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(zhuān)業(yè)必修課的專(zhuān)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(shí)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)?！短鞖鈱W(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(guò)程中分析大量的天氣圖，是對(duì)《天氣學(xué)原理》以及《中國(guó)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(duì)天氣學(xué)原理的理解，增強(qiáng)對(duì)天氣過(guò)程的直觀認(rèn)識(shí)[1]。

1 鋒面基礎(chǔ)知識(shí)

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(guò)渡帶。鋒面與地面的交線(xiàn)，稱(chēng)為鋒線(xiàn)，也簡(jiǎn)稱(chēng)為鋒。鋒面的長(zhǎng)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(guò)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(xiàn)密集帶通常稱(chēng)為鋒區(qū)。鋒面與地面的交線(xiàn)稱(chēng)為鋒線(xiàn)，也簡(jiǎn)稱(chēng)為鋒。

實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)鋒在移動(dòng)過(guò)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(guò)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(guò)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(chēng)為暖鋒。當(dāng)冷暖氣團(tuán)勢(shì)力相當(dāng)，鋒面移動(dòng)很少時(shí)，稱(chēng)為準(zhǔn)靜止鋒，準(zhǔn)靜止鋒其實(shí)是鋒面來(lái)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(guò)地面天氣圖上各要素確定鋒面位置

理論上來(lái)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(chǎng)特征不像理論上所說(shuō)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(wèn)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(duì)于溫度場(chǎng)，一般來(lái)講，鋒面兩側(cè)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)，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(duì)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(yáng)短波輻射以及地表長(zhǎng)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(yáng)短波輻射以及地表長(zhǎng)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(guò)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(lái)自太陽(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)波輻射無(wú)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(wú)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(shuō)，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(lái)自北方的干冷空氣為主，而暖氣團(tuán)通常是以來(lái)自南方洋面上的暖濕空氣為主，因此，通常來(lái)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(méi)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(xiàn)過(guò)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(xiàn)和鋒面平行的情形，這時(shí)鋒面兩側(cè)等壓線(xiàn)密集程度一定不同，兩側(cè)的風(fēng)向雖然沒(méi)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(lái)說(shuō)，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(jiàn)，與氣溫、露點(diǎn)溫度不同的是，鋒面兩側(cè)可以沒(méi)有顯著的溫差和露點(diǎn)溫差，但是一定在風(fēng)場(chǎng)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(shì)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(duì)于8時(shí)，其通常為+ΔP3，而對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(guò)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?qǐng)D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(xiàn)相對(duì)密集區(qū)即高空鋒區(qū)的偏暖空氣一側(cè)。地面鋒線(xiàn)與等溫線(xiàn)大致平行，高空鋒區(qū)有冷平流時(shí)，對(duì)應(yīng)冷鋒；暖平流時(shí)對(duì)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(duì)應(yīng)錮囚鋒；而高空鋒區(qū)中冷暖平流均不明顯時(shí)，對(duì)應(yīng)的是準(zhǔn)靜止鋒。

3 兩種天氣過(guò)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(guó)最典型的天氣過(guò)程，下面就這兩種天氣過(guò)程中的鋒面特點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 寒潮天氣過(guò)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(guò)程更強(qiáng)一些。在實(shí)際分析中，通常可以通過(guò)分析500hPa高空鋒區(qū)和冷槽來(lái)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(lái)綜合判斷地面圖上鋒所在位置。通過(guò)地面圖上寒潮地面高壓的長(zhǎng)軸方向與三小時(shí)變壓梯度等方法來(lái)判斷寒潮冷鋒的移向。

3.2 大型降水過(guò)程中的鋒面分析

我國(guó)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(chēng)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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?qǐng)D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(xiàn)以南，低空西南急流以北，再結(jié)合地面圖上風(fēng)場(chǎng)、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(xiàn)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(yǔ)

鋒面分析作為《天氣學(xué)分析》的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是天氣過(guò)程分析的重要內(nèi)容，也是學(xué)生在分析過(guò)程中存在較大困難的環(huán)節(jié)。結(jié)合實(shí)踐中存在的問(wèn)題以及多年以來(lái)積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(méi)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?qǐng)D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?qǐng)D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(xiàn)走向基本平行。高空冷平流對(duì)應(yīng)地面冷鋒，暖平流對(duì)應(yīng)地面暖鋒，鋒區(qū)附近平流不顯著對(duì)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(jiàn)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(xiàn)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(guò)程中，通常存在一個(gè)很重要的問(wèn)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(wú)處下手的感覺(jué)。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(duì)當(dāng)天天氣進(jìn)行初步討論，通過(guò)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(duì)天氣分析也有了非常直觀的認(rèn)識(shí)，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(guò)程中急需解決的問(wèn)題。

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