第三章-氣團和鋒

1、.第三章 氣團和鋒第一節(jié) 氣團3.1.1 氣團的概念氣團是指這樣一團空氣，即是指氣象要素（主要指溫度和濕度）水平分布比較均勻的大范圍的空氣團。在同一氣團中，各地氣象要素的垂直分布（穩(wěn)定度）幾乎相同，天氣現(xiàn)象也大致一樣。氣團的水平尺度可達幾千公里，垂直范圍可達幾公里到幾十公里，常常從地面伸展到對流層頂。這種性質幾乎一樣的氣團是如何形成的哪？首先，性質比較均勻的廣闊地球表面，是氣團獲得比較均勻屬性的首要條件?？諝庠谛再|比較均勻的廣闊地球表面上空停留或緩慢移動，通過大氣中各種尺度的湍流、系統(tǒng)性垂直運動、蒸發(fā)、凝結和輻射等物理過程與地球表面進行水汽和熱量交換，經(jīng)過足夠長時間交換才能獲得下墊面的溫度、濕

2、度和穩(wěn)定度等物理屬性?？諝膺\動對氣團的形成也有很大影響。下沉輻散運動可以使大氣中溫度、濕度的水平梯度減小，增加大氣中溫、濕特性的水平均勻性。穩(wěn)定的環(huán)流使空氣能較長時間地緩慢移動在溫、濕特性比較均勻的下墊面上，使空氣能夠有足夠長的時間取得下墊面溫、濕特征。具有形成氣團溫、濕屬性比較均勻條件的地區(qū)稱為氣團源地。當氣團在廣大的源地上取得大致與源地相同的物理屬性后，離開源地移至與源地性質不同的下墊面時，二者間又產(chǎn)生了熱量與水分的交換，則氣團的物理屬性又逐漸發(fā)生變化，這種變化稱為氣團變性。3.1.2 氣團的分類（1）地理分類法按照發(fā)源地的緯度分類北極氣團：北極地區(qū)全年都是冰雪覆蓋的北冰洋，下墊面性質較均

3、勻，盛行反氣旋環(huán)流，在這個地區(qū)上形成的氣團稱為北極氣團（或冰洋氣團）。極地氣團：靠近極圈的高緯廣大地區(qū)（冬半年為冰雪覆蓋，夏季冰雪覆蓋區(qū)僅限于極圈附近），冬季受反氣旋環(huán)流控制，夏季亦有弱輻散，在這個地區(qū)上形成的氣團稱為極地氣團。精品.熱帶氣團：在副熱帶高壓及其以南的廣大信風區(qū)內形成的氣團稱為熱帶氣團。赤道氣團：赤道地區(qū)形成的氣團稱為赤道氣團。氣團又有大陸性與海洋性之分，這時根據(jù)氣團內部的濕度高低來區(qū)分。（2）熱力分類法：根據(jù)氣團的溫度和氣團所經(jīng)過的下墊面溫度對比來劃分的。冷氣團：當氣團向著比它暖的下墊面移動時稱為冷氣團。冷氣團所經(jīng)之處氣溫將下降。暖氣團：當氣團向著比它冷的下墊面移動時稱為暖氣團

4、，所經(jīng)之處氣溫將升高。3.1.3 氣團的發(fā)源地冷氣團主要生成于西伯利亞、加拿大北部、北極地方、鄂霍茨克海以及南極大陸等。冬季停留在被雪和冰覆蓋的地表面上，由于輻射冷卻，地面附近的氣溫顯著下降。暖氣團主要在亞熱帶高壓圈內生成。如南北兩半球的太平洋、大西洋等的亞熱帶海洋、夏季的歐亞大陸、非洲北部、美國西部、澳大利亞，還有北半球冬季的北非以及南半球冬季的澳大利亞和非洲南部。第二節(jié) 鋒3.2.1 鋒的概念若想理解鋒的概念，首先要了解鋒面、鋒區(qū)和鋒線。在大氣科學中，一般將在熱力學場和風場具有顯著變化的狹窄傾斜帶定義為鋒面，它具有較大的水平溫度梯度、靜力穩(wěn)定度、絕對渦度以及垂直風速切變等特征。從氣團概念來

