第八章天气形势和气象要素预报 天气预报 天气预报是根据气象观(探)测资料，应用天 气学、动力学、统计学的原理和方法，对 某区域或某地点未来一定时段的天气状况 作出定性或定量的预测。 常用的天气预报技术方法 天气学预报方法 统计学预报方法 动力学预报方法 天气-统计预报方法 动力-统计预报方法(MOS法和PP法) 天气-动力预报方法 天气预报的种类 按预报时效: 临近预报(0-2小时) 甚短期预报(2-12小时) 短期预报(12-48小时) 中期预报(3-10天) 长期预报(10天以上)等; 按服务对象: 日常天气预报 专业天气预报(如航空天气预报); 按预报范围 区域预报 站点预报等。 一个地区的天气变化主要由天气系统变 化所决定。 天气预报实际上分为两个步骤： 第一步是天气形势预报，预报各种天气系统的 生消、移动和强度的变化，它是气象要素预 报的基础。 第二步是气象要素和天气现象预报，是对气温 、湿度、风、云、降水和其它天气现象变化 的预报。 8.1 天气形势预报的基本方法 天气形势预报主要是气压场和流场的预报。 气压场和流场相互适应而接近于地转平衡 形势预报的两种处理方式： 从气压场变化入手，找出气压变化的规律。如：减 压地区可能形成低压或使原有低压加强，即有气旋 发生发展。 从流场变化入手，通常得用涡度方程进行分析。如 ：正涡度增加地区，有气旋的发生发展；负涡度增 加地区，则可能有反气旋的发生发展。 形势预报的方法可分为两大类: 数值预报方法， 天气学方法。 本节主要讨论利用天气学方法制作天气形 势预报的常用方法。 8.1.1趋势法 根据最近一段时间内天气系统演变的趋势 ，预报未来短时间内天气系统强度变化及 移动，这种方法叫做趋势法。 趋势法通常分为外推法和运动学方法两种 。 1.外推法 根据最近一段时间内天气系统的移动速度 和强度变化的规律，顺时外延，预报出系 统未来的移动速度和强度变化，这种方法 叫做外推法。 外推法又可分为两种情况： 一种是系统的移动速度或强度变化基本上不随时 间而改变，按这种规律外推，叫做直线外推， 也称为等速外推。 另一种是当系统的移动速度或强度变化接近 “等 加速”状态时，外推时要考虑它们的 “加速”情况 ，按这种规律外推，叫做曲线外推。 应用外推法可以对高、低压系统和槽、脊 的移动和强度作出预报。 直线外推时只需要根据当时和上一时次的 两张天气图即可进行， 而曲线外推需要利用三张(或以上)天气图进 行比较。 直线外推 移动距离：S2=S1 移动方向：不变 强度：PPP2+(P2-P1) =1006+(1006-1008) =1004 曲线外推 移动距离：S3-S2=S2-S1， S3=S2+S=S2+(S2-S1) 移动方向： 34=23+(23-12) 强度： P34 - P23= P23 - P12 P4=P3+(P3-P2)+(P3-P2)-(P2-P1) =995+(-7)+(-7)-(-9) =990 S1 S2 S3 1011 1002 995 高空槽线外推。因为槽线各段移动速度不同， 可以在槽线上取几个代表性的点。 槽线方向变化 高空槽脊强度外推（从等高线的形状来外推） 选择能表示槽、脊的某条等高线，如540线，追踪 该线与槽、脊的交点，对两交点进行外推。 当槽(脊)过分拉长时，应考虑将有切断低压或闭合 高压出现。 注意 （1）外推法主要用于天气系统呈相对静止状态。 （2）所用资料的时间间隔不宜过长。 （3）气压系统的中心位置和中心数值要尽量准确。 （4）要注意气压日变化的影响。 （5）外推时，还要根据天气系统变化的物理原因以 及周围天气系统和地形的影响，考虑系统的变化 。 