1、大气科学概论大气科学概论第一讲 概述第二讲 大气的基本知识第三讲 大气运动的基本规律第四讲 关于气团和锋的介绍第五讲 气旋与反气旋（热带气旋）第六讲 海气相互作用的产物厄尔尼诺第七讲 天气预报简介第八讲 气候变化与全球变暖课程内容课程内容第七讲第七讲 天气预报简介天气预报简介Weather Forecast第一节第一节 天气预报概述天气预报概述 第二节第二节 天气预报的基本步骤天气预报的基本步骤第三节第三节 天气预报的方法和技术天气预报的方法和技术第四节第四节 当前我国天气预报业务简介当前我国天气预报业务简介 新的预报业务平台新的预报业务平台需要精准的天气预报和及时的气象服务需要精准的天气预报
2、和及时的气象服务第一节第一节 天气预报概述天气预报概述我们在观看电视台天气预报节目的时候，看我们在观看电视台天气预报节目的时候，看着节目主持人三言两语就把未来两天的天气着节目主持人三言两语就把未来两天的天气娓娓道出，显得轻松自如。其实，这短短几娓娓道出，显得轻松自如。其实，这短短几分钟的节目，凝聚了我国分钟的节目，凝聚了我国6万多气象工作者、万多气象工作者、甚至包括全球气象工作者的劳动和心血。甚至包括全球气象工作者的劳动和心血。天天气预报是根据气预报是根据大气科学大气科学的的基本理论基本理论和和技术技术对对某一地区未来的天气作出分析和预测某一地区未来的天气作出分析和预测。天气预报分类天气预报分
3、类 天气预报按其预测时间预测时间的长短，可分为6种：临近预报（0-3小时）；短时天气预报（3-12小时）；短期天气预报（短期天气预报（12-72小时）小时）；中期天气预报（72-240小时）；延伸期预报（10-30天）；短期气候预测（长期天气预报）（30天以上）Climate Prediction 数分钟数分钟数分钟数小时数小时数小时数 天数数 天天7-10天7 7-1010天天10-30天1010-3030天天数 月数数 月月数 季数数 季季数 年数数 年年预预报报的的不不确确程程度度预预报报时时效效预预 报报 服服 务务 领领 域域警警报报消消息息预预报报胁胁迫迫评评估估指指导导产产品品展
4、展望望火火险险天天气气旅旅游游服服务务生生态态系系统统政政府府规规划划环环境境保保护护防防洪洪与与导导航航农农业业服服务务水水库库调调控控健健康康服服务务贸贸易易决决策策服服务务空空间间业业务务交交通通运运输输水水力力发发电电能能源源服服务务保保护护生生命命财财产产提提供供系系列列预预报报产产品品，提提高高服服务务效效益益未未来来全全方方位位、一一体体化化预预报报业业务务产产品品目前预报业务服务目前预报业务服务现在现在 预报范围预报范围数分钟数分钟数分钟数小时数小时数小时数 天数数 天天7-10天7 7-1010天天10-30天1010-3030天天数 月数数 月月数 季数数 季季数 年数数
5、年年预预报报的的不不确确程程度度预预报报时时效效预预 报报 服服 务务 领领 域域警警报报消消息息预预报报胁胁迫迫评评估估指指导导产产品品展展望望火火险险天天气气旅旅游游服服务务生生态态系系统统政政府府规规划划环环境境保保护护防防洪洪与与导导航航农农业业服服务务水水库库调调控控健健康康服服务务贸贸易易决决策策服服务务空空间间业业务务交交通通运运输输水水力力发发电电能能源源服服务务保保护护生生命命财财产产提提供供系系列列预预报报产产品品，提提高高服服务务效效益益未未来来全全方方位位、一一体体化化预预报报业业务务产产品品未来全方位、一体化预报业务产品未来全方位、一体化预报业务产品未来未来 预报范围
