《气象学综合回顾》课件

气象学综合回顾欢迎参加《气象学综合回顾》专业课程本课程由气象学博士王教授主讲，将在2025年春季学期全面介绍气象学的核心知识体系我们将探索从大气科学基础到现代气象预报技术的完整知识链，帮助学生建立对大气现象的科学理解，掌握天气系统分析方法，了解气候变化的科学基础，并学习气象服务的实际应用本课程精心设计了50个核心气象学概念，涵盖理论基础与实践应用，旨在培养学生的气象专业素养和科学思维能力课程大纲气候变化科学探讨全球气候系统变化机制气象预报方法数值预报与现代预报技术天气系统与现象各类天气系统形成与演变气象观测技术地面与遥感观测方法大气科学基础大气物理与动力学基础本课程结构清晰，从基础到应用循序渐进我们将首先建立大气科学的基本概念，然后学习现代气象观测手段，分析典型天气系统特征，掌握气象预报核心方法，最后深入理解气候变化科学这一学习路径将确保学生建立完整的气象学知识体系第一部分气象学基础气象学的定义与研究范围大气科学在现代社会的应用气象学是研究大气层中各种现象、过程及其变化规律的科从农业生产、交通运输到能源学，涵盖从微观大气分子运动开发、城市规划，气象学在现到宏观天气系统演变的多尺度代社会中扮演着越来越重要的研究角色，为各行各业提供科学决策支持气象学与其他地球科学的关系气象学与海洋学、水文学、地质学等地球科学学科密切相关，共同构成理解地球系统的科学体系，在气候变化研究中形成交叉研究领域作为地球科学的重要分支，气象学不仅关注日常天气变化，还研究长期气候趋势，其理论和方法已经深入到我们生活的方方面面随着计算能力和观测技术的进步，现代气象学正迈向更加精确化、智能化的发展阶段大气的组成氮气氧气约占78%，化学性质稳定约占21%，支持生命活动微量气体水汽二氧化碳、臭氧等对气候有重要影响含量变化0-4%，形成云雨大气的化学组成是气象学研究的基础虽然氮气和氧气占比相对稳定，但水汽含量的时空变化对天气过程有决定性影响水汽是形成云和降水的必要条件，其在大气中的分布直接影响着能量传输和水循环过程此外，大气中的气溶胶（如灰尘、海盐、花粉等悬浮颗粒）作为凝结核，在云的形成过程中扮演关键角色人为排放的污染物也会改变大气光学特性和微物理过程，影响局地天气和全球气候大气垂直结构热层80-700km中间层50-80km温度急剧上升，可达1500°C以上平流层12-50km温度再次随高度降低，达到大气中尽管温度很高，但大气极其稀薄，对流层0-12km温度随高度上升，包含臭氧层臭的最低温度区由于远离地表热源热含量低这里有极光现象，是电温度随高度降低，平均递减率约氧吸收紫外线辐射导致温度上升，且臭氧浓度降低，温度可低至-离辐射强烈的区域，对无线电通信

6.5°C/km包含90%的大气质量和形成了一个气温递增层，抑制垂直90°C这一层大气中常见流星燃烧和卫星运行有重要影响几乎所有水汽，是天气现象发生的对流，使该层大气相对稳定这里现象，也是极端稀薄空气与较密集主要区域温度剖面决定了大气稳的气流以水平运动为主，污染物可空气的过渡区域定度，直接影响云和降水的形成过长时间滞留程大气压力与风气压梯度力从高压指向低压，是风形成的原动力科里奥利力由地球自转产生，使风向偏转摩擦力近地面减弱风速，改变风向力平衡形成地转风与梯度风大气压力差异是风形成的根本原因当不同区域间存在气压差时，空气会从高压区流向低压区，形成水平气流——风然而，在实际大气中，科里奥利力（地转偏向力）会使北半球的风向右偏转，南半球向左偏转，这一现象对天气系统的形成和演变至关重要在高空，由于摩擦力微小，气压梯度力与科里奥利力达到平衡，形成沿等压线吹的地转风而近地面，摩擦力的存在使风向与等压线呈一定角度，形成了复杂多变的地表风场这些风场特征是预报天气系统移动和发展的重要依据大气稳定性干绝热过程湿绝热过程大气稳定度分类不包含水汽相变的绝热过程，温度递当上升空气达到饱和后，水汽开始凝绝对稳定环境递减率小于湿绝热递减率为

9.8°C/km当气块上升时，由结释放潜热，减缓了温度下降速率，减率于气压降低而膨胀，温度下降；下沉湿绝热递减率仅为6-7°C/km条件性不稳定环境递减率介于干、时则压缩变热因凝结过程会释放大量热能，补偿了湿绝热递减率之间此过程中没有潜热释放或吸收，完全部分因膨胀导致的冷却，这对云的形绝对不稳定环境递减率大于干绝热由气体的压缩和膨胀决定温度变化成至关重要递减率大气稳定性是决定云和降水发展的关键因素在绝对不稳定条件下，一旦空气被抬升就会持续上升，利于对流云发展；而在稳定条件下，上升运动受到抑制，多形成层状云准确判断大气稳定度是预报雷暴等强对流天气的重要依据气象要素测量温度测量气压测量湿度测量现代气象站使用电阻传统水银气压计通过干湿球温度计利用蒸温度计和热电偶实时液柱高度测量大气压发降温原理测量相对监测温度变化，精度力，而现代气象站多湿度，而电容式湿度可达±

0.1°C百叶箱采用电子气压计，如计则利用湿度变化导内放置最高最低温度电容式或谐振式气压致的电容变化进行测计记录日温度极值，传感器，精度可达量，响应更快，适合是基本气象观测装±

