常见天气系统-理解和预测-课件设计

常见天气系统理解与预测欢迎来到常见天气系统的深入探索之旅在这个系列课程中，我们将揭示大气运动的奥秘、天气系统的形成机制以及现代天气预测技术通过理解这些复杂系统，我们能够更好地应对自然变化，保护生命财产安全，并为未来的气候挑战做好准备无论您是气象爱好者、学生还是专业人士，本课程都将为您提供关于地球大气动态系统的全面理解，帮助您认识到天气预测在现代社会中的重要作用课件大纲大气科学基础知识探索大气层结构、大气物理原理及全球能量平衡天气系统形成机制深入了解气压系统、气团形成及大气环流原理不同天气系统详细分析研究台风、季风、温带气旋等特定天气系统的特征与影响现代预测技术掌握数值模拟、卫星观测及人工智能在天气预测中的应用气候变化影响评估全球变暖对天气系统的长期影响及适应策略天气科学的重要性影响农业生产指导交通运输天气预报指导农作物种植时间、灌溉管精确的天气预测确保航空、海运和陆路理和收获决策交通安全经济发展关键因素保障生命安全气象信息支持能源生产、建筑规划和旅及时的灾害预警帮助减少极端天气事件游业发展造成的人员伤亡大气层基本结构热层公里85-500温度随高度增加而急剧上升，是卫星运行的主要区域中间层公里50-85温度随高度增加而下降，是流星燃烧的主要区域平流层公里12-50温度随高度增加而上升，含有臭氧层，吸收大部分紫外线辐射对流层地表公里0-12我们生活的区域，温度随高度增加而下降，几乎所有天气现象都发生在这里天气观测技术发展气象雷达多普勒雷达技术能够探测降水、云系统和风场，提供实时天气监测气象卫星从太空观测地球大气，提供全球天气系统的连续图像和数据自动气象站分布在全球各地的自动监测站收集温度、湿度、风向等基本气象数据计算机模拟技术超级计算机和复杂算法处理海量气象数据，生成精确的天气预测模型大气物理基本原理大气压力变化规律温度与热量传递大气压力随高度增加而降低，每上升约

