均层的风速。 • 中尺度雨带多出现在大气层结为位势不稳定的地 区。 • 中尺度雨带通过测站时，地面气象要素会发生明显 变化，如气压骤升，气温下降，湿度上升及风向风 速突然变化等。台风和热带气旋中存在中尺度雨 带。
美国中部地区ＭＣＣ个例图示
MCC特点
• • 在对流层下半部（尤其是700百帕附近）有从四周进入系统的相对入流。 在对流层中层，相对气流很弱，因为系统几乎是随对流层中层气流移动 的。在对流层上层，相对气流向系统周围辐散，下风方的辐散比上风方 更强。 最强的中尺度对流元通常出现在系统的右后象限，有时呈线状，排列方 向平行于系统移向。 大面积的轻微降水和阵雨通常出现在强对流区的左边平均中尺度上升区 内。 MCC出现在低空偏南气流最大值前的强暖平流区及明显的辐合区中。 系统在浅边界中是一个冷核，贯穿于对流层中层大部分的则是暖核。然 后在对流层上层又是冷核。 在热力结构上，边界层中产生一个中尺度高压，其上有中尺度低压，到 对流层上层，又有中尺度高压盖在系统之上。中低压起了增强进入系统 的入流的作用。在高层，中高压加强了系统北部边缘的高压梯度，并加 强了反气旋弯曲的外流急流。
第7章 中尺度天气系统
第七章中尺度天气系统目录中尺度天气系统 (3)7.1 概述 (3)7.1.1 什么是中尺度 (3)7.1.2 中尺度天气系统的基本特征 (3)7.2 中尺度系统 (4)中尺度系统 (4)7.2.1 中尺度雨团 (4)卫星探测图片1 (5)7.2.2 中尺度雨带 (5)雷达气象部分的补充内容1 (7)7.2.3 中尺度对流复合体 (9)雷达气象部分的补充内容2 (12)卫星探测图片2 (13)7.2.4 飑线 (13)雷达气象部分的补充内容3 (18)卫星探测图片3 (19)7.3 中尺度系统发生发展的大尺度环境条件 (19)中尺度系统发生发展的大尺度环境条件 (20)7.3.1 位势不稳定层结 (20)7.3.2 强垂直风切变 (20)7.3.3 水汽辐合和湿舌 (21)7.3.4 急流的作用 (22)7.3.5 低空辐合和上升运动 (23)7.3.6 地形 (23)7.4 中尺度系统发展和大气过程不稳定 (24)中尺度系统发展和大气过程不稳定 (24)7.4.1 对流不稳定 (24)7.4.2 对称不稳定 (26)7.4.3 锋生强迫的次级环流 (28)7.5 中尺度分析 (29)中尺度分析 (29)7.5.1 资料来源及其处理 (29)7.5.2 时空转换分析 (31)7.5.3 相对坐标分析 (32)7.5.4 变量场分析 (34)7.5.5 雨团和雨带分析 (34)习题 (35)参考文献 (35)中尺度天气系统从本世纪50年代初“中尺度”概念引入气象学以来，中尺度气象学得到蓬勃发展，无论是雷达、卫星等新观测技术的广泛使用，还是在组织中尺度野外观测试验、中尺度天气分析或中尺度天气理论研究和数值模拟等方面，都取得了很大进展。
目前中尺度天气预报，特别是暴雨和强对流类天气的局地、短时预报，已成为预报业务工作中的重要内容。
然而，由于在常规天气图上很难发现、诊断和分析中尺度天气系统，作出准确预报仍是天气学面临的重大难题。
天气预报 中尺度分析new
对流的基本要素
• 湿度条件（水汽条件）
• 静力稳定度（不稳定条件）
• 触发条件（抬升条件）
√基本要素
• 湿度条件（水汽条件） • 静力稳定度（不稳定条件） • 触发条件（抬升条件）
√
触发条件
通常为多种触发机制共同造成
• 天气系统：锋面、低涡、低槽、切变线等 • 边界层辐合线： ——地面要素的不连续线：风向or风速（地面辐合 线）、温度（锋面、地表加热不均匀、城市热导 等）、湿度（露点锋∕干线、湿地和植被区）
——雷暴出流边界 ——海风锋 ——地形辐合线等
地形触发—山区多雷暴
10m/s的地面风产生1m/s的上升运动，若持续1个小时，则上升运动将达到3km高度
例：地形辐合线+雷暴出流边界
2012年8月8日过程分析（金晓青）
13时
13时
14时
15时
16时
例：非锋斜压带+出流边界
20130625（张南、张迎新）
• 分析中低层流场，判断有利于触发对流天气的抬升条件。 • 分析层次包括地面、925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa。 • 主要分析边界层锋区、中低层槽、切变线和辐合线。
边界层锋区
干线（露点锋）
平原：850或925hPa相邻两站Td相差 10℃以上；高原：700hPa相差10℃ 以上
中低层槽、切变线和辐合线
四、垂直风切变条件分析
• 分析对流层各层流场，判断有利于对流天气发生发展和加强的动 力组织条件。
一、水汽条件分析
• 水汽条件分析旨在分析气团的水汽含量和饱和程度，以及它们的 边界。
• 主要分析低层显著湿区、中层干区。 • 分析层次包括925 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa。