0.1hPa自动化观测备风测量风向风速仪通常安装在10米高处，测量近地面气流都普勒风廓线仪可探测不同高度的风场剖面，对天气系统演变分析至关重要气象观测网络中国建立了覆盖全国的气象观测网络，包括2500多个地面气象站和120多个高空探测站这些站点按照国际标准规范布局，确保数据的代表性和可比性观测网络采用分层设计，包括基准站、基本站和一般站，满足不同精度要求的观测需求全球气象观测系统GMOS整合了各国气象部门的观测资源，形成全球协同观测体系观测数据每小时甚至每10分钟更新一次，经过严格的质量控制程序，确保用于天气预报和气候监测的数据质量这一庞大的观测网络是现代气象业务的基础设施遥感技术在气象中的应用气象卫星系统多普勒雷达网络•中国风云系列FY-2静止卫星和FY-3/4•中国已建成230多部天气雷达网络极轨卫星•覆盖范围达300-460公里•美国GOES系列西半球天气监测•可探测降水强度、风场结构•欧洲Meteosat系列非洲-欧洲-印度洋•分辨率可达1公里量级区域覆盖•日本Himawari系列西太平洋区域监测遥感产品应用•云图云系识别与跟踪•水汽通道大气中层水汽分布•雷达回波降水区域与强度估计•闪电定位强对流天气监测遥感技术突破了传统地面观测的局限，极大扩展了气象观测的空间覆盖和时间分辨率卫星和雷达等遥感设备能够连续监测大范围天气系统的演变，尤其对海洋和人烟稀少地区的观测填补了传统观测的空白，为全球天气预报提供关键数据支持第二部分水汽与云蒸发传输1地表水体转化为水汽大气环流搬运水汽降水凝结水滴或冰晶落回地面水汽形成云滴水循环是地球能量循环的重要组成部分太阳辐射加热地表水体，使水分蒸发进入大气，年全球蒸发量约为577,000立方公里水汽在大气中通过风的作用进行水平和垂直传输，其分布极不均匀，热带地区水汽含量远高于极地当含湿空气上升冷却达到饱和状态时，水汽开始凝结形成云滴，释放潜热这一过程释放的热量是热带气旋等强天气系统能量的主要来源大气中水汽的时空分布直接影响降水的分布，对区域水资源平衡和生态环境具有决定性影响大气湿度湿度参数定义单位特点相对湿度实际水汽压与饱和水汽压之比%随温度变化大比湿水汽质量与湿空气总质量之比g/kg守恒量，计算方便混合比水汽质量与干空气质量之比g/kg在一般气压下近似等于比湿露点温度空气冷却至饱和时的温度℃直接反映水汽含量霜点温度空气冷却至饱和且温度0℃时的温度℃用于低温环境相对湿度是最常用的湿度表示方式，但它强烈依赖于温度相同水汽含量的空气，温度越高，相对湿度越低这就解释了为什么早晨相对湿度高，中午相对湿度低的现象露点温度则直接反映空气中的实际水汽含量，不随温度变化，是分析水汽场的重要参数饱和水汽压随温度呈非线性增长，温度每升高10℃，饱和水汽压大约增加一倍这一特性解释了为什么热带海洋上的空气含水量远高于极地区域，也是热带气旋主要在热带海洋上形成的原因之一云的形成机制凝结核的作用大气中的气溶胶颗粒作为凝结核，促使水汽在相对湿度100%时开始凝结绝热冷却过程上升气流膨胀降温，相对湿度增加直至达到饱和状态凝结与潜热释放水汽凝结成微小云滴，释放潜热为云的进一步发展提供能量云滴生长通过碰并增长或冰晶过程逐渐形成可降落的水滴或冰晶在纯净空气中，只有当相对湿度达到数百个百分点时，水汽才能自发凝结但实际大气中存在大量气溶胶颗粒，如海盐、灰尘和污染物等，这些颗粒作为凝结核，大大降低了水汽凝结所需的能量障碍，使水汽能在相对湿度仅略高于100%时就开始凝结云的形成需要三个基本条件足够的水汽含量、降温至露点以下的冷却机制以及充足的凝结核其中，冷却机制主要包括地形抬升、锋面抬升、对流抬升和辐射冷却等不同的冷却机制产生不同类型的云，最终影响降水的形式和强度云的分类积云卷云层云由热对流形成的块状云，底部平坦，顶部呈花高空纤维状薄云，由细小冰晶组成，常呈羽毛灰色均匀的层状低云，覆盖范围广，形成于稳菜状，一般出现在晴朗天气中积云代表大气状或丝带状卷云通常出现在晴朗天空中，但定大气层中层云常出现在阴天，可能伴随毛中有良好的对流运动，但不一定带来降水随也可能是锋面系统的前兆，预示着天气将在1-2毛雨在山区，层云经常表现为浓雾笼罩山着发展，积云可增长为积雨云，预示着可能出天内发生变化卷云移动方向往往指示高空气腰层云的存在通常意味着大气稳定且水汽丰现短时强降水流方向富气象学家将云按高度分为低云（2km）、中云（2-7km）和高云（7km），同时按形态分为层状云和积状云世界气象组织认定了十种基本云属，包括三种低云（层积云、积云、层云）、两种中云（高层云、高积云）、三种高云（卷云、卷层云、卷积云）以及两种垂直发展云（积雨云、雨层云）降水过程暖云降水过程冷云降水过程在温度高于0℃的云中，云滴主要通过碰并和聚并过程增在温度低于0℃的云中，存在液态过冷水滴和冰晶由于冰长大小不同的云滴下落速度不同，大滴追上并吸收小滴，晶上的饱和水汽压低于水滴，水汽从水滴向冰晶转移，使冰逐渐长大至足以克服上升气流下落成雨滴晶快速生长这一过程称为贝吉龙过程这一过程在热带和亚热带地区的低空云系中最为常见，形成冰晶长大后可直接下落形成雪，或在下落过程中融化成雨的降水强度通常较小，但可持续较长时间冷云过程是中高纬度地区降水的主要机制，可形成大范围持续性降水降水的形式取决于从云底到地面的温度剖面如果整层大气温度都低于0℃，则形成雪；如果云中温度低于0℃但云底至地面温度高于0℃，则形成雨；特定条件下还会形成冰雹、霰或冻雨等特殊降水形式人工增雨技术主要是通过向云中播撒干冰或碘化银等人造冰核，促进冰晶的形成，加速贝吉龙过程，从而增加降水量这一技术在缓解干旱和水库蓄水等方面有一定应用，但效果受云系条件限制第三部分大气运动与环流大气运动基本方程组包括连续方程、运动方程、热力学方程和状态方程，描述大气流体力学基本规律，是理解大气运动和数值模拟的理论基础地转平衡与热成风关系地转平衡描述气压梯度力与科氏力的平衡，