成信工中長期天氣預(yù)報課件第5章 長期天氣過程特征與長期天氣預(yù)報

第五章長期天氣過程特征

與長期天氣預(yù)報長期天氣過程的特征長期天氣的可預(yù)報性影響長期天氣過程的物理因子長期天氣預(yù)報的一般方法

一長期天氣過程的特征1.長期天氣過程的非絕熱性把持續(xù)7天以上的天氣過程定位長期天氣過程，它所需要的動能僅靠大氣本身的未能轉(zhuǎn)換不走以維持，長期天氣過程的時間愈長，就愈需要外界提供能量來滿足補償動能的消耗。2.長期天氣過程的全球性在長期天氣過程中大氣的各個部分彼此間的相互影響是巨大的，在這個時期內(nèi)對大氣的任何部分都不能孤立地進(jìn)行研究，而是要把大氣看成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。二長期天氣的可預(yù)報性

長期數(shù)值預(yù)報不能像中短期數(shù)值預(yù)報一樣在預(yù)報時效內(nèi)做逐日的預(yù)報，這就是大氣的可預(yù)報性問題?？深A(yù)報性問題分為理論的可預(yù)報性和實際的可預(yù)報性。

在考慮天氣預(yù)報問題的時候，最終還是“實際的可預(yù)報性”重要。決定這種可預(yù)報性的主要因素有：初值誤差；由于數(shù)值模式內(nèi)部物理過程描述不完整引起的誤差；由于數(shù)值模式所處理的外在物理影響的不完整而引起的誤差；數(shù)值計算上的誤差。

三影響長期天氣過程的

物理因子1964年索耶（Sawyer）提出的可以作為長期天氣異常因子的三個條件：空間尺度1000km時間尺度一個月強度達(dá)長波有效輻射（450cal/cm2）的十分之一。影響長期天氣過程的主要因子太陽活動海溫冰雪覆蓋云的作用

1.太陽活動

太陽活動一般是指發(fā)生在太陽大氣全部物理變化的總和，它通常包含太陽黑子、光斑、譜斑、日珥等。人們對太陽黑子的長期觀測中發(fā)現(xiàn)，它的變化有明顯的周期性，大致有11年、22年、80~90年周期。它是反映與太陽活動直接有關(guān)的過程，又和氣象參數(shù)之間有明顯的相關(guān)性，所以太陽活動對長期天氣過程有明顯的影響。太陽對大氣影響的機制總的而言可分為兩類：太陽能以直接的過程投入大氣系統(tǒng)里太陽以間接的過程投入到大氣系統(tǒng)

2海溫

海洋的巨大面積與質(zhì)量海洋面積占地球面積的70.8%，海陸面積之比2.42：1，到達(dá)地球表面的太陽輻射70%左右北洋面吸收，且將其中的85%左右貯存在海洋表層。海洋吸收的這部分熱量再以長波有效輻射（21%）、潛熱（23%）、感熱（7%）交換的形式輸送給大氣，成為大氣的直接能源。另一方面，海洋提供了大約96%的大氣水汽來源。海洋熱狀況的變化和海洋蒸發(fā)強度的變化等將直接影響大其中能量和水氣的失控變化，影響長期天氣過程。海洋的巨大熱慣性海水比空氣與土壤的比熱大的多，1g海水升溫1度所需要的熱量可使同質(zhì)量的土壤升溫1.9度，可使同質(zhì)量空氣升溫3.9度，可見，海洋比陸地，熱別是空氣具有更大的熱慣性，可以成為巨大的熱量“儲存器”。對長期天氣過程來說，這種熱慣性能使快變的大氣“鎮(zhèn)定”，長期穩(wěn)定地加熱大氣，是大氣持續(xù)穩(wěn)定地朝一個方向發(fā)展，產(chǎn)生時間尺度較長的天氣過程。還問觀測資料表明，海溫異常不但空間尺度大，時間尺度也大，一般可持續(xù)幾個月，有時甚至可達(dá)2~3年。3冰雪覆蓋

冰雪覆蓋是地-氣系統(tǒng)中很重要的成員之一，它的變化對長期天氣過程有很大的影響。冰雪覆蓋能改變地球表面上冷熱源的分布及強度的變化，特別是大范圍持久的冰雪覆蓋異常，會引起大氣熱量供給的增加或減少，從而影響長期天氣過程的變化。

地球上的冰雪覆蓋大致可分為三類：海冰大陸積雪大陸冰蓋其中海冰和大陸積雪對長期天氣過程的影響更明顯冰雪覆蓋大大地減少下墊面所可能接受的太陽輻射，從而影響長期天氣過程異常。4云的作用

云量的分布不均可引起地表接受熱量的分布不均，從而一起大氣環(huán)流及長期天氣過程的異常變化。它的變化也會導(dǎo)致運的增長和消散，這說明云是具有反饋作用的調(diào)節(jié)器。

