天气学原理与方法气团和锋概要

1、第二章气团与锋,2.1气团2.2锋的概念与锋面坡度2.3锋面附近气象要素场的特征2.4锋面分析2.5锋生与锋消本章重点掌握：锋的概念与分类；锋面附近温度场、气压场、变压场和风场的特征；锋面天气特征；锋生、锋消的概念及影响因素,气团是指气象要素（主要指温度和湿度）水平分布比较均匀的大范围空气团。在同一气团内，气象要素(如温度）的变化相对比较小。水平温度梯度一般小于1-2/100km。在同一气团中，各地气象要素的垂直分布几乎相同，天气现象也大致一样。气团的水平范围:几百到几千公里不等。气团的垂直范围:可达几公里到十几公里。,2.1气团,一、气团的概念,二、气团的形成条件,气团的形成须具备两个基本条

2、件：(1)具备大范围物理性质比较均匀的下垫面。如辽阔的海洋，浩瀚的沙漠，大面积冰雪覆盖的极区等。(2)稳定的环流条件（例如移动甚少的反气旋）使空气能比较长时间的缓慢移动在温、湿特性比较均匀的下垫面上，从而获得与下垫面相同的物理属性。具备上述两个条件的地区为气团源地,气团的变性,气团变性气团原有物理属性的改变。气团变性的快慢主要取决于以下因素：(1)源地性质与所经下垫面性质差异的大小。(2)离开源地时间的长短和路程远近。通常冷气团比暖气团变性快。习惯上把内部物理属性已发生改变或要素分布已不够均匀的气团称为变性气团。影响我国的气团大多为变性气团。,三、气团的分类(地理分类法),冰洋气团（北极气团）

3、：形成于65N以北的极区。大陆性的冰洋气团:干冷、晴朗、稳定。海洋性的冰洋气团：夏季从海洋获得热量和水汽。极地气团：形成于中高纬大陆和海洋(4070N）。大陆性的极地气团：干冷、晴朗、气层稳定；海洋性的极地气团：冷湿、多云、阴天；热带气团：形成于副热带的大陆和海洋(1040N）。大陆性的热带气团：炎热、干燥，晴朗少云、气层不稳定.海洋性的热带气团：热、湿不稳定、晴朗。赤道气团：形成于赤道洋面热湿、不稳定、多雷暴、阵性大风和阵性降水天气。,气团的分类(热力分类法),热力分类法就是依据气团的温度和所经地区下垫面的温度对比来划分。冷气团：指移向暖的下垫面的气团。冷气团使所经地区气温下降，而其本身温度

4、则升高。这种气团由于其低层迅速增温，气温垂直递减率增大，气层往往趋于不稳定，容易发生对流，因此冷气团低层常具有不稳定天气特征。暖气团:指移向冷的下垫面的气团。暖气团使所经地区气温上升，而其本身温度则下降。气温垂直递减率减小，气层趋于稳定，有时形成逆温，对流不易发展，所以暖气团具有稳定性的天气特点。另外，两气团相遇时温度相对高的气团称暖气团，低的称为冷气团。,四、我国境内的气团活动与气团天气,冬季：我国大部分地区主要受变性的极地大陆气团的影响，它的源地在西伯利亚和蒙古，我国称它为西伯利亚气团。它所控制的地区，一般多大风、降温天气。气候特点是干燥、晴朗、低温、多偏北风。华南、西南等地则受热带海洋气

5、团影响，潮湿多阴雨或雾。在适当的环流条件下，北极气团也可南下侵袭我国，造成气温剧降的强寒潮天气。,夏季：西伯利亚气团主要活动在我国长城以北和西北地区。我国沿海主要受变性热带海洋气团影响。气候炎热、潮湿、多雷雨。在我国西北主要受热带大陆气团影响，干燥、炎热、少雨，在它的控制下常出现严重的干旱和酷暑。云南、云贵高原南部则受SW夏季风影响，形成了得天独厚的独特气候。春季：变性的极地大陆气团和热带海洋气团的势力相当，互有进退，因此是锋面和气旋活动最频繁的时期，天气比较复杂。秋季：变性的极地大陆气团开始活跃，变性热带气团南退，我国出现最为宜人的秋高气爽天气,2.2锋的概念与锋面坡度,一、锋的概念锋：冷暖