解释大尺度气流沿等压线流动；热成风关系连接温度场与风场变化，阐明垂直风切变与水平温度梯度的关系大气波动与扰动理论研究罗斯贝波、重力波等大气波动现象，解释大气环流中的波状结构和扰动发展，为理解天气系统的生成、发展和移动提供理论框架大气运动基本方程组是理解大气流体动力学的理论基础，然而完整求解这组方程极其复杂通过近似简化，气象学家建立了如准地转理论等简化模型，使我们能够理解大尺度大气运动的基本特征气象学中的热力和动力过程紧密耦合温度差异产生气压差异，驱动大气运动；而大气运动又通过平流和绝热过程改变温度分布这种相互作用构成了复杂的大气环流系统，从全球尺度的大气环流到中小尺度的局地环流全球大气环流哈得莱环流0-30°赤道地区强烈加热形成上升气流，高空向极地流动，在30°附近下沉形成副热带高压带，低层回流形成信风带这一环流传输大量热量和水汽，影响热带降水分布费雷尔环流30-60°中纬度环流主要受温带气旋和西风带控制，形成复杂的波状流动这一区域冷暖空气交汇，形成锋面系统，是温带天气变化的主要区域极地环流60-90°极地冷空气下沉，向低纬度流动，与中纬度暖空气交界形成极锋极地环流强度随季节变化明显，冬季更为强大，产生寒潮等极端冷事件全球大气环流是地球能量不均衡分布的必然结果，太阳辐射在赤道地区较强，极地较弱，大气环流通过热量传输减小这种不平衡环流强度和位置随季节变化，北半球夏季，哈得莱环流和极锋北移；冬季则南移大气环流不仅影响天气变化，也塑造了全球气候带分布副热带高压下沉区对应全球主要沙漠地带；热带辐合带上升区对应赤道雨林；中纬度西风带控制区则为温带季风气候理解环流特征对解释全球气候差异至关重要季风系统副热带高压30°N平均中心位置西太平洋副热带高压平均中心纬度5880gpm强度指标500hPa位势高度等值线15°季节性北移夏季相对冬季的纬向偏移28%降水影响副高异常每变化一个标准差导致的东亚夏季降水变化幅度西太平洋副热带高压是影响东亚夏季气候的关键系统，其位置和强度变化直接控制着雨带位置和强度副高位于哈得莱环流下沉支，形成明显的下沉气流，抑制云和降水发展，导致其控制区多晴朗炎热天气副高呈现明显的季节变化和年际变化夏季，副高西伸北抬，其西北侧引导西南暖湿气流入华东华南，形成多雨带；副高脊线以南为晴热少雨区域副高异常偏强北抬时，华北多发生干旱；偏弱南压时，长江流域易发生洪涝气候变暖背景下，副高呈现加强西伸趋势，加剧了东亚地区高温热浪和极端降水事件的发生频率急流与锋面系统急流形成与特征急流类型锋面系统急流是高空强风带，风速超过30m/s，副热带急流位于25-35°N，高度约12公锋面是不同性质气团的交界面，分为宽度为数百公里，垂直厚度2-4公里里，冬季最强，是副热带高压与极地低•冷锋冷空气主动楔入暖空气下急流形成于大气温度梯度大的区域，根压之间的温度梯度产物方，移动快，天气变化剧烈据热成风关系，水平温度梯度越大，垂极锋急流位于40-60°N，高度约9公•暖锋暖空气爬升在冷空气上方，直风速切变越强，高空风速越大里，四季常见，是极地冷空气与中纬度移动慢，降水范围广急流位置常标志着冷暖空气交界，对天暖空气间温度梯度形成的强风带•静止锋冷暖气流平行于锋面移气系统的引导和能量传输起关键作用动，锋面位置相对固定急流与锋面相互关联，共同构成中纬度天气系统的骨架急流弯曲形成槽脊系统，其中槽前暖平流上升有利于云雨发展，槽后冷平流下沉则天气转好锋面系统则是冷暖空气交汇的战场，伴随大风、降水等显著天气现象准确判断急流和锋面位置及强度是中纬度天气预报的关键气旋与反气旋温带气旋反气旋天气图识别温带气旋是中纬度地区主要反气旋是气压场中的高压系在地面天气图上，气旋表现天气系统，是锋面发展的产统，北半球呈顺时针环流为封闭的低压中心，等压线物挪威气旋模型描述其生其内部空气辐散下沉，抑制呈逆时针环绕，常有锋面系命周期波动锋→年轻气旋云雨发展，通常带来晴朗天统；反气旋则为封闭高压中→成熟气旋→闭塞气旋→消气冬季反气旋常伴随寒潮心，等压线呈顺时针环绕，亡生成时伴随强烈上升运南下；夏季则可引起持续高无锋面系统在500hPa高动，形成大范围云系和降温热浪反气旋移动缓慢，空图上，气旋对应低压槽或水，常带来大风、强降水等持续时间较长，是形成连续切断低压，反气旋对应高压灾害性天气晴好或极端天气的重要系脊或块状高压准确识别这统些系统是天气分析的基础气旋和反气旋是天气图上最基本的环流系统，它们通过不同的垂直运动和水平辐合辐散模式影响局地天气气旋系统的上升运动有利于云和降水形成，而反气旋的下沉运动则抑制云雨发展中纬度地区天气变化正是由这两种系统交替影响所致热带气旋中尺度对流系统中尺度对流系统是介于微尺度和天气尺度之间的对流性天气系统，水平尺度从几公里到数百公里不等雷暴单体是最基本的对流单元，生命周期约1小时，经历发展期、成熟期和消散期三个阶段发展期以上升气流为主，成熟期上下气流并存，消散期则以下沉气流为主超级单体是一种特殊的长生命周期雷暴，具有持续的旋转上升气流（中气旋），可维持数小时它常伴随龙卷风、大冰雹和短时暴雨等极端天气飑线是排列成线状的对流单体群，常形成显著的窄带状强降水和大风中尺度对流复合体MCC则是大型、持续的圆形对流系统，直径可超过300公里，寿命达12小时以上，是夏季重要的降水系统第四部分天气系统与灾害性天气水文气象灾害强对流灾害气象灾害经济影响包括洪涝、干旱、台风等主要由大气水循环异包括雷暴、冰雹、龙卷风等强对流天气引发的气象灾害年均造成中国GDP约1%的直接经济常引起的灾害中国南方地区洪涝多发生在夏灾害这类灾害发生突然、强度大、影响范围损失，间接损失更大气候变化背景下，极端季，与季风活动和热带气旋关系密切；而华北小而集中，预警难度大典型如江淮地区春季天气事件频率和强度呈上升趋势，对经济社会地区干旱则常见于春夏季，造成严重的农业损雷暴大风、华北夏季冰雹、长江中下游地区龙发展构成严峻挑战，防灾减灾