第三章气团和锋

第三章气团和锋,教学内容与教学安排,1.气团1学时2.锋的概念与锋面的坡度2学时3.锋面附近气象要素场的特征5学时4.锋面分析10学时5.锋生锋消2学时教学思考题,技能训练内容,实训一、锋面分析6学时实训二、单站高空风图的分析4学时实训三、剖面图的分析2学时,教学目标,了解气团和锋的概念及其分类熟悉锋面附近要素场分布特征掌握锋面分析方法,教学重点和教学难点,本章重点：（1）锋的概念及分类（2）锋面附近气象要素场的特征和天气特征（3）我国境内气团和锋面活动特点本章难点：（1）锋面分析（2）锋生公式的物理意义及定性分析,第一节气团,一、气团的概念二、气团形成与变性三、气团分类四、我国境内气团活动与气团天气五、单元重点内容提要教学思考题,1.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。2.气团的特点：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。3.气团的尺度：水平范围:几百到几千公里不等垂直范围:可达几公里到十几公里,一、气团的概念,4.气团形成的条件：范围宽广、地表性质比较均匀的下垫面相对稳定的环流形势5.气团形成的物理过程：辐射、对流、湍流、蒸发、系统性垂直运动等6.气团变性：气团离开源地后原有物理属性的改变与下垫面性质的差异、离开源地的时间、移动路径有关。,二、气团的形成与变性,三、气团的分类(热力分类法),把气团分为冷气团和暖气团两种冷气团：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，温度相对低的称为冷气团。,四、我国境内气团活动与气团天气,冬季：主要受西伯利亚气团（大陆极地气团）的影响。源地：西伯利亚和蒙古。特点：*地面为冷性反气旋；*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，是盛夏南北方区域性降水的主要原因；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：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。,单元重点内容提要,气团的特点气团的变性我国境内气团活动特点,一、锋的概念二、锋面坡度三、锋的分类四、单元重点内容提要教学思考题,第二节锋的概念与锋面坡度,一、锋的概念,锋区：密度不同的两个气团之间的过渡区。在天气图上表现为等温线密集带（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。,锋面：在天气图上由于比例尺小，锋区的宽度表示不出来，可把它看作为空间的一个面，即为锋面。,锋线：锋面与地面的交线称为锋线。,锋面是一个具有三维结构的天气系统。它在空间随高度向冷空气一侧倾斜，冷空气在下，暖空气在上。在一水平面上，锋面呈一个狭长带，长1000-2000km,宽度约为几十千米到几百千米，上宽下窄。,锋的空间结构,锋面的空间结构示意图,地面锋线与高空锋区的相对位置示意图,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TLTN，LN并且为一个物质面（锋在移动中由相同的空气质点组成）。则在锋面两侧贴近处的气压必须相等，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。,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。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。d).锋面坡度与平均温度成正比。Tm越高，坡度越大。冬季坡度小于夏季,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。冷锋在我国一年四季都有，冬半年更为常见,冷气团,冷锋,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。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。,暖锋,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。,冷空气,凉空气,冷空气,凉空气,暖空气,冷锋,暖锋,暖空气,暖空气,大雨,小雨,锢囚锋,锢囚锋,典型的中纬度波动性气旋中冷式锢囚锋形成过程示意图,在图的上半部为波动性气旋中锢囚锋形成过程平面图，其下半部为经过平面图中AB两点，跨越锋面的垂直剖面图。图a表示成熟性波动气旋，此时尚未形成锢囚锋，冷锋继续向前运动，逐渐赶上暖锋；图b表示部分锢囚性波动气旋，此时在气旋的中心附近，出现锢囚锋；图c表示锢囚性波动气旋，此时出现比较成熟的锢囚锋。,单元重点内容提要,锋区的概念及特征锋的空间结构特征冷锋的概念及结构特征副冷锋的概念暖锋概念与结构特征静止锋概念与结构特征锢囚锋概念与结构特征,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四、锋面天气五、单元重点内容提要教学思考题,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远比其两侧气团中大（在同一气团中水平的温度梯度一般为12oC100km，而在锋区内，温度的水平梯度可达510oC100km）在等压面图上锋区内等温线相对密集；其密集程度愈强，表示锋面愈强；其走向与地面锋线基本平行，且随高度升高向冷空气一侧倾斜。,(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）,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。因为假相当位温在干湿过程中都守恒。,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，折角指向高压一侧。解释说明：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：,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。,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、锋附近变压场的特征,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,讨论：（1）暖锋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。,（2）.讨论第一项密度平流项a.若则即当密度平流为负或气柱内有暖平流时，地面减压。b.若则即当密度平流为正或气柱内有冷平流时，地面增压。,因暖锋前有暖平流，故负变压明显。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。,第二项水平速度散度项a.若则即若整个气柱以辐散为主，则地面减压b.若则即若整个气柱以辐合为主，则地面增压,由于地面锋位于气压槽中，锋线附近的风场具有气旋性切变，而地面摩擦作用可使这种气旋性切变更加明显，因而地面锋线又是气流的辐合线。锋面附近的风场气旋性切变包括风速切变和风向切变。