1、天文动力结构分析与灾害性天气 过程预报的业务检验讲座 （2）,天文动力结构分析的基本概念和原理的解读,屈 信 军,基本概念和假设,气候距平等级和逐日变量等级,1,天文引潮力量级的评估,2,3,欧氏距离的引入,4,常规天文动力和异常天文动力,感应动力作用和时空积累效应,6,“三点一线”分析思路,技术研发的基石,困扰技术研发的问题：量级 作用机制 可借鉴的理论基础：海洋潮汐理论 “三点一线”理论 需要解决的问题： 资料统计和分析方法 （让天文资料与气象资料接轨） 作用机制 （找到预报的切入点，以便建立预报工具） 量级评价 （确定天文引潮力在天气预报中的地位） 天文指标组合 （分离天文动力调制作用和
2、动力触发作用） 理论计算方式（确定动力预报的指标） 动力和静力耦合机制（形成预报业务流程） 业务检验和推广方案（课题工作要求） 纵深研究问题（在气候预测和短时临近预报业务中的预报能力的研究）,天文引潮力资料的同化处理,距平等级是逐日天文动力与逐日气候距平离散度的百分比值，客观定量地表征天文动力强度变化特征，对判断转换关键日和天文动力系统最有用。这是一个状态量，能够较准确地描述天文动力气候分布特征。量级比强度值小一个量级。（大气状态的调制作用）,气候距平等级 逐日变量等级,变量等级是逐日变量与逐日变量离散度的百分比值，客观定量地描述天文动力变化的快慢，时空积累量可以描述动力的稳定状况。在判定大气
3、动力不稳定度层结方面具有独到的作用。这是一个比强度值小一个量级状态量。（不稳定层结积累）,天文动力资料的气象同化处理,逐日变量,气候距平,距平等级,变量等级,逐日离散度,天文动力资料统计分析指标形成,气象资料统计思路,距平等级 = 气候距平 / 距平逐日离散度 变量等级 = 逐日变量 / 变量逐日离散度,作用机制探究,密闭大气假设,感应动力作用,时空积累效应,感应动力作用 1、 时间上某一地域的三维动力分量互相转换，阻力减半。 2、空间上上升力和下沉力成对、南风力北风力成对、东西力成对存在。 3、时空动力转换无障碍，动力作用效果成倍增益。 4、天文动力作用无间隙与大气质量不可压缩性都是无可辩驳
4、的事实。 5、气候距平等级决定天气发生的关键日和天文动力系统开始的时刻。,时空积累效应 1、天文引潮力以场的形式存在，天文引潮力就是场强，具有动力加速度的属性。 2、矢量的时间积累使运动加速，是单位质量的冲量在持续时间最后时刻达到最大，达到打破大气运动平衡的动力量级。 3、矢量的空间积累是自由大气不可压缩性在空间内形成的卷挟增益效应，空间越大，卷挟增益越强。 4、标量的时空积累就是大气不稳定层结的有效表征。,天文引潮力是没有被平衡的外力,天文引潮力调制和触发大气运动,前人对作用机制的应用和研究,成就 与 缺憾,天文气象预报业务发展缓慢,行星对应区,三星一线,潮汐组合与南北振荡,资料没有同化处理
5、,作用机制研究不明晰,没有与现行业务接轨,天文引潮力与大气运动动力量级的评估,感应动力与时空积累使天文动力作 用大气运动阻力减半，效益倍增。,第四层次评估,天文动力：10-610-7 与大气运动垂 直力相当，比水平运动大1-2个量级。,强对流天气过程中上升力量级与天文垂直力量级相当。,海洋强潮汐相当于1/10大气压，气体块等容上升1000米距离。,传统量级评估和作用机制研究的误区,大气运动速度量级与天文动力量级的比较； 天文动力作用的静力观测数据量级与静力观测状 态值的量级比较,把天文引潮力当作单向作用力，片面地讨论 垂直力的作用效果，忽略了天气引潮力是系统的、 周期变化的场力。用气块法来分析
6、大气运动受天 文引潮力作用的情况。,全球大尺度中心分布的特点与局地强对流天 气现象在尺度上的巨大差异，误导人们认为天文 引潮力对局地灾害天气没有预报能力，这是忽略 了天文引潮力无间隙分布的特点的原因。,天气动力学的迅猛发展使人们在天气预报研究方向都吸引走了，忽略甚至压制了天文气象学的发展。,欧氏距离的引入原因,静力能量的保守性,天文动力的回归性,欧氏距离的表现力,自由大气静力 能量中，潜热能、 显热能、位势 能自由转换,天文引潮力三 维分量，以周期性 相互转换的形式 运动变化,各特征量距平 等级的零值交汇时 段就是能量相互转 换的关键时刻,天文动力预报工具的技术构成,极大值为动力强迫扩张作用，
7、极小值为动力强平压缩作用，这是最基本的预报要领。,距平等级 距离减去变量 等级距离 （极小值）,距平等级 的欧氏距离 （极小值）,引入 欧氏距离,变量等级 的欧氏距离 （极大值）,“天文动力”和“静力能量”欧氏距离的耦合结构,耦合要件 及构成,静力欧氏距离 极小值时刻,动力欧式距离 极大值时刻,静力欧氏距离 零值时刻,静力欧氏距离 极大值时刻,动力欧氏距离 零值时刻,动力欧氏距离 极小值时刻,CF组合，冷空气活动,AD组合，局地对流天气,BE组合，无明显天气,耦合的天气类型分析,CF组合是动力欧氏距 离极小值与静力能量欧 氏距离极小值的重合。 AD组合是动力欧式距 离极大值与静力能量欧 氏距离
