第三讲、锋面和气旋

锋面和气旋黄楚惠中国气象局气象干部培训学院四川分院全国气象部门新任预报员上岗培训班（2014年3月）主要内容气团锋的概念锋面附近的气象要素场特征锋生和锋消气旋与反气旋锋面气旋模型锋面气旋天气锋面气旋与高空气流配置§1气团一、气团的概念1.定义：气象要素分布比较均匀的大范围的空气团。2.尺度：水平方向数千公里，垂直范围可达几公里到十几公里3.气团控制的天气：水平方向：天气现象基本相同，温湿分布均匀；垂直方向：气象要素分布相同（包括稳定度）南方的暖湿气团与北方的干冷气团二、气团形成与变性1.气团的形成①下垫面性质均匀的广阔的地球表面（大沙漠、大平原、大洋、冰障覆盖），为气团源地。②稳定的环流（下沉辐散，如较少移动的反气旋）2.形成方式：各种尺度的湍流、系统性垂直运动、蒸发、凝结和辐射等物理过程3.气团变性:气团的物理属性逐渐发生变化不同气团，其变性的快慢是不同的，变性的快慢和它所经下垫面性质与气团性质差异的大小有关。冷气团移到暖的地区变性较快。原因：冷气团低层变暖，趋于不稳定，乱流对流容易发展，能很快地将低层的热量传到上层暖气团移到冷的地区则变冷较慢。原因：低层变冷趋于稳定，乱流和对流不易发展，其冷却过程主要靠辐射作用进行。大陆移入海洋的气团容易取得蒸发的水汽而变湿，而从海洋移到大陆的气团，则要通过凝结及降水过程才能变干，所以气团的变干过程比较缓慢。三.气团的分类1地理分类北极气团（冰洋气团）极地气团：分大陆性和海洋性热带气团：分大陆性和海洋性赤道气团2热力分类冷气团：当气团向着比它暖的下垫面移动时称为冷气团暖气团：当气团向着比它冷的下垫面移动时称为暖气团四、我国境内的气团活动与气团天气冬季西伯利亚气团（大陆极地气团）影响；源地：西伯利亚和蒙古。特点：*地面流场为冷性反气旋；*中低空为下沉逆温；*控制区为干冷天气；与热带海洋气团相遇，在华南沿海等地构成阴雨天气；

北极气团

南侵我国，可造成强寒潮天气。夏季：西伯利亚气团：在长城以北和西北活动频繁，与南方热带海洋气团交绥，是盛夏南北方降水的主要原因；

热带大陆气团：常影响我国西部地区，干旱酷热与此有关；

赤道气团（来自印度洋，又称季风气团）造成长江以南大量降水；春季：

西伯利亚气团与热带海洋气团

势力相当，是锋面及气旋活动最盛时期；秋季：变性的西伯利亚气团占主要地位，热带海洋气团退居东南海上，我国东部地区秋高气爽。冬季：极地大陆气团(西伯利亚气团)和热带海洋气团、北极气团夏季：西伯利亚气团、热带海洋气团、热带大陆气团、赤道气团春季：西伯利亚气团、热带海洋气团秋季：西伯利亚气团主导，秋高气爽、热带海洋气团§2锋的概念锋面和气旋是中纬度最典型的两类天气系统，中纬度许多天气现象与锋面和气旋有关。锋面是天气学中最经典的概念之一，也是最重要的中纬度天气系统之一。锋锋区锋面锋线锋面的空间结构示意图（2）

一、锋的概念1、锋冷暖气团相遇，存在一个狭窄的过渡带，此过渡带随高度向冷区倾斜，称此过渡带为锋。2、锋面在近地面层中过渡带宽约数十公里，在高层可达200-400公里。宽度与其水平长度相比(长达数百-数千公里)是很小的。人们常把它近似地看成一个面，即锋面。靠近暖气团一侧的界面叫锋的上界，靠近冷气团一侧的界面叫锋的下界。上界和下界的水平距离称为锋的宽度。3、锋区：密度不同的两个气团之间的过渡区。在高空天气图上表现为等温线密集（即温度水平梯度大而窄的区域）密度的不同主要表现为温度的不同。4、锋线：锋面与地面的交线。锋面的空间结构

