《天氣學分析》課程中鋒面分析討論

姚 素 香

(南京信息工程大學 大氣科學學院，南京 210044)

《天氣學分析》是大氣科學專業必修課的專業基礎課程之一，其目的是使學生掌握天氣圖分析的基礎知識和基本方法，初步建立以天氣圖方法為主的天氣預報思路，是本科生畢業以后走上天氣預報崗位的基礎。《天氣學分析》課程具有理論與實際密切聯系的鮮明特色，課程學習過程中分析大量的天氣圖，是對《天氣學原理》以及《中國天氣》課程的實踐和實習，可以進一步加深學生對天氣學原理的理解，增強對天氣過程的直觀認識[1]。

1 鋒面基礎知識

鋒面就是溫度、濕度等物理性質不同的兩種氣團的交界面，或者叫做過渡帶。鋒面與地面的交線，稱為鋒線，也簡稱為鋒。鋒面的長度與氣團的水平距離大致相當，由幾百公里到幾千公里，寬度比氣團小得多，只有幾十公里，最寬的也不過幾百公里。垂直高度與氣團相當，幾公里到十幾公里[2]。運動著的空氣在大尺度環流作用下，在一些地區輻散，另外一些地區匯合。大規模的氣流匯合區可能有冷暖不同性質的氣團相遇，而在天氣圖上則表現為溫度的水平梯度加大。天氣圖上溫度水平梯度大而窄的區域，如果它又隨高度向冷區傾斜，這樣的等溫線密集帶通常稱為鋒區。鋒面與地面的交線稱為鋒線，也簡稱為鋒。

實際應用中，一般根據鋒在移動過程中冷暖氣團所占的主、次地位可將鋒分為冷鋒、暖鋒、準靜止鋒以及錮囚鋒。冷鋒是指在移動過程中，冷氣團起主導作用，推動鋒面向暖氣團一側移動。而在移動過程中，如果是暖氣團起主導作用，推動鋒面向冷氣團一側運動則稱為暖鋒。當冷暖氣團勢力相當，鋒面移動很少時，稱為準靜止鋒，準靜止鋒其實是鋒面來回擺動，并不是完全靜止。如果存在三個氣團，冷氣團、暖氣團和更冷氣團相遇時，通常先構成兩個鋒面，然后其中一個鋒面追上另一個鋒面，形成錮囚[2]。

2 天氣圖上鋒面的確定

2.1 通過地面天氣圖上各要素確定鋒面位置

理論上來講，地面圖上鋒附近基本氣象要素，如溫、壓、濕、風都應有顯著差異，但值得注意的是，由于地面氣象要素受局地下墊面特征的影響，使得鋒面附近要素場特征不像理論上所說的那樣明顯，甚至鋒面是否存在也很難辨別，這就使得鋒面分析成為天氣分析中最困難的問題之一。下面就上述四種氣象要素分別進行分析。

2.1.1 溫度

首先，對于溫度場，一般來講，鋒面兩側溫度場具有較大的差異。冷鋒后溫度低，冷鋒前暖鋒后溫度高，而暖鋒前溫度也較低。但在實際分析中發現，有時鋒面兩側溫度場并不明顯，甚至有時冷鋒后溫度高于冷鋒前溫度的狀況。這就必須要考慮到溫度變化的影響因子。溫度的局地變化公式如下所示：

(1)

由上式可見，其中第一項為溫度平流作用，第二項是垂直運動作用，第三項是非絕熱加熱作用。而對于地面氣溫而言，非絕熱加熱作用至關重要。非絕熱加熱又分為感熱加熱、潛熱加熱、太陽短波輻射以及地表長波輻射四項。其中感熱加熱與下墊面溫度等有關，潛熱加熱與大氣中水汽含量有關，太陽短波輻射以及地表長波輻射都與云量等有關。暖季時，冷鋒從大陸移動到海洋上時，由于海面溫度低于大陸溫度，通過感熱加熱的形式，會使得近地層氣溫降低，產生鋒面兩側溫差減小。潛熱影響表現為鋒面兩側的蒸發凝結不同，如白天若冷鋒前有降水，雨滴蒸發吸熱，使得鋒面兩側溫差就會減小。如果白天冷鋒前云量較大，而鋒后為晴天時，通常也會出現鋒面兩側溫差減小的情況，這是由于云層阻擋來自太陽的短波輻射，使得冷鋒前暖氣團升溫不明顯。而如果是夜間冷鋒后云量較大，冷鋒前較晴時，冷鋒后地面長波輻射被云層有效阻擋，使得夜間降溫小，而冷鋒前方的地面長波輻射無云阻擋，使得冷鋒前方夜間降溫較大，通常也會使得鋒面兩側溫差減小[3]。

因此考慮到諸多因素的影響，可以認為某一局地的氣溫并不能完整正確代表其所在氣團的屬性，在某些情形下，鋒面兩側的溫差可以無顯著差異。

2.1.2 露點溫度

露點溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時所具有的溫度，形象地說，就是空氣中的水汽變為露珠時候的溫度。一般當空氣中水汽含量較大時，其露點溫度通常較高，而水汽含量較小時，露點溫度也較低。