中尺度天气学课后习题答案
中尺度天气学课后习题答案中尺度气象学（第二版）课后习题第一章中尺度天气系统的特征1. 什么是“中尺度”？Ligda，Emanuel，Orlanski和Pielke等怎样定义“中尺度”？目前，“中尺度”一般被描述性地定义为时间尺度和水平空间尺度比常规探空网的时空密度小，但比积云单体的生命期及空气尺度大得多的一种尺度。
Ligda（1951）最早提出“中尺度（mesoscale）”这一概念。
他根据对降水系统进行雷达探测所积累的经验指出，有些降水系统，太大以致不能由单站观测全，但又太小以致即使在区域天气图上也不能显现，他建议把具有这种尺度的系统称为“中尺度系统”。
Emanuel把具有状态比L/D=Uz/f和时间尺度T=f-1的运动定义为“中尺度”运动（L水平尺度，D垂直尺度亦即不稳定层厚度，Uz纬向风垂直切变尺度，f科氏参数）。
Orlanski（1975）根据观测和理论的总和分析结果，提出了一个比较细致的尺度划分方案，即：天气系统可粗分为大、中、小尺度三类，其中大尺度系统可再分为α、β两类，中尺度和小1/ 30尺度系统则可分别分为α、β、γ三类，相邻两类的空间尺度相差1个数量级。
按照这种划分，中尺度成了一个范围很宽的尺度，即2～2000km。
小至某些通常称为小尺度的系统如雷暴单体等，大至某些通常称为大尺度的系统如锋、台风或飓风等都可以包括在中尺度的范围内。
但其核心则为20～200km的系统，即β中尺度系统。
β中尺度系统具有典型的中尺度特性，而α和γ中尺度系统则分别兼有大尺度和小尺度的特性。
Pielke（1984）提出，典型的中尺度也可以定义为符合以下判据的一种特殊尺度：①其水平尺度足够大，以至于可以适用静力平衡关系；②其水平尺度足够小，以致地转偏向力项相对于平流项和气压梯度力项时小项。
2. α、β、γ中尺度系统在性质和对强天气形成的作用方面有什么不同？按Orlanski的划分标准，中尺度系统的水平尺度在2×100～2×103km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
中小尺度终结版
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。
中小尺度气象学总结
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。
中尺度数值天气预报模式图文
为了提高预报的分辨率和准确性，中尺度数值天气预报模式通常采用嵌套网格技术，即在较粗的 网格上计算大尺度天气系统，在较细的网格上计算中尺度天气系统。
物理过程参数化方案
01 02
辐射过程
辐射过程是大气中重要的物理过程之一，对中尺度天气系统的形成和发 展有重要影响。模式中通常采用辐射传输方案来计算太阳辐射和大气辐 射对天气系统的影响。
边界层过程
边界层是大气中与地面直接接触的一层，其中发生着复杂的湍流交换过 程。模式中通常采用边界层方案来计算湍流交换对天气系统的影响。
03
微物理过程
ห้องสมุดไป่ตู้
微物理过程是指云、降水等天气现象中发生的微观物理过程。模式中通
常采用微物理方案来计算云的形成、发展和降水过程对天气系统的影响。
初始化和边界条件处理
初始化
要点二
强对流天气过程分析 技术
中尺度数值天气预报模式能够模拟强 对流天气过程的动力学、热力学和微 物理特征，揭示其发生发展的物理机 制。结合雷达观测、卫星遥感等技术 手段，可以对强对流天气过程进行实 时监测和分析。
要点三
强对流天气过程防范 建议
针对强对流天气过程的突发性和破坏 性，公众应关注天气预报和预警信息 ，及时采取防范措施，如加固房屋、 准备急救物资等。同时，政府和相关 部门也应加强应急管理和救援工作， 以应对可能发生的灾害。
入等方式进行改进。
边界条件误差
由于模式边界条件处理不当导致的 误差，可通过改进边界条件处理方 案、引入更准确的边界条件数据等
方式进行改进。
05 图文展示：中尺度数值天 气预报模式应用实例
暴雨洪涝灾害预警应用实例
暴雨洪涝灾害概述
简要介绍暴雨洪涝灾害的定义、成因及危害。
物理过程参数化方案
01 02
辐射过程
辐射过程是大气中重要的物理过程之一，对中尺度天气系统的形成和发 展有重要影响。模式中通常采用辐射传输方案来计算太阳辐射和大气辐 射对天气系统的影响。
边界层过程
边界层是大气中与地面直接接触的一层，其中发生着复杂的湍流交换过 程。模式中通常采用边界层方案来计算湍流交换对天气系统的影响。
03
微物理过程
ห้องสมุดไป่ตู้
微物理过程是指云、降水等天气现象中发生的微观物理过程。模式中通
常采用微物理方案来计算云的形成、发展和降水过程对天气系统的影响。
初始化和边界条件处理
初始化
要点二
强对流天气过程分析 技术
中尺度数值天气预报模式能够模拟强 对流天气过程的动力学、热力学和微 物理特征，揭示其发生发展的物理机 制。结合雷达观测、卫星遥感等技术 手段，可以对强对流天气过程进行实 时监测和分析。
