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鋒 (氣象)

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天氣圖上常見的鋒面記號一覽:

氣象學上的鋒區是指具有強水平溫度梯度、較大靜力穩定性及較大氣旋性渦度的狹長地帶,出現在兩個密度不同的氣團之間。其寬約數十或數百千米,長約上千千米,屬於中尺度天氣系統。鋒在天氣圖上表現隨高度向冷區傾斜的等溫線密集帶。[1][2]由於鋒的長度比寬度要大一個量級,通常也被簡化為面而被稱為鋒面,鋒面與地面的交線被稱為鋒線。鋒生成和消散的機制分別被稱為鋒生鋒消[3][4]

鋒兩側的氣團之間存在明顯的密度差異,這一差異往往是由溫度差異而引起,且常伴有濕度露點溫度的差異。[5][6]受鋒附近氣壓場分佈的影響,鋒往往處在低壓槽中,兩側的風具有氣旋式切變。鋒區內部的溫度、氣壓、風向等氣象要素的變化非常劇烈,其附近常存在有大片的雲系降雨現象,但這些天氣現象的表現因鋒的類型的不同而有所差異。天氣學上常將鋒分為冷鋒、暖鋒、靜止鋒和囚錮鋒四種類型進行分析,每一類鋒可被歸納出典型的天氣模式,但具體的天氣過程受到大氣的垂直運動、水汽輸送條件和大氣層結穩定度的影響。[7][8]

地理分佈[編輯]

根據波傑龍分類法繪製的氣團和鋒的分佈。標記氣團的第一個字母描述氣團的濕度特性:c 表示干氣團,m 表示濕氣團;第二個字母描述氣團的溫度特性:T 表示熱帶,P 表示極地,A 表示南北極。北極鋒和極鋒分隔開了不同溫度帶上的氣團

鋒是兩個氣團之間的過渡區域,按照氣團所屬的地理類型的不同,鋒又可被分為北極鋒極鋒副熱帶鋒[2]:67

  1. 北極鋒出現在極地氣團內部的極地東風帶中緯西風帶之間;
  2. 極鋒出現在極地氣團和中緯度氣團之間,其兩側分別是極地西風帶和副熱帶高氣壓帶
  3. 副熱帶鋒出現在對流層中上部,分隔對流層中緯度氣團和對流層下部熱帶氣團。

極鋒在對流層中層(約 500 hPa 等壓面附近)表現得最清楚,一般可到達地面,但不一定伸展至對流層頂;副熱帶鋒則是在對流層中上層表現得最清楚,多從對流層頂延伸向下,往往不到達地面。[7]:46

行星鋒區[編輯]

極鋒和副熱帶鋒是地球行星鋒區的表現,在對流層中上層的等壓面上表現寬數百公里、環繞半球的等溫線或等高線密集區,其高緯一側是並列的若干氣旋中心,南側是分裂的若干反氣旋中心。隨着中高緯環流的變化,行星鋒區的位置、強度和走向經常發生變動,並發生分支和匯合現象。行星鋒區自下而上向冷區一側即高緯一側傾斜,因此各等壓面上的等溫線或等高線密集區的位置也近乎平行地向高緯一側移動。氣旋和反氣旋的發生和發展多在行星鋒區上進行,其活動與行星鋒區有密切的關聯。[7]:45-46

結構特徵[編輯]

氣團邊界面[編輯]

為對鋒的結構進行動力學分析以模擬真實情況,常以兩類模型對鋒面進行簡化:[4]

  1. 零級不連續面模型將鋒區簡化為冷暖氣團之間的物質面,也即鋒面,鋒面上有密度或溫度的不連續性
  2. 一級不連續面模型將鋒區簡化為密度均勻變化的過渡區域,也即鋒區,鋒區與冷暖氣團邊界面上的密度或溫度連續,但其梯度不連續。

零級不連續[編輯]

鋒的零級不連續是指鋒附近的氣象要素(通常是溫度或密度)在鋒面處發生不連續的現象,在大氣中滿足零級不連續條件的鋒面需要同時滿足兩個條件:[7]