5.5公里，气压减少一半热量通过辐射、传导和对流在大气中传递地球表面接收太阳辐水平气压差异导致空气流动，形成风射后变暖，然后通过长波辐射和对流加热周围空气空气密度变化水汽循环机制空气密度随温度升高而降低，随压力增加而增加密度差异导致水通过蒸发进入大气，冷却后凝结成云，当水滴或冰晶足够大空气垂直运动，是对流和天气系统形成的基础时，以降水形式返回地面，完成水循环地球能量平衡全球气候调节机制海洋、云层和冰盖共同调节地球气候系统大气热量再分配大气环流和海洋洋流将热量从赤道向极地输送地表吸收与反射地表吸收约70%的入射太阳辐射，其余反射回大气太阳辐射输入地球每秒接收174拍瓦的太阳能量，是所有天气系统的初始能量来源大气运动基本规律科里奥利力空气质量平衡风场形成机制由地球自转产生的偏向力，大气中的气压梯度力、科里局地温度差异导致的气压差使北半球空气向右偏转，南奥利力和摩擦力相互作用达异是风形成的直接原因从半球向左偏转这种力影响到平衡，决定了风的速度和高压区向低压区的空气流全球风系和洋流方向，是理方向这种动态平衡是气象动，结合地球自转效应，形解大气环流不可忽视的关键学中预测风场的理论基础成复杂的全球风系模式因素大气动力学基础纳维-斯托克斯方程描述流体运动，是理解和预测大气运动的理论基础这套复杂方程组构成了现代数值天气预报的核心数学框架湿度与降水形成水汽凝结条件当空气冷却至露点温度时，水汽开始凝结凝结核（如灰尘、海盐）提供凝结表面，加速这一过程相对湿度达到100%是凝结开始的临界条件云的形成过程上升气流带动水汽进入高空，冷却后形成云根据高度和温度条件，云可分为高云、中云和低云云的微物理过程决定了其外观和降水潜力降水类型雨、雪、雹和霰是主要降水类型冷云过程通过冰晶生长形成降水，暖云过程则依靠云滴碰并和融合地形抬升常引发地形性降水降水强度影响因素云中水汽含量、垂直速度、云层厚度和持续时间共同决定降水强度大气不稳定度越高，垂直运动越强，降水潜力越大气团分类热带气团海洋气团源于低纬度地区，温度高且稳定热带海洋气团（mT）温暖湿形成于海洋上，含水汽丰富这润，带来降水；热带大陆气团类气团移动到陆地时带来湿润天极地气团（cT）则高温干燥，常导致热气，冬季温和多雨，夏季凉爽大陆气团形成于高纬度地区，特征是温度浪东亚季风与海洋气团密切相关低、湿度小极地大陆气团形成于大陆内部，水汽含量低（cP）极度干冷，极地海洋气团这类气团夏季带来干热天气，冬（mP）则较湿冷，影响中高纬度季带来干冷条件，是中国北方冬冬季天气季寒潮的主要来源气压系统基础高压系统特征低压系统特征气压梯度力风向风速关系高压系统中心气压高于周围低压系统中心气压低于周围不同区域间的气压差异产生地面附近的风受摩擦力影区域，空气呈辐散下沉运区域，空气呈辐合上升运气压梯度力，驱动空气流响，风向与等压线夹角约为动北半球内顺时针旋转，动北半球内逆时针旋转，动气压梯度越大，产生的30°，从高压吹向低压高空南半球内逆时针旋转通常南半球内顺时针旋转常带风速越大等压线越密集，风接近地转风，风向与等压带来晴朗、干燥的天气，冬来多云、降水和风力增强的气压梯度力越强，风速越线平行，低压在左，高压在季可能导致寒潮和雾霾天气，是天气变化的主要驱大右动力锋面系统冷锋冷空气快速前进，将暖空气抬升，形成陡峭的锋面冷锋通过时，天气剧烈变化，伴随短时强降水、雷暴和气温骤降冷锋过后，转为晴朗凉爽天气冷锋移动速度较快，在天气图上以蓝色带三角形的线表示暖锋暖空气缓慢前进，沿倾斜锋面上升暖锋带来持续性中到大雨，伴随阴沉潮湿天气暖锋过境后，天气转为温暖湿润移动速度较慢，在天气图上以红色带半圆形的线表示静止锋冷、暖气团势力相当，锋面基本不移动静止锋常带来持续阴雨天气，在适当条件下可转变为冷锋或暖锋在天气图上以红蓝相间的线表示，是形成梅雨的关键因素锋面天气特征锋面是不同性质气团的交界面，是天气变化最活跃的区域锋面区域常出现云系发展、降水集中和风向风速变化锋面系统的演变是中纬度地区天气变化的主要原因台风系统℃26形成条件台风形成需要海表温度超过26℃的广阔海域，充足的水汽供应，以及适当的科里奥利力这些条件在夏秋季节的西北太平洋海域最为理想12-14风圈结构台风由中心眼区、眼墙区和螺旋雨带组成眼区天气晴朗，眼墙区风速最大，可达12-14级以上外围螺旋雨带可延伸数百公里5强度等级中国气象局将台风分为5个等级热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风和强台风美国则使用萨菲尔-辛普森飓风等级划分为5级300km影响范围强台风影响半径可达300公里以上，带来狂风、暴雨、风暴潮三重灾害登陆后2-3天内仍有显著破坏力，是中国东南沿海夏秋季最严重的自然灾害飓风与龙卷风飓风龙卷风预警系统飓风是大西洋和东太平洋海域的热带气龙卷风是一种小尺度强对流天气现象，由现代气象雷达和卫星系统可提前数天预测旋，形成机制与台风相同，但命名系统不超级单体雷暴云发展而成龙卷风漏斗云飓风路径，提前数小时发布龙卷风预警同最强飓风风速可超过252公里/小时，直径通常只有几十到几百米，但风速可超多普勒雷达能够探测龙卷风的旋转特征，持续时间可达1-2周飓风影响范围广，直过450公里/小时，是地球上最猛烈的风为及时避险提供关键信息美国建立了完径可达800公里，主要危害包括强风、暴暴持续时间短暂，通常只有几分钟到几善的龙卷风巷预警网络雨和风暴潮十分钟季风系统温带气旋形成阶段1温带气旋起源于极锋区冷暖气流交汇处初始阶段形成波动，暖气流向北推进，冷气流向南侵入，形成典型的波动气旋结构这一阶段气压降低不明显，锋面特征开始显现发展阶段2气旋中心气压迅速下降，冷、暖锋结构明显暖锋东北方向缓慢移动，冷锋以更快速度向东南推进暖气流在中心形成暖区，此时降水范围扩大，风力增强成熟阶段3气旋强度达到最大，中心气压最低，风力最强冷锋追上暖锋，形成锢囚锋暖气流被抬离地面，云系和降水最为发达这一阶段系统能量最大，天气影响最为显著消亡阶段4冷空气完全取代暖空气，锋面结构消失气旋成为均一的冷性气旋，逐渐填塞减弱这一阶段降水减弱，天气逐渐好转整个生命周期通常持续3-7天极地涡旋极地气候特征寒冷稳定的气团，冬季极夜期温度极低极地涡旋变化强度和形状随季节变化，影响中纬度冷空气活动对全球气候影响弱化时冷空气南下，导致中纬度地区寒潮和极端低温形成机制极地上空强大的气旋性环流，由极地与中纬度温差驱动极地涡旋是围绕地球两极的大型持久性低压环流系统，主要存在于平流层和高层对流层冬季最为强大，边界由极夜急流定义当北极涡旋稳定时，冷空气被锁定在极地；当其减弱或分裂时，冷空气可大规模南下，导致北美、欧洲和亚洲北部出现严重寒潮北极变暖导致极地涡旋不稳定性增加，是近年来中纬度冬季极端天气事件增多的重要原因厄尔尼诺现象1热带太平洋异常变暖厄尔尼诺是热带太平洋东部和中部海表温度异常升高的现象，通常持续9-12个月当海温升高超过

0.5°C且持续至少5个月，即被认定为厄尔尼诺事件2大气环流调整海温异常导致沃克环流减弱，贸易风减弱甚至逆转太平洋西部高压减弱，东部低压系统增强，导致降水带从西太平洋向中东太平洋移动3全球天气影响印度尼西亚和澳大利亚干旱，南美西海岸降水增加北美南部冬季多雨，北部温暖干燥；亚洲季风减弱，中国南方冬春易旱、夏季多台风4周期性变化厄尔尼诺事件平均每2-7年发生一次，强度各不相同超强厄尔尼诺事件如1997-1998年、2015-2016年可能每15-20年发生一次，全球影响更为显著拉尼娜现象形成条件当赤道太平洋东部和中部海表温度异常降低超过

