大气科学导论

第一章绪论天气业务是气象业务中最早发展起来的业务，至今仍然是主要的气象业务之一。天气业务起源于19世纪，进入二十世纪七、八十年代，由于数值天气预报投入业务使用，天气业务获得了突飞猛进的发展。主要内容第一节天气业务的内含和方法1.1天气业务的内含1.2天气业务方法第二节传统天气业务2.1天气业务的诞生2.2天气图分析和预报2.3传统天气业务的理论和方法第三节现代天气业务3.1数值天气预报发展历程3.2气象要素和灾害性天气的中短期预报第四节天气业务的拓宽4.1气象灾害预报4.2相关应用气象业务第一节天气业务的内含和方法1.1天气业务的内含“天气”是由各种气象要素和现象所共同表现的大气状态，它是随时、随地变化的。天气业务是分析气象要素、天气现象及其演变规律，并据此预报未来天气变化的业务。天气业务按预报对象划分，可以分为气象要素预报、天气现象特别是灾害性天气监测和预报，天气引发的气象灾害预报。航空气象属于天气业务的范畴，虽然它关注的是机场和航线上上的天气，但是航空气象制作的产品全部属于天气产品。交通气象要制作的产品是公路、黄金水道、轨道交通线上低能见度天气（强降水、雾、沙尘暴）、大风、高温、路面热力状况等的监测和预报，因此属于天气业务。海洋气象中海上风、雾、温度、结冰等都是气象要素或天气现象，因此它们的监测和预报自然属于天气业务，海浪、风暴潮等是水文现象，其监测和预报便不属于天气业务了。水文气象中面（体积）雨量的监测和预报等属于天气业务，流量和水位监测和预报是水文业务。但是，为了完整起见，本书都作了介绍。另外，本书还对环境气象、健康气象、电力和能源气象都作了比较全面的介绍，虽然它们的预报对象不是天气，但是它们都是由气象条件引起的，只要找到相关的临界气象条件（它们都是天气业务中要预报的气象要素和天气现象），就可以制作相关的预报产品了。天气业务按预报时效划分，又可以分为天气及其引发的灾害的监测、临近预报（0-3小时）、短时预报（3-12小时）、短期预报（1-3天）、中期预报（4-10天）和延伸期预报（11-30天），其中延伸期预报尚未真正形成业务。按天气业务发展的阶段划分，我们可以将天气业务划分为两个阶段：传统天气业务和现代天气业务，进入现代天气业务的标志是数值天气分析预报产品在天气预报中的广泛应用并成为天气预报的基础。前一阶段开始于十九世纪中叶，第二阶段发达国家大约开始于二十世纪七十年代末八十年代初，我国则开始于上世纪九十年代初。1.2天气业务方法天气业务所用的方法主要有天气分析、天气图、数值天气分析和预报以及临近预报方法。天气分析涉及的面很广，主要有天气图分析、天气雷达资料分析、卫星资料分析、风廓线分析、GPS/MET资料分析、闪电资料分析等。在目前天气业务中，天气分析是一个薄弱环节，预报员过多地依赖数值分析预报产品，忽视了天气图的分析，很多预报员不会定锋面，常常漏分析高空小槽和地面中尺度系统，对天气图上云和天气现象的符号不甚了了，对从稠密自动气象站来的高时空分辨率资料不做必要的中分析，因而在天气业务中常常漏掉了引发灾害性天气的中尺度系统和天气。天气雷达反射率回波不仅强度与灾害性天气紧密相关，而且回波的形状也是不同强对流天气的识别器；多普勒雷达径向风场包含着丰富的识别灾害性天气的信息，例如逆风区是强降水的信号，中气旋是强风的指标等等。可见光、红外和水汽云图配合天气图分析以及物理量的诊断可以提供许多有用的天气诊断和预报的信息。目前我国预报员对天气雷达和卫星资料的分析应用水平不高，影响了我国灾害性天气的监测和临近预报水平的提高。随着我国气象探测系统的发展，新资料不断涌现，分析和应用好这些资料是提高灾害性天气监测率和预报准确率的必由之路。天气图及其辅助图表以前是现在仍然是天气分析和预报的重要工具，虽然数值天气预报已经成为天气业务的基础，但是目前数值模式对气象要素的预报水平还不高，需要预报员进行订正；目前数值预报直接输出的产品中还没有天气现象特别是没有灾害性天气的预报，更需要预报员去制作这些天气的预报。