  1. 動力學條件,即氣壓在通過鋒面時連續;
  2. 運動學條件,即垂直於鋒線的風的分量在通過鋒面時連續。

其中,動力學條件保證了由氣壓梯度決定的氣壓梯度力在鋒面處不為無窮大,運動學條件則保證了鋒面附近不會出現真空或空氣質點堆積的現象。根據流體力學理論,同時滿足上述條件的鋒面的移動速度與垂直於鋒線的風的分速相等。因此,理論上組成鋒面的質點不變,鋒面是一個假想的物質面。

一級不連續[編輯]

鋒的一級不連續是指鋒附近的氣象要素在邊界面上連續,但其一階導數在邊界面上不連續的現象。在密度一級不連續的條件下,鋒被視作是具有一定水平寬度和垂直厚度的過渡區域,其與暖氣團的界面被稱為暖界面或上界面,與冷氣團的界面則被稱為冷界面或下界面。鋒區內部的溫度水平梯度、位溫垂直梯度和變壓梯度等氣象要素較氣團內部更大,氣壓場在邊界面上二級不連續。[7]

邊界面坡度[編輯]

鋒面坡度是鋒面和鋒區的邊界面相對於地面的傾斜程度,以鋒面為例,其計算公式最早由奧地利氣象學家馬克思·馬古列斯英語Max Margules在1906年給出:[9][10]

式中, 為鋒面的傾角,地轉參數[註 1]重力加速度的大小; 為冷氣團與暖氣團的溫度差, 為冷氣團與暖氣團平行於鋒面的地轉風分速差; 則為冷暖氣團的平均溫度和平行於鋒面平均地轉風分速。

根據鋒面坡度公式可以得出如下結論:

  1. 鋒面坡度與緯度 正相關,因此緯度越高鋒面坡度越大,赤道上不存在鋒面;
  2. 鋒面坡度與溫差 負相關,溫差為零時不存在鋒面;
  3. 鋒面坡度與風速差 正相關,且風速差 ,鋒面兩側平行與鋒面的地轉風分速具有氣旋性切變

鋒面坡度的量級很小,中國南方的鋒面坡度多在 1/200-1/500 之間,中國北方的鋒面坡度則多在 1/50 - 1/200 之間,冷鋒的坡度大於暖鋒准靜止鋒[2]:66-67

氣象特徵[編輯]

溫度場[編輯]

鋒兩側的氣團間明顯的溫度差是鋒的顯著特徵。

在零級不連續模型中,鋒附近的溫度場在鋒面上出現不連續;在一級不連續模型中,鋒附近的溫度場在邊界面上連續,但溫度梯度在邊界面上不連續。鋒區內部的溫度水平梯度要遠大於鋒區兩側氣團內部的溫度水平梯度。但由於暖空氣爬升至冷空氣上方,鋒區內部的溫度直減率和垂直梯度都特別小,並可能出現鋒面逆溫現象。[11][12]

在等壓面圖上,鋒區內部的等溫線相對密集,分佈與地面鋒線大致平行,可由此大致判斷出鋒區所處的位置。等溫線在自冷氣團橫過鋒區時會發生曲折,且在冷暖氣團溫差越大、鋒面逆溫越強或鋒區越窄時曲折程度越大。[2]

位溫場[編輯]

由於氣塊的位溫絕熱過程中守恆,天氣學上常以位溫代替溫度以更好地分析鋒面的空間結構。

等位溫線的分佈反映了鋒面的厚度和斜率,等位溫面在絕熱條件下與鋒面平行。與絕對溫度的趨勢相反的是,鋒區附近的等位溫線通常是自冷氣團向暖氣團降低,且鋒區內的位溫垂直梯度較氣團內部的位溫垂直梯度更大。[註 2][2][3]

氣壓場[編輯]

鋒區常處在低壓槽中:暖氣團一側的氣壓分佈則較為均勻;冷氣團一側因密度更大而氣壓偏高,且越深入氣團內部,氣壓越高。因此,在冷氣團內部會出現指向暖氣團方向的氣壓梯度,這使得等壓線出現指向高壓區的折角,也即低壓槽。在鋒區內部,等壓線的氣旋式曲率較鋒區外要更大,反氣旋式曲率較鋒區外要更小。