2.运动学方法 利用气压系统过去移动和强度变化所造成 的变高（或变压）的分布特点，通过运动 学公式导出的一系列定性预报规则，来预 报系统未来的移动速度和强度变化的方法 ，叫做运动学方法。 （1）气压系统移动的预报 取x轴与C的方向一致，则 在气压系统上取一些特性点和特性线，使得 在这些点和线上有F/t=0，于是，这些点 和线的移动速度为 (i)等压线移动的预报 使运动坐标系随等压线p一起移动，若等压线的 移动方向为法线方向，则取x轴与等压线的法线 方向一致。这样，等压线p的移动速度为 若某处有正变压，等压线向低压方向移动；若某 处有负变压，等压线向高压方向移动。 移动速度与变压成正比，与气压梯度成反比。 (ii)槽、脊线移动的预报 使运动坐标系随槽、脊线一起移动，取x轴 垂直于槽、脊线，并指向气流的下游方向 ，和槽、脊线的移动方向基本一致。由于 在槽、脊线上 槽、脊线的移动速度为 对槽来说， 说明槽沿变高梯度方向移动 槽前变高槽后变高，槽前进 槽前变高槽后变高，槽后退 对脊来说， 说明脊沿变压升度方向移动 脊前变高脊后变高，脊前进 脊前变高脊后变高，脊后退 槽脊移动速度与变高梯度成正比，与 （槽脊 强度）成反比。 (iii)高、低压中心移动的预报 在低压中，可设有2条相互垂直的线，分别与x轴和y 轴重合， 低压中心的移动速度C可看成两线移动的矢量和。 对近于圆形的低压，由于 将沿变压梯度方向移动；同理，对近于圆形的高 压，将沿变压升度方向移动。 椭圆形高压(低压)的移动方向介于变压升度(梯度) 与长轴之间，长轴越长，移动方向越接近于长轴 。移动速度的大小与变压升度(梯度)成正比，与系 统中心强度成反比。 (iv)气压系统强度变化的预报 在高、低压中心，p0 同样，在槽(脊)线上，取x轴垂直于槽(脊)线 ，并指向气流的下游方向， 当低压中心或槽线上出现负变压(正变压)时 ，低压或槽将加深(填塞); 当高压中心或脊线上出现正变压(负变压)时 ，高压或脊线将加强(减弱)。 槽线上负变压，脊线上正 变压 槽脊发展? 槽（脊）上变压梯度（升 度）为零 槽脊发展? 不移动？ 预报经验 (i)如果气旋中心出现了负变压，这个气旋将要加深；反之， 如果出现了正变压，气旋就会填塞。如果反气旋中心出现 了正变压，反气旋将要加强；反之，如果出现了负变压， 反气旋就会减弱。 (ii)如果零值变压线接近于气旋或反气旋中心，则表示这个气 旋或反气旋未来的强度变化不大。如果零值变压线处在气 旋或反气旋后部较远的地方，则气旋或反气旋要加强；如 果零值变压线处在气旋或反气旋前部较远的地方，则气旋 或反气旋将很快减弱。 (iii)如果在低压槽或均压区中，出现了明显的3小时负变压中 心(2.0hPa)，则该 处可能有高压生成。 (iv)由于锋面气旋常沿暖区等压线方向移动，故暖区中变压不 大。如果暖区中出现了较大的负变压，表示气旋将发展； 反之，气旋将填塞。 高空系统预报的经验(24小时变高) (1)高压常向正变高中心移动，低压常向负变高中心 移动。 (2)槽线前后分别有一负、正变高中心时，这种槽一 般移动较快。变高梯度越大，槽移动越快。 (3)当槽(脊)线上出现负(正)变高中心时，则槽(脊)将 加强，且移动较慢；反之，槽(脊)将减弱，且移动 加快。 (4)当移动缓慢的高压脊西北方出现负变高中心，并 不断加强，则此脊将减弱。 注意 当天气系统的移动和强度无突然变化或无 天气系统的新生、消亡时，应用上述趋势 法的较果较好； 反之，预报往往与实际不相符合。 8.1.2 涡度观点的应用 1. 地面气旋（反气旋）发展方程 2. 