工作显得尤为重失卷风等要灾害性天气是指对人类生命财产安全、社会经济活动产生严重不利影响的天气现象随着城市化进程加快和人口密度增加，即使是中等强度的气象灾害也可能造成严重影响因此，气象部门已从单纯的天气预报向基于影响的预报预警转变，不仅关注气象要素本身，更注重其可能造成的社会影响暴雨系统地形抬升型暴雨•气流被山脉抬升强制上升•迎风坡易形成持续强降水•典型区域青藏高原东南缘•特点降水范围固定，强度大台风暴雨•热带气旋环流输送海洋水汽•螺旋雨带和眼壁区强降水•登陆后与地形相互作用增强•特点强度极大，移动性强梅雨锋暴雨•梅雨锋上中尺度对流系统•锋面准静止，降水持续时间长•影响区域长江中下游地区•特点范围广，持续时间长短时强降水•局地热力对流触发的强雷暴•降水强度大但持续时间短•多发生在夏季午后至傍晚•特点点状分布，难以预报暴雨是指24小时降水量达50毫米以上，或12小时降水量达30毫米以上的降水过程强降水形成需要三个基本条件充足的水汽供应、持续的上升运动和不稳定的大气层结不同类型暴雨系统的预报重点不同，地形抬升型暴雨重点关注低层水汽通量和风向；台风暴雨则需密切监测路径和强度变化；梅雨锋暴雨关注锋面位置和强度；短时强降水则需依靠雷达等临近预报手段雷暴与大风电荷分离闪电形成雷鸣产生下击暴流冰晶与霰粒碰撞过程中发生电荷转当电场强度超过空气击穿强度约闪电通道瞬间高温约30000°C导雷暴云中强烈下沉气流到达地面后移，导致云内形成电荷分层，通常300kV/m时，发生放电现象，包致空气急剧膨胀，形成冲击波，传水平扩散，形成短时大风，风速可云顶带正电，中部带负电，底部带括云内闪电占75%和云地闪电占播至地面形成雷声超过17m/s，是航空和地面建筑的正电25%重要威胁雷暴是强对流天气的典型代表，通常发生在大气不稳定度高、水汽充足的温暖季节中国雷暴日数分布呈现南多北少的特点，华南地区年雷暴日可达80-100天，而华北地区仅20-30天雷电是夏季导致人员伤亡的主要气象灾害之一，每年造成数百人伤亡和数亿元的直接经济损失现代雷电监测主要依靠闪电定位系统和多普勒天气雷达闪电定位系统通过测量电磁波信号到达不同站点的时间差，精确定位闪电发生位置；多普勒雷达则可探测强回波区和云内旋转特征，实现雷暴的早期识别和跟踪雷电预警通常结合数值模式、雷达监测和闪电观测数据，实现0-2小时的临近预警冰雹与龙卷风冰雹形成机制龙卷风成因与特点冰雹形成于强对流云中，初始冰晶在上升气流中反复上下运龙卷风是从云底延伸至地面的强烈旋转气柱，直径通常数十到动，不断捕获过冷水滴冻结增大冰雹生长模式有干增长（冻数百米，但风速极高，最强可达100m/s以上龙卷风主要形结）和湿增长（积附）两种，形成的冰雹分别呈现不透明和透成于超级单体雷暴，当中气旋下伸至地面时形成明的层状结构龙卷风强度按藤田等级EF0-EF5划分，中国龙卷风主要为冰雹直径从几毫米到数厘米不等，特大冰雹可超过5厘米，具EF0-EF3级龙卷风发生前常有钟:绿天、哈密瓜云和壁云等有极强的破坏力冰雹云具有特征回波结构，如悬垂回波和三特征云状，雷达上则表现为弓状回波或钩状回波特征体散射，是雷达识别的重要依据中国冰雹主要分布在西南地区（云贵高原）、华北平原和东北地区，季节性明显，西南地区集中在3-5月，北方则在6-8月冰雹防御主要依靠人工消雹作业，通过向云中播撒大量人工冰核，使云中过冷水分散在众多小冰雹上，减轻灾害龙卷风在中国主要集中在长江中下游地区和华北平原，年均20-30个龙卷风预警主要依靠多普勒雷达识别中气旋和环流特征，提前10-30分钟发出预警由于龙卷风突发性强，一旦发现应立即就近寻找地下室等坚固场所避险，避开门窗和玻璃寒潮与霜冻冷空气形成西伯利亚或蒙古高原上强大的冷高压形成，冷空气积累增强南下路径沿偏东路径影响东北、华北和华东，沿偏西路径影响西北、西南和华南温度骤降24小时内降温幅度达8℃以上，或48小时内降温10℃以上且最低温度≤4℃霜冻形成晴朗夜间地表强烈辐射冷却，地面温度降至0℃以下，水汽直接凝华成霜寒潮是冬半年最显著的天气过程，不仅造成气温骤降，还常伴随大风、降水等多种恶劣天气在天气图上，寒潮过程表现为高空强盛的冷涡或槽东移，地面有显著锋面和高压脊东进南下的特征预报寒潮需关注高空槽的强度和移速、地面高压的发展和路径、冷空气活动的阻滞或加强因素等霜冻是指地面温度降至0℃以下对农作物造成冻害的现象，分为辐射霜冻和平流霜冻两种辐射霜冻常发生在晴朗无云、风小的夜间，陆地强烈辐射冷却导致；平流霜冻则由大规模冷空气入侵引起霜冻是农业生产的重要灾害，尤其在春季返寒和秋季早霜期间农业防霜措施包括烟雾覆盖、喷水保温、风机搅拌和地面覆盖等高温与干旱高温热浪形成机制干旱类型与发展高温热浪主要由大范围持续的下沉气流干旱按发展过程分为气象干旱（降水不引起，常见于副热带高压控制区下沉足）、农业干旱（土壤水分不足）、水气流压缩增温、云量减少导致日照增文干旱（河流湖泊水量减少）和社会经强、地表感热和潜热交换比例改变等多济干旱（水资源供需矛盾）四个阶段，种因素共同作用，形成持续性极端高温呈现渐进加深的特点天气城市热岛效应城市区域温度显著高于周边乡村地区，形成热岛主要由城市建筑材料蓄热、城市几何形状阻碍通风、人为热源排放和城市绿化减少等因素造成在高温天气下热岛效应更加显著中国高温热浪主要发生在夏季（6-8月），重点分布在长江中下游地区、华北平原和四川盆地等地随着全球变暖，高温热浪发生频率、强度和持续时间均呈显著上升趋势华南高温多由副热带高压控制引起，华北高温则多由焚风效应和辐射增温共同作用形成干旱监测主要依靠标准化降水指数SPI、帕尔默干旱指数PDSI等多种指标气象部门定期编制全国旱情监测报告，为防旱减灾提供科学依据气候变化背景下，中国北方地区干旱趋势加剧，南方地区则呈现南涝北旱的空间格局适应气候变化需加强水资源管理和农业抗旱技术研发沙尘暴与雾霾沙尘暴特征雾与霾的区别PM

