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《天气学分析》课程中锋面分析讨论

2011-01-18

关键词:锋面冷锋变压

姚 素 香

(南京信息工程大学 大气科学学院,南京 210044)

《天气学分析》是大气科学专业必修课的专业基础课程之一,其目的是使学生掌握天气图分析的基础知识和基本方法,初步建立以天气图方法为主的天气预报思路,是本科生毕业以后走上天气预报岗位的基础。《天气学分析》课程具有理论与实际密切联系的鲜明特色,课程学习过程中分析大量的天气图,是对《天气学原理》以及《中国天气》课程的实践和实习,可以进一步加深学生对天气学原理的理解,增强对天气过程的直观认识[1]。

1 锋面基础知识

锋面就是温度、湿度等物理性质不同的两种气团的交界面,或者叫做过渡带。锋面与地面的交线,称为锋线,也简称为锋。锋面的长度与气团的水平距离大致相当,由几百公里到几千公里,宽度比气团小得多,只有几十公里,最宽的也不过几百公里。垂直高度与气团相当,几公里到十几公里[2]。运动着的空气在大尺度环流作用下,在一些地区辐散,另外一些地区汇合。大规模的气流汇合区可能有冷暖不同性质的气团相遇,而在天气图上则表现为温度的水平梯度加大。天气图上温度水平梯度大而窄的区域,如果它又随高度向冷区倾斜,这样的等温线密集带通常称为锋区。锋面与地面的交线称为锋线,也简称为锋。

实际应用中,一般根据锋在移动过程中冷暖气团所占的主、次地位可将锋分为冷锋、暖锋、准静止锋以及锢囚锋。冷锋是指在移动过程中,冷气团起主导作用,推动锋面向暖气团一侧移动。而在移动过程中,如果是暖气团起主导作用,推动锋面向冷气团一侧运动则称为暖锋。当冷暖气团势力相当,锋面移动很少时,称为准静止锋,准静止锋其实是锋面来回摆动,并不是完全静止。如果存在三个气团,冷气团、暖气团和更冷气团相遇时,通常先构成两个锋面,然后其中一个锋面追上另一个锋面,形成锢囚[2]。

2 天气图上锋面的确定

2.1 通过地面天气图上各要素确定锋面位置

理论上来讲,地面图上锋附近基本气象要素,如温、压、湿、风都应有显著差异,但值得注意的是,由于地面气象要素受局地下垫面特征的影响,使得锋面附近要素场特征不像理论上所说的那样明显,甚至锋面是否存在也很难辨别,这就使得锋面分析成为天气分析中最困难的问题之一。下面就上述四种气象要素分别进行分析。

2.1.1 温度

首先,对于温度场,一般来讲,锋面两侧温度场具有较大的差异。冷锋后温度低,冷锋前暖锋后温度高,而暖锋前温度也较低。但在实际分析中发现,有时锋面两侧温度场并不明显,甚至有时冷锋后温度高于冷锋前温度的状况。这就必须要考虑到温度变化的影响因子。温度的局地变化公式如下所示:

(1)

由上式可见,其中第一项为温度平流作用,第二项是垂直运动作用,第三项是非绝热加热作用。而对于地面气温而言,非绝热加热作用至关重要。非绝热加热又分为感热加热、潜热加热、太阳短波辐射以及地表长波辐射四项。其中感热加热与下垫面温度等有关,潜热加热与大气中水汽含量有关,太阳短波辐射以及地表长波辐射都与云量等有关。暖季时,冷锋从大陆移动到海洋上时,由于海面温度低于大陆温度,通过感热加热的形式,会使得近地层气温降低,产生锋面两侧温差减小。潜热影响表现为锋面两侧的蒸发凝结不同,如白天若冷锋前有降水,雨滴蒸发吸热,使得锋面两侧温差就会减小。如果白天冷锋前云量较大,而锋后为晴天时,通常也会出现锋面两侧温差减小的情况,这是由于云层阻挡来自太阳的短波辐射,使得冷锋前暖气团升温不明显。而如果是夜间冷锋后云量较大,冷锋前较晴时,冷锋后地面长波辐射被云层有效阻挡,使得夜间降温小,而冷锋前方的地面长波辐射无云阻挡,使得冷锋前方夜间降温较大,通常也会使得锋面两侧温差减小[3]。

因此考虑到诸多因素的影响,可以认为某一局地的气温并不能完整正确代表其所在气团的属性,在某些情形下,锋面两侧的温差可以无显著差异。

2.1.2 露点温度

露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下,冷却到饱和时所具有的温度,形象地说,就是空气中的水汽变为露珠时候的温度。一般当空气中水汽含量较大时,其露点温度通常较高,而水汽含量较小时,露点温度也较低。

