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天气学原理笔记

简介

笔记来自刘宣飞先生的上课内容， 刘先生的课生动活泼，引人入胜，为表敬意，将其整理出电子稿，仅供纪念和参考。其中算法表示是笔者自己加的内容，第二章锋面天气借唐卫亚老师的天气学分析课件图以期表述更加完善，第四章大气环流参考了李丽萍老师的大气环流概论和李忠贤老师的短期气候预测基础这两门课部分内容。毕竟上课笔记，难免有些疏忽，如有不当，还望斧正。

长望党支部2014年制

前言

天气动力学主要分为三大主干课程：天气学、动力学、统计学，研究对象是天气系统和天气过程。一般而言，天气学适合于做短期天气预报，这方面经验丰富的预报员往往准确率要高于数值预报。数值预报的基础是动力学，根据方程、参数等进行模拟，模式的运用很关键，对于大尺度的把握较好。而长期预报则是结合统计学知识，对现有资料进行分析，一般做概率预报为主，短期预报中像墨迹天气的降水概率也是运用到此类知识。
关于学习方法，方程的数学表达固然是基础，但天气学主旨是要理解方程的物理意义，并给予解释，“看图说话”这类图形表达也很重要，天气图的识别是天气学的重要部分。
主要参考书：
1.天气学原理和方法（朱乾根等）
2.天气学教程（梁必骐）
3.现代天气学原理（伍荣生）
4.中国主要天气过程的分析（寿绍文）
第一章 大气运动的基本特征
——风场和气压场
本章结构：1.影响大气运动的力（1）
2.控制大气运动的基本方程组（2,4）
3.简化方程组。突出大尺度运动基本特征（3）
4.天气学分析的基本原则（5）
第一节 影响大气运动的力

一． 基本作用力
1． 气压梯度力（pressure gradient force）
定义：作用于单位质量气块上的净压力
表达式：

推导：对于一微气块而言，
B面所受的压力为正方向，A面应为
令x正方向为压力正方向，则有
同理：

讨论：
A． 性质：气压梯度力由气压不均匀造成的
B． 方向：高压指向低压，垂直于等压线
C． 大小：与气压梯度呈正比，与密度呈反比
D． 分量：但垂直方向上有重力与其达到平衡（静力平衡）
注：等压线越密，气压梯度力越大
2． 地心引力
定义：
表达式：
方向：地心
3． 摩擦力

二． 惯性力
1. 惯性离心力
定义：单位质量的气块，因为地球旋转呈现出的一种惯性力
表达式：
推导：用一根绳子牵一小球以均匀角速度作旋转运动。
相心加速度：
由于在地球系统上，物体静止，而在惯性坐标系下，物体受向心力影响，为了去掉向心力使其受力为0，加一虚假力
讨论：
A.大小：随纬度而变，赤道最大，两级为0。

B.方向：位于纬圈平面内，由地轴指向外
2. 地转偏向力（Coridis） 科氏力
定义：当气块相对地球运动时，使气块运动方向发生改变的，一种惯性力。
条件 作用 性质
表达式：
注意与的同异
三． 重力
定义：地心引力与惯性离心力之和。
表达式：
讨论：
A.方向：并不指向地心。
理由：虽然不与地心引力一致，但垂直于地面，即水平面上无。
地球自转使水涌向赤道，使地球成椭球，而能量最低原则使地球表面与垂直使其无水平受力。（动力气象有效位能）
C.大小：赤道上最小，随纬度增加，两级最大。
一般取纬度海平面为标准，

第二节 控制大气运动的基本定律
一． 旋转坐标系的速度和加速度（预备知识1）

1. 选定坐标系
2.