要点三
强对流天气过程防范 建议
针对强对流天气过程的突发性和破坏 性，公众应关注天气预报和预警信息 ，及时采取防范措施，如加固房屋、 准备急救物资等。同时，政府和相关 部门也应加强应急管理和救援工作， 以应对可能发生的灾害。
入等方式进行改进。
边界条件误差
由于模式边界条件处理不当导致的 误差，可通过改进边界条件处理方 案、引入更准确的边界条件数据等
方式进行改进。
05 图文展示：中尺度数值天 气预报模式应用实例
暴雨洪涝灾害预警应用实例
暴雨洪涝灾害概述
简要介绍暴雨洪涝灾害的定义、成因及危害。
中尺度数值天气预报模式
集合预报技术的发展
集合预报技术是一种概率预报方法， 通过将多个不同初始条件的模式结果 组合起来，提供更全面的气象信息。 随着超级计算机技术的不断发展，集 合预报的分辨率和覆盖范围将得到进 一步提高，能够更好地揭示中尺度气 象系统的演变和传播。
VS
集合预报技术还可以与其他数据源 （如卫星观测、雷达观测等）进行融 合，提高预报的准确性和精细化程度。 通过集合预报技术，气象部门可以提 供更加全面和客观的气象服务，满足 不同用户的需求。
中尺度模式的设计
中尺度模式是数值天气预报的一种，特别适用于预测局地性强、时间尺度较短的 天气系统，如雷暴、锋面和低气压等。
中尺度模式的设计需要考虑大气的中尺度特征，如气流、水汽和不稳定能量等。 这些特征在模式中通过特定的参数化方案来处理，以更准确地模拟中尺度天气系 统的演变。
模式的初始化与更新
初始化是数值预报的关键步骤之一，它决定了预报的 初始状态和随后的演变。正确的初始化对于提高预报
模式在台风路径预测中的应用
中尺度数值天气预报模式在台风 路径预测中具有较高的准确率， 能够较为准确地预测台风登陆地
点和时间。
通过分析台风周围的中小尺度环 境因素，如地形、气流等，模式 能够更准确地模拟台风的移动路
径和强度变化。
模式在台风预报中的应用，为政 府和公众提供了关键的决策依据，
有助于减少台风灾害的影响。
中尺度数值天气预报模式能够提供高 分辨率的短时气象信息，如风向、风 速、温度、湿度、降水等，有助于预 测未来几小时内的天气变化。
精细化预报
中尺度模式能够提供更精细的地域气 象信息，如局部地区的气象状况，有 助于气象部门为特定区域提供更准确 的预警和防范措施。
灾害预警
暴雨预警
中小尺度动力气象学
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）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（a 3）中尺度（a、伙Y 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一一背风波（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。
随风速而变，风速愈大，波长愈大。
气象学与气候学复习资料
气象学与气候学单选/填空/判断1.大气层可分为均值层和非均质层2.除去水汽及悬浮在大气中的固体、液体质粒外的整个混合气体称为干洁大气3.当气温为0℃，在纬度45°的海平面上，760㎜水银柱高时的大气压称为1个标准大气压。
4.物体收入辐射能与指出辐射能的差值称为净辐射或辐射差额，用R表示，公式为：R=收入辐射—支出辐射5.一天中气温最高值与最低值之差，称为气温日较差。
6.大陆上全年气压最高值出现在冬季，最低值出现在夏季。
7.大气环流是指大范围大气运动的平均状态或某一时段的变化过程。
8.相对湿度年变化：一般是冬季最大，夏季最小9.干燥系数：一地某时段内最大可能蒸发量与同期内降水量之比值，称为干燥度或干燥系数其表达式为K=Wo/R（K为干燥度，Wo为最大可能蒸发量，R为同期内降水量）10.温度和湿度等气象要素水平分布比较均匀的大范围空气块称为气团。
11.活动在我国境内的气团，大多是从其他地区移来的变性气团，且随季节而变化。
其中最重要的是极地大陆气团和热带海洋气团。
12.南方涛动：印度洋赤道低压与东南太平洋副热带高压之间的反相气压震荡，由于它主要发生在南半球，故称南方涛动。
13.气候带：指根据气候要素的纬向分布特征而划分的带状气候区域14.我国气候学家以斯查勒成因气候分类法为基础，把年可能蒸散量作为气候带的划分标准。
15.第四纪大冰期气候：在约2MaBP（2百万年以前）开始，直到现在。
简答/分析1.黑体辐射定律：①普朗克定律②斯特藩—玻尔兹曼定律③维恩位移定律2.太阳辐射在大气中的减弱的特点：①大气对太阳辐射的吸收（17%）②大气对太阳辐射的散射（22%）③云层和尘埃对太阳辐射的反射（30%）④到达地面的太阳辐射（31%）3.太阳总辐射的变化特点：①一天中，太阳总辐射在夜间为零，日出后逐渐增大，正午达到最大值，午后又逐渐减小。