二、锋的分类第一种分类法：按照锋面移动过程中冷暖气团的主次地位决定：冷锋、暖锋、静止锋、锢囚锋第二种分类法：按锋的伸展高度分类对流层锋、地面锋、高空锋第三种分类法按气团的不同地理类型分类：冰洋锋（北极锋）、极锋、副热带锋锋的类型冷锋：锋面在移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧运动地面三维冷锋的三维示意图冷锋附近气压场、风场和天气现象暖锋：锋面在移动过程中，暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧运动地面三维暖锋的三维示意图暖锋附近气压场、风场和天气现象静止锋：冷暖气团势力相当，锋面移动很少江淮梅雨静止锋示意图锢囚锋：暖气团、较冷气团、更冷气团相遇时先构成两个锋面，然后其中一个追上另一个锋面即形成锢囚。锢囚锋的三维示意图abcA冷式锢囚锋B暖式锢囚锋C中性锢囚锋xy面内红色的实线为高层等温线§3锋面附近气象要素场的特征一、锋面附近温度场的特征1、水平温度场特征①地面图：锋附近温度水平梯度大，平均约5-6℃/100公里②高空图高空锋区为等温线的密集带，该密集带向冷区倾斜，与地面锋线平行。锢囚锋在高空图上有暖舌，暖舌两侧等温线密集。应用：根据高空图锋区内等温线密集度确定锋区强度、地面锋线位置，等压面上冷暖平流确定锋的类型锋面有坡度2垂直方向：锋区内温度垂直梯度小，逆温、等温或递减率小，两侧气团内温度随高度递减冷暖气团温差越大，锋面逆温越强或过渡区越窄，通过锋区时等温线弯折越厉害锋附近的位温特征位温随高度增大的快，锋区水平等位温线密集。二、以密度的零级不连续模拟锋面时，锋面附近风场气压场和变压场的特征锋面有坡度、气象要素有突变：温度、气压、风、锋面附近天气变化剧烈1气压场特征锋面两侧气压连续，密度不连续，气压梯度不连续：冷气团中气压梯度大于暖气团中气压梯度，冷气团中的气压大于暖气团应用：等压线过锋面有气旋性弯曲，锋面处等压线有折角，指向高压

