第四章 中纬度天气系统 (之一) 4.1 锋面系统 4.1.1 锋面基本特征 气团、锋的定义、空间尺度、分类 4.1.2 锋面结构模型 不连续面、锋面坡度公式 4.1.3 锋面天气 锋面附近气象要素特征 热力场-温度、se 风场、气压场、变压场、垂直运动 锋面天气 4.1.4 锋生、锋消和锋的移动 概念、锋生函数、锋生公式、我国锋生概况、锋的移动 4.1.5 影响我国的锋 4.1 锋面系统 4.1.1 锋面基本特征 1、锋的概念 气团 气团是指在一定的范围内，物理属性相对 比较均匀的大块空气。 在同一气团中，气象要素几乎相同，天气现象 也大致一样 水平尺度：几百几千公里 垂直尺度：几十几公里 气团形成的条件 大范围性质一致的下垫面 地球表面的空气属性传给大气 适当稳定的大气环流条件 使空气团能长时间稳定在下垫面上 高压系统稳定，且水平范围大。 低压系统不稳定，且水平范围小。 气团变性 气团物理属性的变化称为气团的变性 暖气团变性慢 冷气团变性快 原因 气团离开源地移到另一个地方，在移动过程中 ，与所经过的下垫面不断发生水汽、热量等的 交换，引起原有气团物理属性和天气特征的改 变。 冷气团变性快，还是暖气团变性快？ 气团类别(根据气团源地的三个因素) 纬度 冰洋气团 (A=Arctic, AA=Antartic) 极地气团 (P=Polar) 热带气团 (T=Tropical) 赤道气团 (Equatorial) 海陆 海洋性气团 (m=maritime) 大陆性气团 (c=continental) 温度 冷气团 暖气团 气团分为七类 冰洋大陆气团 (cA, cAA) 冰洋海洋气团 (mA, mAA) 极地大陆气团 (cP) 极地海洋气团 (mP) 热带大陆气团 (cT) 热带海洋气团 (mT) 赤道气团 (E) 影响我国的气团 .极地大陆气团：干冷 .极地海洋气团：湿冷 .热带海洋气团：暖湿（副热带高压） .热带大陆气团：暖干（中亚） .印度洋的赤道气团：暖湿（季风气团） 鄂霍次 克海气 团（mP) 热带海洋气 团(mT) 热带海洋气团 (mT) 气团的概念 西伯利亚气团（cP) 中国气团(cT) 青藏气团 (cT) 中亚气团 （cT) 热带 海洋 气团 (mT ) 锋的定义 冷暖气团之间的狭窄过渡带，称为锋面， 有时也称为锋区。 锋面与地面的 交线称锋线。 锋面和锋线统 称为锋。 图. 锋面的空间结构 锋的长度(沿锋面的尺度)，几百几千km 锋的宽度(跨锋面的尺度)，近地面几十公里，高层200400km。 锋的厚度，12km，(例外，极锋从地面伸展到对流层顶) 700hPa 地面 冷气团暖气团 高空锋区 位于北半球中纬度地区的地面锋 线与高空锋区的相对位置 2、锋的分类 锋的分类根据其着眼点的不同，有如下分类 气团源地 冰洋锋 极锋 热带锋 冰洋气团 极地气团 热带气团 赤道气团 锋的伸 展高度 地面锋：低层锋，700hPa以下 高空锋： 500hPa以上，不接地 对流层锋：地面对流层顶 锋的移动方向 冷锋 暖锋 准静止锋 锢囚锋 经向方向上对流层到平流层的主要气团 与锋面 冷锋：冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移 动，称为冷锋(图4.2a)。 冷锋所经之处，冷空 气代替暖空气，使该 地区气温下降。 冷锋实例：华北冷锋 鞍形特征 暖锋所经之处，暖空 气代替冷空气，使该 地区气温升高。 暖锋：暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧 移动，称为暖锋(图4.2b)。 暖锋实例：东北低压和江淮气旋中的暖锋 准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面移动缓慢或相对 静止，称为准静止锋(图4.2c)。 （6小时移动在1 个纬距之内） 锋面在某一地 区来回摆动。 两条锋面相遇时，迫使暖 空气被抬离地面，凌驾在 上空。 锋前锋后都是冷气团。 锢囚锋：由冷锋赶上暖锋或者两条冷锋迎面相遇叠并 而成的锋，称为锢囚锋。 锋后的冷气团比锋前的冷气团冷 冷式锢囚锋 锋后的冷气团比锋前的冷气团暖 暖式锢囚锋 锋前后的冷气团温差较小 中性锢囚锋 锢囚锋实例：浙闽地形锢囚锋 锋的详细分类 4.1.2 锋面结构模型 1、大气中的不连续面 不连续面：其两侧距离为无限小的两个点上的某物 理量A的数值不相等(即不连续)，这样的面称为不 连续面。 物理量 不连续 物理量一阶 导数不连续 COLD WARM 不连续面 COLD WARM 过渡带 COLD WARM 不连续面过渡带 3、新近观测事实 (Sanders,1955; Shapiro, 1984, 1985) 2、过渡带锋面 结构（高空急流, 斜压不稳定） 1、不连续面结 构（ 极锋理论, 冷暖气团的交 界面） 锋面近似为物质面 由于湍流、辐射、分子扩散等作用，锋面两侧的 密度水平分布是连续的，但在天气图上，因图的 比例尺太小，狭窄的锋区表现为一条线，锋区两 侧有密度不连续（成为密度的零级不连续）。 