0.5°C且持续至少5个月与厄尔尼诺关系拉尼娜是厄尔尼诺的反相位现象，两者共同构成ENSO循环全球气候影响澳大利亚和东南亚多雨，美国西南部干旱，北美东北部冬季严寒多雪长期变化趋势全球变暖背景下，ENSO循环强度和频率正在发生变化拉尼娜期间，赤道太平洋贸易风增强，冷水上翻加强，太平洋西部暖池扩大增强这导致沃克环流增强，全球降水带分布发生显著变化拉尼娜通常会导致中国南方冬春季节多雨寒冷，北方干旱；印度季风增强；美国中西部和东北部冬季寒冷多雪拉尼娜事件持续时间通常比厄尔尼诺长，有时可持续两年以上天气预测技术数值模拟气象卫星观测计算机模型人工智能技术利用偏微分方程组描述大气极轨卫星和地球同步卫星提全球模式（如ECMWF、深度学习算法分析历史天气运动规律，通过超级计算机供全球不间断观测数据先GFS）提供大尺度环流预数据，识别复杂模式和关进行数值求解现代数值预进的多光谱成像仪可获取不报，区域模式（如WRF、联机器学习技术用于后处报模式水平分辨率达到几公同高度的温度、湿度、风场GRAPES）提供高分辨率局理、降尺度和模式输出统里，垂直方向分层可达100层等信息，为数值模式提供初地预报多模式集合预报系计，显著提高短期预报准确以上，能够模拟复杂的气象始条件和验证数据统综合各模式优点，提高预性和极端天气预警能力过程报准确率数值天气预报数学模型原始方程组包括动量方程、连续性方程、热力学方程和水汽方程这些方程描述了大气的质量、动量、能量守恒及状态变化，构成了数值预报的基础欧拉方法和半隐式方法是常用求解方法计算方法使用有限差分、谱方法或有限元方法将连续方程离散化时间积分采用显式或半隐式方案地形处理、辐射传输、对流参数化和云微物理过程通过次网格参数化方案实现预测精度现代数值预报5天预报准确率达到80%以上，相当于20世纪80年代的3天预报水平大尺度系统预报能力显著高于中小尺度系统温度预报比降水预报更为准确误差分析初始场误差和模式误差是主要误差来源资料同化技术减少初始场误差，物理过程改进减少模式误差误差增长呈指数规律，理论上天气预报极限约为两周气象卫星技术现代气象卫星系统由极轨卫星和地球同步卫星组成，提供全球连续气象观测地球同步卫星位于赤道上空36000公里高空，每天拍摄同一区域数百次图像，适合监测快速变化的天气系统极轨卫星在近地轨道运行，提供高分辨率全球数据，特别适合极地区域观测多光谱成像仪可同时获取可见光、红外和微波等不同波段数据，用于观测云系、水汽、温度场和大气成分雷达气象学多普勒雷达雷达测绘降水测量多普勒雷达利用回波频率变化测量目标相气象雷达通过不同仰角扫描，构建大气三雷达反射率与降水强度存在经验关系（Z-对运动速度，可探测风场和旋转特征这维结构图像体扫描技术可揭示风暴云内R关系），可用于定量降水估计结合地项技术特别适合探测龙卷风前兆和强对流部垂直结构，识别超级单体风暴、中气旋面雨量站数据校准，现代雷达降水估计精系统内部结构，提高了灾害性天气预警能和下击暴流等危险天气特征高分辨率雷度可达85%以上雷达监测弥补了传统雨力现代双偏振雷达还能识别不同类型的达网络实现了区域无缝覆盖监测量站网络覆盖不足的问题，为防洪预警提降水粒子供关键支持气象模型全球气候模型区域气候模型模拟整个地球系统的长期气候变化，分辨率聚焦特定区域的高分辨率模拟（10-25公相对较低（50-100公里），但覆盖范围全里），边界条件由全球模型提供更精细地面包括大气、海洋、陆地和冰雪等多个子考虑地形和局地特征，适合研究区域气候特系统的相互作用，常用于气候变化研究点和变化长期趋势模型短期预报模型季节至年际预测，结合海洋和大气相互作专注于1-10天天气预报，更新频率高（每天用侧重ENSO、北大西洋振荡等大尺度气2-4次），分辨率可达1-9公里强调资料同候模态，预测未来几个月温度和降水异常化和快速计算，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）模式被公认为全球最准确人工智能预测机器学习算法深度神经网络大数据分析支持向量机、随机森林卷积神经网络CNN和气象大数据技术整合多和梯度提升等算法已广长短期记忆网络源异构数据，包括常规泛应用于天气预测这LSTM能处理空间和观测、雷达卫星、数值些方法擅长处理非线性时序气象数据U-Net模式和互联网数据分关系，能够从复杂数据等架构可直接对雷达和布式计算平台能够实时中提取模式，特别适合卫星图像进行分析预处理PB级数据流，为智短期局地天气预报和极测，显著提高了短时强能预测提供数据基础端事件预警降水等局地性极端天气的预报能力预测精度提升AI技术对传统数值预报模式进行后处理，纠正系统性偏差，提高预报准确率10-30%在短临预报0-6小时领域，基于深度学习的降水外推技术已达到实用水平，成为强对流预警的重要工具气候变化基础极地冰川变化

3.3mm

12.85%年均海平面上升率北极海冰减少率自1993年以来，全球海平面每年上升约

3.3毫米，其中40%来自极地冰盖融化北极海冰每十年减少

12.85%，预计本世纪中叶夏季北冰洋可能完全无冰428Gt

1.35格陵兰年冰损失量极地升温倍率格陵兰冰盖每年损失约428亿吨冰，加速了全球海平面上升极地地区升温速率是全球平均水平的

1.35倍以上，被称为极地放大效应海洋环流变化全球海流系统热盐环流是连接世界大洋的全球传送带，通过温度和盐度差异驱动，输送热量和营养物质温度变化海洋吸收了超过90%的多余热量，导致海水变暖、酸化和含氧量下降生态系统影响鱼类分布北移，珊瑚礁白化，浮游生物群落改变，食物链结构受到扰动气候调节机制北大西洋经向翻转环流减弱15%，影响欧洲气候，可能改变全球降水格局生态系统响应物种分布变化生物多样性农业生产影响随着气候变暖，物种正向更高纬度和海气候变化已成为生物多样性丧失的主要气候变化改变了农作物适宜种植区域，拔迁移研究表明，陆地生物平均每十驱动力之一IPBES报告指出，约100万如中国小麦带北移、水稻带扩大极端年向极地迁移约