6、预报范围无缝隙预报服务无缝隙预报服务天气预报产品天气预报产品“精细化、无缝隙精细化、无缝隙”天天气预报依据气预报依据基本准则持续性气候重现率经验法则天气学（概念）模式物理模式数值运算经验法则经验法则天天气预报气预报事例事例l自古以来，人类就对天气现象和物候进行观测，并在此基础上总结出大量天气谚语，人们据此开始制作纯经验性的天气预报。l“蜻蜓低飞，不风即雨”；“山雨欲来风满楼”；“朝霞不出门，晚霞行千里”；“八月十五云遮月，正月十五雪打灯”；“发尽桃花水，必有旱黄梅”等等。近代天气预报的发展近代天气预报的发展 地面观测初始期地面观测初始期 极地锋面学说应用时期极地锋面学说应用时期 探空发展时期探
7、空发展时期 斜压理论发展时期斜压理论发展时期 卫星观测初卫星观测初始時期始時期 气象雷达推广应用气象雷达推广应用時期時期 动力数值天气预报应用时期动力数值天气预报应用时期西边先有雨，随后东边也可能西边先有雨，随后东边也可能会有雨会有雨“天气（系统）天气（系统）”是由西向是由西向东移动的。东移动的。随着科学技术的进步，从16世纪末到20世纪初逐渐出现了利用气象仪器进行地面观测。如1643年年托里拆利托里拆利(E.Torricelli)发明气压表，1667年年胡克胡克(R.Hooker)制成压板式风速器等。1820年年德国气象学家布兰底斯布兰底斯(H.W.Brands)以通信方式收集了1783年3
8、月6日欧洲39个地面观测站资料(包括天气、气压、温度、风等)，在莱比锡把它们一一填在地图上，用洪堡洪堡(A.Humboldt)画等温线的方法(1817)绘制等压线，制作成现代天气图的雏形，即世界上第一张天气图天气图诞生。1835年年，引入科里奥利力科里奥利力的概念和1857年年白贝罗白贝罗提出的风压风压关系，成为地球大气动力学和天气分析与预报的基石。1854年年，法国巴黎天文台台长，发现海王星的著名天文学家勒费里埃勒费里埃利用天气图追索克里米亚战争时出现的风暴（1854年11月1216日），并在学术会议上宣布“若组织观测网，迅速将观测资料集中一地，分析若组织观测网，迅速将观测资料集中一地，分析
9、绘制天气图，便可推知未来风暴的行径绘制天气图，便可推知未来风暴的行径”。此后，气象台站和气象观测网开始建立，初步形成了地面气象观测体系，即天气学天气学萌生。近代天气预报的发展近代天气预报的发展 地面观测初始期地面观测初始期 极地锋面学说应用时期极地锋面学说应用时期 探空发展时期探空发展时期 斜压理论发展时期斜压理论发展时期 卫星观测初卫星观测初始時期始時期 气象雷达推广应用气象雷达推广应用時期時期 动力数值天气预报应用时期动力数值天气预报应用时期1920年前后，气象学家J.皮耶皮耶克尼斯克尼斯、H.索尔贝格索尔贝格和和T.H.P.伯杰龙伯杰龙等在研究了大量地面天气图基础上，把风场、温度场结合起
10、来，提出了气团、锋面、气团、锋面、气旋概念气旋概念学说以及斜压概念斜压概念和环流理论环流理论，形成了气象界第一个学派即挪威学派（也称卑尔根学派挪威学派（也称卑尔根学派），为近代天气预报奠定了理论基础。根据这一理论，明确提出了天气预报的两个主要步骤：利用天气图预报气团、锋面和气旋两个主要步骤：利用天气图预报气团、锋面和气旋的未来位置；根据预报的天气形势，预报未来的天气的未来位置；根据预报的天气形势，预报未来的天气。这种传统的预报思路和方法一直延用至今。近代天气预报的发展近代天气预报的发展 地面观测初始期地面观测初始期 极地锋面学说应用时期极地锋面学说应用时期 探空发展时期探空发展时期 斜压理论发
11、展时期斜压理论发展时期 卫星观测初卫星观测初始時期始時期 气象雷达推广应用气象雷达推广应用時期時期 动力数值天气预报应用时期动力数值天气预报应用时期20世纪世纪20年代至年代至60年代初，大气探测由地面年代初，大气探测由地面观测发展到高空探测阶段，实现了对大气的观测发展到高空探测阶段，实现了对大气的三维探测，出现三维探测，出现了高空天气图了高空天气图。1939年气象学家罗斯罗斯贝贝揭示出行星波并提出著名的大气长波理大气长波理论论，不但为后来出现的大气环流数值模拟和数值天气预报开辟了道路，而且使当时的预报工具成为地面地面图图与高空图高空图并重，天气预报的水平达到了新的高度。近代天气预报的发展近代