6、气团之间狭窄而倾斜的过渡带称为锋。锋在空间随高度向冷空气一侧倾斜，冷空气在下，暖空气在上。锋具有一定宽度（地面30-40Km,高空达几百公里），在天气图上由于比例尺很小，锋区的宽度表示不出来，可把它看作空间的一个面，称为锋面。锋区：锋和空中某一平面相交的区域。锋区中温度水平梯度特别大，等温线密集，并随高度向冷区倾斜。锋线：锋面与地面的交线称锋线。,地面锋与高空锋区相对位置,锋面的空间结构,二、锋面的坡度,1.锋面坡度产生的原因:地球自转所致。2.锋面坡度公式推导假设锋面是T、的零级不连续面（气象要素本身不连续）即TLTNLN并且为一个物质面（在移动中由相同的空气质点组成）。则在锋面两侧贴近处的

7、气压必须相等，即PL=PN取一直角坐标，设x轴由暖气团指向冷气团，y轴平行地面锋线。PL=PNdpL=dpN,展开得,两式相减得：,由静力学方程和地转风方程代入式得,代入状态方程,（注意）,得,、式为Margules锋面坡度公式,令,代入式得,在实际计算中比较小，可略去,讨论式：a).锋面的坡度与f成正比，高纬锋面坡度大于低纬。在赤道上故没有锋面存在的可能。b).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。实际上就没有锋面。c).锋面的坡度与锋两侧平行与锋的地转风分量差成正比。风速差（风速切变）越大，坡度越大。当锋面也不存在d).锋面坡度与平均温度成正比。Tm越高，坡度越大。冬季坡

8、度小于夏季,实际工作中常使用同一时刻各等压面图上锋区的相对位置来估计锋面坡度的大小。同一时刻各等压面图上锋区的相对位置越近，则锋面坡度越大。我国统计结果北方（高纬）锋面坡度南方（低纬）锋面坡度其中冷锋的坡度大于暖锋和静止锋,三、锋的分类,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、准静止锋和锢囚锋四种。根据锋伸展的不同高度可将锋分为：对流层锋（地面对流层顶）、地面锋（700hap以下）和高空锋（500hap以上，不接地）三种。根据气团的不同地理类型可将锋分为冰洋锋（北极锋）、极锋和副热带锋三种。,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移动，称为冷锋

9、。冷锋在我国一年四季都有，冬半年更为常见。,副冷锋：冷锋在移动过程中，由于气团变性程度不同，或有小股冷空气补充南下，则在同一个冷气团内又可形成一条冷锋称为副冷锋。前面的冷锋称为主锋。一般来说，副锋两侧的温度差比主锋两侧的小，伸展高度也较低。,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移动，称为暖锋。暖锋多在我国东北地区和长江中下游活动，大多与冷锋连结在一起。,准静止锋：冷暖气团势力相当，很少移动的锋，称为准静止锋。（6小时无移动，24小时移动在2个纬度之内）在我国华南和云贵高原等地常见到冷锋由于受到山脉阻挡和适当流场共同作用而形成的准静止锋。,锢囚锋冷锋移速快于暖锋，当冷锋

10、追上暖锋后，或者两条冷锋迎面相遇，迫使暖气团抬离地面，锢囚到高空，近地层由冷锋后部的冷气团和暖锋前的冷气团构成的交界面，称为锢囚锋。,冷式锢囚锋,第三节锋面附近气象要素场的特征,一、锋面附近温度场的特征1.锋面附近温度水平分布特征：锋区内温度水平梯度比两侧气团内温度水平梯度大得多(1).地面锋线附近有较大温差(2).高空等压面图上锋区内等温线相对密集；其走向与地面锋线基本平行，且随高度升高向冷空气倾斜。(3).锢囚锋在低层等压面图上有明显的暖舌相对应，暖舌两侧等温线较密集。中性锢囚：高空暖舌在地面锋线上冷式锢囚：高空暖舌在地面锋线后暖式锢囚：高空暖舌在地面锋线前,天气图应用：（1）根据高空锋区

11、位置和走向确定地面锋线的大致位置和走向。地面锋应位于高空锋区的前沿。（2）根据高空锋区附近冷暖平流的性质确定锋的类型。锋区内有冷平流，则地面为冷锋；若有暖平流则为暖锋；如果无平流或仅有弱的平流，则为准静止锋（3）根据锋区内等温线的密集程度确定锋的强度。（4）对比同一时刻各等压面上锋区的位置，可大致确定锋面的坡度。,2.锋面附近温度垂直分布特征：锋区内温度垂直梯度比两侧气团小。常出现锋区逆温、等温、温度直减率很小的现象。（有逆温的锋最强）,3.锋面附近位温的分布特点：锋区内等位温线比较密集且与锋面平行,说明：由位温方程两边取对数并对z取偏导得到：代入状态方程和静力学方程,有,气团内锋区内,位温随