气压场2变压场特征

变压场是某一位面，空间各点气压随时间的变化冷锋、暖锋均是锋前变压代数值小于锋后变压代数值暖锋前地面减压冷锋后地面加压冷锋前暖锋后，静止锋附近：变压不明显在平坦的地面上垂直速度为零时，地面气压变化由热力因子和动力因子造成：暖锋前地面减压（暖平流）冷锋后地面加压（冷平流）冷锋前暖锋后，静止锋附近：变压不明显散度总和辐散则地面气压下降散度总和辐合则地面气压上升3风场特征水平：锋线附近风场具有气旋性切变，地面摩擦作用可使这种气旋式切变更加明显，并导致锋线附近强的风场辐合垂直：暖锋附近风向随高度顺转冷锋附近风向随高度逆转三、以密度一级不连续模拟锋面，锋面坡度与其附近的气压场、风场和变压场特征密度一级不连续模拟锋面，锋面附近气压场和风场特征气压场：锋区内等压线气旋式曲率比锋区外大得多，反气旋式曲率比锋区外小得多风场：锋区中温度水平梯度大于两侧，锋区中热成风比锋区外大得多风随高度顺转，暖平流最强且热成风最大高度为高空暖锋区；风随高度逆转，冷平流最强且热成风最大高度为高空冷锋区；热成风很大而无明显平流，可能是静止锋变压场特征：变压梯度不连续，变压风也不连续；地面锋区中，等变压线密集，锋区外，等变压线稀疏，变压值比较小四、锋附近湿度场特征：一般暖空气湿度大，露点高冷空气湿度小，露点低五、锋面天气：指锋附近的云和降水1.锋附近引起垂直运动（上升运动）的因子⑴地面摩擦辐合上升⑵锋场移动过程中的抬升、滑升抬升⑶高空槽前后系统性上升下降⑷冷暖平流引起的上升下降2．暖锋附近垂直运动情况⑴暖锋附近地面处在气旋中，风向辐合上升⑵暖锋附近暖湿气流沿暖界面滑升运动⑶暖锋对应处在槽前脊后有系统性上升⑷暖锋上空对应暖平流上升运动强3冷锋附近垂直运动情况⑴一型冷锋（槽前对应冷锋）a冷锋附近地面处在气旋中，风向辐合上升b冷锋附近暖界面上的暖湿气流被迫抬升c冷锋对应处在高空槽前有系统性上升d冷锋上空对应弱冷平流引起下沉运动降水落在冷锋后到冷空气边界，稳定⑵二型冷锋（槽后对应冷锋）近地面摩擦辐合暖湿气流被迫抬升高空槽后有系统性下降强冷平流引起下沉运动降水区处于锋前到锋线，且不稳定⑶一型冷锋与二型冷锋的区别a．位置：一型在槽前，二型在槽后b．降水区不同：一型在锋后，二型在锋前c．高层冷平流强弱不同：一型弱，二型强d.降水稳定性不同：一型稳定，二型不稳定第一型冷锋天气模型

锋面在高空槽前，多稳定性天气。移动缓慢，锋面坡度不大（约1/100），锋后冷空气迫使暖空气沿锋面平稳地上升，当暖空气比较稳定，水汽比较充沛时，会形成与暖锋相似的范围比较广阔的层状云系，只是云系出现在锋线后面，而且云系的分布次序与暖锋云系相反，降水性质与暖锋相似，在锋线附近降水区内还常有层积云、碎雨云形成。降水区出现在锋后，多为稳定性降水。如果锋前暖空气不稳定时，在地面锋线附近也常出现积雨云和雷阵雨天气。夏季，在我国西北、华北等地，以及冬季在我国南方地区出现的冷锋天气多属这一类型。锋面在高空槽后或槽线附近，移动快、坡度大(1/40-1/80)的冷锋。锋后冷空气移动速度远较暖气团为快，它冲击暖气团并迫使产生强烈上升。而在高层，因暖气团移速大于冷空气，出现暖空气沿锋面下滑现象，更加强了锋线附近的上升运动和高空锋区上的下沉运动。第二型冷锋天气模式夏季，地面锋线附近，一般会产生强烈发展的积雨云，出现雷暴、甚至冰雹、飑线等对流性不稳定天气。高层锋面上，往往没有云形成。第二型冷锋云系呈现出沿着锋线排列的狭长的积状云带，好似一道宽度约有十公里，高达十多公里的云堤。在地面锋线前方也常常出现高层云、高积云、积云。冷锋过境时，往往乌云翻滚，狂风大作，电闪雷鸣，大雨倾盆，气象要素发生剧变。这种天气历时短暂，锋线过后，天空豁然晴朗。

在冬季，由于暖气团湿度较小，气温不可能发展成强烈不稳定天气，只在锋线前方出现卷云、卷层云、高层云、雨层云等云系。当水汽充足时，地面锋线附近可能有很厚、很低的云层，和宽度不大的连续性降水。地面锋过境后，云层很快消失，风速增大，并常出现大风。在干旱的季节，空气湿度小，地面干燥、裸露，还会有沙暴天气。这种冷锋天气多出现在我国北方的冬、春季节.暖锋天气模型