12、天气预报的发展 地面观测初始期地面观测初始期 极地锋面学说应用时期极地锋面学说应用时期 探空发展时期探空发展时期 斜压理论发展时期斜压理论发展时期 卫星观测初卫星观测初始時期始時期 气象雷达推广应用气象雷达推广应用時期時期 动力数值天气预报应用时期动力数值天气预报应用时期 以以1960年年4月月1日第一颗气象卫星（美国泰罗斯日第一颗气象卫星（美国泰罗斯1号）号）发发射成功为主要标志，大气探测进入了遥感、遥测阶段。射成功为主要标志，大气探测进入了遥感、遥测阶段。这不但促进了中尺度气象学、卫星气象学、雷达气象学这不但促进了中尺度气象学、卫星气象学、雷达气象学等学科的发展，也为数值预报的发展提供了条
13、件。等学科的发展，也为数值预报的发展提供了条件。卫星云图：人造气象卫星在距地球几百到3万多公里的高空拍摄地球大气的风云图像并通过无线电波传送到地面，气象科技人员从卫星云图接收机的云图图像上，可分析出各地天气系统、气象要素的各种变化情况。卫星资料在天气预报中的应用卫星资料在天气预报中的应用用来判断云层厚度用来判断云层高度越白温度越越白温度越低，云越高低，云越高白天反射太阳白天反射太阳 越白越厚越白越厚风云卫星“桑美”登陆时的云图 近代天气预报的发展近代天气预报的发展 地面观测初始期地面观测初始期 极地锋面学说应用时期极地锋面学说应用时期 探空发展时期探空发展时期 斜压理论发展时期斜压理论发展时期
14、 卫星观测初卫星观测初始時期始時期 气象雷达推广应用气象雷达推广应用時期時期 动力数值天气预报应用时期动力数值天气预报应用时期 雷达回波图：一般天气雷达可探测50-500公里半径范围内的降水、台风等天气回波回波的强度、范围、移向、移速的强度、范围、移向、移速及及径向风场径向风场等演变情况。预报员把气象卫星云图和雷达回波图与天气图表相结合分析预报未来的天气变化。雷达资料在天气预报中的应用雷达资料在天气预报中的应用强对流天气监测及预警强对流天气监测及预警显示多部雷显示多部雷达回波的拼达回波的拼图，强对流图，强对流回波标出风回波标出风暴编号，并暴编号，并用箭头表示用箭头表示未来的移动未来的移动方向。
15、方向。近代天气预报的发展近代天气预报的发展 地面观测初始期地面观测初始期 极地锋面学说应用时期极地锋面学说应用时期 探空发展时期探空发展时期 斜压理论发展时期斜压理论发展时期 卫星观测初卫星观测初始時期始時期 气象雷达推广应用气象雷达推广应用時期時期 动力动力数值天气预报数值天气预报应用时期应用时期数值天气预报概说 数值天气预报始于上世纪50年代，而至80年代初展现其绝对的适用价值；目前它是中期中期（1-7天天）天气预报）天气预报最主要的依据，也是未来进行更量化、更精细天气预报最有可能的客观指导；数值天气预报的应用是科技发展的结果，其未来的发展尚无可限量。气象资料收集气象资料收集气象信息中心气
16、象信息中心 气象站观测的数据观测的数据是天气预报的基础，气象站越多，预报越准确。为此，全世界建立了成千上万个气象全世界建立了成千上万个气象站，配置了各种天气雷达，并在太空布设了多颗气象卫站，配置了各种天气雷达，并在太空布设了多颗气象卫星，组成全球大气监测网星，组成全球大气监测网。这个监测网每天在规定的时间里同时进行观测，从地面到高空，从陆地到海洋，全方位、多层次地观测大气变化，并将观测数据迅速汇集观测数据迅速汇集到各国国家气象中心，然后转发世界各地。气象台的计算机将收集到的数据进行处理和运算数据进行处理和运算，得到天气图、数天气图、数值预报图值预报图等等，为预报员提供预报依据。第二节第二节 天