预报员依靠自身的经验制作灾害性天气预报，一是根据数值预报产品前期的误差对其进行订正，更重要的是应用天气图方法制作预报，数值天气预报的分析场和预报场都是天气图，预报员根据气旋学说、锋面学说、长波理论、不稳定理论、降水学说等天气学知识和各种分析工具，在这些“天气图”上画出灾害性天气的落区，制作灾害性天气预报，因此天气图分析和预报仍然是现代天气业务不可或缺的重要工具。数值天气分析和预报包括分析和预报两个部分。数值天气分析就是要得到一个接近真实的初始场，这是近十年来各国提高数值天气预报水平的关键，数值天气分析包括观测资料的质量控制和资料同化，我国已经建立三维变分同化业务，四维变化同化已经成为发达国家的业务；数值天气预报就是用数值模式从初始场开始积分预报未来的天气形势和天气。数值预报中的天气形势预报水平早已超过有经验的预报员的水平，因而成为天气业务的基础。数值分析预报产品解释应用是制作站点和格点气象要素预报的重要方法，使用的方法包括MOS、PP、SVM、神经元网络等方法。近年来各国发展的集合预报业务对于延长预报时效和提高灾害性天气概率预报水平已经并将发挥重要的作用。大气是一个高度非线性的系统，数值预报对初值非常敏感，由于气象观测总是存在误差和时空覆盖存在很多空隙，我们不可能获得一个完全真实的初值，再加上模式的误差、模式过程的误差和计算的误差，完全确定性的预报是可望而不可求的事情，3天之内的预报确定性较高，之后数值解就发散了，因此，集合预报就成为必然的选择。集合预报分为多初值、多过程、多模式的集合，各国业务中心用得最多的是多初值集合预报，初值扰动方法分为奇异向量法和增长模繁殖法；预报员用得最多的是多模式的集合，预报员面对许多业务中心的数值分析预报产品，根据多年使用的经验进行主观集成，制作预报产品；如果能在检验各家模式优劣的基础上，发展客观定量的集合预报方法，一定会提高3-5天灾害性天气的预报水平。由于数值模式与初始场相协调需要一定的时间，再加上数值预报对灾害性天气的预报准确率和时空分辨率不高，因此临近预报业务发展起来，目前临近预报主要使用的方法是利用天气雷达、气象卫星、自动气象站、闪电定位等实况资料对灾害性天气进行识别，然后根据过去位置的变化规律进行外推预报，利用雷达资料进行外推的方法主要有TREC、TITAN等方法，尽管临近预报平均预报时效只有1小时，但是临近预报的准确率和时空分辨率高，因此在气象防灾减灾中具有特殊的作用，为了延长预报时效，必须与数值分析预报产品相结合。第二节传统天气业务2.1天气业务的诞生虽然古希腊大哲学家亚里斯多德在约公元前350年就有《气象学》问世，该书综合论述了水、空气和地震等现象，但并不意味着气象学就此真的诞生了。就像远在三千年前，我国殷代甲骨文已有关于风、云、雨、雪、虹、霞、龙卷、雷暴等文字记载，还常卜问未来十天的天气（称为“卜旬”），并将实况记录下来以资验证不能称之为天气预报业务一样，因为它们都没有科学技术基础。科学意义上的天气业务起源于十九世纪中叶，从此时起，欧洲和北美地面气象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网。同时，无线电技术的发明，使地面观测资料可以快速传输到各地，为绘制天气图创造了条件，在1860-1865年间欧洲和北美各国纷纷绘出了天气图，并用天气图来做天气预报，标志着天气业务的诞生。2.2天气图分析和预报传统天气业务的标志是天气图分析和预报。常规天气图分为地面天气图和高空天气图，按照世界气象组织规定的填图模式，将观测资料填在站点上。在地面天气图上需要分析等压线和等温线，用规定的颜色线画出不同天气现象出现的区域，并在该区域内用规定的符号标明该天气现象，在地面天气图上需要重点分析的天气系统是高压、低压和锋面等。高空天气图一般是指等压面天气图，这是因为求一定气压的高度比求一定高度的气压容易，另外在等压面天气图上地转风（或梯度风）速可以用等压面上等高线的间隔来表示，而且间隔和风速的关系与等压面的气压无关，因此在各等压面上可使用同样的地转风速尺，但高度不同风速和等气压线间隔的关系就不一样了。