5、看鋒面，鋒面可以定義為冷、暖兩種不同性質氣團之間的過渡帶，這種傾斜過渡帶稱為鋒區(qū)。鋒面與地面相交的線，叫做鋒線。習慣上我們把鋒面和鋒線統(tǒng)稱為鋒。3.2.2 鋒的尺度和結構精品.鋒區(qū)的水平寬度約為幾十公里到幾百公里，一般是上寬下窄，在天氣圖上只是一條線。鋒面隨高度向冷區(qū)傾斜，暖空氣在上面，冷空氣在下面。沿鋒面的尺度（鋒面長度）一般為10002000公里。沿鋒面這一維，屬于中a尺度（200-2000km）；而跨鋒面這一維，屬于中b尺度（20-200km）；鋒面在垂直方向上的厚度應屬于中g尺度，一般大約1-2km，為淺層系統(tǒng)。3.2.3 鋒的分類對鋒分類可有幾種方法：（1）根據(jù)鋒在移動過程中冷暖氣團

6、所占有的主次地位，可將鋒分為：冷鋒、暖鋒、準靜止鋒和錮囚鋒。在天氣分析當中，這類分類用得最多。（2）根據(jù)鋒在垂直方向上的伸展高度，可分為地面鋒和高空鋒。（3）根據(jù)鋒面兩側不同性質氣團來源的地理位置不同，可將鋒分為冰洋鋒、極鋒和赤道鋒。在這里，我們主要介紹冷鋒、暖鋒、準靜止鋒和錮囚鋒。冷鋒：鋒面移動過程中，冷氣團起主導作用，冷氣團推動暖氣團向暖氣團一側移動，這類鋒面稱為冷鋒。一般在冷鋒過境時，氣溫會下降。暖鋒：鋒面移動過程中，暖氣團起主導作用，推動冷氣團向冷氣團一側移動，這類鋒面稱為暖鋒。一般在暖鋒過境時，氣溫會升高。準靜止鋒：當冷、暖氣團的勢力相當時，鋒面的移動十分緩慢或相對靜止，這種鋒面稱為

7、準靜止鋒。實際工作中，經(jīng)常將6小時間隔內，鋒面位置變化小于一個緯距的鋒面定為準靜止鋒。錮囚鋒：由冷鋒趕上暖鋒或者兩條冷鋒迎面相遇疊并而成的鋒面稱為錮囚鋒。在錮囚過程中，冷鋒的上側的暖空氣被抬離地面上升，凌駕在上空。如果冷鋒后的冷空氣團比暖鋒前的冷空氣團冷，稱之為冷式錮囚鋒；如果冷鋒后的冷空氣團比暖鋒前的冷空氣團暖，稱之為暖式錮囚鋒；如果冷鋒后的冷空氣團與暖鋒前的冷空氣團的溫差較小，稱之為中性錮囚鋒。兩條鋒面在空間的交接點，稱之為錮囚點。鋒的分類如圖1.3.1和1.3.2所示。精品.地面鋒主要指鋒面垂直方向的伸展位置主要位于大氣低層。地面鋒一般認為是在水平面氣壓圖上的一個強的水平溫度梯度帶。它經(jīng)

8、常與降水相關聯(lián)，可造成局地的強烈天氣，同時可以為更小尺度的天氣系統(tǒng)的不穩(wěn)定發(fā)展提供一個背景場。高空鋒主要指位于對流層上層的鋒面。它與急流和急流軸相伴隨。它對從中緯度氣旋到對流尺度的天氣系統(tǒng)中的強迫垂直運動起著十分重要的動力作用。另外，高空鋒為對流層與平流層之間的物質和能量等垂直輸送起著重要作用。3.2.4 鋒面附近氣象要素場的特征（1）鋒面附近溫度場的特征圖1.3.1 鋒的分類(a)冷鋒；（b）暖鋒；（c）準靜止鋒在同一等壓面或等高面上鋒區(qū)內的等溫線特別密集，密集程度越強，表示鋒面愈強。因為暖空氣團的溫度比冷空氣團的溫度高，所以在鋒區(qū)內出現(xiàn)了“下冷上暖”的逆溫或等溫現(xiàn)象，稱之為鋒面逆溫。如圖1