由于锋面是冷暖气团的交界面,冷气团通常是以来自北方的干冷空气为主,而暖气团通常是以来自南方洋面上的暖湿空气为主,因此,通常来讲,冷锋后的露点温度通常低于冷锋前暖气团一侧的露点温度。由于露点温度主要受水汽含量即湿度的影响,而影响湿度局地变化的因子较少(如公式2所示):

(2)

因此,在定锋面时,露点温度通常比温度更有用。在没有降水的影响下,露点温度比温度更为保守,能更好地表达气团的属性。但值得注意的是,锋面附近通常都会有降水现象的发生,如果锋面附近任意一侧出现降水,那么就会影响到空气中水汽含量的变化,使得露点温度差异不能很好反映气团属性。

2.1.3 气压和风

考虑到锋面两侧的气压梯度并不连续,因此等压线过锋面时会有折角,而且折角尖端指向高压。有时也会出现等压线和锋面平行的情形,这时锋面两侧等压线密集程度一定不同,两侧的风向虽然没有差异但风速却一定不同,这也是气旋性切变。锋面位于气旋性区域最大的地方,但有气旋性切变处不一定有锋。另外还要注意到风也受到地形的影响,沿海地区还有海陆热力差异引起的海陆风存在。一般来说,风速较大时其风速、风向能反映大范围空气运动的情况,可以作为定锋的依据。综上可见,与气温、露点温度不同的是,锋面两侧可以没有显著的温差和露点温差,但是一定在风场上会表现出气旋性切变。

2.1.4 变压

变压法作为天气系统和天气形势的一种预报方法已经得到广泛应用。在天气图中主要有三小时变压(ΔP3)和二十四小时变压(ΔP24)两种记录。通常三小时变压比较接近瞬时变压,用运动学方法推论的规则较好。但三小时变压也有其局限性,主要是要考虑到气压日变化的影响,海平面气压的日变化特点为一天中有一个最高值和一个次高值,一个最低值和一个次低值,最高值出现在上午9—10时,次高值出现在21—22时,最低值出现在15—16时,次低值出现在3—4时。因此对于8时,其通常为+ΔP3,而对于14时,通常为-ΔP3[4]。

由于处于西风带中,地面系统大致以平均层引导气流速度移动,因此锋面系统也是大多向东移动。综合考虑气压的日变化特征,可以认为,冷锋后常为较强的+ΔP3,暖锋前通常有较强的-ΔP3,对于锋面气旋中暖气团一侧,其三小时变压通常不明显。对于上午8时地面图而言,冷锋两侧都可能都为+ΔP3,但冷锋后+ΔP3更强。对于下午14时地面图而言,锋面两侧可能都为-ΔP3,而暖锋前-ΔP3更强[5]。

简而言之,锋面两侧须有较大的三小时变压梯度。二十四小时变压可以消除日变化的影响,可以较好反映冷暖空气活动的特征,但不适用于移动较快的系统。

2.2 通过高空锋区确定地面锋面位置

由于锋区上宽下窄的特征,在高空图上通常存在较明显的锋区。在高空等压面图上只要正确掌握温度记录的分析判断,要比较正确分析高空锋区并不困难。根据锋面向冷区倾斜原理,地面的锋通常位于高空等压面图上等温线相对密集区即高空锋区的偏暖空气一侧。地面锋线与等温线大致平行,高空锋区有冷平流时,对应冷锋;暖平流时对应暖锋。根据历史天气图,如果有冷锋追上暖锋等情形出现,高空又有暖舌,则对应锢囚锋;而高空锋区中冷暖平流均不明显时,对应的是准静止锋。

3 两种天气过程中的锋面分析

冬半年的寒潮天气和夏半年的大型降水天气是中国最典型的天气过程,下面就这两种天气过程中的锋面特点进行分析。

3.1 寒潮天气过程中的锋面分析

寒潮天气系统主要包括极涡、极地高压、寒潮地面高压以及寒潮冷锋。在寒潮地面高压的前缘都有一条强度较强的冷锋作为寒潮的前锋,冷锋随高度向冷空气一侧倾斜,在高空等压面上有很强的锋区,锋区结构上宽下窄,在300hPa及以下各层等压面上均有明显的冷槽和锋区。