在高空图上需要绘制等高线和等温线，需要重点分析的天气系统是高空槽、切变线、低压和高压（脊）等。“天气图”是展现同一时刻不同地区气象要素和天气现象分布的很好工具。现代天气观测的工具和手段多种多样,各种常规和非常规探测资料的分布图都是“广义的天气图”，通过它们可以看到各种“天气系统”以及与其相联系的天气现象的发生、发展和演变过程，因而使我们能“纵观世界，一览天下”的风云变幻。气象要素也称为气象变量。对于确定时间的气象要素的空间分布称为气象变量场，气象要素是一种场变量。天气图所表现的就是某一时刻的气象变量场，“天气系统”就是气象变量场上的某种基本特征。通过连续的天气图分析就可以了解气象变量场特征和天气系统随时间的变化，天气图分析和预报就是通过分析各种气象变量场特征的发生、发展和演变的规律，来预报未来的天气。传统天气业务的标志是天气图分析和预报，包括辅助图表的分析，例如T-lnP图、各种剖面图和时间演变图等，在传统天气业务中还需要分析各种稳定度、涡度、散度、垂直速度、水汽通量和散度等物理量，以制作天气预报。2.3传统天气业务的理论和方法支持传统天气业务的理论和方法有很多，首先是锋面/气旋理论。1918年J.皮叶克尼斯首先将锋与锋面的概念引入气象学文献和预报实践中，1928年贝吉隆对锋的形成和消失提出了一个运动学的解释，通过研究贝吉隆得出结论，锋是由于在具有温度对比的区域中气流的汇合运动造成的，那时还没有高空观测，但是他们根据地面图分析所推论得到的概念却完全是三度空间的，特别是将广义的锋看作为一条斜压带，通过垂直环流将位能转变为动能。1918年皮叶克尼斯还提出了一个气旋模式，这个模式除概述了气旋典型结构之外，还阐述了气旋动力学过程。他发现冷空气像一个楔子位于暖空气下方，其间分界面的坡度为1：100，云雨区的典型分布可以用冷暖锋上暖空气绝热上升冷却的结果来解释。其次是波动理论。上世纪30-40年代，由于要求能早期预报出灾害性天气，同时无线电探空及高空测风业务的普遍发展，能够分析出较好的高空天气图，罗斯贝等研究大气环流，提出了长波理论，为进行1-3天的天气预奠定了理论基础。产生大气波动的因子很多，如大气温度层结、可压缩性、重力、惯性力等。不同因子形成的波动其性质有很大的差别，不同类型的波动对天气的影响也极不相同。有些类型的波动对天气变化及一些天气现象的产生起着重要的作用，有些则不然。对于小尺度运动，主要是重力内波（由大气的稳定层结和重力的作用而形成）起作用；对于中尺度运动，主要是惯性-重力内波起作用；对于大尺度运动，主要是长波（由β效应而形成的）。短期天气过程主要取决于长波，中期天气过程主要决定于长波与超长波，超长波由冷热源及地形的强迫作用通过β效应而产生。第三是不稳定理论。不稳定是实际天气系统发生和发展的一个重要的动力机制，正压不稳定扰动发展的能源主要取自基本气流的动能，斜压不稳定扰动发展的能源主要取自有效位能的释放，对于对流性较强的系统（如台风）的发生发展，潜热能的释放也是扰动发展的重要能量来源。这里要特别提到对斜压不稳定和CISK（第二类条件不稳定）做出突出贡献的气象学家，Eady1949年首先讨论了长波和气旋波动的不稳定问题（以后就称为Eady模式），以后郭晓岚、Charney、Green也先后对斜压不稳定研究作出了贡献，说明斜压性是大气中系统发生发展的主要因子。Charney和Eliassion以及Ooyama1964年首先讨论了小尺度积云对流加热与大尺度流场演变的相互作用，是使得大尺度系统不稳定增长的一个具体物理机制，并称之为CISK（第二类条件不稳定）。1973年J.R.Bates同时考虑边界层摩擦辐合以及变压风辐合，提出了广义第二类条件不稳定；Lindzen1974年提出大气中的内波尤其是重力内波提供了在CISK过程中启动积云对流的上升运动，并称此为波型第二类条件不稳定，从而进一步完善了第二类条件不稳定理论。第