6.1公里，海洋生物迁移种动植物面临灭绝威胁，其中气候变化天气事件增加导致农作物产量波动加速度更快，达到每十年72公里一些高影响尤为显著物种灭绝率是自然背景剧气候变暖延长了生长季，但也增加山物种面临无处可逃的困境，因为它们值的100-1000倍，生态系统服务功能受了病虫害风险和水资源压力适应性农已经达到了山顶到严重威胁业技术创新成为应对气候变化的关键极端天气事件城市微气候热岛效应城市区域温度平均比周围郊区高2-5°C，高峰时段差异可达12°C这一现象主要由建筑材料热特性、城市几何形态、人为热排放和绿地减少共同造成都市热岛加剧了城市能源消耗、空气污染和居民健康风险，特别是在夏季热浪期间城市结构影响高楼密集的城市峡谷改变了风场分布，影响污染物扩散和热量交换不透水表面增加导致降水迅速形成径流，增加城市洪涝风险建筑密度、高度和布局直接影响城市通风条件和太阳辐射分布温度变化城市日温差小于郊区，夜间温度差异尤为显著季节性变化表现为冬季热岛强度大于夏季中国大城市热岛强度近30年增长了约

0.5°C，超大城市中心区年均温比郊区高3°C以上空气质量城市微气候变化与空气污染相互作用，热岛效应加剧光化学烟雾形成城市边界层结构改变影响污染物的垂直扩散同时，高浓度污染物改变局地辐射平衡，影响城市气温分布和降水特征气候适应策略可持续发展将气候行动与可持续发展目标协同推进国际合作共同减排、技术转让和气候融资机制应对技术发展节能减排技术和气候适应性基础设施减缓措施控制温室气体排放，发展低碳清洁能源气候适应策略需要多层次综合施策在减缓方面，中国提出双碳目标，大力发展可再生能源，优化产业结构，推动能源革命适应措施包括建设海岸防护设施、改进城市排水系统、发展抗旱抗涝农作物品种、加强生态系统保护与修复技术创新是关键支撑，包括碳捕获与封存、智能电网、气候韧性农业等前沿技术国际合作机制如《巴黎协定》为全球共同应对气候变化提供了框架，发展中国家和发达国家承担共同但有区别的责任天气预警系统早期预警技术现代天气预警系统集成多种观测技术，包括多普勒雷达网络、闪电定位系统、自动气象站和气象卫星人工智能技术提高了预警准确性和提前量，特别是对强对流天气的识别能力中国已建成全球最大的气象灾害监测网络通信系统预警信息通过多渠道快速发布，包括电视广播、手机短信、应用程序推送、气象网站和社交媒体中国建立了覆盖全国的突发事件预警信息发布系统，可在秒级将预警信息发送至受影响区域的所有手机用户应急响应预警信息触发分级响应机制，政府部门按照预案迅速行动关键措施包括人员疏散、交通管制、设施加固和救援队伍预置应急预案根据不同灾害类型和强度制定，明确各部门职责和行动程序减灾策略长期减灾措施包括风险区域建筑标准提高、基础设施加固和公众防灾意识教育定期开展灾害应急演练，提高社会整体应对能力完善保险机制，降低灾害经济损失推广韧性城市建设理念，增强城市抵御极端天气的能力农业气象学作物生长条件播种时间监测温度、降水和日照等关键气象因子，基于气候数据和天气预报，优化播种窗评估其对不同生长阶段的影响口，提高出苗率和产量产量预测灌溉管理利用气象-作物生长模型，实现区域和国家结合土壤水分监测和蒸散量计算，制定精层面的作物产量预估准灌溉方案，提高水资源利用效率农业气象学是气象学在农业生产中的应用，对保障粮食安全具有重要意义作物对气象条件有特定需求，温度、水分、光照和二氧化碳浓度直接影响光合作用效率和生物量积累现代农业气象服务利用遥感、无人机和物联网技术，提供田间微气候监测和精准农业决策支持气候变化背景下，农业气象研究重点转向极端天气应对策略和农业系统适应性评估，发展农业气候指数保险，降低农民气象灾害损失风险航空气象飞行安全空中湍流机场运营气象条件是影响航空安全的关键因素，尤晴空湍流是航空气象的重要研究对象，由机场气象台提供精细化的局地天气预报，其是低能见度、强风切变、雷暴和积冰高空急流、山地波和对流活动引起现代包括能见度、云底高、风向风速、降水类航空气象服务提供实时天气监测和预报，湍流预报结合雷达、卫星数据和数值模型等关键要素低能见度程序LVP和跑支持飞行计划制定和空中决策调整中国式，预测湍流的位置、强度和持续时间道视程RVR监测是保障大雾和强降水条民航气象中心每年为超过1100万架次航班机载系统可探测前方湍流，提供提前10-件下安全起降的重要措施终端区域自动提供气象服务20分钟的预警气象站网络实现了机场气象的精准监测海洋气象航海安全海洋气象服务为远洋和近海船舶提供关键安全保障风浪预报、热带气旋警报和海冰监测是航海安全的核心内容船舶路由气象服务能够规划最安全、经济的航线，避开危险天气区域，每年为全球航运业节省数十亿美元成本海况预报波浪模式和潮汐预报系统能够预测重要海域的浪高、波向、波周期和海流状况卫星高度计和浮标网络提供实时海况监测数据，支持海况预报模型运行风暴潮预警系统对沿海低洼地区防灾减灾至关重要渔业生产海洋前沿、上升流区和中尺度涡旋是渔业生产的重要区域，海洋气象服务能够识别这些高生产力区域海表温度异常监测有助于预测鱼群迁移和分布变化海洋环境预报支持科学捕捞，提高捕捞效率，促进渔业可持续发展海上作业海上钻井平台、风电场和水产养殖设施需要精确的海洋气象预报以保障安全运行极端海况预警和撤离决策支持系统是海上作业安全管理的重要工具随着蓝色经济发展，对精细化海洋气象服务的需求不断增长环境监测环境监测是气象与环境科学交叉的重要领域中国已建成全球最大的空气质量监测网络，实现了338个地级以上城市空气质量实时监测卫星遥感技术能够监测大尺度污染物传输和碳排放情况，如中国碳卫星TanSat专门用于监测二氧化碳排放大气污染与气象条件密切相关，污染扩散模型结合气象数据可实现污染过程的预测和溯源生态环境监测网络对气候变化对生态系统的影响进行长期观测，为生态文明建设提供科学支撑灾害风险评估天气相关灾害识别系统识别区域主要天气灾害类型，包括台风、洪水、干旱、热浪、寒潮等分析历史灾害数据，确定灾害频率、强度和影响范围特别关注气候变化背景下新增或加剧的灾害风险风险建模构建灾害风险评估模型，综合考虑灾害危险性、暴露度和脆弱性三个因素利用GIS技术，生成高分辨率风险地图，识别高风险区域和关键基础设施情景分析评估未来气候条件下的风险变化经济损失评估量化灾害潜在经济影响，包括直接损失基础设施、建筑和间接损失营业中断、供应链概率损失评估方法计算不同强度灾害的期望损失行业风险分析评估关键部门农业、能源的脆弱性预防措施设计基于风险评估结果，设计针对性防灾减灾措施工程措施包括加固基础设施、修建防洪设施；非工程措施包括土地利用规划、预警系统和公众教育风险管理战略整合减灾与发展规划，提升社会整体韧性气象数据分析大数据技术统计方法趋势分析气象大数据规模已达EB级多元统计分析技术用于提Mann-Kendall检验和线别，每天新增数据超过取气象数据中的主要模态性回归广泛用于气象要素100TB分布式存储和计和变化规律经验正交函长期趋势评估变点分析算框架Hadoop、Spark数EOF分析识别主要变识别气候跃变和转折点实现了海量气象数据的高率模态，小波分析揭示时滑动平均和低通滤波分离效处理云计算平台支持间序列的周期特征聚类长期趋势与短期波动趋在线分析和可视化，提高分析和模式识别技术用于势分析结果是气候变化归了数据可用性和共享效气象系统分类和特征提因研究的基础数据率取预测模型机器学习算法构建非线性预测模型，如随机森林预测短期温度变化，深度学习识别极端降水模式时间序列模型ARIMA、LSTM适用于周期性气象要素预测贝叶斯网络模型整合专家知识与数据驱动的预测结果气象仪器传感器技术测量精度现代气象传感器采用微电子技术和MEMS工艺，体积小、功耗低、精温度测量精度达到±