2.5与能见度沙尘暴是指强风将地面沙尘吹起，使水平能见度雾是近地面大量微小水滴悬浮形成的，相对湿度PM

2.5是指空气动力学当量直径小于

2.5微米的颗降低到1公里以下的严重风沙天气中国沙尘暴主接近100%；霾则主要由干燥气溶胶粒子（如硫酸粒物，其浓度与大气能见度呈明显负相关当要源于蒙古国南部和我国西北地区沙漠化土地，盐、硝酸盐、有机碳等）组成，相对湿度通常低PM

2.5浓度超过150μg/m³时，能见度通常降至5每年春季最为频繁沙尘暴发生需要三个条件于80%雾多在清晨出现且易消散，霾则可持续公里以下；超过300μg/m³时，能见度甚至可低至不稳定大气层结、强烈地面风和干燥松散的地数天甚至数周两者都导致能见度降低，但成因2公里以内PM

2.5不仅影响能见度，还可深入肺表和性质有本质区别泡，对人体健康构成严重威胁沙尘暴和霾都是近年来中国面临的重要环境气象问题沙尘暴主要影响北方地区，随着生态恢复和沙漠化治理，其发生频率呈明显下降趋势霾则主要发生在人口密集的城市群地区，特别是京津冀、长三角和珠三角地区，冬季最为严重第五部分气象预报方法经验预报阶段依靠经验规则和相似历史案例进行预报，准确率有限统计预报发展利用统计关系建立预报方程，提高客观性数值预报兴起基于动力学方程的计算机模拟，精确描述大气演变智能预报时代结合大数据和人工智能技术，实现精准预报气象预报的发展历程反映了科学技术的进步从20世纪初比约克内斯提出的原始预报方法，到二战后数值预报的诞生，再到现代集合预报系统的广泛应用，预报技术经历了质的飞跃计算能力的提升和观测技术的革新是推动预报水平提高的关键因素不同预报方法各有优势数值预报擅长描述大尺度系统演变，但对局地天气细节表现不足；统计预报能利用历史规律，但在异常天气时准确性下降；现代预报系统通常将多种方法结合，优势互补目前，24小时温度预报平均误差控制在1℃左右，24小时降水预报准确率达85%以上，72小时台风路径预测误差约100公里，展示了现代气象预报的显著成就天气图分析地面天气图分析高空天气图解读地面天气图展示气压场、锋面系统和天气现高空天气图常用层次包括850hPa（低空，象分布分析时先识别高低压中心和锋面位约