12、着高度的升高而增大得很快,位温随着高度的升高而增大,其中,讨论,结论：a）位温垂直梯度在锋区内比气团内大得多，所以锋区内等位温线密集。b）空气质点在锋面上移动，在绝热条件下位温守恒，因此等位温面平行于锋面。但在近地面层因辐射、湍流等因素影响，大气过程是非绝热的，等位温线与锋面则不平行。c）实际工作中不使用位温而使用假相当位温因为在干湿过程中都守恒。,2.说明：取x轴垂直于锋线，由暖区指向冷区；y轴平行于锋线。假设锋面是密度零级不连续面。由锋面坡度公式：,二、以密度的零级不连续面模拟锋面时，锋面附近气压场、风场和变压场的特征1.气压场特征：地面锋线处于低压槽中，等压线通过锋面时有较大的弯折，折角

13、指向高压一侧。,3.结论：a.PL=PN锋线附近气压是连续的。b.锋线附近气压梯度是不连续的，所以等压线穿过锋线时有弯折。c.满足，则折角指向高压，即锋线落在低压槽中。,且,2、锋附近变压场的特征：1.特征：对冷、暖锋来说，锋前变压代数值总是小于锋后的变压代数值（冷锋前一般为负变压，后为正变压。暖锋前后均为负变压，但代数值前小后大）。静止锋两侧变压代数值则相差很小。移动锋面引起的变压差，随锋面移速、锋面坡度及锋两侧气团密度差的增大而增大。,2.说明：设锋面为密度的零级不连续面，且PL=PN。取随锋面移动的坐标系：x轴垂直于锋线，y轴平行于锋线。则有展开后得：其中锋的移速,3.讨论：（1）.暖锋

14、即暖锋前变压代数值小于锋后的变压代数值。（2）.冷锋即冷锋前变压代数值小于锋后的变压代数值。（3）准静止锋即准静止锋两侧变压代数值相等。,4.用气压倾向方程解释气压变化的物理意义（1）公式推导代入连续方程:,设在平坦地面上Z=0处于是上式变为该式表明，在平坦的地面上垂直速度为零时，地面气压变化由两项因子造成。第一项为地面以上整个气柱中的密度平流（也称为热力因子）第二项为地面以上整个气柱内速度水平散度的总和。,气压倾向方程,（2）.讨论第一项为密度平流项（也称为热力因子）a.若则地面减压b.若则地面增压,密度平流为负或气柱内有暖平流,密度平流为正或气柱内有冷平流,因暖锋前有暖平流，故负变压明显。

15、冷锋后有冷平流，故正变压明显。一般来说，平流越强，变压越大。,第二项为水平速度散度项（动力因子）a.若气柱以辐散为主，质量减少。则地面减压。b.若气柱以辐合为主，质量增加。则地面增压。,3、锋线附近风场特征：锋两侧的风具有气旋式切变和气流辐合。地面锋线又是气流的辐合线。,三、以密度的一级不连续面模拟锋面时，锋面附近气压场、风场和变压场的特征,1.在密度为一级不连续条件下的锋面坡度公式这两式说明，当锋区内密度连续时，锋若存在，则锋区附近必有密度的一级不连续和气压的二级不连续。,2.锋面附近的气压场和风场特征已知锋区中的密度（或温度）梯度比锋区外的冷、暖气团中的大得多，即又因故有可以证明在气压场中

16、槽线处，而就与等压线的曲率大小成正比。数值越大，表示槽越深。,结论：以密度一级不连续面模拟锋面时，锋区附近气压场特征是：锋区内等压线气旋式曲率比锋区外大得多。因此，等压线过锋面时应有较大的气旋式曲率突增现象。锋区内风场的气旋式切变比锋区外大得多。锋区的上下，风的垂直切变很大。随高度增加，风速急剧增大，到一定高度形成急流（原因是锋区中的热成风很大）。因冷锋后有冷平流，故自下而上穿过冷锋锋区，风向作逆时针改变；暖锋前有暖平流，故自下而上穿过暖锋锋区，风向作顺时针改变。,3.锋面附近的变压场特征是：锋区内变压梯度较锋区外为大。也即，锋区内等变压线比锋区外密集。,四、锋线附近湿度场特征一般暖气团湿度大