暖锋的坡度很小，约为1/150。暖空气一般含有比较多的水汽，主动上升前进，在冷气团之上慢慢地向上滑升可以达到很高的高度，暖空气在上升过程中绝热冷却，达到凝结高度后，在锋面上便产生云系。当暖空气滑升的高度足够高，水汽又比较充沛时，暖锋上常常出现广阔的、系统的层状云系。云系序列为：卷云(Ci)，卷层云(Cs)，高层云(As)，雨层云(Ns)。云层的厚度视暖空气上升的高度而异，一般情况下可达几公里，厚者可达对流层顶，而且愈接近地面锋线云层愈厚。暖锋降水主要发生在雨层云内，是连续性降水，降水宽度随锋面坡度大小而有变化，一般约300-400公里。暖锋云系有时因为空气湿度和垂直速度分布不均匀而造成不连续，可能出现几十公里，甚至几百公里的无云空隙。

暖锋下的冷气团中，空气比较潮湿，在气流辐合作用和湍流作用下，常产生层积云和积云。如果从锋上暖空气中降下的雨滴在冷气团内发生蒸发，使冷气团中水汽含量增多，达到饱和时，会产生碎积云和碎层云。如果这种饱和凝结现象出现在锋线附近的地面层时，将形成锋面雾。以上是暖锋天气的一般情况，但是在夏季暖空气不稳定时，也可能出现积雨云、雷雨等阵性降水。在春季暖气团中水汽含量很少时，则仅仅出现一些高云，很少有降水。明显的暖锋在我国出现得较少，大多伴随着气旋出现。春秋季一般出现在江淮流域和东北地区，夏季多出现在黄河流域。准静止锋与连阴雨

很少移动或移动缓慢的锋叫准静止锋。它的两侧冷暖气团往往形成“对峙”状态，暖气团前进，为冷气团所阻，暖气团被迫沿锋面上滑，情况与暖锋类似，出现的云系与暖锋云系大致相同。由于准静止锋的坡度比暖锋还小，沿锋面上滑的暖空气可以伸展到距离锋线很远的地方，所以云区和降水区比暖锋更为宽广。但是降水强度小，持续时间长，可能造成“霞雨霏霏、连日不开”的连阴雨天气。准静止锋天气一般分为两类。一类是云系发展在锋上，有明显的降水。例如，我国华南准静止锋，大多是由于冷锋减弱演变而成，天气和第一型冷锋相似，锋面坡度更小，云区、降水区更为宽广，其降水区并不限于锋线地区，可延伸到锋面后很大的范围内，降水强度比较小，为连续性降水。由于准静止锋移动缓慢，并常常来回摆动，使阴雨天气持续时间长达10天至半个月，甚至一个月以上，“清明时节雨纷纷”就是江南地区这种天气的写照。直至该准静止锋转为冷锋或暖锋移出该地区或锋消失以后，天气才能转睛。初夏时，如果暖气团湿度增大，低层升温，气层可能呈现不稳定状态，锋上也可能形成积雨云和雷阵雨天气。另一类是主要云系发展在锋下，并无明显降水的准静止锋，例如昆明准静止锋，它是南下冷空气为山所阻而呈静止状态，锋上暖空气干燥而且滑升缓慢，产生不了大规模云系和降水，而锋下的冷空气沿山坡滑升和湍流混合作用，在锋下可形成不太厚的雨层云，并常伴有连续性降水。我国准静止锋主要出现在华南、西南和天山北侧，出现时间多在冬半年，对这些地区及其附近天气的影响很大。准静止锋云系有明显降水无明显降水暖锋锢囚锋天气模式

冷锋锢囚锋天气模式

4锋面天气的输送带模式输送带是指以天气系统为坐标系的相对气流，它们是系统内产生云和雨区的主要气流。

分为暖输送带：向后上滑暖输送带向前上滑暖输送带冷输送带§4锋生与锋消一、锋生与锋消的概念锋生——密度不连续面的形成过程或水平温度梯度加大的过程；即锋的生成或原有锋强度增强的过程，均称为锋生。锋消——反之天气图：等压面图上等温线密集程度地面图上风两侧要素场差异

