《天氣學(xué)分析》課程中鋒面分析討論

姚 素 香

(南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044)

《天氣學(xué)分析》是大氣科學(xué)專業(yè)必修課的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其目的是使學(xué)生掌握天氣圖分析的基礎(chǔ)知識和基本方法，初步建立以天氣圖方法為主的天氣預(yù)報(bào)思路，是本科生畢業(yè)以后走上天氣預(yù)報(bào)崗位的基礎(chǔ)。《天氣學(xué)分析》課程具有理論與實(shí)際密切聯(lián)系的鮮明特色，課程學(xué)習(xí)過程中分析大量的天氣圖，是對《天氣學(xué)原理》以及《中國天氣》課程的實(shí)踐和實(shí)習(xí)，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對天氣學(xué)原理的理解，增強(qiáng)對天氣過程的直觀認(rèn)識[1]。

1 鋒面基礎(chǔ)知識

鋒面就是溫度、濕度等物理性質(zhì)不同的兩種氣團(tuán)的交界面，或者叫做過渡帶。鋒面與地面的交線，稱為鋒線，也簡稱為鋒。鋒面的長度與氣團(tuán)的水平距離大致相當(dāng)，由幾百公里到幾千公里，寬度比氣團(tuán)小得多，只有幾十公里，最寬的也不過幾百公里。垂直高度與氣團(tuán)相當(dāng)，幾公里到十幾公里[2]。運(yùn)動(dòng)著的空氣在大尺度環(huán)流作用下，在一些地區(qū)輻散，另外一些地區(qū)匯合。大規(guī)模的氣流匯合區(qū)可能有冷暖不同性質(zhì)的氣團(tuán)相遇，而在天氣圖上則表現(xiàn)為溫度的水平梯度加大。天氣圖上溫度水平梯度大而窄的區(qū)域，如果它又隨高度向冷區(qū)傾斜，這樣的等溫線密集帶通常稱為鋒區(qū)。鋒面與地面的交線稱為鋒線，也簡稱為鋒。

實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)鋒在移動(dòng)過程中冷暖氣團(tuán)所占的主、次地位可將鋒分為冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒以及錮囚鋒。冷鋒是指在移動(dòng)過程中，冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，推動(dòng)鋒面向暖氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)。而在移動(dòng)過程中，如果是暖氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，推動(dòng)鋒面向冷氣團(tuán)一側(cè)運(yùn)動(dòng)則稱為暖鋒。當(dāng)冷暖氣團(tuán)勢力相當(dāng)，鋒面移動(dòng)很少時(shí)，稱為準(zhǔn)靜止鋒，準(zhǔn)靜止鋒其實(shí)是鋒面來回?cái)[動(dòng)，并不是完全靜止。如果存在三個(gè)氣團(tuán)，冷氣團(tuán)、暖氣團(tuán)和更冷氣團(tuán)相遇時(shí)，通常先構(gòu)成兩個(gè)鋒面，然后其中一個(gè)鋒面追上另一個(gè)鋒面，形成錮囚[2]。

2 天氣圖上鋒面的確定

2.1 通過地面天氣圖上各要素確定鋒面位置

理論上來講，地面圖上鋒附近基本氣象要素，如溫、壓、濕、風(fēng)都應(yīng)有顯著差異，但值得注意的是，由于地面氣象要素受局地下墊面特征的影響，使得鋒面附近要素場特征不像理論上所說的那樣明顯，甚至鋒面是否存在也很難辨別，這就使得鋒面分析成為天氣分析中最困難的問題之一。下面就上述四種氣象要素分別進(jìn)行分析。

2.1.1 溫度

首先，對于溫度場，一般來講，鋒面兩側(cè)溫度場具有較大的差異。冷鋒后溫度低，冷鋒前暖鋒后溫度高，而暖鋒前溫度也較低。但在實(shí)際分析中發(fā)現(xiàn)，有時(shí)鋒面兩側(cè)溫度場并不明顯，甚至有時(shí)冷鋒后溫度高于冷鋒前溫度的狀況。這就必須要考慮到溫度變化的影響因子。溫度的局地變化公式如下所示：

(1)