由于鋒面是冷暖氣團的交界面，冷氣團通常是以來自北方的干冷空氣為主，而暖氣團通常是以來自南方洋面上的暖濕空氣為主，因此，通常來講，冷鋒后的露點溫度通常低于冷鋒前暖氣團一側的露點溫度。由于露點溫度主要受水汽含量即濕度的影響，而影響濕度局地變化的因子較少(如公式2所示)：

(2)

因此，在定鋒面時，露點溫度通常比溫度更有用。在沒有降水的影響下，露點溫度比溫度更為保守，能更好地表達氣團的屬性。但值得注意的是，鋒面附近通常都會有降水現象的發生，如果鋒面附近任意一側出現降水，那么就會影響到空氣中水汽含量的變化，使得露點溫度差異不能很好反映氣團屬性。

2.1.3 氣壓和風

考慮到鋒面兩側的氣壓梯度并不連續，因此等壓線過鋒面時會有折角，而且折角尖端指向高壓。有時也會出現等壓線和鋒面平行的情形，這時鋒面兩側等壓線密集程度一定不同，兩側的風向雖然沒有差異但風速卻一定不同，這也是氣旋性切變。鋒面位于氣旋性區域最大的地方，但有氣旋性切變處不一定有鋒。另外還要注意到風也受到地形的影響，沿海地區還有海陸熱力差異引起的海陸風存在。一般來說，風速較大時其風速、風向能反映大范圍空氣運動的情況，可以作為定鋒的依據。綜上可見，與氣溫、露點溫度不同的是，鋒面兩側可以沒有顯著的溫差和露點溫差，但是一定在風場上會表現出氣旋性切變。

2.1.4 變壓

變壓法作為天氣系統和天氣形勢的一種預報方法已經得到廣泛應用。在天氣圖中主要有三小時變壓(ΔP3)和二十四小時變壓(ΔP24)兩種記錄。通常三小時變壓比較接近瞬時變壓，用運動學方法推論的規則較好。但三小時變壓也有其局限性，主要是要考慮到氣壓日變化的影響，海平面氣壓的日變化特點為一天中有一個最高值和一個次高值，一個最低值和一個次低值，最高值出現在上午9—10時，次高值出現在21—22時，最低值出現在15—16時，次低值出現在3—4時。因此對于8時，其通常為+ΔP3，而對于14時，通常為-ΔP3[4]。

由于處于西風帶中，地面系統大致以平均層引導氣流速度移動，因此鋒面系統也是大多向東移動。綜合考慮氣壓的日變化特征，可以認為，冷鋒后常為較強的+ΔP3，暖鋒前通常有較強的-ΔP3，對于鋒面氣旋中暖氣團一側，其三小時變壓通常不明顯。對于上午8時地面圖而言，冷鋒兩側都可能都為+ΔP3，但冷鋒后+ΔP3更強。對于下午14時地面圖而言，鋒面兩側可能都為-ΔP3，而暖鋒前-ΔP3更強[5]。

簡而言之，鋒面兩側須有較大的三小時變壓梯度。二十四小時變壓可以消除日變化的影響，可以較好反映冷暖空氣活動的特征，但不適用于移動較快的系統。

2.2 通過高空鋒區確定地面鋒面位置

由于鋒區上寬下窄的特征，在高空圖上通常存在較明顯的鋒區。在高空等壓面圖上只要正確掌握溫度記錄的分析判斷，要比較正確分析高空鋒區并不困難。根據鋒面向冷區傾斜原理，地面的鋒通常位于高空等壓面圖上等溫線相對密集區即高空鋒區的偏暖空氣一側。地面鋒線與等溫線大致平行，高空鋒區有冷平流時，對應冷鋒；暖平流時對應暖鋒。根據歷史天氣圖，如果有冷鋒追上暖鋒等情形出現，高空又有暖舌，則對應錮囚鋒；而高空鋒區中冷暖平流均不明顯時，對應的是準靜止鋒。

3 兩種天氣過程中的鋒面分析

冬半年的寒潮天氣和夏半年的大型降水天氣是中國最典型的天氣過程，下面就這兩種天氣過程中的鋒面特點進行分析。

3.1 寒潮天氣過程中的鋒面分析

寒潮天氣系統主要包括極渦、極地高壓、寒潮地面高壓以及寒潮冷鋒。在寒潮地面高壓的前緣都有一條強度較強的冷鋒作為寒潮的前鋒，冷鋒隨高度向冷空氣一側傾斜，在高空等壓面上有很強的鋒區，鋒區結構上寬下窄，在300hPa及以下各層等壓面上均有明顯的冷槽和鋒區。

