兰大大气学院天气学原理教程--锋生锋消

1、4 . 锋生和锋消锋生和锋消4.1 概念概念4.2 锋生函数锋生函数4.3 影响锋生函数的因子影响锋生函数的因子4.1概念概念 锋生锋生 和和 锋消锋消 是锋面动力学和天气分析中的两个重要天气概念。大是锋面动力学和天气分析中的两个重要天气概念。大气中锋的形成、加强或减弱、消失，可导致锋面附近天气的剧烈变化。气中锋的形成、加强或减弱、消失，可导致锋面附近天气的剧烈变化。锋生锋生 一般是指一般是指密度或温度不连续形成密度或温度不连续形成 的一种过程，或者的一种过程，或者是指已有一条锋面存在，其密度（或温度）是指已有一条锋面存在，其密度（或温度）水平梯度增大水平梯度增大 的过程。的过程。锋消锋消 是

2、指与锋生过程相反的过程。是指与锋生过程相反的过程。 按锋的定义，锋的两侧水平温度差异显著是锋的热力场最主要的特征。因此研究锋生、锋消时，可以从 水平温水平温度梯度随时间的变化度梯度随时间的变化 入手。 锋面的锋生和锋消过程可以用锋生函数锋生函数来描述4.2锋锋生生函函数数锋生函数定义为：T1T2T3T4T5锋生的必要条件: 锋生函数0，锋生作用 锋生函数 0 ,0 ,0FFnn22F 0 ,0 ,0FFnnnTdtdF二、锋生锋消公式及物理意义 1. 公式推导 其中展开： dtdFh求： 和 而： duvdttxyP2222duvdtxtxxx yx p pxpxpxvyxvxuxxutxdt

3、dx2222)()()()( 同理 P xwy xvx xudtdx x dtd dduvdtxx dtxxxyx P dduvdtyy dtyyyyyP锋生函数 将，代入式 )()(1)(1)()2()2(1dtdyydtdxxhpyyxxhyuxvyxyvyxuxhFyvxuDyvxuEyuxv热力学方程水平散度伸展变形切变变形垂直方向的涡度yuxvFQdtd2. 讨论式。（锋生消公式） 设坐标系x轴平行于等位温线，由冷指向暖； y轴垂直于等位温线，指向位温升的方向。 ， 所以 转为讨论式（1）水平运动的作用 当 时，则 ， 锋消 当 时，则 ， 锋生 气流辐合，锋生 沿温度升度方向，水平

4、气流辐合，则有锋生作用沿温度升度方向，水平气流辐散，则有锋消作用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。气流辐散，锋消进一步说明： 一个线性流场可分解为四种简单的流场 平流场 旋转场 辐合辐散 变形场前三种对锋生，锋消不起作用。变形场：a.若等位温线与伸展的轴夹角45，则在辐合气流下易锋生b.若45，则辐散气流下易锋消；但等位温线会逐渐旋转使45变形场最有利于产生锋生在天气图上鞍型场最易产生锋生。abcA利于锋生B利于锋生C不利于锋生（等位温线与膨胀轴正交）（2）垂直运动作用 a. 稳定大气（一般状态下） 当 时 ， ，锋生 当 时 ， ， 锋消 说明： 0，（ ），

5、下沉。 0，上升。 同理 ，暖上升，冷下沉（辐散） 锋消在稳定大气中，暖空气一侧相对于冷空气一侧是下沉的，则锋生；反之则锋消 ，暖下沉，冷上升（辐合） 锋生(稳定度与垂直运动项):a)稳定大气 例：冷锋上山：其上空有等温线密集带，靠近其暖一侧有上升运动，上升绝热膨胀冷却，其暖一侧降温，而靠近其冷一侧上升运动很弱或无上升运动，靠近其冷一侧温度无变化，这样密集带等温线变稀疏，所以锋减弱或消失，锋消。 冷锋下山：靠暖的一侧基本无下沉运动，温度无变化；其靠冷一侧，下沉运动很强，温度升高，等温线变稀疏，锋消。b.在不稳定大气中 当 ， ，锋生 当 ， ，锋消 因为暖气团的凝结潜热作用抵消了上升作用。b）