17、气预报的基本步骤天气预报的基本步骤现代气象观测业务现代气象观测业务利用先进的技术，建立利用先进的技术，建立适应预报业务需求的一体化综合观测系统适应预报业务需求的一体化综合观测系统l以低轨和高轨卫星为观测平台的以低轨和高轨卫星为观测平台的天基天基遥感探测系统遥感探测系统l以气球、飞机、火箭等为观测平台的以气球、飞机、火箭等为观测平台的空基空基遥感探测系统遥感探测系统l以地球表面为观测平台的以地球表面为观测平台的地基地基遥测探测系统遥测探测系统全球综合观测系统全球综合观测系统天气图表天气图表 天气图天气图是指在一张特制的地图上填有许多地方同一时刻的气象记录，经过绘制和分析，能够反映一定地区范围内的
18、天气情况的图。天气图分为基本天气图基本天气图和辅助天气图辅助天气图两种。基本天气图有主要反映地面天气系统的地面图和反映高空天气系统的等压面图等；垂直剖面图、单站高空风图等都是辅助天气图。天气图上的气象要素：全球大气在不停地运动着，而且是一个整体。为掌握大气运动变化快、范围广、形式多变化快、范围广、形式多的特征，就必须对大气进行连续的、高频率的、全球性连续的、高频率的、全球性的观测。风速表示符号风速表示符号1knot=0.514m/s8knot4.08m/s 地面天气图常用的符号天气系统1982年年9月月25日日00时（世界时）地面天气图时（世界时）地面天气图等压面上的等高线等压面上的等高线 高
19、空图填图格式 高空图常用的符号TTTDDHHHddff填图格式及其符号意义填图格式及其符号意义 HHH：等压面绝对位势高度。：等压面绝对位势高度。500hPa填千、百、十位，填千、百、十位，700hPa、850hPa填百、十、个位填百、十、个位 TTT：等压面图上的气温：等压面图上的气温 填十、个、小数一位，零度以下数值前加填十、个、小数一位，零度以下数值前加“-”DD：等压面图上的气温露点差：等压面图上的气温露点差 5以下填个位和小数一位，以上填十、个位以下填个位和小数一位，以上填十、个位 dd、ff：风向、风速，填写方法与地面图相同：风向、风速，填写方法与地面图相同850hPa 单站高空风
20、图 辅助图表天气预报的基本步骤天气预报的基本步骤天气形势掌握：天气形势掌握：是某一时刻或某一时段内环流形势（各种天气系统）的空间态势。天气形势预报：天气形势预报：是指应用理论和经验的原理与方法对本地区的各种高空、地面天气系统未来的移动及强度变化作出预报。天气要素预报：天气要素预报：是指天空状况、天气现象、气象要素和未来趋势的预报。第一步天第一步天气形势的掌握气形势的掌握找出引致当时各种天气情况的天气系统 外推法第二步：天第二步：天气形势预报气形势预报 统计方法 数值天气预报数值天气预报数值天气预报(Numerical Weather Prediction)天天气预报图气预报图Weather f
21、orecast chart第三步：第三步：气象要素预报气象要素预报 降水及云量（Precipitation and cloudiness）温度（Temperature）风（Wind direction;Wind velocity）等等主要包括主要包括第三节第三节 短期天气预报方法和技术短期天气预报方法和技术 气象资料分析处理常用的有两种。一种天气图一种天气图分析预报方法分析预报方法，经过对天气图上的各种气象要素进行分析，预报员就可以了解当前天气系统（台风、锋等）的分布和结构，判断天气系统与具体天气(雨、风、雾等)的联系及其未来演变情况，从而做出各地的天气预报。另一种是为另一种是为数值预报模式数
22、值预报模式的预报场和物理量场提供未来天气形势和气象要素预报及物理量分布场。天气图预报方法天气图预报方法 天气图预报方法已有百余年历史，自从有电报后，各地同时间观测的气象资料能及时集中到各国的气象中心，分析出天气图。从天气图上看到一个个高、低压系统在移动着，这类天气系统在移动过程中给各地带来了天气变化。从天气图上分析出天气系统，预报它们在未来的移动和强度变化(包括生成和消亡)，就能推论各地区未来天气的变化，这就是天气图预报方法的主要依据。数值模式预报方法数值模式预报方法 20世纪世纪80年代以来，随着遥感、计算技术和气象年代以来，随着遥感、计算技术和气象卫星资料的广泛应用，天气预报技术出现了新的