在有些情况下，风速切变要比风向切变明显，有时风向切变要比风速切变明显，有些情况下两者都非常明显。,3、锋线附近风场特征,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,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。,锋面云,是指锋附近的云、降水、风等气象要素的分布状况。,五、锋面天气,第一型冷锋（缓行冷锋）主要坏天气位于锋后结构特点：坡度小（1/100），移动缓慢。垂直运动特点：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。,1.冷锋天气,冷锋过后的天气：大风和降温,第一型冷锋过境后，单站要素变化特点,气温：逐渐降低。气压：逐渐升高，锋后有大的正变压。风向：过境时顺转（北半球锋前S-SW，锋后N-NW）。风力：逐渐增大，锋后风速远大于锋前，常可在海上造成7-8级风。能见度：逐渐变好。,第二型冷锋（急行冷锋）主要坏天气位于锋前结构特点：坡度大（约为1/50-1/70）移动快垂直运动特点：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。,第二型冷锋过境时要素变化特点,2.暖锋天气,降水发生在锋前还是锋后，主要看暖锋低空的辐合强度和高空槽线的位置而决定。若暖锋低层辐合明显，且700hPa槽线或气旋式曲率大的地方大致在地面暖锋上空，则暖锋前降水较大;若700hPa槽线或气旋式曲率大的地方在暖锋后很远，而暖锋上空的700hPa等高线又具有反气旋曲率，则降水将在暖区发展。同样，若暖空气层结不稳定，暖锋上也可发展积雨云和雷阵雨天气；相反，当暖空气很干燥，水汽含量很少时，锋面上可能只有中高云、甚至无云出现,暖锋过境后的天气：升温,暖锋过境时要素变化特点,气温：逐渐升高。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。,3.准静止锋天气,天山静止锋、昆明静止锋,地形静止锋,锋下坏天气,地形静止锋（锋下坏天气）,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。,4.锢囚锋天气,锢囚锋天气,单元重点内容提要,锋附近水平温度场和垂直温度场分布特征锋附近气压场特征锋附近变压场特征锋附近水平风场和垂直风场分布特征冷暖平流对地面气压变化的影响散度对地面气压变化的影响第一和第二型冷锋天气分布特征,第四节锋面分析,一、利用高空锋区定锋二、根据地面要素场特征定锋三、单站高空风图的分析四、单元重点内容提要教学思考题,第四节锋面分析,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。,（1）地面锋线应位于高空锋区偏暖空气一侧，而且与高空锋区大致平行。（2）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；如果有冷锋赶上暖锋，高空又有暖舌，则地面应是锢囚锋。（3）锋区内等温线越密集，锋的强度越大。（4）同一时刻各等压面图上锋区的相对位置越远，锋面的坡度越小；越近，坡度越大。,一、利用高空锋区定锋,（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：一是有锋面但无明显温差；二是有明显温差但无锋面的虚锋现象。1.造成锋面两侧温差不明显的原因有以下几种：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,二、根据地面要素场定锋,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，因为测站海拔高度不同也容易造成明显的温差。,（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。,三、单站高空风图分析,1.单站高空风图的结构单站高空风图是一张填有某一测站高空风向、风速记录的特制极坐标图。由极点O向外呈辐散状的许多直线是等风向线，在各直线的端点标有风向的方位（以度数表示。内圈数表示风的来向，外圈表示去向）。以O为圆心的不同半径的许多同心圆是等风速线。（参见天气学分析3.2）,2.单站高空风图的填绘,从摩擦层顶开始，由下向上按测风报告填写各层风的记录。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，填写到小数一位或以hpa为单位）。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。,3.单站高空风图的分析,3.1冷暖平流的分析风随高度逆转有冷平流；顺转则有暖平流3.2大气稳定度的分析1.稳定度变化趋势的判断当下层有冷平流，上层有暖平流时，气层稳定度将增大；反之，不稳定度将增大。注意，不稳定度将趋于增大或减小只能表示稳定度演变的一种趋势，不能理解为气层已经处于不稳定或稳定状态之下。气层实际的稳定度状况应同时应用T-lnp图等工具来作深入的分析。2.相对不稳定区的分析,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。,3.3利用单站高空风图分析锋面,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。,这是一冷锋。锋区位于2.02.5km的气层内，呈东北-西南走向。,这是一暖锋。锋区位于1.52.0km的气层内，近于东西走向。,单元重点内容提要,利用高空锋区定锋的原则利用地面要素场特征定锋的原则利用单站高空风图分析冷暖平流及大气稳定度的原则利用单站高空风图定锋的原则,第五节锋生与锋消,一、锋生与锋消的概念二、锋生锋消公式及物理意义三、我国锋生锋消的概况四、我国锋面活动概况五、单元重点内容提要教学思考题,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；即锋的生成或增强，均称为锋生。反之锋消。锋生表现：1.等压面图上锋区内等温线随时间增密；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）水平运动的作用当时，即沿y方向速度减小时，有锋生作用。反之，锋消。即在垂直于等位温线的方向上有速度场辐合时有锋生作用，反之则为锋消作用。,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。,3）.非绝热加热项影响其中代表非绝热加热作用。当冷空气南下移到较暖的下垫面上，非绝热加热作用将使冷空气变暖，导致冷、暖气团之间温差减小，引起锋消。同理暖气团北上非绝热冷却作用，也会导致冷、暖气团之间温差减小，引起锋消。但是，暖湿空气中凝结潜热加热，有利于锋生。,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：河西走廊东北地区，4050N2）南方锋生带：华南沿海长江流域，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。,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30-40N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平原,4.我国锋面活动概况,我国四季均有频繁的锋面活动，其