第二章 天气学基础知识和基本研究方法
目录
2.1 基本天气图的分析方法 ........................................................................................................... 2
基本天气图的分析方法 ........................................................................................................... 2 2.1.1 天气图的基本知识 ....................................................................................................... 2 2.1.2 等值线的分析方法 ....................................................................................................... 6 2.1.3 辅助图的制作与分析 ................................................................................................... 9 2.2 大气运动的基本方程组 ......................................................................................................... 14
大气运动的基本方程组 ......................................................................................................... 14 2.2.1 基本方程组 ................................................................................................................... 14 2.2.2 尺度分析与基本方程组的简化 ................................................................................. 15 2.2.3 气象常用坐标系 ........................................................................................................... 21 2.2.4 涡度方程 ....................................................................................................................... 25 2.3 资料的处理分析和基本运动学量的计算 ............................................................................. 28
2.3.1 资料的处理分析 ........................................................................................................... 28 2.3.2 基本运动学量的计算 ................................................................................................. 34 习题 ................................................................................................................................................ 52 参考文献......................................................................................................................................... 52
2.1 基本天气图的分析方法
基本天气图的分析方法
随着信息化时代的到来，气象学也进入了一个崭新的发展阶段。气象资料的采集、分析已逐步自动化，统计预报、数值预报法得到了广泛的应用。但目前数值预报尚无法完全取代天气学预报方法，且数值预报也离不开天气图，已有150多年历史的天气图仍然是国内外大多数气象台业务预报的主要工具之一。
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天气情况的图。天气图分为基本天气图和辅助天气图两种：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、等熵面图等都是辅助天气图。
本节主要介绍有关天气图及其绘制的一般基础知识、分析方法和要求。 2.1.1 天气图的基本知识 1.天气图底图
用来填写各地气象台（站）观测记录的特制地图，称为天气图底图，或简称底图。 (1) 底图的范围和内容
为了分析一个地点和一个地区的天气情况及其变化，除了对本地区天气特点有充分的了解外，还必须了解和研究相当广大地区的天气情况。所以，底图应包括足够大的地理范围。底图范围的大小，主要应根据预报时效的长短、预报区域所在的地理位置和季节而定。例如，用作中、长期天气预报的底图，其范围应当大些，如半球天气图；而用作短期、短时天气预报的底图，其范围就可以小些，如我国常用的欧亚天气图，东亚天气图或区域小图；在冬季或中、高纬地区，因上空盛行西风气流，天气系统主要来自以西方和北方，故底图上邻近预报区域的西边和北边的范围应该比东边和南边的范围大些；在夏季或低纬地区，东边和南边的范围则应适当大些。一般来说，高空天气系统的水平尺度比较大，所以高空天气图所包括的地理范围应比地面天气图要广些。
底图上印有测站的区号、站号和站圈，并采用适当的颜色表示出陆地、海洋、地势及主要河流、湖泊的分布。此外，在图的下边还标有天气图的种类、所采用的地图投影方法、比例尺和高度表等。 (2) 地图投影简介
地球可以近似地看成圆球体，将地球上的经、纬线及海陆地块等地球表面情况在平面上表示出来的方法叫做地图投影法。球面在几何学上属于不可展面，把球面展成平面时，不可能不发生裂隙和重叠。也就是说，地球上的物体投影到平面上时，必然要产生误差，投影的方法不同，误差的分布也不同。在地图投影中，通常按照下列三个方面的要求来选择地图投影法：
正形：指在地图上保持地球表面小区域原有的形状，任一地点微分线段的比例尺不因方向而异。其最明显的特征，在地图上各处经度和纬度都相交成直角。此类投影又叫等角投影。 等积：是地图中任何部分的面积与地球表面上相应部位的实际面积的比例都相等。 正向：指地图上从投影中心到其它任何地点的方向都与地球表面的实际方向一致。 任何一种地图投影法，不可能既保持形状的正确，同时又保持面积的正确。在天气图分析中，主要要求保持图形形状和方向的正确，即满足正形、正向的要求，使图上所填的风向和所显示的气压系统的形状及移动方向符合实际情况。 在地图上取直角坐标x、y，使
，
则有；
但根据正形投影性质，如地球上距离为
，地图上为
其中m是地图投影放缩系数，它是纬度的函数。
光源、投影平面和被照射物是地图投影三要素。地图投影的方法，因光源位置和投影面的形状、位置不同可分为许多种。天气图底图常用的地图投影法有极射赤面投影法、麦卡托圆柱投影法和兰勃脱正形投影法三种。 ① 极射赤面投影法
极射赤面投影是将光源V放在地球的南极(北极)，把地球表面上各点投影在北极(南极)的切平面TG和割平面T'G'上(见图2.1a)。、
和
、
的关系为： ，则总有；
用此投影法绘制成的地图，其经线为放射状直线，纬线为同心圆，呈现蜘蛛网形状，图的中央部分较真实，边缘部分较为放大。一般高纬地区以及南、北半球的天气底图多采用