變壓場[編輯]

鋒區附近的變壓場通過氣壓傾向方程描述,在地面場 處,氣壓傾向方程的形式為:[13]

式中 分別代表鋒面移動的水平速度在 方向的分量,並取 方向與鋒面垂直, 方向與鋒面平行,兩者均在水平面上。式中的第一項被稱為熱力因子,表示地面上整個氣柱中的密度平流,氣柱以冷平流為主時,空氣密度增大,地面氣壓上升;第二項被成為動力因子,表示地面上整個氣柱內速度的水平散度的和,氣柱淨輻合時地面氣壓上升。由氣壓傾向方程可分析出如下結論:[2]:74

  1. 暖鋒的鋒前有暖平流,鋒後暖區平流較弱,因此暖鋒的鋒前有負變壓,鋒後變壓較小;同理,冷鋒鋒後有正變壓,而鋒前變壓較小;靜止鋒兩側的變壓相差不大;
  2. 動力因子引起的氣壓變化在鋒前鋒後相差不大,鋒前的變壓代數值小於鋒後的變壓代數值;
  3. 移動鋒面引起的氣壓變化隨着鋒面移速、鋒面坡度及氣團密度差的增大而增大。

由於鋒區邊界面上的氣壓有二級不連續,即變壓梯度不連續,鋒區內部的變壓梯度較鋒區外更大,等壓線亦更加密集,冷鋒過境的短時間(數十分鐘到兩小時不等)內氣壓常發生急升現象。[2]:79

風場[編輯]

鋒線兩側的風場具有氣旋性的切變,受地面摩擦的影響,風向偏離等壓線指向低壓區。由因鋒區內部的等壓線的氣旋式曲率較鋒區外更大,鋒區內部的氣旋式切變亦較氣團內部更大。通常,鋒面附近的氣流是輻合的,且輻合線即為地面鋒線。

受鋒區內溫度水平梯度的影響,鋒區內存在着較大的熱成風。又鋒區是傾斜的過渡區,因此鋒區上下風的垂直切邊很大。暖鋒鋒前的風隨高度作順時針改變,暖平流最強且熱成風最大的高度即高空暖鋒鋒區所在處;冷鋒鋒後的風隨高度作逆時針改變,冷平流最強且熱成風最大的高度即高空冷鋒鋒區所在處。靜止鋒則沒有明顯的平流。在 3000 m 以上的高度,等高線與等溫線趨於重合,鋒區的風向隨高度沒有明顯的變化,但風速隨高度迅速增加。

鋒區的上方和對流層頂的下方可能存在一個急流中心或最大風速中心。[2]:77-78

鋒面天氣[編輯]

天氣學分析中,常按鋒在移動過程中氣團所屬的主次地位以及移動方向,將鋒分為冷鋒暖鋒准靜止鋒(又稱靜止鋒或滯留鋒)和錮囚鋒四種類型。[2][14]每一類型的鋒都有相對固定的天氣模式,但具體的天氣過程則取決於鋒面附近大氣的垂直運動、大氣中的水汽條件、大氣的層結穩定度和當地的地理條件等因素。[7]:49

按照鋒區附近氣流的移動方向,鋒還可被分為上滑鋒(英語:Anafront)和下滑鋒(英語:Katafront)兩類:上滑鋒附近的暖濕空氣沿氣團邊界面向上滑升,表現出不穩定性,從而引起明顯的天氣變化;而下滑鋒附近的乾冷空氣沿氣團邊界面向下滑降,阻礙了暖空氣的上升,從而使鋒面逐漸傾向鋒消,造成的溫度和濕度變化較小,且降雨量有限。[15]

冷鋒[編輯]

鋒面通過時的雲

冷鋒,冷氣團主動向暖氣團推進,並取代暖氣團原有位置所形成的鋒稱之為冷鋒。

由於冷氣團的密度大,暖氣團的密度小,所以冷暖氣團相遇時,冷氣團就會切入暖氣團的下方,暖氣團被迫擡升。在上升過程中,大氣逐漸冷卻,如果暖氣團中含有大量的水分,就會形成降雨天氣;如果水氣含量較少,便形成多雲天氣。