8、极大值的重合。 这两种耦合形式是最极 端的天气形势。前者是 强冷空气作用的天气。 后者是暖热空气背景下 的局地对流性天气过程 。可以先计算动力时空 积累值，用静力能量相 应的积累量去耦合，确 定天气的爆发时刻。,1,AF组合是静力能量收 缩与动力扩张的耦合， 是动力对静力能量的调 制作用，为缓慢升温过 程，为晴好天气。CD组 合是动力欧式距离极小 值与静力能量欧氏距离 极大值的耦合，是天文 动力强迫压缩对不稳定 静力能量的触发作用， 往往会出现较强的系统 性降水天气，降水天气 持续时间长，面雨量大， 过程降水强。,3,BE组合是没有天 气的耦合形式，配合 的天气形势多为较稳 定的纬向环流形式，
9、 冷暖空气团形成的高 低压相对较弱，不能 够形成有相当强度的 天气现象。伴随天气 以晴有时多云为主， 气温缓慢上升或缓慢 下降，风力较小。动 力欧式距离零值B 或 静力欧氏距离零值E 与相对应极值的耦合 ，因为调制和触发不 到位，天气都较弱。,2,天文引潮力的四种主要施力天体,异常天文引潮力的基准力系,太阳月球与之静态耦合,异常天文引潮力的动态力系,与太阳月球动态耦合,常规天文引潮力的基准力,提供天文能源并 与月球耦合加强,常规天文引潮力的动态力系,提供最活跃 的动力扰动,射电天体,太阳系行星,太阳,月球,常规天文动力与常规天文动力的相互作用机制分析,月球对地球的作用主要是引潮力的动力扰动，是
10、大气不稳定能量的策动源。射电天体和八大行星与月球位置的叠加可以极大地增强异常天文引潮力的强度，使天文引潮力出现短暂地不稳定切变，触发各 类极端气象灾害。尤其是八大行星与月球位置的叠 加，在对天文动力的分析 中，这一部分尤为重要。距平等级就是对这一部分最好的分析和体现。,太阳对地球的作用在有动力作用的同时更多的表现为对地球大气能量的补充，射电天体和八大行星与太阳的位置叠加不仅能够增强天文引潮力的瞬间强度，更多意义上可能增强了对地球大气能量的补充。尤其是增强地球大气半年系统的强度，形成异常气候的动力背景。由于射电天体和八大行星在地球上的视位置变化较慢，时空积累效应很明显。,太阳、月球与地球的位置关
11、系决定了地球天文引潮力基本运动状态。 太阳和月球的引潮力占太阳系中所有天体对地球引潮力的95%以上，其中月球的引潮力是太阳引潮力的2.25倍，而月球的强度变化在65 %135 %之间。太阳和月球对地球的引潮力变化连续、稳定、强度大。常被称为常规天文引潮力。,常规天文引潮力构成,能量的叠加增益效应,不稳定层结叠加增益,“三星一线”的特征及作用带,上升力中心,下沉力带,转换 不连续带,下沉力 强切变带,两个天体与地球处 在同一条直线上时 ，天体在地球水平 面上的垂点及其附 近地区就是上升力 中心，是上升力得 到同相位叠加最有 力的区域。该区域 是静力不稳定能量 最有效的调制区， 也是动力不稳定的
12、最小值区域。全球 范围有两个上升力 中心。,与上升力中心呈90 的环形区带即为天 文引潮力的下沉力 带。在“三星一线“ 时刻，下沉力带就 是极地冷空气向南 爆发的最佳通道。 在下沉力带的区域 多会出现寒潮大风 和系统性大降水天 气。在全球范围内 ，下沉力带合二为 一条最强的绕过两 极地区的环形带。,与上升力中心圆心角 在4554.7之间的 环形区带，这个区带 内垂直力和水平力的 转换不连续。水平力 极大值与上升力搭配 置极易触发强对流天 气过程，尤其在盛夏 。在全球范围内，转 换不连续区带有两个 ，分别位于上升力区 域内侧。这是一个以 降水为主要天气现象 的天文动力系统。,与上升力中心圆心角
13、为80附近处，为下 沉力强切变区。下沉 力强切变区带分布在 下沉力区带的两侧， 位于下沉力前的往往 引发动量下传型的的 强大风天气，同时可 能形成强冷空气动力 抬升类的大降水（雪 ）天气。在全球范围 内，下沉力强切变带 有两条，分别分布于 下沉力环形带的两侧。,不同位置配置的天文动力的天气学意义（大圆圆心角）,0大大潮，上升力与下沉力发生转换，位势能释 放，南北力特强 烈爆发。大范 围降水天气。,45垂直力与西北力转换。极地下沉力与热带上升力有效积累，有利引发大风天气。,90小潮，极地下沉力强烈积累，低纬度垂直力最小大气层位势不稳定达到最大。,135垂直力与东南力转换，中纬 度暖热空气北挺，暖锋降水概率较大。,180小小潮，上升力与下沉力转换， 位能释放，南北力爆发， 大风降温明显。,纬度值越小，纬度差越小，极地下沉力中心偏离极地中心越小；反之极地下沉力中心偏离极地中心越大。,Marketing Diagram,天文动力不稳定层结特征及动力触发指标的建立,动力结构特征 与天气过程的对比 检验分析,距平等级 和变量等级 分析,动力感应 作用和时空 积累效应,欧氏距离 概念引入及 拓展应用,“三星一线” 及常规/异常 力的组合,Thank You !,