那么
是指当相对与地面速度静止时气块的绝对速度
地球系统下，，则
即
3. 的关系
把（*）代入，
整理得：
绝对加速度 相对加速度 地转偏向加速度 向心加速度
（科氏加速度）

二． 全导数的气象意义（预备知识2）

气象场下，温度T是四维场，则

：个别变化，某一气块随时间变化 全导数
：局地变化，某一空间点随时间变化 偏导数
：平流，当某一属性随时间分布不均时，在风（）的作用下，产生输送作用引起的局地变化 平流项
平流的条件：1.有风2.要素场是空间分布不均的

8:00于连云港，温度为8℃的气团随风南下于11:00到达南京，气块升温2℃，而南京8:00温度为12℃，不考虑其他因素求11:00南京的温度。

三． 运动方程

加速度 压力梯度 重 科氏 摩擦

那么，标量下的运动方程：

四． 连续方程
1. 表达式：
2. 物理意义：
质量散度的形式：

以x方向为例：
单位时间单位面积所通过的空气的质量==单位时间流入A单位面积的空气质量-单位时间流入B单位面积的空气质量

速度散度的形式：

表示流体单位时间内体积相对膨胀率
当时，，称之为不可压。

——补偿原理：气块在水平方向上辐合，垂直方向必然辐散

五． 状态方程

六． 热流量方程

是与外界热量交换；是热功当量
：非绝热加热，气象海洋上主要是：1.辐射2.潜热3.感热
短期内，由于时间短，视为绝热加热即

七． 小结：大气运动的基本方程组：
6个变量，6个方程，是闭合的，可解
第三节 尺度分析和方程组简化
一． 分类
以水平尺度划分。一般来说，水平尺度越大，时间尺度也越大。
300km以上： 高低压、锋、行星波（Rossby）、槽脊、台风
10~300km：雷暴、积雨云、龙卷
10km以下：朵朵白云
不确定有没有记错
二． 尺度分析
特征尺度：某种类型的物理场下某物理量的一般大小

①经过L或H距离后，V,W的改变量与V,W量级相当

②
③ ，则
三． 大尺度变化的运动方程简化
（一） 水平运动方程（假设大尺度）

零级近似：仅保留最大项，其他项全部舍弃。

一级近似：保留最大项和比最大项小一量级的项

讨论：
A. 零级近似方程：表明大尺度，中纬度，自由大气中，气压梯度力与地转偏向力是平衡的，称之为地转平衡（Geostrophic）——风压关系，此条件下的风叫地转风记为

零级近似是诊断方程（，即定常）
北半球风沿等压线吹，背风而立，高压在右。
低压中心，风呈逆时针旋转——气旋式
高压中心，风呈顺时针旋转——反气旋式
B. 一级近似：保留了，有预报价值，但因有观测误差，实际无法应用。
（二） 垂直运动方程

零级近似（一级、二级、三级近似）：——静力方程
四． 连续方程简化
尺度分析：

简化结果：
零级近似：
一级近似：
讨论：零级近似：大气近似水平不可压
一级近似：由于较小，因此可视为，即大气近似不可压
五． 热流量方程简化

零级近似：
温度的局地变化由温度的水平平流与非绝热加热所决定——平流模式
平流是造成温度局地变化的主要原因

一级近似：
——上升运动（）在稳定层结下会导致局地温度下降

六． 小结——大气运动的基本特征 quasi——“准”
1准地转
2准静力平衡
3准不可压
4准水平
5准定常

第四节 “P”坐标中的方程组
引入：1.作用：去除密度ρ
2.“p”：Z轴用气压来衡量

一． 位势与位势高度
（重力）位势：单位质量的气块从海平面提升一定高度所具有的势能

由于g不是常数，因此等高面与等位势面不重合

单位：位势米/位势十米
等高线转化为等位势高度线
二． “p”坐标系与“z”坐标系的转换

、：位于同一等压线上，水平距离为；
、：位于同一等高线上，垂直距离为；
、：垂直距离为，气压差；

证：

如果，
1.令F=z，则，即

2.令F=p，则

等压线坡度与气压梯度成正比，等高线坡度与气压梯度也成正比

三． 运动方程

四． 连续方程

上升运动时，

五． 热流量方程

稳定层结下，上升气流会使温度下降

第五节 风场和气压场的关系
一． 地转风
1. 定义：水平梯度力与水平地转偏向力相平衡时的风

2. 条件：
1大尺度
2中纬度
3自由大气
4匀速直线运动
3. 表达式：

4. 讨论：
（１） 定义
（２） 平衡运动（不具备加速度向）

（３） 大小
I.取决于气压梯度／等高线密度／等压面坡度（正比）
II.气压梯度一定时，由于在高纬大，所以高纬风较弱
（实际情况，高纬由于等高/压线较密，因此，速度与低纬相差不大）
III.在区域基本成立
低纬地区，地转风几乎忽略
（４） 地转风基本无水平散度

