[科普中國]-地面鋒

簡介

位于大氣低層的鋒面一般稱為地面鋒或低層鋒, 與位于對流層中上層的鋒面系統(tǒng)相比較, 地面鋒具有明顯不同的動(dòng)力學(xué)特征. 地面鋒除了受到高空大尺度過程強(qiáng)迫的影響作用外, 還要受到與地面有關(guān)的過程如邊界層摩擦、非絕熱加熱、湍流動(dòng)量與熱量通量、地形等的影響作用。

近地面氣溫不受鋒面影響，地面鋒線兩側(cè)沒有明顯的溫差。1

背景知識(shí)鋒是指冷暖氣流相遇所形成的一個(gè)面，是為冷暖氣團(tuán)交接口，通常也會(huì)伴隨低壓槽。鋒的下方為冷氣團(tuán)，上方為暖氣團(tuán)。靠近冷氣團(tuán)一側(cè)為下界面，靠近暖氣團(tuán)一側(cè)為上界面。地面圖上的鋒（或鋒面）一般是指上界面與地面的交割線。鋒面為中尺度系統(tǒng)。鋒面依照性質(zhì)分為四種，為別為冷鋒、暖鋒、滯留鋒（或靜止鋒）、錮囚鋒，依照形成過程則可分為地面鋒、高空鋒。

鋒生與鋒消所謂的鋒生與鋒消的過程，是指在近地面氣層中移動(dòng)著的氣團(tuán)中間溫度水平梯度的增大或減小的過程，這種溫度水平梯度的增大或減小過程是由于地面氣流的輻合和輻射所造成的。在近地層中，由于空氣與地表的摩擦作用，地面的實(shí)際風(fēng)向風(fēng)速與梯度風(fēng)之間是存在偏差的，地面風(fēng)一般是向地面傾斜的。地面的鋒生與鋒消是由于地面溫度場的構(gòu)造所決定的，因而只是對流層最低層的過程。

地面的鋒生和鋒消過程發(fā)展條件如下：

（1）如果地面等溫線與氣旋型彎曲的地面等壓線相交割（即在地面低壓槽中），則在地面上會(huì)產(chǎn)生輻合的氣流系統(tǒng)，而引起發(fā)生地面的鋒生過程。此時(shí)由于地面等溫線的過于密集，就可能引起地面有新的鋒生成，或使原來存在的鋒加劇起來。

（2）如果地面等溫線與反氣旋型彎曲的地面等壓線相交割（即在地面高壓脊中），則在地面上會(huì)產(chǎn)生輻散的氣流系統(tǒng)，而引起發(fā)生地面的鋒消過程。同時(shí)在地面上沿鋒線等溫線的過于稀疏，就會(huì)引起現(xiàn)有的地面鋒散弱。

（3）如果地面等溫線與等壓線是相互平行的，而氣流額速度是向高氣壓方向一側(cè)增大的，那么地面上發(fā)生等溫線密集的現(xiàn)象，從而引起發(fā)生地面的鋒生過程。

（4）如果地面等溫線與等壓線是相互平行的，而氣流額速度是向高氣壓方向一側(cè)減小的，那么地面上發(fā)生等溫線稀疏的現(xiàn)象，從而引起發(fā)生地面的鋒消的過程，使地面鋒過于散弱。2

地表拖拽與地面鋒利用三維非靜力中尺度模式MM5，模擬干、濕大氣情況下中緯度斜壓波發(fā)展、演變及其相伴隨鋒面的鋒生過程。討論地表拖曳對地面鋒結(jié)構(gòu)及鋒生過程的影響作用, 以及濕大氣情況下此作用的特征。