为了便于理论上的处理，气象上常设锋面是一个 物质面。 锋面是不连续面 a.锋面是气象要素 (T，沿锋面的风速) 的零 级不连续面 b.气压是连续的 c.垂直于锋线的地转风（分量）是连续的 哪些要素？ 锋面是向冷空气一侧倾斜的过渡带 这是因为当冷暖空气相遇后，由于冷空气密度 大，暖气团的密度小，冷气团向暖气团的下方 楔入，力图抬升暖气团，迫使冷暖气团的交界 面趋于水平。 但当冷空气向暖空气下方伸进时，地转偏向力 随之起作用，它不断地改变冷空气的运动方向 ，使之逐渐与地面锋线平行，使得冷空气的抬 举作用就减少了。 当地转偏向力与气压梯度力最后达到平衡时， 锋就成倾斜状态。 2、锋面坡度 设x轴由暖气团指向冷气团，y轴平行地面锋线 相减得 得到锋面坡度 由静力学方程和地转风方程 代入状态方程 （注意 Pc=Pw ） 得 在实际计算中v* 比较小，可略去 (4.8) _Margules锋面坡度公式 1)锋面的坡度与 f 成正比，高纬锋面坡度大于低纬。 冷锋南下时，锋面坡度逐渐减小。 赤道上 , 即无锋面 2)锋面的坡度与锋两侧的温度差成反比，温度差越大，坡度越小 。 即无锋面 3)锋面的坡度与锋两侧平行于锋的地转风分量差成正比 d)锋面坡度与平均温度成正比 T*越高，坡度越大，冬季坡度小于夏季 风呈气旋性切变(vc-vw0) 风速差（风速切变）越大，坡度越大 我国统计结果 北方（高纬）锋面坡度 南方（低纬）锋面坡度 注意：冷锋的坡度大于暖锋和静止锋 习题 位于45N的地面锋，锋后冷气团为NE风5米 秒，锋前暖气团为SW风10米秒，冷空 气的温度为-5，暖空气的温度为0，试 求锋面坡度(注：锋面为东北西南走向)。 4.1.3 锋面天气 锋面是向冷空气倾斜的过渡带，其附近的 气象要素、云系和降水的分布都与锋面的 这种结构特征有关。 1、锋面附近气象要素特征 （1）温度场特征 锋区内水平温度梯度很大， 通常5-10C/100km，而一般 气团内为1-2C/100km。 地面图上，温差大的地区 等压面图上，等温线密集的区 域 锋区随高度增加向冷空气 一侧倾斜。 高空等温线的走向与地面 锋线的走向近于平行。冷气团暖气团 地面锋线与高空锋区的相对位置 高空温压形势与地面锋系 锋区内垂直温度梯度很小（逆温、等温和微 弱降温）。 图4.8 锋面附近的等温线和等位 温线垂直分布 图4.9 冷锋后侧温度随高度的变化 锋区( ) (2) 位温场特征 在垂直剖面上，等线 在锋层内最为密集； 与锋区的上下界近于 平行。 图4.8 锋面附近的等温线和等位温线垂 直分布 定锋的依据 取对数，再对z求偏导 等线密集 在对流层中，一般0d，即随高度增加 而增大，但在锋区内， 0或 0但很小， 所以（ d - ）比一般气团内大很多，使锋区 内/ z 比周围大得多，所以等线密集。 图4.9 冷锋后侧温度随高度的变化 锋区( ) 假定锋面是物质面，即其两侧的冷、暖空气 只能沿锋面上下滑动。而在干绝热条件下 ，是守恒的，于是沿锋面滑动的空气的位 温将保持不变，因而锋面必将是等面。 锋面并非物质面，水汽凝结现象也经常发生 近似平行 在近地面，非绝热影响较大，等面与锋面有较大夹 角。 等线平行于锋面 假相当位温场（se） 在实际大气中，考虑水汽凝结的影响，可用se代 替进行分析，同样可得：锋区中等se线密集， 锋区与等se线平行，se随高度迅速增大，在锋 区附近，中低层冷锋前有舌状高值区，冷锋后有 舌状低值区。 假相当位温垂直分布(虚线为等温线，细实线为等se线，粗 实线为锋的上下界) (3)气压场和风场 气压场 由锋面坡度公式 故锋面两侧气压梯度不连续。 锋面位于气压槽中，等压线通过锋面时呈气旋式 弯曲，其折角指向高压。 风场 水平切变 地面锋位于气压槽中，锋线附近的风场有气旋式切变， 地面摩擦使风与等压线成一交角，在锋面附近形成辐 合区。 风切变，是指大 气中两点间风速 和风向的剧烈变 化。 垂直切变 风速的垂直切变：因为锋区内水平温度梯度很 大，所以热成风很大，故风的垂直方向切变很 大。 风向的垂直切变：地面冷锋之后的测站，自低 层至高空，通过锋层时风向作逆时针旋转，对 应有冷平流；地面暖锋之前的测站，自低层至 高空通过锋层，风向作顺时针旋转，对应有暖 平流。 西北风 偏西风 东南风 偏西风 冷锋暖锋 (4)变压场 冷锋后有三小时正变压 暖锋前有三小时负变压 4.11 锋附近的变压分布 特征：总的来说，不论冷暖锋，锋后的变压代数值一定大于锋 前的变压代数值。（注意，实际情况包括了日变化值。） 气压变化的物理意义。 代入连续方程: 边界条件： 时, ； 即 第一项 第二项 气压倾向方程 （2）.讨论 第一项为密度平流项，（气压变化的热力因子） a.若 ，气柱为暖平流 则 地面减压 b.若 ，气柱为冷平流 则 地面增压 暖锋前暖平流，负变压明显。 冷锋后冷平流，正变压明显。 第二项为水平速度散度项（动力因子）。 若 气柱辐散为主，质量减少。 则