二． 梯度风
1. 定义：
惯性离心力（）与水平气压梯度力（）与地转偏向力（）三力平衡，
是一种匀速率曲线运动
运动方程一级近似：

2. 自然坐标系下的水平方程
原点：气块质点
：与风速相切，与方向一致
：指向左侧与垂直

3. 梯度风方程
令，则，
即沿s方向气压不变，即等压线与流线重叠
梯度风方程：
惯性离心力 气压梯度力 科氏力
记为：
讨论：注：
（１） 气旋性环流中心对应低压

（２） 反气旋性环流中心对应高压

由于，大尺度下，大，
因此小，使得为了平衡，
指向外侧，符合

（３） 在天气图分析中，确定G，D位置必须考虑环流型

4. 梯度风速率

约束条件：
（１） 气旋式环流（）——
为保证，取“+”号，而

所以
（２） 反气旋式环流（）——
(a) 若取负号，似乎能保证，但是当
时，，解不合理
时，，解不合理（无梯度应无风）
(b) 若取正号

前提是：
时，，解合理
时，，解合理

综上，
讨论：反气旋环流气压梯度上限要求：
此时

因此在天气图分析上，高压场风不会很大，即梯度不会很大，但对气旋式环流没有限制。

5. 和比较

当时，
6. 梯度风

7. 指导意义

三． 热成风

由,

以上是热成风在y上的分量
1. 定义：地转风随高度的变化（矢量差）

2. 表达式：
3. 性质和特点
①性质：由于温度水平分布不均匀导致的风
②方向：与等温线即等厚度线平行，背风而立，高温在右（北半球）
③大小：与厚度梯度（）呈正比，纬度反比
④特点：越到高空，地转风越接近热成风
4. 应用
三者之间的关系，但也有使用条件。
地转风，静力平衡，中高纬
（１） 订正错误记录

（２） 判断温度（冷/暖）平流

若地转风随高度逆时针转，冷平流；顺时针，暖平流

（３） 中纬度温压场结构

温度场（红线）落后于高度场（细黑线）

（４） 大尺度运动垂直结构

冷低压，暖高压，深厚系统；暖低压，冷高压，浅薄系统

左图的气压剖面图如下：

（５） 南亚季风环流

四． 正压大气与斜压大气

可知，同一高度上密度相同

即等压面既是等温面，又是等密度面，有，那么
称为正压大气（barotropic）
一般而言，两层大气是非平行的（理由见动力气象的有效位能章节），即，称为斜压大气（baroclinic）
通过高空层上等温线的密集程度判断斜压性。

五． 地转偏差
（一） 概念
1. 定义：
实际风与地转风的矢量差，一般而言，
在海面上，小于陆地
2. 讨论：
A. 气压场的重新分布
B. 做功（克服气压梯度力）
C. 造成垂直运动

（二） 摩擦层中的地转偏差
1． 表达式：

——在摩擦力右侧，即加速度左侧
2． 讨论：
A． 地转偏差的起因：有摩擦
B． 一定指向低压侧（加速度左侧）
C． 的大小与摩擦力呈正相关，
夹角为10°~20°以内
D． 如图，会引起水平辐合辐散
水平辐合，垂直辐散，抬升，降水 水平辐散，垂直辐散，下沉，晴朗

（三） 自由大气中的地转偏差
1. 表达式：

2. 讨论：
A． 地转偏差垂直于加速度项（该项由于和不平衡导致）且指向加速度左侧
B．

态势图：

3. 天气图上判断地转偏差的方法

（1）（其中 以地转风近似）

与变高梯度、变压梯度方向一致

（2）
——沿气流方向，速度增大，等高线是辐合的，必有指向低压的地转偏差，称为次地转风；沿气流方向，速度减小，等高线是辐散的，必有指向高压的地转偏差，称为超地转风。

说明：
A. 在加速度左侧
B. ，
即指向速度反向
C.