——锋生函数锋生函数>0，锋生作用锋生函数<0，锋消作用二、锋生锋消公式及物理意义右式第一项：水平运动对锋生的作用右式第二项：垂直运动对锋生的作用右式第三项：非绝热加热对锋生的作用水平运动的作用在垂直于等位温线的方向上有气流辐合利于锋生，反之则有利于锋消。在天气图上鞍型场最易产生锋生。垂直运动作用若大气层结稳定，暖气团下沉，冷气团上升，则锋生；反之则锋消冷锋上高原（绝热冷却暖空气比冷空气强），锋消冷锋下高原（绝热增温冷空气比暖空气强），锋消若潮湿大气位势不稳定，上升运动，锋生暖湿空气抬升，凝结潜热释放，使暖空气增温；干冷空气上升绝热冷却，锋生。非绝热加热冷空气南下，下垫面加热——有利于锋消暖湿空气抬升凝结释放潜热——有利于锋生三、我国锋生、消的概况1.我国的锋生区

1）北方锋生带：河西走廊—东北，40°~50°N2）南方锋生带：华南—长江流域，与副热带锋区位置一致，20°~30°N3）南北锋生带随季节位移，夏季偏北，冬季偏南2.有利于锋生的天气形势1）冷锋锋生高空 冷槽在高空槽后——发展槽槽后有较强冷平流地面 冷锋产生在低槽内或冷高压前部2）暖锋锋生高空 850、700hPa为暖式风切变强的暖平流地面 西南的暖倒槽（开口向南）

3.我国的锋消区青藏高原以东，30°~40°N1）高原东侧——下坡下沉气流作用冷空气下沉比暖空气强，绝热增温强2）处于东亚大槽后部——有利于加压与气流下沉（槽后西北风）3）夏季副热带高压控制东部，大陆温度高，冷空气易变性1）冷锋——最多，全国全年都可产生2）暖锋——不单独产生，与冷锋一起组成锋面气旋3）准静止锋华南准静止锋：武夷山、南岭以北昆明准静止锋：在贵阳一带为阴冷，而在昆明则晴朗4）锢囚锋河套锢囚锋：黄土高原及华北倒回的冷空气汇合于太行山

大巴山锢囚锋、武夷山锢囚锋、南疆锢囚锋东北锢囚锋：锋面气旋发展到后期四.我国的锋面活动§5气旋与反气旋1.概念气旋是同一高度中心气压低于四周的、占有三度空间的大尺度涡旋。在北半球，气旋范围内的空气作逆时针旋转，在南半球其旋转方向为顺时针。从气压场的角度看气旋又是低气压，因而又称为“低压”。反之，同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋叫做反气旋。直径平均1000~3000公里，属天气尺度。2.分类气旋地理：热带气旋和温带气旋热力：锋面气旋和无锋面气旋锋面气旋：气旋中有锋面的气旋，温压场不对称，移动 性大，是带来云和降水的主要天气系统。无锋面气旋：台风或飓风；地形低压或热低压

反气旋地理：极地反气旋、温带反气旋和副热带反气旋热力：冷性反气旋和暖性反气旋。中高纬大陆近地面层反气旋多属冷性反气旋，又称冷高压，出现在副热带地区的副热带高压多属暖性反气旋。气旋与反气旋3.发生频数对东亚气旋发生情况的统计表明，无论冬夏东亚气旋在30~35ºN和45~50ºN两个地带中生成的频数最高，前者与长江淮河流域的纬度相当，称南方气旋。后者相当于我国的北部边疆，称为北方气旋。夏半年北方气旋发生的频数比冬半年多；而南方气旋则是冬半年发生的频数大于夏半年；冬半年这两个地带中气旋发生的百分比接近，而夏半年北方气旋发生的百分比明显比南方气旋大得多。