由上式可見，其中第一項(xiàng)為溫度平流作用，第二項(xiàng)是垂直運(yùn)動(dòng)作用，第三項(xiàng)是非絕熱加熱作用。而對于地面氣溫而言，非絕熱加熱作用至關(guān)重要。非絕熱加熱又分為感熱加熱、潛熱加熱、太陽短波輻射以及地表長波輻射四項(xiàng)。其中感熱加熱與下墊面溫度等有關(guān)，潛熱加熱與大氣中水汽含量有關(guān)，太陽短波輻射以及地表長波輻射都與云量等有關(guān)。暖季時(shí)，冷鋒從大陸移動(dòng)到海洋上時(shí)，由于海面溫度低于大陸溫度，通過感熱加熱的形式，會(huì)使得近地層氣溫降低，產(chǎn)生鋒面兩側(cè)溫差減小。潛熱影響表現(xiàn)為鋒面兩側(cè)的蒸發(fā)凝結(jié)不同，如白天若冷鋒前有降水，雨滴蒸發(fā)吸熱，使得鋒面兩側(cè)溫差就會(huì)減小。如果白天冷鋒前云量較大，而鋒后為晴天時(shí)，通常也會(huì)出現(xiàn)鋒面兩側(cè)溫差減小的情況，這是由于云層阻擋來自太陽的短波輻射，使得冷鋒前暖氣團(tuán)升溫不明顯。而如果是夜間冷鋒后云量較大，冷鋒前較晴時(shí)，冷鋒后地面長波輻射被云層有效阻擋，使得夜間降溫小，而冷鋒前方的地面長波輻射無云阻擋，使得冷鋒前方夜間降溫較大，通常也會(huì)使得鋒面兩側(cè)溫差減小[3]。

因此考慮到諸多因素的影響，可以認(rèn)為某一局地的氣溫并不能完整正確代表其所在氣團(tuán)的屬性，在某些情形下，鋒面兩側(cè)的溫差可以無顯著差異。

2.1.2 露點(diǎn)溫度

露點(diǎn)溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)所具有的溫度，形象地說，就是空氣中的水汽變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度。一般當(dāng)空氣中水汽含量較大時(shí)，其露點(diǎn)溫度通常較高，而水汽含量較小時(shí)，露點(diǎn)溫度也較低。

由于鋒面是冷暖氣團(tuán)的交界面，冷氣團(tuán)通常是以來自北方的干冷空氣為主，而暖氣團(tuán)通常是以來自南方洋面上的暖濕空氣為主，因此，通常來講，冷鋒后的露點(diǎn)溫度通常低于冷鋒前暖氣團(tuán)一側(cè)的露點(diǎn)溫度。由于露點(diǎn)溫度主要受水汽含量即濕度的影響，而影響濕度局地變化的因子較少(如公式2所示)：

(2)

因此，在定鋒面時(shí)，露點(diǎn)溫度通常比溫度更有用。在沒有降水的影響下，露點(diǎn)溫度比溫度更為保守，能更好地表達(dá)氣團(tuán)的屬性。但值得注意的是，鋒面附近通常都會(huì)有降水現(xiàn)象的發(fā)生，如果鋒面附近任意一側(cè)出現(xiàn)降水，那么就會(huì)影響到空氣中水汽含量的變化，使得露點(diǎn)溫度差異不能很好反映氣團(tuán)屬性。

2.1.3 氣壓和風(fēng)

考慮到鋒面兩側(cè)的氣壓梯度并不連續(xù)，因此等壓線過鋒面時(shí)會(huì)有折角，而且折角尖端指向高壓。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)等壓線和鋒面平行的情形，這時(shí)鋒面兩側(cè)等壓線密集程度一定不同，兩側(cè)的風(fēng)向雖然沒有差異但風(fēng)速卻一定不同，這也是氣旋性切變。鋒面位于氣旋性區(qū)域最大的地方，但有氣旋性切變處不一定有鋒。另外還要注意到風(fēng)也受到地形的影響，沿海地區(qū)還有海陸熱力差異引起的海陸風(fēng)存在。一般來說，風(fēng)速較大時(shí)其風(fēng)速、風(fēng)向能反映大范圍空氣運(yùn)動(dòng)的情況，可以作為定鋒的依據(jù)。綜上可見，與氣溫、露點(diǎn)溫度不同的是，鋒面兩側(cè)可以沒有顯著的溫差和露點(diǎn)溫差，但是一定在風(fēng)場上會(huì)表現(xiàn)出氣旋性切變。