1.5km）、500hPa（中层，约

5.5km）置，然后判断冷暖气团分布和移动趋势，最和200hPa（高空，约12km）850hPa图后结合各站点实况确定具体天气类型地面重点分析水汽和温度场；500hPa图关注槽图上气压梯度反映风力大小，等压线弯曲度脊系统和环流形势；200hPa图则主要分析则表示风向变化急流位置和强度高空环流形势是预报地面天气系统发展的关键依据天气系统演变规律天气系统演变遵循一定规律高空引导地面，西风带系统自西向东移动，系统发展存在生命周期，系统强度与垂直结构密切相关准确把握这些规律是进行中期预报的基础通过分析连续几个时次的天气图，可以预测系统的移动方向和速度天气图是综合展示大气状态的重要工具，包含大量气象信息分析天气图是预报员的基本功，需要综合运用大气科学理论，从复杂的气象要素场中抽取关键信息随着卫星和雷达等现代观测手段的发展，天气图分析越来越多地结合多源数据，更全面地描述大气三维结构现代预报业务中，天气图通常由计算机自动绘制，但对天气图的解读和分析仍需预报员的专业判断优秀的预报员能从天气图中发现常规数值模式可能忽略的重要特征，做出更准确的预报修正因此，尽管高度依赖数值预报，天气图分析仍是气象预报不可或缺的环节数值天气预报预报产品各类天气要素预报场和诊断产品数值计算高性能计算机求解方程组离散化与参数化空间网格离散和次网格过程参数化资料同化融合观测与背景场构建初始场原始方程组描述大气运动的基本物理定律数值天气预报是通过数学物理方法，利用计算机求解描述大气运动规律的偏微分方程组，预测未来大气状态其核心是七个原始方程三个运动方程、连续方程、热力学方程、水汽方程和状态方程由于方程的非线性特性，只能通过数值方法求解资料同化是现代数值预报的关键环节，其目标是将分布不均、精度各异的观测数据与模式背景场最优融合，获得物理平衡的初始场常用同化方法包括三维变分3D-Var、四维变分4D-Var和集合卡尔曼滤波EnKF等参数化方案则处理模式分辨率无法直接解析的物理过程，如云微物理、边界层湍流和辐射传输等，其性能直接影响预报质量全球数值预报模式预报模式开发机构水平分辨率垂直层数主要特点ECMWF欧洲中期天气预9公里137层集合预报系统先报中心进，中期预报技巧最高GFS美国国家环境预13公里127层实时性好，数据报中心开放共享GRAPES中国气象局全球25公里/区域70层适应中国地形特3公里点，区域预报针对性强UKMO英国气象局10公里70层海洋耦合模式优势明显全球领先的ECMWF模式以其卓越的中期预报能力著称，尤其在5-10天预报中表现突出其先进的4D-Var同化系统能有效利用卫星辐射率数据，每天同化超过4000万个观测要素GFS模式则以开放性和实时更新见长，每6小时更新一次，预报时效最长可达16天，是全球使用最广泛的模式之一中国自主研发的GRAPES模式已投入业务运行，全球模式、区域模式和集合预报系统构成完整体系GRAPES区域模式在东亚区域内预报技巧与国际先进模式相当，对华北暴雨、台风路径等预报表现良好模式预报产品解读需注意不同模式的系统性偏差特点，如某些模式可能系统性高估或低估某类天气系统的强度中短期天气预报资料收集分析模式产品评估主观预报决策预报产品制作实况监测与趋势判断多模式比对与偏差识别经验判断与预报修正针对不同用户定制发布中短期天气预报24-72小时是气象预报的核心业务，也是公众最关注的预报产品预报流程首先分析当前大气实况和近期演变趋势，然后评估各数值模式预报性能，识别系统性偏差；接着预报员根据经验和对当地天气特点的了解，对模式预报进行主观修正；最后根据不同用户需求，制作针对性的预报产品天气系统识别与跟踪是中短期预报的关键环节预报员需准确判断影响预报区的关键系统低空急流带来的水汽通量、高空槽的位置和强度、地面锋面的移动速度、中尺度对流系统的发展趋势等现代预报业务采用人机结合模式，借助智能算法辅助识别天气系统特征，同时依靠预报员的经验和判断做出最终决策，确保预报质量临近预报雷达数据分析卫星资料融合识别强对流特征与演变趋势监测云系发展与水汽分布预警信息发布外推预测计算针对性强对流天气预警回波移动与强度变化预报临近预报是指0-6小时的短时天气预报，特别针对强对流天气如雷暴、暴雨、冰雹等突发性天气事件与传统数值预报不同，临近预报主要依靠对当前观测资料的快速分析和外推，结合短时数值模拟，实现分钟级至小时级的精细化预报多普勒雷达外推技术是临近预报的核心方法，通过连续雷达扫描数据分析回波的移动矢量，预测未来1-3小时的回波位置和强度变化快速更新循环同化系统RUC则每小时甚至更短时间内完成一次模式运行，不断吸收最新观测数据更新预报近年发展的智能网格预报产品SmartGrid整合了多源数据和多种临近预报技术，可提供公里级、分钟级的精细化预报，极大提升了对灾害性天气的预警能力极端天气预警中国气象灾害预警信号预警指标示例•四级预警蓝色、黄色、橙色、红色•暴雨红色3小时内降雨量将达100mm以上•十种灾害暴雨、暴雪、寒潮、大风、沙尘•台风红色24小时内可能受台风影响，平均风暴、高温、干旱、雷电、冰雹、霜冻力达12级以上•等级划分基于灾害强度和潜在影响•大风橙色6小时内可能受大风影响，平均风力达10级以上•法定权威由气象部门依法发布•高温红色24小时内最高气温将升至40℃以上预警发布渠道•传统媒体电视、广播、报纸•新媒体手机APP、微信、短信•专业平台突发预警APP、政府网站•公共设施电子显示屏、应急广播现代气象预警服务正从以天气为中心向以影响为中心转变基于影响的预警不仅关注气象要素本身，更注重其可能导致的社会影响，根据不同区域的脆弱性和承灾能力，对相同强度的天气事件可能发布不同等级的预警例如，同样强度的降雨，在山区可能触发更高级别的地质灾害预警预警发布讲究时效性和精准性预警信息应包含灾害类型、影响范围、发生时间、强度等级和防御指南等要素，语言简明扼要，易于公众理解现代气象部门已建立预警信息快速发布绿色通道，确保重要预警能在分钟级时间内传达到公众同时，通过短信、APP等多种渠道的精准推送，使预警信息能直达受影响人群气象大数据与人工智能机器学习预报利用随机森林、梯度提升树等机器学习算法，从历史天气数据中挖掘统计关系，构建预报模型此类方法在温度、能见度等要素预报中表现优异，尤其善于校正数值模式的系统性偏差，提高预报准确率深度学习应用卷积神经网络CNN和长短期记忆网络LSTM等深度学习技术在气象图像识别和时序预测中发挥重要作用例如，利用CNN自动识别卫星云图中的台风结构特征，或使用LSTM预测降水演变趋势，大幅提高预报效率大数据挑战气象大数据具有4V特性体量巨大Volume、种类繁多Variety、生成迅速Velocity和价值密度低Value每天产生的气象观测、模式和卫星数据量以PB级计算，如何高效存储、处理和分析这些数据是技术挑战人工智能正在重塑气象预报流程传统预报流程中，预报员需手动分析大量图表，费时费力且容易受主观因素影响AI预报员能自动从海量数据中提取关键特征，快速生成预报产品，并不断从错误中学习提高在某些特定预报场景，如短期温度和降水预报，AI已达到或超过人类预报员水平值得注意的是，AI与传统数值预报并非对立关系，而是优势互补数值模式提供物理一致的大气演变整体图景，而AI则优化细节，弥补模式在局地尺度的不足未来趋势是将AI无缝集成到预报流程各环节，包括观测数据质量控制、资料同化优化、模式后处理和预报产品自动生成等，构建端到端的智能预报系统第六部分气候与气候变化天气与气候的区别气候系统五大圈层气候变化因素天气是特定时间和地点的大气状态，包气候系统由五大圈层构成大气圈、水气候变化由自然因素和人为因素共同驱括温度、湿度、气压、降水等瞬时状圈、岩石圈、生物圈和冰冻圈这些圈动自然因素包括太阳活动变化、火山况，变化快且难以长期预测气候则是层通过复杂的物质和能量交换相互作喷发、轨道参数变化和内部气候系统振长时间（通常30年）内特定区域的平均用，共同决定了全球和区域气候特征荡等；人为因素则主要是温室气体排天气状况及其变率，反映了大气长期特放、土地利用变化、气溶胶排放等人类例如，海洋（水圈）吸收大量太阳辐射征，具有相对稳定性和区域代表性活动影响热量并通过洋流输送，植被（生物圈）简言之，天气描述的是你今天穿什么衣通过光合作用影响碳循环，冰冻圈的高当前全球变暖主要由人为温室气体排放服，而气候决定了你的衣柜里应该有什反照率调节地表能量平衡增加引起，已成为科学界共识么类型的衣物理解气候变化需要将天气、气候和气候变化区分开来单个极端天气事件不能直接归因于气候变化，但极端事件的频率和强度变化可能反映气候变化信号气候系统的复杂性使气候变化研究具有挑战性，需要长期观测数据和复杂模型支持气候系统岩石圈地表和土壤，影响能量分配和水循水圈环生物圈海洋、湖泊、河流，热容量巨大，是气候系统的飞轮所有生物，影响碳循环和地表特性大气圈冰冻圈包含气体、云和气溶胶，变化最快冰川、海冰和积雪，高反照率影响且最不稳定辐射平衡41气候系统内部的相互作用复杂而精妙例如，海洋吸收约93%的全球增温热量，但由于热容量巨大，其温度变化缓慢，起到调节气候的稳定器作用同时，海洋也是重要的碳汇，吸收了约30%的人为碳排放，减缓了大气CO₂浓度上升气候系统中存在多种反馈机制正反馈放大初始变化，如北极海冰-反照率反馈（海冰减少→反照率降低→吸收更多太阳辐射→更多海冰融化）；负反馈则抑制变化，如气温-辐射反馈（温度升高→地表辐射增加→更多热量散失到太空）这些反馈机制的综合作用决定了气候系统对外部强迫的响应敏感度全球气候分区柯本气候分类系统中国气候分区特点山地气候垂直变化柯本气候分类是最广泛使用的气候分类系统，中国气候类型丰富，横跨温带、亚热带和热带山地气候随海拔升高呈现明显的垂直变化，相基于温度和降水的月值与年值，将全球气候分三个气候带从东南到西北依次为热带季风当于从低纬向高纬的水平气候变化一般每上为五大类A热带气候、B干旱气候、C温带气候、亚热带季风气候、温带季风气候、温带升100米，气温降低约

