§1.2 天气系统

我国古代就有对天象的观测。天象包括晴空时对银河系和太阳系中恒星、行星的观测与描述，甚至提高到对星座的描图等科学活动。晴空下古代观测多变的是那些光学效应，如彗星运行的状况，日、月食和极光等。阴雨天观测不到天象，正好观测和记录下天气状况。在没有仪器的时代，人眼的观测只是在观测者的天顶上空发生的天象和天气现象，其内容还不全是天气系统的反映。生命期为几个小时的一个积云的发展过程，可以认为是当时能够观测到的天气系统了。这个被人们最早观看到的天气系统仍然是现代科学发展进程中的最好例子。Lorenz（1963）就是以积云这样的系统作为研究对象的。三国时期，诸葛亮能够借东风就是利用了江淮气旋这个系统整体移动导致的风向在局地的转变。从1672年，即300多年前我国就有所谓的“晴雨录”的记载，但是并没有从系统的角度来描述天气现象或过程。

自从电报发明之后，各地的观测资料可以进行及时的传输，这就为二维天气图分析和天气预报提供了条件。英国从1861年开始引入天气图，接着各国先后开展了天气图的分析，形成了天气学的发展。当时，观测的站点资料虽然很少，但大范围天气系统运动的风场和气压场形势可以刻画了。有了描述这些系统变化的天气图，天气现象就可以用外推法做预报。这是首次对天气的描述使用了系统的概念。

通过大约20～30年的天气图分析，人们已经能够总结出气旋的天气图模式。这个模式指出，当气旋来临之前，天气良好，随着气旋的接近，天气逐渐变得灰蒙蒙，而且闷热，天气从卷层云逐渐变为层积云，云量增多，最后变为阴天与混乱天空，然后出现零星阵雨、毛毛雨，再后来出现飑线与阵雨。当气旋过后，天气转凉爽，云层变高变薄，最后出现蓝天。过去100多年来，随着观测资料的增多和积累，各种天气系统和天气现象的模型不断被充实与完善。天气图模式是对真实天气系统的抽象和概括，即模式系统，它并不等于某一次天气系统。

由于无线电探空技术的发展，使得人们对高空气象的状况有了进一步了解。1933年前后，已有足够多的高空观测资料，可以用来分析高空天气图。英国和美国先后开始分析高空等高面天气图，而德国的Scherhag等人于1935年开始采用等压面天气图来分析高空形势，一直到1945年，才由联合气象委员会决定，统一采用高空等压面来绘制与分析高空形势图。从此，天气系统的描述进入到了三维空间阶段，也相继出现了三维的天气图模式。1939年，Rossby根据大量的天气图资料，分析了大气中的半永久活动中心与高空波动的关系，指出气旋或反气旋是在高空波动的特定位置下发展起来的，并对高空波动的移动作了理论分析。他指出，由于旋转大气中β作用，使大气波动具有特殊的性质，这种波动的移动、静止与天气过程有密切关系，这种波动后来称为大气长波或Rossby波。可见，观测向三维空间的拓展，建立了天气学的空间模型，同时推动了动力学的发展和天气预报水平的提高。

对海洋的观测也是由沿岸和岛屿水域的直接观测发展到对整个海域和深层海洋的观测的，对海洋环流及其结构有了较多的认识。但是，地质上的观测就艰难得多。这正是，“上天有路，入地无门”。探测上的障碍或仅仅零星的观测很难建立一个理论上的模型。这也正是到目前为止地质学上或构造学上尽管理论很多，但说服力较弱的原因。