2.1.4 變壓

變壓法作為天氣系統(tǒng)和天氣形勢的一種預(yù)報(bào)方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在天氣圖中主要有三小時(shí)變壓(ΔP3)和二十四小時(shí)變壓(ΔP24)兩種記錄。通常三小時(shí)變壓比較接近瞬時(shí)變壓，用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法推論的規(guī)則較好。但三小時(shí)變壓也有其局限性，主要是要考慮到氣壓日變化的影響，海平面氣壓的日變化特點(diǎn)為一天中有一個(gè)最高值和一個(gè)次高值，一個(gè)最低值和一個(gè)次低值，最高值出現(xiàn)在上午9—10時(shí)，次高值出現(xiàn)在21—22時(shí)，最低值出現(xiàn)在15—16時(shí)，次低值出現(xiàn)在3—4時(shí)。因此對于8時(shí)，其通常為+ΔP3，而對于14時(shí)，通常為-ΔP3[4]。

由于處于西風(fēng)帶中，地面系統(tǒng)大致以平均層引導(dǎo)氣流速度移動(dòng)，因此鋒面系統(tǒng)也是大多向東移動(dòng)。綜合考慮氣壓的日變化特征，可以認(rèn)為，冷鋒后常為較強(qiáng)的+ΔP3，暖鋒前通常有較強(qiáng)的-ΔP3，對于鋒面氣旋中暖氣團(tuán)一側(cè)，其三小時(shí)變壓通常不明顯。對于上午8時(shí)地面圖而言，冷鋒兩側(cè)都可能都為+ΔP3，但冷鋒后+ΔP3更強(qiáng)。對于下午14時(shí)地面圖而言，鋒面兩側(cè)可能都為-ΔP3，而暖鋒前-ΔP3更強(qiáng)[5]。

簡而言之，鋒面兩側(cè)須有較大的三小時(shí)變壓梯度。二十四小時(shí)變壓可以消除日變化的影響，可以較好反映冷暖空氣活動(dòng)的特征，但不適用于移動(dòng)較快的系統(tǒng)。

2.2 通過高空鋒區(qū)確定地面鋒面位置

由于鋒區(qū)上寬下窄的特征，在高空圖上通常存在較明顯的鋒區(qū)。在高空等壓面圖上只要正確掌握溫度記錄的分析判斷，要比較正確分析高空鋒區(qū)并不困難。根據(jù)鋒面向冷區(qū)傾斜原理，地面的鋒通常位于高空等壓面圖上等溫線相對密集區(qū)即高空鋒區(qū)的偏暖空氣一側(cè)。地面鋒線與等溫線大致平行，高空鋒區(qū)有冷平流時(shí)，對應(yīng)冷鋒；暖平流時(shí)對應(yīng)暖鋒。根據(jù)歷史天氣圖，如果有冷鋒追上暖鋒等情形出現(xiàn)，高空又有暖舌，則對應(yīng)錮囚鋒；而高空鋒區(qū)中冷暖平流均不明顯時(shí)，對應(yīng)的是準(zhǔn)靜止鋒。

3 兩種天氣過程中的鋒面分析

冬半年的寒潮天氣和夏半年的大型降水天氣是中國最典型的天氣過程，下面就這兩種天氣過程中的鋒面特點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 寒潮天氣過程中的鋒面分析

寒潮天氣系統(tǒng)主要包括極渦、極地高壓、寒潮地面高壓以及寒潮冷鋒。在寒潮地面高壓的前緣都有一條強(qiáng)度較強(qiáng)的冷鋒作為寒潮的前鋒，冷鋒隨高度向冷空氣一側(cè)傾斜，在高空等壓面上有很強(qiáng)的鋒區(qū)，鋒區(qū)結(jié)構(gòu)上寬下窄，在300hPa及以下各層等壓面上均有明顯的冷槽和鋒區(qū)。

寒潮冷鋒的兩側(cè)通常會(huì)有較大的溫度梯度，鋒面附近出現(xiàn)大風(fēng)和沙塵天氣，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生降水。寒潮冷鋒后正變壓通常較其他天氣過程更強(qiáng)一些。在實(shí)際分析中，通常可以通過分析500hPa高空鋒區(qū)和冷槽來初步判定冷鋒，再結(jié)合地面圖上氣溫、氣壓、天氣現(xiàn)象以及歷史天氣圖等來綜合判斷地面圖上鋒所在位置。通過地面圖上寒潮地面高壓的長軸方向與三小時(shí)變壓梯度等方法來判斷寒潮冷鋒的移向。

3.2 大型降水過程中的鋒面分析

我國各地雨季起訖時(shí)間不同，主要包括華南前汛期、江淮梅雨、華北東北降水以及華南后汛期降水。其中華南后汛期降水又稱作是臺(tái)風(fēng)汛期，主要與熱帶氣旋活動(dòng)有關(guān)。華北東北降水也較多為對流性降水，且局地性較強(qiáng)，與臺(tái)風(fēng)關(guān)系也較為密切。