9、.3.3所示。圖2.2圖1.3.2 錮囚鋒的分類(a) 冷式；（b）暖式；(c) 中性(b)精品.圖1.3.3 鋒面附近的等溫線和等位溫線垂直分布（2）鋒面附近氣壓場的特征在地面圖上，一般鋒面位于氣壓槽中，等壓線通過鋒面時呈氣旋式彎曲，折角指向高壓，也即指向遠離氣旋的方向。如圖1.3.4所示。圖1.3.4 鋒面附近氣壓場的特征（3）鋒面附近風場的特征 由于地面鋒位于氣壓槽內，鋒線附近的風場具有氣旋性切變，而地面摩擦作用可使這種氣旋性切變更加明顯。同時，地面摩擦導致鋒線附近強的風場輻合。鋒面附近的風場氣旋性切變包括風速切變和風向切變。有些情況下，風速切變比風向切變明顯，有時風向切變比風速切變明顯

10、，有些情況下兩者都非常明顯。圖1.3.5表示鋒附近常見的幾種氣壓場與風場的型式。圖2.5圖1.3.5 鋒附近常見的幾種氣壓場與風場的型式3.2.5 鋒面氣旋的概念鋒面氣旋是指在氣旋中有鋒面，溫度場是不對稱的。一般在中高緯的氣旋大都是鋒面氣旋。鋒面氣旋的天氣都產(chǎn)生在鋒面附近。精品.也有的氣旋中并不存在鋒面，這類氣旋叫做無鋒面氣旋，如熱低壓，高空冷渦和熱帶氣旋等。3.2.6各類鋒面所伴隨的天氣特征（1） 冷鋒前壞天氣當700mb高空槽線位于地面鋒線附近或鋒前時，鋒前由較遠處向鋒線一般依次出現(xiàn)下列云系：卷云-卷層云-高層云或復高積云-降水性高層云或雨層云或層積云等。高空槽和冷鋒過后，偏北風加大，云層

11、變薄，天氣即轉好。若冷鋒前的暖空氣比較干燥，則鋒前后均無云，鋒面過境只出現(xiàn)風沙或吹雪，這種鋒也稱為干冷鋒。在夏半年，暖空氣層結不穩(wěn)定時，由于鋒面猛烈抬升，鋒前可形成積雨云并伴有雷陣雨天氣。冷鋒前壞天氣的云系如圖1.3.6和圖1.3.7所示。圖1.3.7 夏半年第二型冷鋒天氣示意圖圖1.3.6 冷鋒前壞天氣的云系（2） 冷鋒后壞天氣當700mb的高空槽線落在地面鋒線的后面時，如果暖空氣比較濕而穩(wěn)定，則鋒前的天氣由晴轉為多云（中高云）天氣，冷鋒過后，風雨交加，700mb高空槽過后大于即停，轉為中云天氣，待500mb高空槽過后才會轉為晴或高云天氣。圖1.3.8 冷鋒后壞天氣的云系但在高寒地區(qū)，如嚴冬

12、季節(jié)在東北和西北地區(qū)，鋒上僅有卷層云，也有降雪。如果暖空氣已層結不穩(wěn)定，則在雨層云中可能發(fā)展成積雨云和雷陣雨天氣。精品.冷鋒后壞天氣的云系如圖1.3.8所示。（3）暖鋒天氣降水發(fā)生在鋒前還是鋒后，主要看暖鋒低空的輻合強度和高空槽線的位置而決定。若暖鋒低層輻合明顯，且700mb槽線或氣旋式曲率大的地方大致在地面暖鋒上空，則暖鋒前降水較大;若700mb槽線或氣旋式曲率大的地方在暖鋒后很遠，而暖鋒上空的700mb等高線又具有反氣旋曲率，則降水將在暖區(qū)發(fā)展。同樣，若暖空氣層結不穩(wěn)定，暖鋒上也可發(fā)展積雨云和雷陣雨天氣；相反，當暖空氣很干燥，水汽含量很少時，鋒面上可能只有中高云、甚至無云出現(xiàn)。圖1.3.9

13、 暖鋒的云系暖鋒云系如圖1.3.9所示。（4)準靜止鋒準靜止鋒云系可分為兩類：一類是無降水或僅有層積云和雨量極小的零星降水。它們多半處在高壓控制下，鋒上暖空氣中沒有顯著的云，在鋒面穩(wěn)定層下有冷濕空氣沿地形抬升而形成層積云，鋒上暖空氣較干，沿鋒面則沒有明顯的云系出現(xiàn)。圖1.3.10 準靜止鋒云系另一類是有顯著的降水，鋒上暖空氣有較強的上升運動，因為靜止鋒往往坡度較小，暖空氣要滑升到距地面鋒線一段距離才能有明顯的降水，降水區(qū)不一定從地面鋒線開始；但若鋒面坡度稍大，地面輻合又強，降水區(qū)就可從鋒線開始，雨區(qū)北界位置往往與700百帕切變位置一致。準靜止鋒停滯某地區(qū)時，就使該地區(qū)產(chǎn)生連陰雨天氣。精品.準靜