0.1°C，湿度±2%，气压±

0.1hPa，风速±

0.2m/s度高多要素一体化传感器可同时测量温度、湿度、气压和风速风向降水测量采用多种技术互补验证，如雨量筒、雨滴谱仪和微波雨量计激光雷达和声雷达等新型遥感仪器能够探测大气三维结构物联网技术地基遥感设备如微波辐射计可提供大气垂直廓线，精度不断提高定标实现了传感器网络化和智能化和校准技术确保长期观测数据的一致性和可靠性数据采集技术发展自动气象站每分钟采集一次数据，通过GPRS、北斗卫星或光纤网络实新一代气象卫星搭载高光谱成像仪，可获取更丰富的大气信息小型时传输数据采集器具备本地存储和智能处理功能，确保在通信中断情化、低成本气象传感器网络大幅提高观测密度人工智能技术用于仪器况下数据安全边缘计算技术在采集端进行数据初步质量控制和压缩，自动校准和故障诊断未来发展方向包括量子传感、生物传感和柔性电提高传输效率云平台实现了数据的集中管理和处理子技术在气象观测中的应用全球气象合作国际组织数据共享科学交流世界气象组织WMO是联合国专门机构，全球气象通信系统GTS是气象数据国际国际气象学与大气科学协会IAMAS组织协调全球气象活动政府间气候变化专门交换的骨干网络世界天气监视网专业学术会议全球气候研究计划委员会IPCC负责气候变化科学评估全WWW整合全球观测系统、通信系统和WCRP协调气候科学研究世界气象大球气候观测系统GCOS确保关键气候变量数据处理系统国际观测数据自由共享是会每四年召开一次，制定全球气象发展战的系统观测中国积极参与国际气象组织数值天气预报的基础中国每天向国际社略中国气象科学家活跃于国际学术舞工作，担任多个技术委员会职务会提供数万条观测数据，同时接收全球数台，发表高水平研究成果，主持多项国际据大科学计划气象教育专业培训公众科普中国设有气象学、大气科学等本科专业的高气象科普馆、科技活动周和世界气象日活校超过30所，每年培养本科生约1000人中动提高公众气象科学素养中小学科学课程国气象局气象干部培训学院提供在职人员培包含天气气候知识各级气象部门通过传统训气象预报员需通过严格的资格认证，定媒体和新媒体开展科普活动，年覆盖人次超期进行技能培训和考核专业人才培养注重过10亿气象科普内容涵盖基础知识、灾害理论与实践结合防御和气候变化研究机构科学传播中国气象科学研究院、国家气候中心等专业专业气象期刊和学术会议促进学术交流气研究机构承担科学研究和人才培养大学气象电视和网络平台实现气象信息的广泛传象学系开展基础研究和交叉学科探索省级播气象科学传播者培训提升传播效果气气象科学研究所聚焦区域性气象问题国家象主题纪录片和科普图书增强公众气象意重点实验室整合科研力量，推进前沿技术研识，推动形成科学理性的社会氛围发未来气象技术人工智能深度学习算法实现高分辨率天气预报降尺度，提高局地预报精度人工智能辅助诊断系统帮助预报员识别复杂天气系统自主学习系统能够不断优化预报模型，减少人为干预计算机视觉技术自动解析卫星和雷达图像，及时识别危险天气特征量子计算量子计算机有望突破传统超级计算机的性能极限，处理更高分辨率的全球模式量子算法可以同时计算多种天气情景，实现更精确的概率预报量子传感技术将彻底改变大气测量方式，实现前所未有的精度和灵敏度尽管技术尚处起步阶段，但潜力巨大卫星技术新一代气象卫星将配备更先进的仪器，如高光谱成像仪和微波干涉仪小卫星星座将实现全球高频次观测，特别是对关键天气系统的连续监测空间激光雷达将提供三维大气结构和气溶胶分布太阳能无人机将在临近空间长期驻留观测预测精度提升未来十年内，7天预报精度有望达到目前3天水平次季节至季节预报将成为业务化产品，支持中长期规划决策极端天气事件预警提前量将增加50%以上高影响天气预报将更加关注影响和风险，而非仅关注气象要素本身气候模拟计算模型全球气候模式GCM是模拟气候系统的主要工具，包括大气、海洋、陆地、冰雪和生物地球化学循环五大核心部分中国自主研发的地球系统模式CAS-ESM能够模拟碳循环和生态系统反馈区域气候模式提供高分辨率区域气候信息，支持适应性决策情景分析代表浓度路径RCP和共享社会经济路径SSP是气候模拟的主要情景框架CMIP6多模式对比计划评估各模式在不同情景下的模拟结果中国学者参与开发了东亚区域特色情景，考虑区域发展特点和政策目标情景分析帮助决策者了解不同发展路径的气候后果长期预测气候模拟可预测大尺度气候模态的长期变化，如厄尔尼诺-南方振荡ENSO、北大西洋振荡NAO减排情景下全球温升可能控制在2°C以内，而高排放情景可能导致4°C以上升温中国区域气候变化表现为北方增温快于南方，西部干旱化趋势明显不确定性评估气候模拟存在三类主要不确定性内部变率、模式响应差异和排放情景不确定性集合模拟技术和多模式平均能够减少单一模式偏差贝叶斯统计方法用于量化预测的可信区间气候敏感度全球温度对CO₂加倍的响应估计在

2.5-

4.0°C范围内区域气候特征大气化学大气成分化学反应污染物监测干洁大气主要成分为氮气

78.1%、氧气大气光化学反应在阳光作用下产生活性自中国实施大气污染物排放总量控制，监测

20.9%和氩气

0.9%温室气体如二氧化由基氮氧化物NOx和挥发性有机物PM

2.