一年中，赤道地区有两个最大值，分别出现在春分和秋分，而其他地区只有一个最大值，出现在夏季，最小值出现在冬季。
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z
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END
27
10
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103s
11
2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）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，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
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
16
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 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
23
§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
dt x y z
• 状态方程： • 位温方程：
25
滞弹性（anelastic）近似
du 1 p fv
dt x
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g dt z
方程假设：
w ( u v w) 0
z x y z
（1）大气密度在水平方向变化很小气压梯度力项线性化； （2）垂直方向，考虑大气密度扰动引起的浮力； （3）假定大气运动是准不可压缩，滤除声波; （4）连续方程中考虑 项的作用——深层运动。
中尺度系统气象要素的梯度：3°C/10km，1～3 hPa/10km
18
中尺度大气运动的基本特征
• 3）散度、涡度与垂直速度
从连续方程可知： W HV / L
W, V 分别为大气的垂直和水平速度，H, L为垂直与水平 尺度。
若：V~10m/s，H~10km，则对于 ,, 中尺度系统， 垂直速度可分别达到10-1 m/s，100 m/s，101 m/s。
一般而言，水平尺度为20 km～200 km的 中尺度系统是中尺度系统的核心，具有典型的中 尺度系统特性，具有空间尺度小，生命周期短的 特征。
17
中尺度大气运动的基本特征
2）气象要素梯度大 天气尺度系统中气象要素的梯度一般较小，锋区 附近的温度和气压的梯度约为1～10°C/100km， 1～10 hPa /100 km;
（从东南方向来看）
8
§1.2 天气系统的尺度划分
中尺度大气运动的定义:
• Ligda (1951)最早提出中尺度概念：对常规高空探测网 （间隔几百公里）来说太小，以至于完全捕捉不到；对单 站雷达观测尺度又太大（缺乏遥感能力），而不能完全观 测得到的那些大气现象。通常定性描述为，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。
中小尺度天气动力学
主要内容
• 第一章 中尺度天气系统的特征 • 第二章 地形性中尺度环流 • 第三章 自由大气非对流性中尺度环流 • 第四章 中尺度孤立对流系统 • 第五章 中尺度带状对流系统 • 第六章 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带 • 第七章 中尺度对流复合体 • 第八章 影响中尺度对流系统发生发展的因子 • 第九章 中尺度天气预报
1
教学安排
中小尺度天气动力学
第一章 中尺度天气系统的特征
4
第二章 地形性中尺度环流
2
第三章 自由大气非对流性中尺度环流
4
第四章 中尺度孤立对流系统
2
第五章 中尺度带状对流系统
5
第六章 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带
6
第七章 中尺度对流复合体
5
第八章 影响中尺度对流系统发生发展的因子
4
总学时
32
第一章 中尺度天气系统的特征
典型中尺度运动：非地转、准静力平衡。
20
中尺度大气运动的基本特征
• 5）质量场和风场的适应 大尺度运动：一般是风场适应质量场； 中尺度运动：一般是质量场适应风场
21
中尺度大气运动的基本特征
• 6）小概率和频谱宽、大振幅事件
中尺度系统在统计意义上是小概率事件，它的空间尺度 跨越范围宽，且中尺度系统影响时的气象要素变化激烈，表 明他是频谱宽的大振幅事件。
显然，中尺度系统的散度、涡度也会相应增大！
19
中尺度大气运动的基本特征
• 4）非地转平衡和非静力平衡
尺度愈大，地转偏向力作用愈大，浮力作用愈小；