14、止鋒云系如圖1.3.10所示。（5）錮囚鋒錮囚鋒是由冷鋒趕上暖鋒或是兩條冷鋒迎面相遇，把暖空氣抬到高空而在原來鋒面下面又形成新的鋒面。它的云系也是由兩條鋒面的云系合并而成，所以天氣最惡劣的地區(qū)及降水區(qū)多位于錮囚鋒附近，云系多為高層云（雨層云）、復高積云和層積云等。降水區(qū)的寬度，一般從地面鋒線至700mb槽線。當錮囚鋒隨時間推移時，由于暖空氣被抬升的高度越來越高，云底高度也就越來越高，云越來越薄，而鋒下的錮囚鋒面上所形成的新云系就獲得發(fā)展。錮囚鋒云系如圖1.3.11所示。圖1.3.11暖式錮囚鋒天氣(a)和冷式錮囚鋒天氣（b）3.2.7 鋒生和鋒消鋒生一般是指密度或溫度不連續(xù)形成的一種過程，或者

15、是指已有一條鋒面存在，其密度（或溫度）水平梯度增大的過程。鋒消是指與鋒生過程相反的過程。鋒生函數(shù) ，|表示位溫水平梯度的絕對值。選擇x軸平行于鋒（或鋒生線），則 ；y軸由冷空氣指向暖空氣，即由位溫低值指向位溫高值且與等位溫線垂直，所以 。 f0 表示鋒生 f0 表示鋒消 鋒生的條件 鋒消的條件精品.（1） 平流在鋒生中的作用下圖為平流鋒生的流場分布。圖1.3.12 水平風速匯合時的鋒生圖中w表示位溫，1 2即對應t10）；若垂直速度自低溫一側向高溫一側增大時，則有鋒消作用（f30，則有鋒生作用；若運動場中上升運動自低溫一側向高溫一側減小時，f30，則有鋒消作用。（3） 非絕熱加熱當w 隨著時間

16、增大（存在非絕熱加熱過程）時，若加熱向暖空氣一邊增大或加熱向冷空氣一邊減小時，f1 0，則有鋒生；這樣，以暖空氣加熱，冷空氣冷卻最為有利。當w 隨著時間減小時，若降冷向暖空氣一側增大或降冷向冷空氣一側減小時，f1 0，即鋒消。實際大氣中，太陽輻射，水汽蒸發(fā)或凝結等都屬于非絕熱過程。在近地面層影響鋒生鋒消的主要因子是非絕熱加熱過程，并且以太陽輻射過程和邊界層的熱傳遞為主。而在對流層低層，水平運動是鋒生的主要因子，垂直運動較小，占次要地位。在對流層中層，水平匯合和垂直運動項對鋒生鋒消同等重要。在大氣層結穩(wěn)定和沒有凝結的情況下，垂直運動起著鋒消作用；凝結潛熱釋放一般起鋒生作用。在對流層高層或對流層頂

17、，水平匯合是鋒生鋒消的重要因子。自由大氣中飽和凝結潛熱釋放對鋒生有重大作用。潛熱釋放主要集中在鋒區(qū)暖空氣一側，有利于鋒生，這種過程可以抵消暖空氣絕熱上升冷卻而造成不利于鋒生的作用。第三節(jié) 氣團、鋒、鋒面氣旋、急流的相互聯(lián)系3.3.1 高低空流型的變化和系統(tǒng)的相互配置地面閉合系統(tǒng)到高空變?yōu)椴盍餍?，可由高空等壓面圖上等高線彎曲曲率最大并且風向氣旋性切變最明顯的地方可定出高空槽線位置，則高空槽前對應著地面上的鋒面氣旋（低壓），高空槽后則對應著地面冷高壓。精品.3.3.2 低壓軸線隨高度的變化地面鋒面氣旋中心（即地面低壓中心）與高空槽區(qū)低值中心的連線叫做低壓軸線，它是隨高度向冷區(qū)傾斜的。3.3.3