（3）、综合分析：底层以为主，高层以为主

槽前脊后负变压，合，槽后脊前正变压，散；恰相反，沿气流2s，垂直是2n。（自己猜的口诀，未经官方认证）
（4）
推导理由：
上升运动，，与梯度方向一致：下沉运动，，与梯度方向相反 台风
第二章 锋与气团

本章结构：1.气团基本概念（1）略
2.锋与锋的坡度（2）
3.锋面附近气象要素场的特征（3）
4.锋生与锋消（5）

第一节 气团基本概念（略）
一． 概念：气象要素（主要是温度、湿度）水平分布较均匀的大范围空气团
特征：温度分布较均匀
形成条件：
1. 气团所在的下垫面均一广阔（假设：气团的温度主要由地面决定）
2. 有适合的大气环流条件（移动缓慢）
3. 有气团变性的变化

二． 气团的分类：

我国所处中纬度地区，基本不是气团源产地，因此多是外部地区气团移动进入我国，即变性气团。

第二节 锋与锋的坡度
一． 锋的概念
1. 定义：冷暖气团交界处的界面
特点：等温线密集
2. 几何特征：狭窄、倾斜
狭窄——相较于气团而言，水平尺度很小（宽度上m）
倾斜——向冷空气倾斜

实际锋面图：

二． 锋面的坡度
1. 假设：物质面（锋面由固定质点确定）
对于锋面上任意一点，两边气压相等，否则物质面不存在。

2. 坐标选取：

——Margules锋面坡度公式
代入状态方程，，令
则，那么有：

3. 讨论：
（1）与纬度（）成正比，与成反比
（2）锋面附近，风呈气旋式弯曲

（３） 适用条件
A. 接近真实大气的物质面
B. 满足地转平衡
C. 密度零级不连续，即，或

——若，零级不连续，，称为一级不连续

想到刘先生上课说的一个笑话：有个男孩把腿摔断了，女学霸说：你叫你踢球，摔成零级不连续了吧，太丢人现眼了。这男孩也很聪明，愣了一下，说：那也比你处处二级连续好→_→
三． 锋的分类
按移动方向，看主动方分类。

若冷气团向暖气团倾斜，为冷锋；若暖气团向冷气团倾斜，为暖锋；若冷暖气团相持，为准静止锋。（观察6小时天气图，看锋面位置变化）

锢囚锋：冷气团、更冷气团将暖气团抬到高空

附锋：

第三节 锋面附近的气象要素场特征
一． 温度场特征
（一） 从垂直方向看

锋区间温度水平变化非常大

锋区间温度垂直变化非常小
（二） 从探空曲线看

（三） 从等压面看
1. 锋区在等高面上等温线密集处，高空风与地面风一致（500hPa的引导气流）
把各个锋区投影到一张图上，通过其距离判断坡度。

2. 高空冷平流对应冷锋，高空暖平流对应暖锋
3. 锢囚锋：根据暖舌（高空暖中心位置，图见上节锋的分类）投影到地面锋线的位置
（四） 从位温看
锋区附近，等位温线密集且走向与锋面一致
，那么，对高度求导

二． 、 与 特征（密度零级不连续）
海平面气压场 海平面变压场 风场
上节得到密度零级不连续下的坡度公式，那么
（一） 气压场特征（）

说明冷气团气压梯度大于暖气团气压梯度，在垂直于锋面方向上，锋面两侧气压梯度不连续

实际情况：
①
密度零级不连续气压一级不连续
②

1. 锋面往往位于低压槽当中或隐槽中
2. 气压线折角指向高压
（二） 特征 风场在锋面具有气旋性切变，即（见锋面坡度讨论）
（三） 变压场特征（）
1. 物理上：冷锋后有正变压，暖锋前有负变压

2.