0.6℃，形成从山麓到山气候、D寒带气候和E极地气候每个主类大陆性气候和高原山地气候东部季风区降水顶的多种垂直气候带青藏高原就是典型例别又细分为多个亚类，共形成约30种气候类丰富，自东南向西北递减；西北内陆区干旱少子，尽管纬度不高，但因平均海拔超过4000型，精确描述了全球气候空间分布雨；青藏高原则因海拔高而形成独特的高原气米，形成类似极地的气候特征候气候带的分布主要受三个因素控制纬度（决定太阳辐射量）、海陆分布（影响温度年较差和降水）以及大气环流（影响水汽和热量传输）纬向差异形成了从赤道到极地的温度梯度，而经向差异则主要体现为沿同一纬度的海陆气候差异气候变化对气候分区边界产生明显影响研究表明，全球变暖背景下，热带气候带正向中高纬度扩张，干旱气候区范围增大中国北方地区干旱半干旱气候区面积近几十年增加了约12%，对农业生产和生态环境构成挑战气候带迁移速率远快于生态系统自然适应速度，加剧了生物多样性面临的威胁现象ENSO厄尔尼诺特征拉尼娜特征全球影响厄尔尼诺是指赤道中东太平洋海温异常升高的现象拉尼娜是厄尔尼诺的反相位，表现为赤道中东太平洋ENSO通过大气遥相关影响全球多地气候厄尔尼诺期间，沃克环流减弱，信风减弱，暖池区向东扩展，海温异常偏低拉尼娜期间，沃克环流加强，信风增期间，美国南部和秘鲁多雨而澳大利亚和印度尼西亚热带对流活动中心东移海温异常通常持续6-18个强，冷舌向西扩展，暖池区收缩，对流活动增强区西干旱；拉尼娜期间则相反北大西洋飓风活动在厄尔月，强度各异典型厄尔尼诺事件中，赤道中东太平移至西太平洋和澳大利亚上空拉尼娜往往在强厄尔尼诺年减弱而拉尼娜年增强这些关系为季节气候预洋海温可比常年高1-3℃尼诺事件后出现测提供了重要依据ENSO对中国气候的影响复杂且存在明显的季节差异厄尔尼诺发展年夏季，长江中下游地区常出现多雨；厄尔尼诺盛期冬季，华南偏暖多雨而华北偏暖少雨；厄尔尼诺消退后的夏季，华北常出现干旱拉尼娜则往往导致相反的影响模式气候变化正在改变ENSO特性研究表明，全球变暖可能增加极端厄尔尼诺和极端拉尼娜事件的发生频率，同时使ENSO海温异常的中心区域向西移动这些变化将影响ENSO的遥相关模态，改变其对全球和区域气候的影响方式，增加气候预测的不确定性年代际振荡全球变暖

1.1°C全球升温相比工业化前水平的全球平均温度上升420ppmCO₂浓度当前大气二氧化碳浓度19cm海平面上升1901年以来的全球平均海平面上升90%科学确定性IPCC对人为因素导致当前变暖的确定性政府间气候变化专门委员会IPCC第六次评估报告明确指出，人类活动无疑已经导致大气、海洋和陆地变暖自1850年以来，全球地表温度已上升约

1.1°C，且近50年增温速率加快温室气体浓度达到至少200万年来的最高水平，其中CO₂浓度已从工业化前的280ppm上升至当前的420ppm以上，甲烷和氧化亚氮浓度增幅更大全球变暖表现出明显的区域差异陆地变暖速率快于海洋，高纬度地区（尤其是北极）变暖幅度远超全球平均中国作为中高纬度大陆国家，变暖幅度约为全球平均的

1.5倍，近50年平均增温速率达

0.25°C/10年伴随温度上升，极端高温事件频率显著增加，极端低温事件减少，全球冰川加速退缩，积雪覆盖范围缩小，北极海冰面积持续减少这些变化正在深刻影响全球生态系统和人类社会气候变化的影响海平面上升是气候变化最直接的影响之一目前全球海平面以每年