平均层涡度方程 3. 引导气流原理的应用 1. 地面气旋（反气旋）发展方程 Petterssen发展方程 无辐散层绝对 涡度平流项 非绝热加热项温度平流项 垂直运动项 涡度平流，地面气旋发展 温度平流，地面气旋移动 2. 平均层涡度方程 平均层上的相对涡度平流 热成风涡度平流 地转涡度平流 地形作用 涡度平流 对称槽（脊），涡度平流影响槽（脊）移动。 不对称的槽（脊），涡度平流影响槽（脊）强度。 热成风涡度平流 在温度槽附近，热成风涡度最大， 在温度脊附近，热成风涡度最小。 温度槽落后于高 度槽，高度槽将 加强。 高度槽落后于温 度槽，高度槽将 减弱。 3. 引导气流原理的应用 地面高、低压中心的移动速度与系统中心 上空平均层上的地转风一致。 实际工作中可利用700hPa或 500hPa等压面 上的地转风加以适当订正以预报地面系统 中心的移动，这就是所谓的“引导气流原理” 。 地面气压系统中心的移动速度为其上空 500hPa风速的0.5-0.7倍，700hPa风速的0.8- 1倍。 夏季常用500hPa作引导层，冬季常用 700hPa作引导层。 地面气压系统的移动方向与引导气流的方 向有一定的偏角，大多数偏于引导气流的 左侧，引导气流越大，偏角越小，反之亦 然。 在实际应用引导气流规则时，必须充分考 虑引导气流本身的特点和变化。 同时还要注意地形的影响。 另外，引导气流对浅薄系统的预报效果较 好，当地面系统加深以后，则效果较差。 1.位涡及其分析方法 位涡分析方法: 在等位温面上分析等位涡线，亦称等熵位涡分 析（IPV分析）； 在等位涡面上分析等位温线，亦称等位涡位温 分析（iso-PV分析）； 分析等位涡面的位势高度，亦称动力对流层顶 （dynamic tropopause）分析。 由于PV和在绝热条件下的守恒性，前两种 分析方法对于诊断某一时段内大气的运动 状况是比较理想的。 在作IPV分析时，一般选取与极锋地区对流层顶相重合的 等位温面，在北半球冬季可取=315K，夏季取=325K。在 这两个特殊的面上，PV=2（或3）的等值线可以被看作是 来自低纬地区对流层低值PV大气与来自高纬地区平流层高 值PV大气之间的边界。 通常称在很高纬度地区能够发现的平流层大气为平流层大 气库。 显然，在绝热、无摩擦条件下，等PV线将在这两个面上 作平流运动。 等熵位涡分析中经常可以见到，高值位涡区伸向南方的正位涡异 常区和低值位涡区指向北方的负位涡异常区，这些位涡异常区随 空中气流作平流运动，其形状发生改变，有时甚至从源地被切断 。 因此，利用位涡异常区的这种物质守恒性质可以识别和追 踪大气扰动的演变过程。 在作等位涡位温分析和动力对流层顶分析 时，通常选取PV=2这个特殊的等位涡面。 这是由于PV=2介于平流层大气PV和对流层大气 PV数值之间，在副热带急流以北地区PV=2的等 位涡面接近于实际大气的对流层顶，一般称之 为动力对流层顶。 在PV=2的面上，数值较低的大气对应于高 纬地区大气，而 数值较高的大气对应于低 纬大气。在绝热条件下，等线也将作平流 运动。 分析PV面的位势高度具有两个优点， 一是它可以直接反映正的位涡异常对低空大气 的影响程度，当对流层顶（局地正的位涡异常 ）下降时（例如处于一个发展着的气旋后部） ，相应地，PV=2的等位涡面的高度下降，对地 面系统发展的影响加大； 二是PV=2的等位涡面高度与业务工作中常用的 对流层顶高度图的关系密切，两者的图形十分 相似，而且在PV=2面上的特征更为明显。 2.等熵位涡思想的基本要点及其应用 位涡具有两个基本性质： 一是守恒性，即在绝热无摩擦条件下，运动大气的位 涡