假设：物质面——（）

坐标系：x轴：由暖指向冷，锋面平行于y轴（）
锋面上，虽然锋面移动（），但

，而静止锋下，两边变压都接近为0
（四） 气压倾向方程
假设：静力平衡下，，那么

一般而言，锋面动力因子在天气图上不明显，冷锋后有冷平流，暖锋前有暖平流
正变压 负变压
三． 、、特征（密度一级不连续——）
1. 锋面坡度

密度一级不连续时，，即要求气压二级不连续。

由于，
同理：

2. 、特征
，要求锋区内远远大于锋区外。即锋区内的二阶导数要远远大于锋区外，可以证明：气压的二阶导数与其曲率呈正比。
因此，等压线如图：
锋区内等压线两边气旋式切变大
风区的气旋式切变大
锋区内热成风大（等温线密）
3. 变压场特征

那么有

与密度零级不连续类似，可知，暖锋的变压梯度小于暖气团的变压梯度；冷锋的变压梯度大于冷气团的变压梯度。

四． 湿度场特征
露点——温度差很大

五． 锋面天气（略，仅介绍冷锋天气，图取自唐卫亚老师的天分PPT）
1.第一型冷锋：坡度小，移动慢，高空有后倾槽

2.第二型冷锋：坡度大，移动快，高空有前倾槽

第四节 锋面分析（略，详见天气学分析）

第五节 锋生与锋消
一． 概念

二． 数学表达式
1. 物理条件分析：
A．
锋生函数（）
B．极大值要求
C．物质面/物质线，此条件下：——个别锋生函数
规定：为温度上升方向，对展开并带入热流量方程：

2. 各项分析：
（1） 由于坐标系取法，，因此锋生则要求
即产生辐合
几种特殊的气压场：
横槽：
槽前：偏西风 很小
槽后：偏北风（或东风） 为正
因此

倒槽：
槽前：偏南风 为负
槽后：偏北风（或东风） 很小
因此

变形场：垂直于n方向是膨胀轴，与之平行的是压缩轴。温度场受北风南压，南风北抬双重作用。

地形作用

（2）——稳定层结下，，以锋消为主
——暖空气上升，冷空气下沉（注：这里指相对的上升/下沉运动）。
Question：稳定层结，冷气团爬坡而上，锋消还是锋生？
（3） 随温度升度，非绝热加热增强，锋生
一般而言，暖区由于潜热释放非绝热加热比冷区强，特别是考虑降水。

第三章 气旋与反气旋
本章结构：1.涡度与涡度方程（2）
2.位势倾向方程与方程（3）
3.温带气旋与反气旋（4）
第一节 涡度与涡度方程
一． 涡度
1. 定义：度量流体（刘先生云空气）的旋转程度和方向的物理量
2. 表达式：
吐槽：老是搞混 -_-|
矢量表达式：
自然坐标下的表达式：
推导如下：
旋转XOY坐标系，使，则有，那么

一般情况下，曲率涡度很大，切变涡度较小。
3. 地转风涡度:
——拉普拉斯算子，反映梯度的散度
4. 绝对涡度

大尺度下，

二． 涡度方程

即
1. 倾侧项

风存在垂直切变，会有水平方向涡度，同时若垂直运动在水平方向分布不均匀，会导致一部分水平方向涡度转化成为垂直方向涡度。

2. 散度项
，水平辐合，绝对涡度增加；
水平辐散，绝对涡度减小。
3. 相对涡度的垂直输送项

P坐标下大涡度上升，会有正的涡度输送
（Z） 下沉

4. 相对涡度平流项（水平方向）

影响平流项大小：1.风的大小2. 3. 与风的夹角
5. 地转涡度平流
，而

三． 方程简化

略去小项，得：
又比小一个量级，
若大气水平无辐散，，绝对涡度守恒。

第二节 位势倾向方程与方程
一． 引言

准地转涡度方程 ①
这里直接给出准地转热流量方程： ②
是高度场，是大气静力稳定度
二． 推导位势倾向方程
（一） 出发点
准地转涡度方程和准地转热流量方程
（二） 推导
独立变量是、、和
，得：