3.7毫米的速率上升，主要由冰川融化和海水热膨胀引起到本世纪末，在高排放情景下，全球海平面可能上升

0.6-

1.1米中国作为海岸线超过

1.8万公里的国家，面临严峻的海平面上升风险，尤其是长三角、珠三角等人口稠密的低洼沿海地区气候变化还严重影响水资源、农业生产和生态系统降水格局改变导致部分地区干旱加剧，其他地区洪涝风险增加；农作物生长季延长但极端天气风险加大；生物物候期改变导致生态系统失调更高频率的极端天气事件，如热浪、强降水和台风，对人类健康、基础设施和经济活动构成威胁例如，研究表明气候变化已使中国夏季热浪发生概率增加50倍以上，严重影响人体健康和劳动生产力气候预测23季节气候预测年代际预测长期气候预估时间尺度为1-3个月，主要依靠ENSO、北极涛动时间尺度为1-10年，结合大洋环流、海冰变化等时间尺度为数十年至百年，主要基于不同温室气等气候模态，以及海温、土壤湿度等慢变量作为缓慢变化的边界条件，预测气候系统的自然变率体排放情景，预估人为强迫下的气候系统响应预测信号气候模式是气候预测的核心工具，从简单的能量平衡模式发展到现代复杂的地球系统模式现代气候模式包含大气、海洋、陆地、海冰和生物地球化学循环等组件，能够模拟气候系统的物理过程和反馈机制为应对模式的不确定性，科学家通常采用多模式集合预测方法，综合多个模式结果，提高预测可靠性IPCC第六次评估报告采用了新的排放情景框架，包括SSP1-

1.9（可持续发展，升温限制在

1.5°C以内）、SSP1-

2.6（较低排放）、SSP2-

4.5（中等排放）、SSP3-

7.0（较高排放）和SSP5-

8.5（非常高排放）不同情景下，到本世纪末全球温度可能上升

1.0-

5.7°C气候模拟结果表明，只有在最激进的减排情景下，才有可能将全球变暖控制在《巴黎协定》设定的2°C目标以内，突显了减缓气候变化行动的紧迫性第七部分气象服务与应用气象数据获取多源观测和模式数据采集与处理气象信息加工专业分析与价值提炼专业产品定制面向行业的定制化服务用户服务传递精准高效的信息传递与应用气象服务是连接气象科技与社会经济发展的桥梁，通过气象信息价值链将科学数据转化为有价值的决策支持现代气象服务已从传统的天气预报扩展到灾害预警、气候服务、生态气象和健康气象等多个领域，服务形式也从单一的预报产品发展为综合性的决策支持系统部门气象服务针对不同行业特点，提供定制化的气象信息产品例如，农业气象服务关注作物生长关键期的天气条件和病虫害风险；交通气象服务重点监测能见度、结冰和强风等影响交通安全的要素；能源气象则为风能、太阳能等可再生能源提供预报和评估随着人工智能和大数据技术发展，气象服务正向更加智能化、个性化方向演进，提高气象信息的使用效率和经济价值气象信息获取途径官方渠道商业平台•中国天气网weather.com.cn•各类天气预报APP（如彩云天气、天气通）•中国气象局官方APP墨迹天气•互联网地图和搜索引擎提供的天气服务•各省市气象局官方网站和公众号•智能手机和智能手表内置天气功能•气象灾害预警信息发布系统•智能音箱和车载系统的天气播报专业服务•公共气象服务产品目录（针对政府和企业）•行业专用气象监测网络和预报系统•气象大数据云平台和开放API接口•智能气象服务个性化定制系统随着信息技术发展，气象信息获取方式日益多样化智能手机普及使得移动端成为公众获取天气信息的主要渠道，各类天气APP不仅提供常规预报，还增加了空气质量、生活指数、穿衣建议等多种增值服务新媒体平台如微信公众号、微博和短视频平台也成为气象信息传播的重要载体，特别在灾害性天气预警中发挥关键作用值得注意的是，气象信息质量参差不齐，公众应优先选择官方或权威机构发布的信息中国气象局建立了统一的气象灾害预警信息发布系统，确保预警信息的权威性和及时性随着5G、物联网和人工智能技术应用，未来气象服务将更加智能化和场景化，如基于用户位置和活动的精准推送、与智能家居和自动驾驶系统的深度融合等，实现气象信息服务的无缝衔接气象与相关行业农业气象服务农业气象服务针对农业生产全过程提供定制化服务，包括农用天气预报、农业气象灾害预警、农事建议和作物生长模拟等精细化服务可提高农业生产效率5-10%，减少气象灾害损失15-30%中国已建立覆盖全国的农业气象观测网，实现从县到村的多级农气服务体系交通气象保障交通气象服务关注影响交通安全的天气条件，如能见度、道路结冰、强降水和大风等中国已建立高速公路、铁路、航空和海洋等专业交通气象网络，提供实时监测和预警智能交通气象系统能根据天气条件自动调整交通管控措施，大幅降低恶劣天气造成的事故率能源气象应用可再生能源发展使能源气象服务日益重要风能和太阳能发电高度依赖天气条件，精准的风能和光伏发电预报可提高发电效率8-15%中国已建立可再生能源气象保障系统，为风电场和光伏电站选址评估和运行优化提供科学支持，助力能源结构转型和碳中和目标实现健康气象服务健康气象服务研究天气气候与人体健康的关系，提供人体舒适度指数、疾病气象风险预报和中暑指数等产品近年来，气象部门与卫生部门合作建立了热浪、寒潮等极端天气健康风险预警系统，并在新冠疫情中提供气象条件评估，为公共卫生决策提供科学支持总结与展望气象学发展历程从古代天象观测到现代精准预报，气象学已发展成为集物理学、数学、计算机科学等多学科于一体的综合性学科现代气象技术高性能计算、人工智能、物联网和大数据技术正深刻改变气象观测与预报方式未来发展方向精准气象服务、无缝隙预报和气候风险管理将成为未来气象学关注重点继续学习资源丰富的在线课程、专业期刊和实践机会提供深入学习途径本课程系统回顾了气象学的核心知识体系，从大气科学基础到现代预报技术，从天气系统分析到气候变化科学我们了解了大气的物理特性和动力学规律，掌握了气象观测和预报的基本方法，认识了典型天气系统的形成机制，探讨了气候变化的科学基础及其影响气象学是一门研究大气中各种现象及其变化规律的科学，对保障人类生命财产安全和社会经济可持续发展具有重要意义展望未来，气象科技将向着更精细、更智能的方向发展观测技术将实现更高时空分辨率和更广覆盖范围；数值模式将向更高分辨率、更完善的物理过程描述和更先进的集合预报方向发展；人工智能将在观测数据处理、模式改进和预报后处理中发挥越来越重要的作用；气象服务将更加智能化、个性化和精准化，实现从供给型向需求型的转变气候变化背景下，气象部门将在气候风险评估和适应服务中承担更多责任，为实现可持续发展目标提供科学支持。