寒潮冷锋的两侧通常会有较大的温度梯度,锋面附近出现大风和沙尘天气,有时还会产生降水。寒潮冷锋后正变压通常较其他天气过程更强一些。在实际分析中,通常可以通过分析500hPa高空锋区和冷槽来初步判定冷锋,再结合地面图上气温、气压、天气现象以及历史天气图等来综合判断地面图上锋所在位置。通过地面图上寒潮地面高压的长轴方向与三小时变压梯度等方法来判断寒潮冷锋的移向。

3.2 大型降水过程中的锋面分析

我国各地雨季起讫时间不同,主要包括华南前汛期、江淮梅雨、华北东北降水以及华南后汛期降水。其中华南后汛期降水又称作是台风汛期,主要与热带气旋活动有关。华北东北降水也较多为对流性降水,且局地性较强,与台风关系也较为密切。

华南前汛期降水主要为4—6月,5月末之前主要为北方冷空气入侵形成的锋面降水,降水主要出现在锋后。而5月中旬后降水主要出在冷锋前部暖区之中。对于华南前汛期降水锋面(冷锋、暖锋或准静止锋)的确定,可以通过温差、露点温差、天气现象、高空锋区以及历史天气图共同确定。

江淮流域梅雨期降水主要为6月上旬到7月初,雨量充沛,相对湿度大,降水连续,表现为梅雨锋降水。值得指出的是江淮流域梅雨锋,与其他锋面结构通常存在很大不同,这种差异主要表现在高空图上找不到明显的温度锋区,即温度梯度较小。虽然温度梯度较小,但湿度梯度较大,即存在湿度的锋区。如何确定江淮流域梅雨锋的位置呢?江淮流域梅雨锋通常位于700hPa或850hPa的江淮切变线以南,低空西南急流以北,再结合地面图上风场、天气现象等则可准确定出梅雨锋的位置。在梅雨锋上通常有西南涡沿切变线东移,引起地面气旋波动,如果高空500hPa短波槽较强,则在地面系统上能够发展成为完好的江淮气旋。

4 结语

锋面分析作为《天气学分析》的重点和难点,是天气过程分析的重要内容,也是学生在分析过程中存在较大困难的环节。结合实践中存在的问题以及多年以来积累的经验,对于锋面分析的课程教学有以下几点体会。

(1)地面图上温度、露点温度、气压、风以及三小时变压都可作为定锋依据。在所有锋面两侧必须有风的气旋性切变,一般会有较大的温差,在没有降水的情形下,会有较大的露点温差,锋面两侧会有较大的变压梯度,锋面附近一定会有天气现象,如降水、大风等。

(2)高空图上正确找出高空锋区是确定地面锋的重要依据。在实际教学环节中发现,利用地面图定锋面通常存在较大的不确定性和主观性。高空图上准确找到高空锋区之后,地面上的锋则位于高空锋区偏暖空气一侧,锋的走向与等温线走向基本平行。高空冷平流对应地面冷锋,暖平流对应地面暖锋,锋区附近平流不显著对应准静止锋。

(3)江淮流域地面图上梅雨锋有其异于其他锋面的特征,等压面图上不见温度梯度较大的区域,即不存在温度锋区。梅雨锋位于700hPa或850hPa切变线以南,低空西南急流以北的区域。准确分析700hPa以及850hPa等压面特征,则可正确定出梅雨锋位置。

在实际的教学过程中,通常存在一个很重要的问题,就是教材上个例较少,且个例均为上世纪90年代以前,大多是上世纪70年代左右的个例。就《天气学分析》教材中锋面分析部分,为1965年3月个例。个例少,学生在锋面分析的时候通常有无处下手的感觉。个例年份早,也很难激发学生的学习兴趣。因此在实际教学中,给学生多看天气图是一个较好的方法,尤其是看他们比较感兴趣的图,比如上课前一天或当天的天气图。上课的前十分钟可对当天天气进行初步讨论,通过这种方法,一方面使得课程增加了趣味性;另一方面,学生对天气分析也有了非常直观的认识,取得了很好的教学成果。此外,更新教材中所用的个例也是课程改革过程中急需解决的问题。

[1]寿绍文,励申申,王善华,等.天气学分析[M].北京:气象出版社,2002:22~38.

[2]朱乾根,林锦瑞,寿绍文,等.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,2000:61~107.

[3]盛裴轩,毛节泰,李建国,等.大气物理学[M].北京:北京大学出版社,2008:72~166.

[4]张红娟,任芝花,陈高峰,等.自动与人工观测的气压差异分析[J].气象科学,2010,30(3):402~406.

[5]苗春生,梁汉明,李文源,等.短期天气综合分析与预报[M].南京:南京气象学院气象系自编教材,1998:29~32.

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