云的調(diào)節(jié)作用可簡述為：若在初始時刻海洋中有熱量增加，使其上空的大氣增暖，這樣在暖的海面有上升運動出現(xiàn)，導(dǎo)致云量增加。云量的增加減小了海面所接受的太陽輻射能而使其降溫，反過來又冷卻了上空的大氣，導(dǎo)致下層運動發(fā)展起來，云系開始消失。隨著云量的減少，海洋又重新受熱變暖，回復(fù)到初始時刻的情景。這種過程的反復(fù)出現(xiàn)，結(jié)果造成A-AL系統(tǒng)的振蕩。

四長期天氣預(yù)報的一般方法在長期天氣預(yù)報的發(fā)展過程中，已經(jīng)試驗或已經(jīng)提出的長期預(yù)報方大大只可劃分為以下幾大類：經(jīng)驗方法物理統(tǒng)計方法動力學(xué)方法動力統(tǒng)計學(xué)方法

1經(jīng)驗方法

經(jīng)驗方法在目前長期預(yù)報業(yè)務(wù)中仍然實用，該方法主要是利用單變量時間序列的持續(xù)性、周期或準(zhǔn)周期性、相似及韻律等特征作預(yù)報。持續(xù)性方法

許多氣象變量都呈現(xiàn)出某種程度的持續(xù)性，關(guān)鍵是確定持續(xù)性的強度是否強到在制作長期預(yù)報是可以利用的程度。周期和準(zhǔn)周期

如果要使用氣象資料的周期性作長期預(yù)報，且要達(dá)到一定的準(zhǔn)確率，則必須具備兩個條件：一是觀測到周期性必須是一個真實物理過程的再現(xiàn)，而不是分析過程認(rèn)為造成的；二是該周期性相應(yīng)的功率譜必須足夠大，說明該周期不是預(yù)報變量的隨機性造成的。2物理統(tǒng)計方法

該方法是目前長期預(yù)報的主要方法，它一般用到幾個而不是一個物理參量作為預(yù)報因子，這些預(yù)報因子通常包括大氣環(huán)流、海洋狀況、冰蓋、雪蓋等，用到的統(tǒng)計方法主要有逐步回歸、秩相關(guān)秩相識、多層遞階、經(jīng)驗正交函數(shù)展開、灰色預(yù)報等。雖然物理統(tǒng)計方法是長期預(yù)報的主要方法，然而它仍存在一些問題預(yù)報效果不穩(wěn)定，主要是預(yù)報方程擬合率高，但實際預(yù)報的準(zhǔn)確率低。缺乏深厚的物理基礎(chǔ)另外，天氣-動力學(xué)的方法是近年來一些國家制作長期天氣預(yù)報的主要方法

3動力學(xué)方法和動力統(tǒng)計學(xué)方法動力學(xué)方法和動力統(tǒng)計學(xué)方法是長期預(yù)報領(lǐng)域里被重點研究的方法之一，被認(rèn)為是最終解決長期預(yù)報方法問題的主要方法。這種方法有多種模式法，下面僅介紹大氣環(huán)流模式預(yù)報方法和概率預(yù)報方法。大氣環(huán)流模式預(yù)報大氣環(huán)流模式（GCM）一般用于氣候模擬的，但現(xiàn)在有人用它來做長期預(yù)報的試驗，也即從實際的初值開始計算，做出未來月或季節(jié)的預(yù)報，這相當(dāng)于用短期天氣預(yù)報的方法進(jìn)行外延。月預(yù)報

許多理論和研究都表明，由于大氣初始條件固有的不確定性，大氣確定性可預(yù)報性限制在兩三周。但是一些研究又表明，GCM的時間平均預(yù)報，隨著平均長度的增長，客觀預(yù)報準(zhǔn)確率提高；時間平均可以濾去小尺度和短生命史的大氣狀態(tài)和運動的分量，并減少位相誤差的影響。

季節(jié)預(yù)報

隨著預(yù)報時間的延長，盡管初始條件對月預(yù)報仍有影響，但邊界條件的影響就愈來愈重要。這里的邊界條件是指變化非常慢并影響大氣的外部異常強迫，如海洋、冰蓋、雪蓋和土壤濕度等。

概率預(yù)報

大氣運動規(guī)律，實際上是由確定性過程和隨機性過程所組成，確定性的問題一般是借助于微分方程用動力方法進(jìn)行描述，而隨機性的問題是借助于概率論用統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行描述。

在長期預(yù)報中一般將動力方法和統(tǒng)計方法結(jié)合起來，一方面在動力方法中運用概率論的思想進(jìn)行動機描述；另一方面用確定論的方程來研究不確定的大氣隨機行為。隨機-動力方法隨機-動力的方法可以用概率的形勢預(yù)報出每一時間步長的大氣狀態(tài)，實際