小，
小，
大；
大尺度运动：地转、静力平衡；
小尺度运动：非地转、非静力平衡与湍流运动；
中尺度运动：
大的中尺度运动：准地转、准静力平衡；
小的中尺度运动：非地转、非静力平衡；
Vinnichenko（1970）对自由大气和近地面层的东西风 分量做了能谱密度分析。谱分析结果反映了不同大气尺度的 客观存在性，表明中尺度环流的能量密度小，但是在大尺度 和小尺度运动的能量变换中起着重要作用。
22
中尺度大气运动的基本特征
能量密度
时间尺度
该图给出了不同时间尺度的动能谱分布。表明在1分钟、1日到数日、
月、年的时间尺度上分别有能量密度的峰值，这些峰值分别反映了大气
边界层湍流、日变化和季节变化的运动，而在几十分钟到十几小时的时
段（即中尺度运动的事件尺度）上，则是能量密度的低谷或称为中尺度
缝隙（gap）。这种谱分析结果反映了不同尺度的客观存在性，他表明中
尺度环流的能量密度小，但是他在大尺度和小尺度运动的能量变换中起
• Peilk的定义：“它是这样的大气系统，它们的水平范围 足够的大，以致维持着流体静力近似，但有足够的小，以 致在边界层以上地转风和梯度风作为实际风环流已不合 适。”
9
天气系统的尺度划分
• 早期的经验分类 • 依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类
方法） • Orlanski的综合分类（观测与理论分类）
p RT
T
1000 p
AR
Cp
• 热量方程：d dQ
dt CpT dt
24
Boussinesq（包辛尼斯克近似）
du 1 p fv
dt x
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g dt z
u v w 0 x y z
方程假设：
（1）大气密度在水平方向变化很小气压梯度力项线性化； （2）垂直方向，考虑大气密度扰动引起的浮力； （3）假定大气运动是准不可压缩，滤除声波
3
§1.1 中尺度气象学概述
• 天气现象：
雷暴、暴雨、冰雹、大风等对流性天气； 局地低云、浓雾等稳定性天气
• 主要特点：
生命史短、空间范围小，但天气变化剧烈
• 主要研究内容：
中尺度天气学、动力学、数值模拟、短期和甚短期预报以 及中尺度大气物理学等等方面。
4
美国电工拍到神奇超级单体风暴“上帝之眼”
12
106
105
101
104
103
102
大气运动 形式
尺度分类
Rossby数 拉格朗日 时间
Emanuel将具有状态比 L / D Uz / f和时间尺度 T 1/ f 的运动定义为“中尺度”运动。
13
3. Orlanski的综合分类（根据观测与理论）
14
特征尺度及其量级
15
§1.3 中尺度大气运动的基本特征
6
近二十年来中尺度气象学的研究进展
① 提出和得到了强风暴的三维模式； ② 进一步阐明了制约雷暴和中尺度系统演变的物
理机制； ③ 深入开展了强对流系统的数值模式的试验； ④ 中尺度动力学研究的深入开展。 ⑤ ……
观测——新的观测设备、观测网，针对性的野外观测试验；
强风暴动力学研究等
7
强风暴的三维模式
2010.7.28，超级单体风暴
“上帝之眼”（风暴准备发威，直径5～ 10英里，85英里/小时）
美国电工肖 恩希维
“神族母舰”（超级单体风暴形成时） 5
中尺度气象学面临的主要科学问题
✓ 中尺度对流系统及造成暴雨天气系统的三维结构和发生 发展的观测；
✓ 中尺度系统的触发机制； ✓ 中尺度系统与地形的关系； ✓ 多尺度系统与中尺度系统之间的相互影响、作用； ✓ 中尺度大气运动不稳定问题； ✓ 中尺度天气数值模拟和预报研究； ✓ 中尺度灾害性天气的短期、甚短期或临近预报方法研究 ✓ ……
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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103s
11
2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）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，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
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
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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 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