5、PM

10、二氧化硫、二氧化氮、碳约420ppm、甲烷约

1.9ppm和氧化亚VOCs在光照条件下生成臭氧和光化学烟臭氧和一氧化碳等六项指标卫星遥感技氮虽含量微小但对气候有重要影响水汽雾平流层臭氧吸收紫外线，而对流层臭术可监测大尺度污染物分布和输送碳卫含量变化大，从近零到4%不等大气悬浮氧是有害污染物云中水相化学反应导致星等新型观测手段能够监测温室气体排放颗粒物气溶胶影响云形成和辐射平衡酸雨形成，主要由二氧化硫和氮氧化物引源和通量先进分析技术能够识别污染物起化学组成和来源气候正义全球影响发展中国家减排责任气候变化影响在全球分布不均，最脆弱发展中国家面临发展与减排的两难选共同但有区别的责任是国际气候谈判的的地区往往是温室气体历史排放量最少择这些国家往往资源有限，难以应对核心原则发达国家承担更大的减排责的地区小岛屿国家和低洼沿海地区面气候变化带来的挑战适应性能力差，任，同时提供资金和技术支持历史累临海平面上升威胁；撒哈拉以南非洲和对农业依赖度高，使其更易受气候变化积排放与当前排放的平衡是争论焦点南亚面临严重干旱和粮食安全风险极冲击气候融资、技术转让和能力建设碳预算分配涉及代际公平和国家发展权端天气事件对基础设施薄弱的地区造成是支持发展中国家气候行动的关键利，需要综合考虑人均排放、经济发展更大损失水平和减排能力能源与气候73%全球碳排放能源部门贡献了全球73%的温室气体排放，其中电力和热力生产占比最大38%可再生能源占比中国可再生能源发电装机容量占比达38%，居全球第一，风电和光伏装机快速增长60%能效提升潜力到2030年，中国通过能效提升可减少60%的能源消耗增长，是最经济的减排途径2030碳达峰年中国承诺在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，推动能源革命社会经济影响发展策略1绿色低碳发展成为全球共识，转型经济学研究兴起就业变化传统高碳产业就业减少，清洁能源和服务业就业增加产业调整能源、工业、交通等高排放行业深度转型，新兴绿色产业崛起经济损失气候相关灾害每年造成全球约3000亿美元经济损失气候变化对经济发展构成严峻挑战根据IPCC评估，全球气温升高2°C将导致全球GDP损失2-4%，而升高4°C损失可能达10-20%中国作为制造业大国和能源消费大国，面临较大转型压力十四五规划明确提出绿色发展理念，大力发展低碳经济气候政策将重塑能源、工业、建筑和交通等领域投资格局，加速能源革命和产业升级科技创新是低碳转型的关键驱动力，气候技术投资将创造新的经济增长点健康与气候气候变化通过多种途径影响人类健康直接影响包括热浪导致的热应激疾病和死亡率上升，极端天气事件造成的伤亡间接影响则更为广泛，包括媒介传播疾病范围扩大，如疟疾、登革热等；空气质量下降导致呼吸系统和心血管系统疾病增加；粮食安全和营养状况恶化引发营养不良老年人、儿童、慢性病患者和低收入人群是最脆弱群体气候变化健康风险评估已纳入国家适应战略加强早期预警系统、改进医疗卫生基础设施、开展公众健康教育是主要应对措施气象创新1技术突破高性能计算与深度学习相结合，实现AI+物理混合预报模式新型传感网络与物联网技术融合，构建透明大气立体观测系统量子气象卫星和临近空间飞行器开发取得进展，将拓展观测维度分米级降水预报和分钟级预警系统投入业务应用，预警精准度显著提升2科研方向气象-生态-社会复合系统模拟成为研究热点次季节至季节预测技术取得突破，填补短期与长期预报空白极端天气事件归因研究深入开展，量化人类活动对特定事件的贡献气候工程地球工程研究谨慎推进，评估人工干预气候的可行性和风险3产业发展气象服务市场规模快速增长，专业化和个性化服务兴起气象金融产品如天气衍生品和气象指数保险创新发展气象大数据与各行业深度融合，催生新型商业模式气象装备制造业走向高端化，国产化率持续提高，部分领域实现技术引领4创新生态气象科技体制改革深化，创新激励机制完善国际科技合作加强，参与全球气象科技治理产学研用一体化创新平台建设加速，形成良性创新生态人才培养模式创新，跨学科复合型人才成为气象科技创新主力军跨学科研究气象学地理学研究大气运动规律和天气变化，是核心学研究地形对局地气候的影响和气候的地理科分布生态学物理学研究气候与生态系统的相互作用和反馈机提供理解大气运动和辐射传输的基础理论制现代气象科学已发展为高度跨学科的领域除了传统的地球科学分支外，数学和计算机科学为数值模拟提供了强大工具；化学在理解大气成分变化和污染物转化中发挥关键作用；海洋学与气象学紧密结合，共同构成气候系统研究基础；社会科学帮助评估气象灾害风险和提高预警效果；经济学用于分析气候变化的成本和气象服务的价值跨学科研究项目如气候与碳中和、城市气象与健康等成为热点，需要多学科专家协作未来气象人才培养将更加注重跨学科背景，培养既懂气象科学又懂相关学科的复合型人才气象big