6、不稳定大气例：冷锋上山，靠暖的一侧，大量水蒸气凝结释放潜热，温度升高；而靠近其冷的一侧上升运动很弱或无上升运动，温度变化不大。这样温度密度集带变密。所以锋生（3）.非绝热加热项 ，暖空气相对加热，冷空气相对冷却则 ，锋生同理 ，则 ，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 非绝热加热项冷锋南下，暖锋北上，由于下垫面影响，锋消冷锋南下，靠冷一侧，下垫面影响大，温度升高, 靠暖一侧，下垫面影响不大，所以等温线密集带变疏， 锋消。三、锋生、锋消的动力学特点AB运动学锋生a 温度水平梯度加大（热成风加大），风垂直切变加大；等压面间厚度南侧加大北侧减小（等压面梯度上层加大地层减小）b

7、 热成风平衡破坏 ，高层西风加速，低层西风减速 c 高层有向东的加速度，产生向北地转偏差，低层有向西的加速度，产生向南地转偏差d 锋区内地转偏差大于锋区外 有垂直于锋面的环流：锋生次级环流产生次级环流又对锋生发生作用高层辐合发生在b点（冷边界），低层辐合发生在a点（暖边界），使得锋区发生倾斜，使这两处温度梯度加大，锋区加强。中层暖空气绝热冷却，冷空气绝热增温，中层趋于锋消4.3影影响响锋锋生生函函数数的的因因子子（l）非绝热加热非绝热加热 T1 T1 表示沿已存在温度梯度方向的非绝热加热的梯度产表示沿已存在温度梯度方向的非绝热加热的梯度产生的锋生作用。生的锋生作用。（2）垂直运动作用）垂直运动

8、作用 T2 T2 表示沿温度垂直梯度方向上，垂直速度的水平梯度产生的锋生表示沿温度垂直梯度方向上，垂直速度的水平梯度产生的锋生作用。若大气为稳定层结作用。若大气为稳定层结 / z0，当暖气团中下沉运动当暖气团中下沉运动w0，而冷气团中有上升运动而冷气团中有上升运动w0，相应有相应有n h h wo，则则T2 0，表示锋生；相反为锋消过程表示锋生；相反为锋消过程（3）水平运动辐合）水平运动辐合 T3 T3 表示在已有的水平温度梯度情况，水平表示在已有的水平温度梯度情况，水平辐合（辐合（D0）或水或水平辐散（平辐散（D0）产生的水平温度梯度的增加（或减弱），即锋产生的水平温度梯度的增加（或减弱），

9、即锋生或锋消。生或锋消。（4）水平变形场的作用）水平变形场的作用 T4 表示整个水平变形产生的锋生作用。为了更进一步表示整个水平变形产生的锋生作用。为了更进一步简化，选择简化，选择典型变形场典型变形场，设，设x轴为变形场的膨胀轴，轴为变形场的膨胀轴，y 轴为收缩轴，而等位温线与轴为收缩轴，而等位温线与x 轴的夹角为轴的夹角为，相应位温梯度，相应位温梯度h h 与与 x 轴的夹角为轴的夹角为900+，则位温梯度，则位温梯度h h = |h h | (sin ,-cos )，相应相应 T4 表达式为表达式为T4 = - Esin2 2Fsin cos Ecos2 / |h h | /2， 对线性变

10、形场对线性变形场F=0(无切变变形），无切变变形），所以所以 相应相应,当当 450， T4表示锋生作用，当表示锋生作用，当 450，表示锋消作用，当表示锋消作用，当 =0，表示锋生作用最大。表示锋生作用最大。2214ECOSTh4.4 中国的锋生锋消概况4.4.1 中国的锋生区 一个是北方锋生区北方锋生区，位于河西走廊到东北一带; 一个是南方锋生区南方锋生区，位于华南到长江流域一带。 这两个锋生带是和南北两支高空锋区相对应的。 锋生带随高空锋区的季节变化而相应地发生位移。自春到夏，锋生带逐渐北移，自夏到冬，则逐渐南移。 北方锋生区北方锋生区北方锋生区季节变化特征季节变化特征冬季冬季，由于这一