23、卫星资料的广泛应用，天气预报技术出现了新的飞跃，飞跃，传统天气图已被数值天气预报部分取代传统天气图已被数值天气预报部分取代。数值天气预报数值天气预报以计算机为工具，通过求解控制以计算机为工具，通过求解控制大气运动方程组（流体力学，热力学，动力气象大气运动方程组（流体力学，热力学，动力气象学组成的预报方程），来制作天气形势和要素的学组成的预报方程），来制作天气形势和要素的预报方法。预报方法。数值模式预报方法数值模式预报方法 数值天气预报应用数值天气预报应用6个流体力学、热力学微个流体力学、热力学微分方程来描述大气运动规律，分方程来描述大气运动规律，6个方程中含个方程中含有有6个未知数个未知数温度
24、、湿度、气压、降水量温度、湿度、气压、降水量、风向、风速，通过大型高速计算机求解、风向、风速，通过大型高速计算机求解方程组，获得未来方程组，获得未来6个未知数的时空分布，个未知数的时空分布，即未来天气形势场和要素场的分布。即未来天气形势场和要素场的分布。数值天气预报的原理 大气运动遵循一定的物理规律，这些物理法则可以由一组数学微分方程表示。利用超级计算机求微分方程之近似解，如此可知大气由一初始状态启始的可能后续变化。数值天气预报的实用性取决于以下三要件：准确的准确的初始初始场场 改进观测技术及加强资料收集 改进资料的四维同化技术 合理的合理的数值天气预报模式数值天气预报模式 足够的解析度 合理
25、模拟及参数化大气的物理过程 具代表性的背景场 超超级计算机快速的运算级计算机快速的运算数值天气预报的要件计算机的使用计算机的使用 计算机的使用使大气科学研究进入了定量和试验研究的新阶段。电子计算机是现代大气科学发展的一个支柱。可以预期，下一代甚至再下一代最大的电子计算机将首先用于大气科学。国家气象中心数值预报业务系统国家气象中心数值预报业务系统2.区域模式3.精细模式1.全球模式4770km3500km3000km1000km水平分辨率 60 公里预报时效 未来十天区域范围 全球水平分辨率 20公里预报时效 未来2天区域范围 931230E 20450N水平分辨率 5公里预报时效 未来2天区域
26、范围 1151200E;37420N数值预报模式数值预报模式天气预报的技术基础天气预报的技术基础第四节第四节 当前我国天气预报业务介绍当前我国天气预报业务介绍天气预报业务流程中国气象局国家气象中心业务数值预报模式中国气象局国家气象中心业务数值预报模式 Global NWP ModelT213L31 T639L62 Regional Model025HLAFS Typhoon NWP ModelMTTP Ensemble NWP ModelT106L19/32members Mesoscale NWP ModelMM5、WRF专业气象预报专业气象预报p高速公路预报高速公路预报：雾、强降雨、降雪、
27、道路结冰：雾、强降雨、降雪、道路结冰p生活指数预报生活指数预报：健康类指数（疾病发病条件、：健康类指数（疾病发病条件、晨练、蹬山、穿衣、舒适度、紫外线等）、消晨练、蹬山、穿衣、舒适度、紫外线等）、消费活动类指数（洗车、垂钓、旅游等）费活动类指数（洗车、垂钓、旅游等）p行业预报：行业预报：海上作业、电网、建筑施工、游船海上作业、电网、建筑施工、游船、伧储、运输、供暖等。、伧储、运输、供暖等。天气预报服务 人工影响天气，人工影响天气，研究如何通过影响云和降水的微物理过程使某些大气现象、大气过程发生改变的技术和方法。如人工降水、人工防雹、人工消雾等。现代天气预报现代天气预报大气探测信息大气探测信息天