data数据采集气象大数据来源广泛，包括全球气象观测网络、遥感卫星、雷达网络、数值模式、物联网传感器和众包数据中国气象局每天产生超过100TB原始观测数据，卫星数据量更是达到PB级高分辨率数值模式输出数据体量巨大，单次全球模式运行可产生数TB数据多源异构数据整合是气象大数据的特点存储技术分布式文件系统如HDFS用于存储海量气象数据面向对象存储技术适合处理多媒体气象数据如雷达和卫星图像时间序列数据库优化气象观测数据的时序查询性能中国气象数据云存储容量已超过400PB，支持在线数据服务和分析处理分析方法MapReduce和Spark框架用于并行处理大规模气象数据深度学习技术在图像识别和时序预测中表现优异知识图谱技术整合气象领域知识，支持智能检索和推理气象大数据分析平台实现数据、算法和计算资源的有效结合，提供一站式分析服务应用场景精准天气预报利用大数据提高预报精度和分辨率气象灾害风险评估整合多源数据，生成高精度风险地图气候变化研究通过长时间序列数据分析揭示变化规律个性化气象服务基于用户位置和行为数据，提供定制化信息推送气象伦理科学责任数据使用气象科学家对预报准确性和及时性负有责任，特别是在灾害性天气预警中气气象数据的公开性与安全性需要平衡敏感气象数据管理需遵循安全规范个候科学家在气候变化研究中需保持科学严谨性，同时积极参与公众交流科学人位置数据在提供精准气象服务时需注意隐私保护跨国气象数据共享需尊重诚信和同行评议是气象科学健康发展的基础气象从业人员需坚守以人为本的各国数据主权人工智能技术应用中应防止算法偏见，确保预报和服务的公平理念，将保障生命安全放在首位可及研究准则社会影响人工影响天气实验应遵循谨慎原则，充分评估环境影响气候工程研究需慎重气象服务应公平可及，确保弱势群体获得充分气象信息气候政策制定应兼顾推进，综合考虑全球气候系统复杂性动物实验在气象生物学研究中需遵循动不同社会群体利益，避免气候正义问题气象教育普及需尊重不同文化背景和物福利原则气象实验中涉及人类参与者时需获得知情同意跨境气象实验需知识传统气象媒体传播应避免夸大或淡化风险，提供准确平衡的信息进行充分国际沟通公民科学公众参与数据收集科学教育气象领域公民科学项目快速发展，如天空个人气象站网络为专业气象机构提供补充参与式气象观测是科学教育的有效途径，观察者云观测项目已吸引超过10万志愿数据，特别是在观测网稀疏地区社区降培养学生的观察力和数据分析能力气象者智能手机应用程序允许公众提交天气水观测网络在洪水预警和水文模型验证中科普讲座和工作坊帮助公众理解复杂气象观测数据，如气压、温度和降水照片这发挥重要作用公民科学数据经过质量控现象和气候变化科学线上气象学习平台些项目不仅扩大了观测网络覆盖，还增强制后，可用于提高局地天气预报精度和极如气象开放大学提供免费课程，降低科了公众对气象科学的理解和参与度端天气研究观测协议和设备标准化是保学知识获取门槛教育资源开发注重趣味证数据可用性的关键性和科学准确性的平衡全球气候治理国际公约技术合作《联合国气候变化框架公约》1992年、《京都议定书》1997年和《巴气候技术中心和网络CTCN促进气候友好型技术转让南南合作和三黎协定》2015年构成国际气候治理的法律框架这些协议逐步从原则方合作成为技术转让的重要模式中国积极分享清洁能源和生态修复技性约束发展为具体减排承诺，反映了全球气候治理进程的演进国际气术经验绿色气候基金GCF为发展中国家气候技术应用提供资金支象组织WMO和IPCC为气候公约提供科学支持持知识产权保护与技术扩散需要平衡减排目标共同行动《巴黎协定》确立了将全球升温控制在2°C以内，努力限制在