寒潮冷鋒的兩側通常會有較大的溫度梯度，鋒面附近出現大風和沙塵天氣，有時還會產生降水。寒潮冷鋒后正變壓通常較其他天氣過程更強一些。在實際分析中，通?？梢酝ㄟ^分析500hPa高空鋒區和冷槽來初步判定冷鋒，再結合地面圖上氣溫、氣壓、天氣現象以及歷史天氣圖等來綜合判斷地面圖上鋒所在位置。通過地面圖上寒潮地面高壓的長軸方向與三小時變壓梯度等方法來判斷寒潮冷鋒的移向。

3.2 大型降水過程中的鋒面分析

我國各地雨季起訖時間不同，主要包括華南前汛期、江淮梅雨、華北東北降水以及華南后汛期降水。其中華南后汛期降水又稱作是臺風汛期，主要與熱帶氣旋活動有關。華北東北降水也較多為對流性降水，且局地性較強，與臺風關系也較為密切。

華南前汛期降水主要為4—6月，5月末之前主要為北方冷空氣入侵形成的鋒面降水，降水主要出現在鋒后。而5月中旬后降水主要出在冷鋒前部暖區之中。對于華南前汛期降水鋒面(冷鋒、暖鋒或準靜止鋒)的確定，可以通過溫差、露點溫差、天氣現象、高空鋒區以及歷史天氣圖共同確定。

江淮流域梅雨期降水主要為6月上旬到7月初，雨量充沛，相對濕度大，降水連續，表現為梅雨鋒降水。值得指出的是江淮流域梅雨鋒，與其他鋒面結構通常存在很大不同，這種差異主要表現在高空圖上找不到明顯的溫度鋒區，即溫度梯度較小。雖然溫度梯度較小，但濕度梯度較大，即存在濕度的鋒區。如何確定江淮流域梅雨鋒的位置呢？江淮流域梅雨鋒通常位于700hPa或850hPa的江淮切變線以南，低空西南急流以北，再結合地面圖上風場、天氣現象等則可準確定出梅雨鋒的位置。在梅雨鋒上通常有西南渦沿切變線東移，引起地面氣旋波動，如果高空500hPa短波槽較強，則在地面系統上能夠發展成為完好的江淮氣旋。

4 結語

鋒面分析作為《天氣學分析》的重點和難點，是天氣過程分析的重要內容，也是學生在分析過程中存在較大困難的環節。結合實踐中存在的問題以及多年以來積累的經驗，對于鋒面分析的課程教學有以下幾點體會。

(1)地面圖上溫度、露點溫度、氣壓、風以及三小時變壓都可作為定鋒依據。在所有鋒面兩側必須有風的氣旋性切變，一般會有較大的溫差，在沒有降水的情形下，會有較大的露點溫差，鋒面兩側會有較大的變壓梯度，鋒面附近一定會有天氣現象，如降水、大風等。

(2)高空圖上正確找出高空鋒區是確定地面鋒的重要依據。在實際教學環節中發現，利用地面圖定鋒面通常存在較大的不確定性和主觀性。高空圖上準確找到高空鋒區之后，地面上的鋒則位于高空鋒區偏暖空氣一側，鋒的走向與等溫線走向基本平行。高空冷平流對應地面冷鋒，暖平流對應地面暖鋒，鋒區附近平流不顯著對應準靜止鋒。

(3)江淮流域地面圖上梅雨鋒有其異于其他鋒面的特征，等壓面圖上不見溫度梯度較大的區域，即不存在溫度鋒區。梅雨鋒位于700hPa或850hPa切變線以南，低空西南急流以北的區域。準確分析700hPa以及850hPa等壓面特征，則可正確定出梅雨鋒位置。

在實際的教學過程中，通常存在一個很重要的問題，就是教材上個例較少，且個例均為上世紀90年代以前，大多是上世紀70年代左右的個例。就《天氣學分析》教材中鋒面分析部分，為1965年3月個例。個例少，學生在鋒面分析的時候通常有無處下手的感覺。個例年份早，也很難激發學生的學習興趣。因此在實際教學中，給學生多看天氣圖是一個較好的方法，尤其是看他們比較感興趣的圖，比如上課前一天或當天的天氣圖。上課的前十分鐘可對當天天氣進行初步討論，通過這種方法，一方面使得課程增加了趣味性；另一方面，學生對天氣分析也有了非常直觀的認識，取得了很好的教學成果。此外，更新教材中所用的個例也是課程改革過程中急需解決的問題。

[1]壽紹文，勵申申，王善華，等.天氣學分析[M].北京：氣象出版社，2002：22～38.

[2]朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理和方法[M].北京：氣象出版社，2000:61～107.

[3]盛裴軒，毛節泰，李建國，等.大氣物理學[M].北京：北京大學出版社，2008:72～166.

[4]張紅娟，任芝花，陳高峰，等.自動與人工觀測的氣壓差異分析[J].氣象科學，2010,30(3):402～406.

[5]苗春生,梁漢明,李文源,等.短期天氣綜合分析與預報[M].南京:南京氣象學院氣象系自編教材,1998:29～32.