17、特殊海洋冷空气冷湿冷气团湿度小大陆暖空气干暖,锋面天气第一型冷锋天气（缓行冷锋）,结构特点：地面锋线位于高空槽前，坡度小（1/100），移动慢。垂直运动：在冷空气一侧以下沉运动为主，暖空气一侧多为上升运动。云系分布：由低层到高层依次为NsAsCsCi，降水：在锋线附近和锋后产生稳定性降水。若锋前暖空气不稳定，则伴有积雨云和雷阵雨天气。气温：逐渐降低。气压：逐渐升高，锋后有大的正变压。能见度：锋过变好。风：北半球锋前S-SW，锋后N-NW，过境顺转；锋后风速远大于锋前，常可在海上造成7-8级风。,第一型冷锋天气,第二型冷锋天气（急行冷锋）,结构特点：地面锋线位于高空槽后，坡度大（约为1/50-1

18、/70），移动快；垂直运动：在冷空气一侧以下沉运动为主，在暖空气一侧低层上升，高层下沉。云系：锋前不稳定时，为积状云，夏：Ac（As）,Cb，Fn；冬：Ci、CsAsNs。降水：锋前及锋线附近常为雷暴和阵性降水。气温：迅速下降。气压：急速上升，在锋后有最大正变压。能见度：锋过变好。风：与第一型相同，但锋面过境时，狂风暴雨，雷电交加，时间短暂。,第二型冷锋天气（夏季）,第二型冷锋天气（冬季）,锋面坡度：1/1001/200。垂直运动：一般锋附近的冷、暖空气均为上升运动。云系：从高层到低层依次为CiCsAsNs（与冷锋相反）。降水：在锋前300-400公里处产生连续性降水，中或大雨。气温：气温逐渐

19、升高。气压：逐渐降低，暖锋前有较大的P3负变压。能见度：最初较好，雨区能见度差。锋前可出现锋面雾。风：北半球锋前吹E-SE风，锋后S-WS风，过境顺转；风速大小视气压梯度而定。,暖锋天气,暖锋天气,准静止锋天气一（锋上坏天气）,结构特点：类似于第一类型冷锋，但坡度更小（约为1/200）云系：与第一型冷锋相似，云系依次为Ns-As-Cs-Ci。降水：稳定的连续性降水，雨量小，雨区宽，持续时间长，雨区离锋线有一段距离。气温和气压：变化不大风：北半球锋北侧E-NE，多阴雨天气；锋南侧SW，晴好天气。,准静止锋天气一（锋上坏天气）,准静止锋天气二（锋下坏天气）,主要云系发展在锋下，并无明显降水的准静止

20、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。,锢囚锋天气,主要天气特征：云系由两条锋面的云合并而成，最显著的特征是云层增厚，降水增强，雨区扩大，锋两侧均有降水和锋面雾，天气较复杂。,锢囚锋天气,2.4锋面分析,首先可以按照历史连续性的原则，将前6小时或12小时锋面的位置描在待分析的天气图上，根据过去几张图的连续演变，结合地形条件，大致确定出本张图上锋面的位置。但要注意锋生锋消现象。其次，可以结合分析高空锋区，判断出地面图上锋面的位置和类型。

21、地面锋线应位于高空锋区的偏暖空气一侧，而且与高空锋区大致平行，高空锋区有冷平流时，地面为冷锋；高空锋区有暖平流时，地面为暖锋；如果有冷锋赶上暖锋，高空又有暖舌，则地面应是锢囚锋；高空锋区中冷、暖平流均不明显时，所对应的是静止锋。,（一）温度场的应用将锋定在温度差异最大的两个测站之间。但要考虑纬度的影响和温度的代表性。特别注意下面两种情况1.有锋面但无明显温差的情况，造成这种现象的主要原因有：锋面两侧辐射条件不同锋面两侧蒸发凝结条件不同锋面两侧垂直运动不同地理条件的影响2.有明显温差但无锋面的虚锋现象。如冬季，由于海陆热力性质的不同，在海岸线附近引起的较大温差。再有，在高原与平原接壤处，因为测站

22、海拔高度不同也容易造成明显的温差。,根据地面要素场定锋,（二）湿度场的应用在没有降水发生的条件下，将锋定在露点差异最大处。（三）气压场的应用将锋定在低压槽中或冷高压前缘的隐槽中（隐槽是指等压线互相平行，仅是梯度不同，前后风向虽没有差异，但风速仍具有气旋性切变的气压场型式）。但要注意有槽的地方不一定都有锋。（四）风场的应用将锋定在风场气旋式切变最大处。但一定要注意风的代表性以及一些特殊地方锋面过境时风的演变特点。（五）变压场的应用将锋定在变压梯度最明显的地方，与等变压线密集带相平行。但要注意气压的日变化和气压系统强度变化的影响。,应用高空测风资料定锋,单站高空风图的填绘（参见天气学分析3.2）单