11、带经常位于高空脊前槽后，地面反 气旋活动频繁而强，所以锋生不多。 3月以后月以后，这一带冷空气势力减弱，暖空气势力增强，高空槽活动频繁，锋生逐渐增多。 5月以后月以后高空锋区北移，中蒙边界一带锋生减少。 （但我国东北地区，这时因常有冷涡存在，涡后强烈的冷平流常在东北及华北地区生成副冷锋。 ）南方锋生区 南方锋生区，在冬半年（105月）位于江南地区，以春季最为活跃，因冷暖空气逐渐趋于势均力敌，高空东移低槽增多，地面倒槽容易发展，有利于锋生。67月间锋生带移到长江流域，盛夏北移到华北，9月后逐渐南移。 我国有些地区的锋生与地形有关。 如天山北坡、南岭北坡和昆明-贵阳-成都一线的坡地等，都是常见的静

12、止锋锋生区。4.4.2 锋生的天气形势和气象要素变化（1）天气形势 高空温压场形势 地面气压形势（2）气象要素场的变化）气象要素场的变化 锋生在锋生在变压场变压场上有明显的反映：上有明显的反映：冷锋锋生前，由于冷平流，地面常有明显的正变压；冷锋锋生前，由于冷平流，地面常有明显的正变压；暖锋锋生前，有明显的负变压。暖锋锋生前，有明显的负变压。另外，锋生往往配合有云量增加和云层变厚，另外，锋生往往配合有云量增加和云层变厚，以及雨区的扩大和发展的以及雨区的扩大和发展的天气现象天气现象。东北地区的冷锋锋生 东北地区的冷锋锋生，天气形势和气象要素有下列变化： 高空有低槽移入，出现明显的冷平流或冷平流加强

13、。 地面低槽显著加深，使槽后有较强冷空气侵入，且天空出现云量810量的密卷云。 原停滞性的大陆高压突然向东或东南移动，高压前部3小时正变压达23hPa，同时偏北风加强。江南地区锋生 江南地区，锋生天气形势特点为： 500hPa常有高空槽自青藏高原上空东移，700hPa、850hPa图上都有明显的切变线，有时表现为一个变形场。南海高压或高脊往往加强北伸，江南上空出现大片偏南风，暖平流很强。4.4.3 锋消 中国的锋消区主要在青藏高原以东 北纬3040度一带。 该地区常处于东亚大槽后部，又处于高原东侧，下沉气流往往较强，有利于锋消。锋消，一般有下列几种情况：锋消，一般有下列几种情况： 与地面锋线配

14、合的高空槽减弱，地面甚至出现辐散流场，锋将减弱、消失。 维持锋面的冷暖平流减弱、消失，锋也将减弱、消失。如东北地区冷锋锋消与冷平流减弱、中断有关。当冷中心位于低槽的西南或南部时，冷平流较弱甚至出现暖平流，锋减弱消失。 当地面锋两侧变压差减弱或与锋相联系的天气区强度减弱，范围缩小，都是锋消的征兆。 气团变性：锋在南下过程中由于下垫面的热力作用，总是引起锋消。锋的移动概况： 地区差异，锋的移速北方比南方快。平均移速，西北35-50km/h，可达100km/h华北30-40km/h，可达90-100km/h华东、中南20km/h华南小于20km/h。 季节差异，冬季最快，其次是春夏秋季。 锋的移动可

15、以从以下几方面考虑：1、高空引导气流 移速与其上空引导气流（700，500hpa）垂直于地面锋线的风速成正比。（随地区和季节有差异，要考虑高空气流本身的变化。）2、地面气压场 低压槽越浅，移速越大；低压槽越深，移速越小。 变压梯度越大，移速越大；变压梯度越小，移速越小。3、地面地转风 假定不考虑摩擦影响，可用锋两侧地转风垂直于锋线的风速来估计移速，即当等压线与锋的交角越大，等压线越密，移速越快。4、地面摩擦及地形 地面摩擦：移速减慢，上下层移速不同影响锋面坡度。 地形：遇高原或山脉阻挡将变慢、变形，如天山静止锋、云贵静止锋等。复习题 1、气团的概念及分类。锋，锋面，锋线，锋区含义是什么？ 2、请写出冷锋、暖锋、锢囚锋、冷性锢囚锋、暖性锢囚锋定义(空间结构及等温线分布) 3、锋在空间状态为什么会随高度往冷的方向倾斜？ 4、锋区内等温线及等位温线为什么会存在密集带？ 5、对锋面坡度公式进行讨论 6、请用锋面坡度公式解释锋面附近气压分布特征 7、锋面附近要素场的特征是什么？锋面附近气压场、变压场、风场特征如何？（以密度零级和一级不连续不连续模拟锋面） 7