華南前汛期降水主要為4—6月，5月末之前主要為北方冷空氣入侵形成的鋒面降水，降水主要出現(xiàn)在鋒后。而5月中旬后降水主要出在冷鋒前部暖區(qū)之中。對于華南前汛期降水鋒面(冷鋒、暖鋒或準(zhǔn)靜止鋒)的確定，可以通過溫差、露點(diǎn)溫差、天氣現(xiàn)象、高空鋒區(qū)以及歷史天氣圖共同確定。

江淮流域梅雨期降水主要為6月上旬到7月初，雨量充沛，相對濕度大，降水連續(xù)，表現(xiàn)為梅雨鋒降水。值得指出的是江淮流域梅雨鋒，與其他鋒面結(jié)構(gòu)通常存在很大不同，這種差異主要表現(xiàn)在高空圖上找不到明顯的溫度鋒區(qū)，即溫度梯度較小。雖然溫度梯度較小，但濕度梯度較大，即存在濕度的鋒區(qū)。如何確定江淮流域梅雨鋒的位置呢？江淮流域梅雨鋒通常位于700hPa或850hPa的江淮切變線以南，低空西南急流以北，再結(jié)合地面圖上風(fēng)場、天氣現(xiàn)象等則可準(zhǔn)確定出梅雨鋒的位置。在梅雨鋒上通常有西南渦沿切變線東移，引起地面氣旋波動(dòng)，如果高空500hPa短波槽較強(qiáng)，則在地面系統(tǒng)上能夠發(fā)展成為完好的江淮氣旋。

4 結(jié)語

鋒面分析作為《天氣學(xué)分析》的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是天氣過程分析的重要內(nèi)容，也是學(xué)生在分析過程中存在較大困難的環(huán)節(jié)。結(jié)合實(shí)踐中存在的問題以及多年以來積累的經(jīng)驗(yàn)，對于鋒面分析的課程教學(xué)有以下幾點(diǎn)體會(huì)。

(1)地面圖上溫度、露點(diǎn)溫度、氣壓、風(fēng)以及三小時(shí)變壓都可作為定鋒依據(jù)。在所有鋒面兩側(cè)必須有風(fēng)的氣旋性切變，一般會(huì)有較大的溫差，在沒有降水的情形下，會(huì)有較大的露點(diǎn)溫差，鋒面兩側(cè)會(huì)有較大的變壓梯度，鋒面附近一定會(huì)有天氣現(xiàn)象，如降水、大風(fēng)等。

(2)高空圖上正確找出高空鋒區(qū)是確定地面鋒的重要依據(jù)。在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)，利用地面圖定鋒面通常存在較大的不確定性和主觀性。高空圖上準(zhǔn)確找到高空鋒區(qū)之后，地面上的鋒則位于高空鋒區(qū)偏暖空氣一側(cè)，鋒的走向與等溫線走向基本平行。高空冷平流對應(yīng)地面冷鋒，暖平流對應(yīng)地面暖鋒，鋒區(qū)附近平流不顯著對應(yīng)準(zhǔn)靜止鋒。

(3)江淮流域地面圖上梅雨鋒有其異于其他鋒面的特征，等壓面圖上不見溫度梯度較大的區(qū)域，即不存在溫度鋒區(qū)。梅雨鋒位于700hPa或850hPa切變線以南，低空西南急流以北的區(qū)域。準(zhǔn)確分析700hPa以及850hPa等壓面特征，則可正確定出梅雨鋒位置。

在實(shí)際的教學(xué)過程中，通常存在一個(gè)很重要的問題，就是教材上個(gè)例較少，且個(gè)例均為上世紀(jì)90年代以前，大多是上世紀(jì)70年代左右的個(gè)例。就《天氣學(xué)分析》教材中鋒面分析部分，為1965年3月個(gè)例。個(gè)例少，學(xué)生在鋒面分析的時(shí)候通常有無處下手的感覺。個(gè)例年份早，也很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此在實(shí)際教學(xué)中，給學(xué)生多看天氣圖是一個(gè)較好的方法，尤其是看他們比較感興趣的圖，比如上課前一天或當(dāng)天的天氣圖。上課的前十分鐘可對當(dāng)天天氣進(jìn)行初步討論，通過這種方法，一方面使得課程增加了趣味性；另一方面，學(xué)生對天氣分析也有了非常直觀的認(rèn)識，取得了很好的教學(xué)成果。此外，更新教材中所用的個(gè)例也是課程改革過程中急需解決的問題。

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