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§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
dt x y z
• 状态方程： • 位温方程：
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滞弹性（anelastic）近似
du 1 p fv
dt x
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g dt z
方程假设：
w ( u v w) 0
z x y z
（1）大气密度在水平方向变化很小气压梯度力项线性化； （2）垂直方向，考虑大气密度扰动引起的浮力； （3）假定大气运动是准不可压缩，滤除声波; （4）连续方程中考虑 项的作用——深层运动。
中尺度系统气象要素的梯度：3°C/10km，1～3 hPa/10km
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中尺度大气运动的基本特征
• 3）散度、涡度与垂直速度
从连续方程可知： W HV / L
W, V 分别为大气的垂直和水平速度，H, L为垂直与水平 尺度。
若：V~10m/s，H~10km，则对于 ,, 中尺度系统， 垂直速度可分别达到10-1 m/s，100 m/s，101 m/s。
一般而言，水平尺度为20 km～200 km的 中尺度系统是中尺度系统的核心，具有典型的中 尺度系统特性，具有空间尺度小，生命周期短的 特征。
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中尺度大气运动的基本特征
2）气象要素梯度大 天气尺度系统中气象要素的梯度一般较小，锋区 附近的温度和气压的梯度约为1～10°C/100km， 1～10 hPa /100 km;
（从东南方向来看）
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§1.2 天气系统的尺度划分
中尺度大气运动的定义:
• Ligda (1951)最早提出中尺度概念：对常规高空探测网 （间隔几百公里）来说太小，以至于完全捕捉不到；对单 站雷达观测尺度又太大（缺乏遥感能力），而不能完全观 测得到的那些大气现象。通常定性描述为，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。
中小尺度天气动力学
主要内容
• 第一章 中尺度天气系统的特征 • 第二章 地形性中尺度环流 • 第三章 自由大气非对流性中尺度环流 • 第四章 中尺度孤立对流系统 • 第五章 中尺度带状对流系统 • 第六章 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带 • 第七章 中尺度对流复合体 • 第八章 影响中尺度对流系统发生发展的因子 • 第九章 中尺度天气预报
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教学安排
中小尺度天气动力学
第一章 中尺度天气系统的特征
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第二章 地形性中尺度环流
2
第三章 自由大气非对流性中尺度环流
4
第四章 中尺度孤立对流系统
2
第五章 中尺度带状对流系统
5
第六章 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带
6
第七章 中尺度对流复合体
5
第八章 影响中尺度对流系统发生发展的因子
4
总学时
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第一章 中尺度天气系统的特征
典型中尺度运动：非地转、准静力平衡。
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中尺度大气运动的基本特征
• 5）质量场和风场的适应 大尺度运动：一般是风场适应质量场； 中尺度运动：一般是质量场适应风场
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中尺度大气运动的基本特征
• 6）小概率和频谱宽、大振幅事件
中尺度系统在统计意义上是小概率事件，它的空间尺度 跨越范围宽，且中尺度系统影响时的气象要素变化激烈，表 明他是频谱宽的大振幅事件。
显然，中尺度系统的散度、涡度也会相应增大！
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中尺度大气运动的基本特征
• 4）非地转平衡和非静力平衡
尺度愈大，地转偏向力作用愈大，浮力作用愈小；
小，
小，
大；