位势倾向 地转风平流 温度/厚度平流的垂直变化 非绝热加热
三． 位势倾向方程的物理意义
1. 位势倾向
令，则
原式=即
2. 地转风平流
使槽脊发生移动而不影响其发展——动力因子

（1）
西风带中，两者相互影响，牵制，短波中，前者重要，但随着波的拉长，曲率大大下降，长波变得主要。短期天气系统下基本是前移为主（300km以下）
（2） 在槽脊线上，
因此无涡度平流。
3. 温度/厚度平流的垂直变化（热力因子）
，那么=
暖平流随高度增强或冷平流随高度减弱，则
冷平流随高度增强或暖平流随高度减弱，则
一般情况下，中纬度冷暖平流都是随高度减弱的，理由：地面风与温度夹角大，因此平流大；高空风与温度夹角小，因此平流小。中纬度暖平流使等压面抬高，冷平流使等压面下降。

4. 非绝热加热
非绝热加热随高度降低，等压面上升，随高度加大，等压面下降。
如果某个地区下层地区等压面增温大于上层，则等压面上升，反之下降。

四． 推导方程
，则

涡度平流垂直变化项 温度平流的 非绝热加热的

五． 方程的物理意义（与位势倾向方程类似，简单概括）
项：，
动力因子：地转风绝对涡度平流垂直变化项。若随p的下降（z的上升）该项变大，则为上升运动，反之，下沉运动。因此槽前脊后上升运动，槽后脊前下沉运动。
热力因子：1. 温度平流的
暖平流上升运动，冷平流下沉运动。

2.非绝热加热的：加热，上升；冷却，下沉

第二．五节 小结(本节取自刘先生PPT)
一．三大方程
位势倾向方程

ω方程

二. 位势倾向

第三节 温带气旋与反气旋(本节取自刘先生PPT)
一、温带气旋生命史
四个阶段：波动阶段，发展阶段，锢囚阶段，消亡阶段
二、温带气旋的发展

（一）斜压系统发展的物理过程及发展因子
假设：高空温度场位相落后于高度场；高空槽前为地面气旋； 槽后为地面反气旋。

l 上、下层大气运动相互影响
l 气压场与涡度场变化协调统一

（二） 温带气旋发展过程中，空间温压场的相应变化

第四章 大气环流
本章结构：1.基本观测事实（1）
2.控制大气环流的基本因子和模型（2）
3.东亚环流基本特征（7）
这部分主要内容将在《中国天气》这门课里进行讲解。

大气环流是指全球范围的大尺度大气运行的基本状况，水平尺度——数千公里以上，垂直尺度——10公里以上，时间尺度——几天。
第一节 基本观测事实
一． 平均纬向风风量的经向分布

1. 中纬度都是西风，低纬度为东风带，西风峰值在200~250高度上。
2. 西风大值位于冬半球，且随着行星风带南北位移——1~7月北移，7~1月南移。
3. 极区近地面为弱东风带，冬季对流层至平流层均为西风，夏季极区平流层为极地东风。

二． 平均经向风分量的经向分布

1. 图4.2与图4.1相比，风的量级要小，说明大气运动以东西为主，南北为辅。
2. 经向运动主要体现在赤道地区的垂直环流存在。
3. 地球上基本是环绕纬圈的大气运动，有弱的南北向气流交换
4. 大值区在200高度和近地面层。北半球上，冬季200高度上南风，地面北风，夏季200高度上北风，地面南风。