天气是短时间（几天）内的大气运动及其现象的特征。这一时间内的大气运动主要是指与人类活动有关的局地风向、风速。描述的现象也是与人们的生产、生活有关的各种天气现象，如降水，还要指出降水的量级（小雨、中雨、大雨、暴雨）和降水范围等。天气一般包含7个基本要素：气温、气压、湿度、云、降水、能见度和风。除了对天气的直观定义外，还有一个气象学的定义：天气是与中尺度-天气尺度（200～2000km）系统的生消和移动相联系的。因此，天气系统的移动速度和生命期，决定了局地天气变化的时间尺度。一般来说，夏季天气尺度系统的生消和移动比冬季的快，因而前者的天气变化也较快。作为特例，如某一天气系统维持在某一地区达一个月之久，则在这一个月内天气现象天天如此，于是这个月是这个天气系统的时间尺度。天气的时间尺度取决于天气系统的生消和移动。

我们实际面对的天气现象和天气系统维持的时间有长有短，空间尺度有大有小。从时间和空间上把这些天气和系统区分开，是从热力学和动力学上研究这些天气现象的需要。有时，我们也可以把这些不同的时间尺度和空间尺度理解为天气现象和天气系统的层次。比如，行星尺度锋（front），锋上波动发展成的气旋（cyclone），气旋内部的雨带，雨带内的对流单体，它们依次形成了空间尺度上的降次的层次关系。再比如，赤道辐合带上的台风（typhoon），台风中的螺旋雨带，雨带中的对流单体等。一般来说，天气系统的空间尺度越大，维持的时间也越长。

可取低压系统或高压系统占据的范围作为比较的尺度。在时间和空间尺度上，气旋的半径，大约为数百千米到数千千米，持续时间大约为数天到数周。对于积云，它的水平范围只有数千米到数十千米，其持续时间也只有数小时到半天。可见，气旋与积云的时间尺度和空间尺度都是不同的。由于不同时空尺度的天气系统具有不同的动力学特性，因而，气旋的发生、发展机制与积云的发生、发展机制也是不同的。

在中高纬度地区，低层大气天气系统的水平尺度与时间尺度概括起来如表1.2.1所示，中、高层大气扰动的空间尺度与时间尺度如表1.2.2所示。由这两个表可见，不论在高空还是在地面，天气系统的空间尺度越小，持续时间即时间尺度也越短，而其强度一般来说也越大。当然，这些天气系统的划分和时空尺度划分也不是绝对的，表1.2.3给出的是另一类比较简单的划分。

表1.2.1 地面附近天气系统的水平尺度与时间尺度特征（Fujita,1986）

表1.2.2 中、高层大气扰动的空间尺度与时间尺度特征（Fujita,1986）

表1.2.3 天气系统的空间尺度和生命期

由于天气的分布和变化是与天气系统的位置和移动有关的，天气系统的预报就成为天气预报的基础。天气预报在时效上可分为短时（或临近）预报、短期预报和中长期预报。不同的预报时效要求的预报目标应该是不同的。短时预报是要报出未来几小时内是否出现几千米到几十千米的天气系统和对应的强烈天气现象。短期预报是要报出未来3～5天内每天可能出现的雨雪量和变温幅度。中长期预报准确地说就是天气过程的预报，是要预报未来1～3周内可能出现的持续天气过程。因此，用日降水量评估短时预报和评估中长期预报都是不恰当的。要预报这三种时间尺度的天气就要针对它们的天气系统，采用对应的预报方法。

影响中国冬半年的天气系统，多数与西风带来的冷空气活动有关，于是在短期时效内预报用的天气图底图和预报着眼点在中国的西北方。有限区域的数值预报也把这个模式系统的区域向上游扩展到欧亚地区。夏季，影响中国的环流和天气系统主要来自南方的季风环流和热带气旋活动，我国天气预报的底图和有限区域数值预报的范围也扩展到了热带和太平洋地区。随着计算机能力的提高和技术的发展，现代短期天气预报的模式范围已经从区域扩展到半球和全球。一个区域模式有周边界和上、下边界，半球模式一般以赤道为边界，全球模式也还有上、下边界。这些模式系统的范围是依据一定的假定条件确定的，如在预报时效内边界条件的变化不会严重地影响模式系统内天气系统的变化。