这与行星锋区由冬季到夏季，从南到北的移动有着密切的关系。

另外，在太行山背风侧的华北平原，日本海和巴尔喀什湖附近是气旋发生频数较多的地区。而110ºE以西、40ºN以南，由于青藏高原的存在，大部分地区并无气旋发生。4.温带气旋的经典模型J.Bjerknes(1919)提出的经他和Solberg(1921,1926)修改后的气旋基本模式：突出特点是温带气旋形成于一条锋面上，相邻两气团之间绝大部分温度对比集中形成一条狭窄的过渡层，按天气尺度来看，实际上相当于一条温度或密度的不连续线。锋面气旋模式上下图为沿气旋不同部位的截面如图所示的气旋模式中，气旋表现为波状，“暖区”介于暖锋和冷锋之间，根据云和降水的观测，暖锋云系与倾斜的锋面有密切的关系。在暖锋上面，暖湿空气沿着倾斜的锋面爬升，并形成大片云层。在冷锋上空，高层冷空气运动比低层锋面移动快，从剖面图上看，空气有沿锋面向下运动的分量，结果锋面过境后不久，天空转晴。但地面冷锋处或地面冷锋前不远处，由于锋面对低层湿空气的抬升，而形成一条狭窄的降水带。实际大气中，气旋的发生发展要有一个从生成到消亡的生命史过程。气旋内暖湿输送带气旋的中尺度结构5.锋面气旋天气锋面气旋的天气可看成以气旋的空气运动特征为背景的气团天气与锋面天气的综合。锋面气旋在对流层的中下层主要是辐合上升气流占优势，因此对应着云雨天气。但由于上升气流的强度和锋面结构的不同，以及组成气旋的冷、暖空气随着季节和地区的差异，锋面气旋在不同的发展阶段会有很大的差异。实际工作中，人们往往通过概念模型把云、降水分布与各种环流系统联系起来，为预报提供一个大致轮廓。下面是锋面气旋在不同发展阶段的天气模型：（1）初生阶段强度较弱，上升运动不强，云和降水坏天气区域不大在暖锋前会形成云雨和连续性降水，能见度恶劣。当大气层结不稳定时，暖锋上还可以出现阵性降水。在冷锋后，云和降水带通常比暖锋前要窄一些。（2）发展阶段气旋区域内的风速普遍增大，气旋前部有暖锋天气特征，云系向前伸展很远，靠近气旋中心处云区最宽；离中心越远，云区越窄。气旋后部具有冷锋后冷气团的天气特征。靠近气旋中心的一段冷锋移动较快，锋前及地面锋线附近为对流云及阵性降水。远离气旋中心的一段冷锋一般处于高空槽后，移动缓慢，锋后云雨区较宽。在气旋的暖区部分，其天气特点主要取决于暖区气团的性质：若是热带大陆气团，由于空气干燥，一般无降水，至多只有一些薄的云层；如果是热带海洋气团控制，水气充沛，则在层结稳定时出现层云或雾，层结不稳定时易有对流性天气发展。在发展强的气旋中，暖区可出现偏南大风，冷锋后的冷区则可能出现西北大风，在干燥季节，伴随大风会出现风沙，能见度变坏。（3）锢囚阶段当锋面气旋发展到锢囚阶段时，地面风速很大，辐合上升气流加强，在水汽充沛时，云和降水范围扩大，降水强度加剧，云系比较对称地分布在锢囚锋两侧。（4）衰亡阶段云和降水开始减弱，云底抬高。以后随着气旋趋于减弱消失，云和降水也随着逐渐消失。6、气旋发生发展最新研究分类

根据气旋发生发展时的环流和天气形势，气旋的发生发展分为三种类型。第一类是经典的锋面波动发展成气旋的过程。特征：（1）锋区或最大斜压区位于近于平直的高空气流下（没有明显的涡度平流）开始发展；（2）最初没有高空冷槽存在，但当地面气旋发展时，槽加强。在气旋未达到最大强度之前，高空槽和低层气旋间的距离明显保持不变；（3）高空涡度平流数值最初很小，并且在整个发展过程中一直保持较小，气旋加强的主要作用是温度平流；（4）对流层下部的斜压性开始时大，锢囚时小；（5）发展的最终结果是达到经典的锢囚气旋；一般认为这类气旋