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1.了解气团和锋的概念及其分类2.熟悉锋面附近要素场分布特征3.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1.气团的特点2.气团的变性3.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、ρ的零级不连续面（气象要素本身不连续）即TL≠TN，ρL≠ρN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。LNLNPPdPdP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。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。冷锋在我国一年四季都有，冬半年更为常见冷气团冷锋暖气团ABC（过境后）（过境时）（过境前）（锋面前进方向）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。冷气团暖气团暖锋（锋面前进方向）ABC（过境后）（过境时）（过境前）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：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1.锋区的概念及特征2.锋的空间结构特征3.冷锋的概念及结构特征4.副冷锋的概念5.暖锋概念与结构特征6.静止锋概念与结构特征7.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1－2oC／100km，而在锋区内，温度的水平梯度可达5～10oC／100km）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）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锋面附近的等温线和等位温线垂直分布解释说明：由位温方程两边取对数并对z取偏导：代入静力学方程和状态方程就得到1000PARCTpPTAgzTzCdzT气团内锋区内00d0d即锋区内位温随着高度的升高而增大得很快，所以等位温线比较密集。位温随着高度的升高而增大讨论结论：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：0NLPPxx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。NLPPxxNLPPxx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0LNdPPdtNNLLxPPPPCttxx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。0NNLLXPPPPCxxtt0NNLLXPPPPxxttC0NLXPPttC4.用气压倾向方程解释气压变化的物理意义（1）公式推导：由00Pgdz00Pgdztt代入连续方程:00,0zwz处设在平坦地面上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。0uvxy0uvxy00Pt00Pt•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00Pt00Pt0uvxy0uvxy由于地面锋位于气压