大尺度运动：地转、静力平衡；
小尺度运动：非地转、非静力平衡与湍流运动；
中尺度运动：
大的中尺度运动：准地转、准静力平衡；
小的中尺度运动：非地转、非静力平衡；
Vinnichenko（1970）对自由大气和近地面层的东西风 分量做了能谱密度分析。谱分析结果反映了不同大气尺度的 客观存在性，表明中尺度环流的能量密度小，但是在大尺度 和小尺度运动的能量变换中起着重要作用。
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中尺度大气运动的基本特征
能量密度
时间尺度
该图给出了不同时间尺度的动能谱分布。表明在1分钟、1日到数日、
月、年的时间尺度上分别有能量密度的峰值，这些峰值分别反映了大气
边界层湍流、日变化和季节变化的运动，而在几十分钟到十几小时的时
段（即中尺度运动的事件尺度）上，则是能量密度的低谷或称为中尺度
缝隙（gap）。这种谱分析结果反映了不同尺度的客观存在性，他表明中
尺度环流的能量密度小，但是他在大尺度和小尺度运动的能量变换中起
• Peilk的定义：“它是这样的大气系统，它们的水平范围 足够的大，以致维持着流体静力近似，但有足够的小，以 致在边界层以上地转风和梯度风作为实际风环流已不合 适。”
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天气系统的尺度划分
• 早期的经验分类 • 依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类
方法） • Orlanski的综合分类（观测与理论分类）
p RT
T
1000 p
AR
Cp
• 热量方程：d dQ
dt CpT dt
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Boussinesq（包辛尼斯克近似）
du 1 p fv
dt x
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g dt z
u v w 0 x y z
方程假设：
（1）大气密度在水平方向变化很小气压梯度力项线性化； （2）垂直方向，考虑大气密度扰动引起的浮力； （3）假定大气运动是准不可压缩，滤除声波
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§1.1 中尺度气象学概述
• 天气现象：
雷暴、暴雨、冰雹、大风等对流性天气； 局地低云、浓雾等稳定性天气
• 主要特点：
生命史短、空间范围小，但天气变化剧烈
• 主要研究内容：
中尺度天气学、动力学、数值模拟、短期和甚短期预报以 及中尺度大气物理学等等方面。
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美国电工拍到神奇超级单体风暴“上帝之眼”
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大气运动 形式
尺度分类
Rossby数 拉格朗日 时间
Emanuel将具有状态比 L / D Uz / f和时间尺度 T 1/ f 的运动定义为“中尺度”运动。
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3. Orlanski的综合分类（根据观测与理论）
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特征尺度及其量级
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§1.3 中尺度大气运动的基本特征
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近二十年来中尺度气象学的研究进展
① 提出和得到了强风暴的三维模式； ② 进一步阐明了制约雷暴和中尺度系统演变的物
理机制； ③ 深入开展了强对流系统的数值模式的试验； ④ 中尺度动力学研究的深入开展。 ⑤ ……
观测——新的观测设备、观测网，针对性的野外观测试验；
强风暴动力学研究等
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强风暴的三维模式
2010.7.28，超级单体风暴
“上帝之眼”（风暴准备发威，直径5～ 10英里，85英里/小时）
美国电工肖 恩希维
“神族母舰”（超级单体风暴形成时） 5
中尺度气象学面临的主要科学问题
✓ 中尺度对流系统及造成暴雨天气系统的三维结构和发生 发展的观测；
✓ 中尺度系统的触发机制； ✓ 中尺度系统与地形的关系； ✓ 多尺度系统与中尺度系统之间的相互影响、作用； ✓ 中尺度大气运动不稳定问题； ✓ 中尺度天气数值模拟和预报研究； ✓ 中尺度灾害性天气的短期、甚短期或临近预报方法研究 ✓ ……