三． 平均水平环流
（一）500高度场——引导气流

1. 极区为极涡控制—冬强夏弱，冬季2个低涡中心：格陵兰西部、东西伯利亚，夏季1个低涡中心：极区
2. 中高纬是以极涡为中心的环绕纬圈的西风环流—冬强夏弱，西风带中有“冬三夏四”的平均长波槽。
冬季三个长波槽： 东亚大槽—140°E
北美大槽— 70°w
欧洲浅槽— 40°E
夏季四个长波槽：东亚大槽— 160°-180°E
北美大槽— 60°w
欧洲西海岸槽—0°-10°E
贝加尔湖西部槽—90°E
冬季中低纬有5个西风带槽：东亚、北美、孟加拉湾、地中海、东太平洋

3. 低纬度为副热带高压控制—冬弱夏强，随季节南北位移——588线

（二）对流层底部——大气活动中心
大气活动中心（ACA）：月平均的海平面气压场（SLP）上全年或季节性存在于某一特定区域的巨大高低压系统。全年存在的ACA称为半永久型，季节性存在的称为季节型。

①北半球有５个半永久性的大气活动中心—海洋系统
太平洋副高和大西洋副高：夏强冬弱，南北位移
阿留申低压和冰岛低压：冬强夏弱
格陵兰高压

②北半球有４个季节性大气活动中心—大陆系统
冬季：亚洲冷高压和北美冷高压
夏季：亚洲热低压和北美热低压

大气环流概论上，把全年存在的ACA称为永久型：北太平洋副高、北大西洋副高、南太平洋副高、南大西洋副高、南印度洋副高；把季节性存在的称为半永久型：蒙古高压（10月~4月）、阿留申低压（9月~5月）、冰岛低压（9月~4月）、印度低压（4月~10月）、非洲低压（10月~4月）、澳大利亚印度尼西亚低压（10月~3月）、南美低压（11月~2月）

注：这一块《天原》和《环流》貌似有些出入

四． 大气环流的季节转换
1、北半球大气环流的季节特点
①11月～５月为冬季环流型：
西风带三个长波槽，西风急流强位置偏南，东亚南北两支西风急流

②７月～９月为夏季环流型：
西风带四个长波槽，西风急流弱偏位置北，东亚一支西风急流　　

2、两次季节突变
①6月突变——冬季环流型转为夏季环流型

②10月突变——夏季环流型转为冬季环流型

第二节 控制大气环流基本因子与模型
因子：
1. 大气水平运动尺度——准水平运动
2. 太阳辐射随纬度分布不均匀——以纬向运动为主，经向为单圈环流（极赤环流）
3. 地球自转——经向三圈环流，东西风带状环流
4. 地球表面不均匀性——纬向环流被破坏，产生经向环流
5. 地面摩擦——有利于东西风带的维持
6. 大气内部动力学过程和非线性相互作用（取自短期气候）
一般来说，1~5为主要因子，6的作用体现在大气低频变化上

一． 大气水平运动尺度
水平尺度——，垂直尺度——，因此垂直运动<<水平运动
二． 太阳辐射随纬度分布不均匀——单圈环流

Hadley（1735）设想的大气环流图案

1、太阳辐射能是大气环流形成的基本能源，太阳辐射能在整个地球表面分布不均匀，随纬度增大而减小。（图4.10）
(1) 低纬度（40°N~40°S）是太阳辐射能净得区
(2) 中高纬（40°N~北极、40°S~南极）是太阳能净失区

2、大气的平均温度特征（图4.11）
(1) 对流层中，低纬为暖中心，向极地温度逐渐递减，冬季南北温差大于夏季。
(2) 平流层中，低纬为冷中心，夏季温度由赤道向极地逐渐升高。
3、温度分布不均匀必然产生热力环流
假定：地球不旋转、地球表面性质一样
对流层中低纬暖，高纬冷，使空气在赤道上升，极地下沉，在南北温差的作用下，高空为赤道吹向极地的南风；在气压梯度力作用下，低层为极地吹向赤道北风——构成直接热力环流圈

三． 地球自转——三圈环流

Thomson（1857，1892）的大气环流图案
Ferrel（1859）的大气环流图案

1、北半球对流层大气环流模式
三圈经向环流： 极地环流圈－－－强
费雷尔环流圈——弱
哈德莱环流圈——强
2、低层三风四带
三风： 极地东风（东北风)、中纬西风（西南风)、低纬东风（东北信风）
四带： 极地高压带、副极地低压带、副热带高压带、赤道低压带
3、高空主要为西风带:高纬西风带——极锋西风急流
中纬东风带——弱
低纬西风带——副热带西风急流
二条行星锋区：极锋和副热带锋