  • 在冷鋒過境前,由於暖空氣的積聚,往往會出現氣溫稍高的情況。
  • 冷鋒過境時,以下情況將會出現:
北半球冬季冷鋒過境前後的典型天氣特徵[5]:310
氣象要素 過境前 過境時 過境後
風向 偏南或偏西南 快速變化 偏西或偏西北
溫度 相對較高 急劇下降 穩定下降
氣壓 穩定下降 達到最低值後急劇上升 穩定升高
雲系 捲雲卷層雲增多,臨近過境時出現積雨雲 積雨雲 積雲為主,地面溫度較高時可能有層積雲出現
降雨 短周期的強降雨 以雨或雪等形式出現強降雨,有時伴有冰雹雷電 降雨強度減弱,隨後放晴
露點 較高 急劇下降 較低
能見度 一般或較差,有霧 很差,但過境結束後提高 降雨結束後相對較好

暖鋒[編輯]

暖鋒,暖氣團主動向冷氣團推進,並取代冷氣團原有位置所形成的鋒稱之為暖鋒。常發生於高緯區。由於暖氣團的密度較小,所以暖氣團就會爬升到冷氣團的上方,導致大氣凝結成雲或雨。因為暖鋒移動的速度比冷鋒要慢,因此可能會連續幾天降雨或有霧(比如中國華南地區春季的「回南天」)。

當暖鋒到來時,首先見到的是一縷縷羽毛狀的捲雲,然後是高層雲,最後是雨層雲,雨層雲將帶來降雨。

  • 溫度上升。
  • 濕度上升。
  • 出現持續性的降雨。
  • 氣壓在鋒前急劇下降,鋒後緩慢下降;或者鋒前緩慢下降,鋒後氣壓上升。
北半球冬季暖鋒過境前後的典型天氣特徵[5]:312
氣象要素 過境前 過境時 過境後
風向 偏南或偏東南 多變 偏南或偏西南
溫度 相對較低,緩慢上升 穩定上升 趨於平穩
氣壓 常為下降 急劇下降 略微升高後繼續下降
雲系 捲雲卷層雲增多,隨後出現高層雲雨層雲層雲 層雲為主 放晴,伴有少量層積雲
降雨 輕微到中等程度的降雨 零星小雨或無降雨 通常無降雨,有時會有小雨或陣雨
露點 穩定升高 保持穩定 升高後趨於平穩
能見度 很差 很差,但逐漸轉好 較好,有薄霧

滯留鋒(靜止鋒)[編輯]

滯留鋒,又稱靜止鋒,有時候冷暖氣團實力相當,沒有一方有足夠的力量使另一方移動,兩個氣團便會僵持在一起,這時形成的鋒便稱為滯留鋒,亦稱:靜止鋒。

在滯留鋒附近的地方,暖空氣中的水汽凝結成雨、雪、霧或雲。滯留鋒經常帶來較長時間的不穩定的天氣,有時會造成大範圍的大雨。

東亞季候風區春末夏初的梅雨,便是由滯留鋒所帶來。

滯留鋒一段時間會轉變為暖鋒或冷鋒,亦或自行減弱。

錮囚鋒[編輯]

由於冷氣團移動較快,暖氣團移動較慢,於是在一個溫帶氣旋中,冷鋒將追趕上暖鋒,最後冷鋒與暖鋒相疊,地面全部被冷空氣佔據,暖空氣舉昇至高空中,便形成錮囚鋒。

錮囚鋒與溫帶氣旋有關。錮囚鋒的出現,意味着溫帶氣旋達到其最大強度,但同時也意味着溫帶氣旋將逐漸減弱。錮囚鋒能帶來多種的天氣,但一般而言與降雨有關。(一般來說,錮囚鋒的天氣特點是冷鋒與暖鋒這兩個鋒面系統天氣特點的總和。)

錮囚鋒按照其帶來的溫度改變分為三類,即:

種類 特點
暖鋒型錮囚鋒 追上暖鋒的冷鋒其後冷氣團的溫度比暖鋒前的冷氣團的溫度高
冷鋒型錮囚鋒 追上暖鋒的冷鋒其後冷氣團的溫度比暖鋒前的冷氣團的溫度低
中性錮囚鋒 追上暖鋒的冷鋒其後冷氣團的溫度與暖鋒前的冷氣團的溫度相等

三類錮囚鋒的形成原因:由於錮囚鋒由冷鋒與暖鋒重疊產生,有兩個冷氣團夾一個暖氣團,故兩個冷氣團本身的溫度將決定錮囚鋒的類型。

參見[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ 地轉參數的計算式為 ,與緯度 正相關
  2. ^ 位溫 的垂直梯度 ,與絕對溫度 的垂直梯度 具有如下關係:
    式中,氣體常數 為干空氣的定壓比熱容功熱當量重力加速度的大小,上述符號均為常量。鋒區內部常有逆溫(即 ),因此鋒區內部的位溫垂直梯度常較溫度直減(即 )的氣團內部更大

參考文獻[編輯]

  1. ^ 壽紹文主編.中尺度天氣學(第三版).北京:氣象出版社,2016.ISBN 978-7-502-96347-7
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 朱乾根等.天氣學原理和方法(第四版).北京:氣象出版社,2007.ISBN 978-7-502-90989-5
  3. ^ 3.0 3.1 黃榮輝.大氣科學概論.北京:氣象出版社,2005.ISBN 978-7-502-94027-0
  4. ^ 4.0 4.1 伍榮生,高守亭,談哲敏.鋒面過程與中尺度擾動.北京:氣象出版社,2004.ISBN 978-7-502-93867-3
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Ahrens, C. Donald. Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment 12. Brooks/Cole, Cengage Learning. 2017. ISBN 978-1-337-61666-9 (英語). 
  6. ^ Ahrens, C. Donald. Essentials of Meteorology: An Invitation to the Atmosphere. Cengage Learning. 2018. ISBN 978-1-305-62845-8 (英語). 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 孫淑清,高守亭.現代天氣學概論.北京:氣象出版社,2005.ISBN 978-7-502-94030-0
  8. ^ Panchev, S. Dynamic Meteorology. Springer Science & Business Media. 2012-12-06: 129. ISBN 978-94-009-5221-8 (英語). 
  9. ^ Steinacker, Reinhold; Brönnimann, Stefan. Stationary flow near fronts. Meteorologische Zeitschrift. 2016-12-21, 25 (6): 805–809. ISSN 0941-2948. doi:10.1127/metz/2016/0832 (英語). 
  10. ^ Margules Equation for Frontal Slope. tornado.sfsu.edu. [2020-06-12] (英語). 
  11. ^ 朱乾根等.天氣學原理和方法(第四版).北京:氣象出版社,2007.ISBN 978-7-502-90989-5
  12. ^ 壽紹文主編.天氣學分析(第二版).北京:氣象出版社,2006.ISBN 978-7-502-93457-6
  13. ^ Pressure Tendency Equation. tornado.sfsu.edu. [2020-06-14] (英語). 
  14. ^ Wallace, John M.; Hobbs, Peter V. Atmospheric Science: An Introductory Survey. Elsevier. 2006-03-24. ISBN 978-0-08-049953-6 (英語). 
  15. ^ Chris C. Park. The environment: principles and applications. Psychology Press. 2001: 309. ISBN 978-0-415-21771-2. 

拓展閱讀[編輯]

  • 壽紹文主編.中尺度天氣學(第三版).北京:氣象出版社,2016.ISBN 978-7-502-96347-7
  • 孫淑清,高守亭.現代天氣學概論.北京:氣象出版社,2005.ISBN 978-7-502-94030-0
  • 伍榮生,高守亭,談哲敏.鋒面過程與中尺度擾動.北京:氣象出版社,2004.ISBN 978-7-502-93867-3
  • 朱乾根等.天氣學原理和方法(第四版).北京:氣象出版社,2007.ISBN 978-7-502-90989-5