18、急流軸的分析等壓面上等高線密集帶可近似代表等壓面上最強風速帶或急流的分布，等高線越密集，表示急流越強。由等高線密集帶中間點連線可表示急流軸的大致位置。嚴格講，應以急流中心所在高度等壓面上實測風最大中心連線表示。3.3.4 鋒區(qū)的分析圖1.3.15 上下層流場（氣壓場）和平均溫度場的相互關系示意圖（粗實線為下層流場，細實線為上層流場，虛線為平均溫度場，a、b點分別為冷、暖平流場強處，mn線為平流零線）等壓面上等溫線密集帶代表高空鋒區(qū)，等壓面上的等溫線就是等線，在干絕熱過程空氣質點值是保守的，所以空氣質點基本上沿著等線（等壓面上等溫線）運動。假定鋒面近似是一物質面，則鋒區(qū)上、下界的位置基本上沿一條

19、等溫線（按2c間隔），考慮存在非絕熱過程，故等壓面上鋒區(qū)上、下界可穿過一至兩根等溫線。在高空探空站稀少地區(qū)，鋒區(qū)分析應與地面鋒相一致，即高、低空鋒區(qū)應基本相平行。此外，等壓面上高空鋒區(qū)與急流軸的位置大致相近，因急流中心位于水平溫度梯度最大地區(qū)的上空。3.3.5 冷暖平流分析冷暖平流最強地區(qū)位于等高線和等溫線密集處以及兩者交角最大的地方，即鋒區(qū)和急流附近斜壓性最強。等壓面圖上平流零線定在等高線和等溫線平行的地方。精品.以上分析如圖1.3.15所示。3.3.6全球和我國主要的鋒生地帶氣團是指幾千公里范圍內氣象要素和天氣現(xiàn)象分布均勻的空氣團，兩氣團之間的界面即是鋒面，水平尺度也是幾千公里。半球范圍內

20、，鋒區(qū)有的地區(qū)清楚，有的地區(qū)不清楚，但繞半球可連成一個帶，即等溫線密集的地區(qū)，稱為行星鋒區(qū)。北半球有兩支行星鋒區(qū)，稱極鋒鋒區(qū)（北支鋒區(qū)）和副熱帶鋒區(qū)（南支鋒區(qū)）。與之相對應的是極鋒急流和副熱帶急流，即北支急流和南支急流。其中北支急流又可以分成二支急流。我國鋒生地帶主要有兩個，一個在華南到長江流域之間，一個在河西走廊到東北、內蒙之間，稱為南方鋒生帶和北方鋒生帶，與南北兩支鋒區(qū)相對應。它們隨季節(jié)變化而南北位移。自春到夏，鋒生帶逐漸北移，自夏到冬，則逐漸南移。北方鋒生帶以冷平流過程為主，地面圖上表現(xiàn)為新的冷高壓和變性冷高壓之間的水平匯合，冷鋒鋒生前地面上常有明顯的3小時正變壓中心出現(xiàn)。華南地區(qū)鋒生（

21、南支鋒區(qū)）先是暖平流過程起作用，地面圖上常有明顯的氣旋性風切變出現(xiàn)和雨區(qū)發(fā)展，而后冷平流起作用，表現(xiàn)為新南下的冷高壓和海洋變性高壓之間的水平匯合。黃河到長江流域之間（3040n一帶）地區(qū)是鋒消地區(qū)。所以，冷鋒南下的過程中，往往先是鋒消，到華南后再鋒生。我國鋒面氣旋的生成及其活動區(qū)域主要集中在兩個地帶：一個在北緯4555n之間，對應北支急流（北支鋒區(qū)）上的擾動，最大中心在黑龍江、吉林及內蒙古的交界處，把在這些地區(qū)活動的氣旋，成為北方氣旋。包括蒙古氣旋（中、東部），東北低壓（多為蒙古氣旋或河套、華北及渤海等地氣旋移到東北地區(qū)而得名的），黃河氣旋（河套及黃河下游地區(qū)）、黃海氣旋（活動于黃海和由內陸移來的氣旋）。另一個氣旋生成和活動地帶在北緯2535n之間，對應南支急流（或南支鋒區(qū)）上的擾動，分布在江淮流域、東海和日本南部海面上的廣大地區(qū)，活動在這些地區(qū)的氣旋稱為南方氣旋，包括江淮氣旋（主要在長江中下游、淮河流域和湘贛地區(qū)生成）和東海氣旋（活動于東海