四． 地表不均
（一） 海陆分布
1. 大气环流中心ACA的位置
2. 冷极位置：高位陆地（而不是极点）
3. 大槽位置

（二） 地形作用
1. 动力作用
2. 热力作用
以青藏高原为例：

（1）高原的动力作用
① 季极锋的西风急流在东亚明显分为南北两支，在高原东侧形成“北脊南槽”

② 高原东侧形成特殊天气系统

（2）高原的热力作用
①
②冬季为相对冷源

总体而言，北支槽本身远离海洋，再加上地形导致的反气旋所产生的高压，使该地区降水稀少；南支槽有印度低压和印度洋水汽输送，使得地形导致的低压气旋向我国输送水汽，降水多

五． 地面摩擦——影响角动量的输送

源（source）：中纬度u>0,大气遇山失去西风角动量。
汇（sink）： 低纬u<0,大气遇山得到西风角动量。
为使得角动量平衡，在西风急流的两侧，
中、低纬槽呈西南——东北向（使大气槽前西风大于槽后）——导式槽
高纬槽呈西北——东南向（使大气槽后西风大于槽前）——曳式槽

六． 大气内部动力学过程和非线性相互作用（该观点取自李忠贤老师的《短期气候预测基础》）

注：能量收支在《天动》中有详细解释
第七节 东亚环流的基本特征

A点,且，即为副高脊面。副高实际上是起到了隔离东风带与西风带的作用，在冬季，自平流层到低层大气，副高向南倾斜，但在夏季，该倾向转向北倾斜。前者称之为冬季型，后者称之为夏季型。

第五章 天气形势及天气要素的预报

天气要素是天气形势的携带因素，天气形势是要素的大前提。形势预报分为两种：

本章结构：1.天气系统的外推预报法
2.运动学方法
3.高空形势预报方程——重点
4.地面天气形势预报
5.地形与摩擦对系统的影响

本章仅涉及《天气学原理》一书第五章的第一节（天气系统及天气形势的天气学预报方法）内容。

第一节 天气系统的外推预报法
定义：将天气系统过去的演变趋势外延以推测未来的状况
假设：天气系统的变化缓慢或不显著且连续的——这种方法时效不长，当然预报时要虑 日变化。

第二节 运动学方法（变压法）

以为研究对象，槽线
脊向升度方向移动
槽向梯度方向移动
得到
（１） 移速与变压的梯度/升度成正比，方向一致或相反
弯曲程度越大，
发展越强，速率越慢
（２） 分母上反映等高/压线的弯曲程度
（３） 气旋中心或槽线上出现负变压，系统加深，反之填塞；反气旋中心或脊线上出现正变压，系统加强，反之减弱。

X
X

槽前移
对于圆形气旋，，，即沿着变压的梯度方向移动
对于椭圆形气旋，焦点在X轴上，，，一般而言，沿着变压的梯度与X轴之间的方向移动，椭圆越扁，越接近于X轴，越圆，越接近（变压的梯度方向）。

变压梯度

强度预报：以P为研究对象，
以固定坐标系下的原地气压变化等同于移动坐标系下固定坐标的气压变化
注：是一个瞬时预报，长时间会失效
第三节 高空形势预报方程
一． 概念
平均层：选取几个反映大多数层次的气象特征层次，该层次的物理量认为是各层的平均。

二． 高空形势预报基本方程
出发点：简化的涡度方程

假设：地面平坦，则时，大气顶（）时，
（一） 正压大气
未考虑热力因子
（二） 斜压大气
假设：多层等温线走向一致，那么，热成风平行，风在垂直方向上单调递增。

平均层到地面的热成风

认为：、与无关；地面，高空，，，其中是垂直方向上的平均。
那么得