23、站高空风图是一张将某站测得的高空风风向、风速填在极坐标上的图。填写的方法是：根据测风报告中的某层风向，在图上找到相应的风向线，再根据该层的风速，沿此风向线找到相应风速值的点，在这里点上点子；在该点旁注明风记录的高度（以km为单位，填写到小数一位）。其它各层按同样的方法填写。如图所示：,图中A、B、CH各点是根据各高度测风记录点的点子。矢量分别表示各高度上的风向、风速。矢量分别表示两相邻高度之间的热成风方向和大小。A、B、C到H点的连线称为热成风曲线。,利用单站高空风图可以判断有无锋面存在有锋面时，热成风较大；无锋面时，热成风较小。利用单站高空风图可以判断锋面性质风向随高度逆转时有冷锋；顺转则为

24、暖锋利用单站高空风图可以判断锋区的强度最大热成风线段愈长，则锋区愈强利用单站高空风图可以判断高空锋区的走向高空锋区的走向与最大热成风的走向平行利用单站高空风图可以判断锋面的移速方法是：从极坐标原点作一垂直于锋区热成风矢线的垂线。垂线愈长，表示该层垂直于锋区的风速分量愈大，则锋的移动较快；反之，则移动较慢。如果垂线很短，则可判定此锋为静止锋。,利用单站高空风图分析锋面,右图是冷锋。锋区位于2.02.5km的气层内，呈东北-西南走向。,左图是一暖锋。锋区位于1.52.0km的气层内，近于东西走向。,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

25、过程，均称为锋生。反之锋消。1.等压面图上锋区内等温线随时间增密；锋生表现：2.地面图上锋附近要素场特征更加明显，天气表现加剧。,第五节锋生与锋消,二、锋生锋消公式及物理意义1.公式推导用表示位温水平梯度的绝对值令为锋生函数（或锋生强度）则F0为锋生，F0为锋消取坐标系x轴平行于等位温线（锋区），y轴垂直于等位温线，指向位温升高的方向（由冷区指向暖区）。则可得锋生锋消公式,讨论：（1）.水平运动的作用当气流辐散时，则，锋消当气流辐合时，则，锋生即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。,在天气图上最易产生锋生的流场是鞍型场。a.若等位温线与伸展轴的夹角45，则在辐合气流下

26、易锋生b.若等位温线与伸展轴的夹角45，则在辐散气流下易锋消；但等位温线会逐渐旋转使45所以变形场最有利于产生锋生。,（2）垂直运动作用,式中,表示大气稳定度,a.稳定大气下,暖下沉，冷上升则,锋生,暖上升，冷下沉则,锋消,故在稳定大气情况下，冷锋上山、下山均为锋消,b.在不稳定大气中当时，锋生当时，锋消因为暖气团的凝结潜热作用抵消了上升冷却作用。,3）.非绝热加热项其中加热时冷却时当时（暖空气相对加热，冷空气相对冷却），则锋生。反之，锋消。加热形式凝结潜热加热有利于锋生下垫面加热有利于锋消,三、我国锋生锋消的概况1.我国的锋生区（主要有两个）1）北方锋生带：河西走廊东北，4050N2）南方锋

27、生带：华南长江流域，2030N3）这两个锋生带是和南北两支高空锋区相对应的，随季节南北位移。自春到夏逐渐北移，自夏到冬逐渐南移。4）此外，天山北坡、南岭北坡、云贵川一线坡地等，都是常见的静止锋锋生区。,1）冷锋锋生高空:常有冷性低槽发展，冷槽在高空槽后，槽后有较强的冷平流，槽前平流较弱。地面:冷锋常产生在低槽内或冷高压前部隐槽中。,2.有利于锋生的天气形势,2）暖锋锋生高空:850、700hpa有一暖式风切变，切变线南部有较强的偏南风且有温度脊配合，南部暖平流远大于北部。地面:从西南地区常有暖倒槽（开口向南的槽）向东北方向伸展,3.我国的锋消区主要是在青藏高原以东3040N一带。这是因为：1）高原东侧下坡下沉气流作用2）冬季处于东亚大槽后部，有利加压和气流下沉3）夏季副热带高压西伸北移，控制我国东部地区，大陆温度高，冷空气极易增暖变性。,常见的锋消形势,锋面转处高空槽后脊前，锋面附近出现下沉运动，地面气流辐散维持锋面的冷暖平流减弱或消失气团变性冷锋从高原下到