天气学原理与方法气团和锋概要

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）：形成于65N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(40～70N）。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(10～40N）。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、ρ的零级不连续面（气象要素本身不连续）即TL≠TNρL≠ρN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=PN∴dpL=dpN展开得LLLLNNNNPPPdPdxdydzxyzPPPdPdxdydzxyz两式相减得：∴①NLNLPPdzxxtgPPdxzz由静力学方程和地转风方程代入①式得LgLNgNLNfVVtgg②代入状态方程NgLlgNNLfTVTVtggTT③（注意）得②、③式为Margules锋面坡度公式ggLgNVVV12gmgLgNVVV令代入③式得gmgmVftgTVgT∵在实际计算中比较小，可略去∴④gmVftgTgTgmV讨论④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。冬季坡度小于夏季00gVtg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。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1000PARCTpPTAgzTzC有气团内锋区内00d0d位温随着高度的升高而增大得很快位温随着高度的升高而增大dPdTAgdzC其中讨论dzT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。0NLPPxxNLPPxxNLPPxx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0LNdPPdtNNLLxPPPPCttxx3.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。0XC0XCNLPPtt0XCNLPPxxNLPPxxNLPPttNLPPtt∴∵∵∵∴∴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:00Pgdz00Pgdztt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000Puvguvdzgdztxyxy（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0uvxy0uvxy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。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。00Pt00Pt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。00Pt00Pt0uvxy0uvxy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