1.5°C的长非国家行为体如城市、企业和民间组织在气候行动中发挥越来越重要的期目标各国根据自身国情提交国家自主贡献NDC，设定具体减排目作用全球气候行动平台整合多利益相关方倡议跨国碳市场逐步连标中国提出双碳目标2030年前碳达峰，2060年前碳中和国际接，形成全球碳定价机制气候外交成为国际关系重要组成部分，气候社会每五年进行一次全球盘点，评估集体进展变化已成为G20和联合国安理会议题气象前沿最新研究科技突破未来趋势人工智能与气象学的深度融合正在改变新型卫星观测技术如微波干涉辐射计实天气预报将从要素预报向影响预报转传统预报模式研究表明，深度学习模现了大气三维结构高精度观测分布式变，直接预测气象对社会经济系统的影型在短期天气预报中已能与数值模式相传感网络结合边缘计算技术，构建智慧响气候服务将更加个性化和场景化，媲美，而计算效率提高百倍以上跨尺气象基础设施量子传感和低温超导技融入各行业决策过程天气-健康监测系度天气-气候一体化模拟实现了从天到年术在气象仪器领域取得突破，实现前所统将整合气象和健康数据，提供个人化的无缝隙预测微观湍流与宏观天气系未有的测量精度生物气象传感器利用健康风险预警气象区块链技术将保证统的多尺度耦合机制研究有望突破长期植物或微生物对环境变化的敏感性，开气象数据的可信度和溯源性，促进数据预报瓶颈辟了生物气象监测新途径共享和应用创新气象科技展望未来十年，气象科技将迎来革命性变革观测系统将向全时空覆盖演进，低轨卫星星座和平流层飞艇将实现分钟级全球观测数值预报模型分辨率将提高到千米级甚至百米级，精确模拟城市尺度天气系统量子计算与AI深度融合，预报精度和提前量将大幅提升边缘计算和5G/6G技术支持的分布式预报系统将实现万物皆可预报气候干预技术研究将谨慎推进，为应对气候危机提供技术储备国际合作将更加紧密，特别是在气象数据共享、技术标准和全球观测系统建设方面总结与启示天气系统复杂性科技创新重要性人类社会责任未来发展方向大气是混沌系统，微小变化可能导跨学科合作和技术突破推动气象科理解和保护气候系统是全人类的共智能化、精准化、服务化将是气象致巨大差异学不断发展同责任事业发展趋势通过本课程的学习，我们认识到大气科学的深刻复杂性和系统性，了解了天气系统的形成机制和预测方法气象科学已从传统的经验观测发展为精密的数值模拟和智能预测，技术进步极大提高了预报准确率同时，我们也认识到气候变化对地球系统的深远影响，以及人类活动在其中扮演的角色天气与气候不仅是自然现象，更与人类社会经济发展密切相关未来，气象服务将更加智能化和个性化，更好地服务于社会各领域需求结束语天气预测的意义天气预测不仅是科学技术的体现，更是人类生存和发展的基础保障从古代的仰观天象到现代的数值预报，人类对天气的理解和预测能力见证了科学的进步精准的天气预测每年为全球经济带来数万亿元的价值，挽救无数生命，是人类最成功的科学应用之一科学探索精神气象学的发展凝聚了无数科学家的智慧和汗水从布鲁克纳的天气图到比约克内斯的气团理论，从洛伦兹的蝴蝶效应到今天的地球系统模式，科学家们不断突破认知边界，揭示大气运动规律这种不懈探索的科学精神值得我们传承和发扬人类与自然和谐天气和气候研究让我们更加敬畏自然，认识到人与自然的密切联系人类活动正在改变气候系统，而气候变化又反过来影响人类社会只有尊重自然规律，走可持续发展道路，才能实现人与自然的和谐共生，建设美丽地球家园共同面对气候挑战气候变化是人类面临的共同挑战，需要全球协作应对气象科学为我们提供了理解和预测气候变化的工具，政策制定者、科学家和公众需要共同行动每个人都可以成为气候行动的参与者，为地球的可持续未来贡献力量。