28、气雷达网天气雷达网（已投入使用（已投入使用101部雷达）部雷达）网络信息网络信息雷电监测信息雷电监测信息FYFY系列系列气象卫星资料气象卫星资料数值预报数值预报公众气象服务公众气象服务 每天为每天为中央电视台中央电视台和广播电台和广播电台63档档节目节目提供全国提供全国及全球的天气监测和预报产品，及全球的天气监测和预报产品，播出播出131次次/天。天。通过凤凰卫视四个频道向全球华人发布中央气象通过凤凰卫视四个频道向全球华人发布中央气象台制作的全球主要城市天气预报。台制作的全球主要城市天气预报。2006年年5月月18日，中国气象频道正式开播，中央气日，中国气象频道正式开播，中央气象台提供象台提供
29、48档档全天候高频次滚动播出气象信息。全天候高频次滚动播出气象信息。预报时效：预报时效：3小时间隔，每天小时间隔，每天8次；次；预报范围：全国预报范围：全国2600城镇，国外城镇，国外200多个多个城市。城市。改进服务产品形式改进服务产品形式 强化电视媒体宣传强化电视媒体宣传 提高网站信息服务能力提高网站信息服务能力防御指南防御指南雾或霾监测和预报雾或霾监测和预报TQ121TQ121网站最高网站最高中文气象网站点击率中文气象网站点击率公众气象服务公众气象服务新闻联播、焦点访谈等节目公共气象公共气象 2006年年6月月24日起发布日起发布强对流天气潜势预报强对流天气潜势预报，提供强对流天气预报服
30、务。提供强对流天气预报服务。2006年年6月月30日起发布日起发布渍涝风险气象预报预警渍涝风险气象预报预警，提供渍涝风险气象预报预警服务。，提供渍涝风险气象预报预警服务。决策气象服务为国务院领导组织指挥防灾决策气象服务为国务院领导组织指挥防灾减灾提供了科学决策依据，发挥了显著的社会减灾提供了科学决策依据，发挥了显著的社会效益和经济效益。效益和经济效益。2006年国务院领导在中国气象局上报的年国务院领导在中国气象局上报的重大气象信息专报重大气象信息专报上共批阅上共批阅36次，其中温次，其中温家宝总理和回良玉副总理分别批阅家宝总理和回良玉副总理分别批阅15次。次。610月上报国办、中办的信息月上报
31、国办、中办的信息352条，采用条，采用138条。条。决策气象服务决策气象服务受台风受台风“格美格美”及其减弱的低气压、及其减弱的低气压、西南季风云团和弱冷空气的所产生西南季风云团和弱冷空气的所产生的大风和强降雨影响，安徽、福建、的大风和强降雨影响，安徽、福建、江西、湖南、广东、广西等江西、湖南、广东、广西等6 6省（区）省（区）不同程度受灾。不同程度受灾。2006年年7月月24日，国务院办公厅下发日，国务院办公厅下发关于进一步做好防御台关于进一步做好防御台风等灾害性天气工作的通知风等灾害性天气工作的通知，要求各地、各部门高度重视防御，要求各地、各部门高度重视防御台风等灾害性天气工作；国家防总紧
32、急办公会议在中央气象台召台风等灾害性天气工作；国家防总紧急办公会议在中央气象台召开，回良玉副总理部署台风开，回良玉副总理部署台风“桑美桑美”防御工作。防御工作。回良玉副总理部署台风回良玉副总理部署台风“桑美桑美”防御工作防御工作未来功能结构与预报服务流程未来功能结构与预报服务流程决策气象服务公众气象服务专业气象服务 业务系统平台 数值预报系统天气监测灾害性天气短时临近预报精细化天气预报专业气象应用研究和成果转化 地基探测 天基探测 空基探测保障气象服务天气预报业务自动化天气预报业务自动化气象信息综合分析处理系统（气象信息综合分析处理系统（MICAPS,Meteorological Information Comprehensive Analysis And Process System）MICAPS-V3 功能示意图功能示意图思考题1、天气预报按其预测时间的长短可分为哪几种预报？2、短期天气预报的主要方法有哪些？3、数值天气预报的基本原理。