研究發(fā)現(xiàn), 一方面地表拖曳力減緩斜壓波系統(tǒng)的發(fā)展, 從而導(dǎo)致地面鋒鋒生速度減慢, 且不利于暖鋒的“bent-back”結(jié)構(gòu)形成, 減弱了暖鋒對西北方向入侵的冷空氣的阻擋作用, 不利于氣旋低壓中心附近的孤立暖心形成, 同時(shí)暖舌也被分隔為兩個(gè)頂端, 形成了兩條平行冷鋒, 從此意義而言, 地表拖曳具有鋒消效應(yīng).。另一方面, 從鋒生函數(shù)特征來看, 地表拖曳力可以導(dǎo)致非常強(qiáng)的非地轉(zhuǎn)流, 從而能夠延長冷鋒鋒生過程維持時(shí)間, 有利于冷鋒強(qiáng)度增大. 這表明地表拖曳對冷鋒鋒生的作用是雙向的. 同時(shí), 邊界層地表拖曳也能夠改變鋒區(qū)的垂直結(jié)構(gòu), 造成邊界層內(nèi)鋒面垂直于地面, 自由大氣中的鋒區(qū)斜率增大, 這些結(jié)果從更完整過程推廣了談?wù)苊艉臀闃s生的理論結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步考慮濕物理過程作用后的地表拖曳對鋒面結(jié)構(gòu)與鋒生影響作用. 濕大氣中產(chǎn)生的非絕熱加熱過程可加速地面鋒的鋒生過程, 尤其利于暖鋒鋒生速度的加強(qiáng). 地面雨帶分布在地面鋒區(qū)周圍, 無論有無地表拖曳力的影響, 降水最大中心都出現(xiàn)在上升區(qū)西側(cè). 雨帶的分布受到地表拖曳過程的影響, 地表拖曳力能夠減緩對流上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地表能量的迅速耗散, 當(dāng)大氣低層濕度場很強(qiáng)并伴隨著上升帶出現(xiàn)時(shí), 對流發(fā)展旺盛, 此時(shí)地表拖曳對低層水汽與能量的束縛作用相對較弱, 表現(xiàn)為雨帶水平分布在有無地表拖曳力時(shí)類似. 當(dāng)?shù)蛯訚穸葓鰷p弱, 則地表拖曳力的作用逐漸體現(xiàn), 表現(xiàn)為減緩了地表水汽與能量的迅速耗散, 并且在鋒后邊界層中產(chǎn)生摩擦輻合上升區(qū), 這些小的上升區(qū)逐漸東移到冷鋒前, 補(bǔ)償了鋒前上升帶的強(qiáng)度, 有利于冷鋒降水的維持。3

重力流通過推廣到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的SL級(jí)數(shù)展開方法和數(shù)值積分方法研究地面鋒附近 , 由于沿鋒非地轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的重力流及鋒生效應(yīng)。SL方法是把場變量展成為時(shí)間的冪級(jí)數(shù)形式, 該方法的優(yōu)點(diǎn)在于把復(fù)雜的流動(dòng)和位溫場的相互作用過程化為一系列的線性方程組來求解, 通過該方法可以了解重力流鋒生的物理機(jī)制。但直接用級(jí)數(shù)解得到鋒面結(jié)構(gòu)在鋒生的后期階段是比較困難的, 此外級(jí)數(shù)求解不便于考慮摩擦耗散的作用, 數(shù)值積分方法可以對此加以彌補(bǔ)，通過兩種方法的求解可以得到如下結(jié)論:

l) 當(dāng)沿鋒的地轉(zhuǎn)平衡遭到破壞之后, 由于鋒面附近氣壓場會(huì)有越鋒分量的氣壓梯度力, 如果(vo

2) 重力流的強(qiáng)弱不僅與鋒面的位溫梯度有關(guān), 而且與沿鋒的地轉(zhuǎn)偏差有關(guān),偏差越大, 則重力流越強(qiáng), 重力流引起的鋒生越快。偏差較小, 則重力流較弱, 當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)偏差為零時(shí)(vo= vgo)) , 則不會(huì)有重力流產(chǎn)生。

3) 摩擦耗散的強(qiáng)弱對重力流的強(qiáng)弱及鋒的結(jié)構(gòu)及重要影響,Kv,KH越大, 越不利于重力流鋒生。4

研究進(jìn)展到目前為止關(guān)于地面鋒的研究已取得了不少進(jìn)展, 揭示出許多與經(jīng)典鋒面結(jié)構(gòu)理論明顯不同的觀測事實(shí), 如發(fā)現(xiàn)鋒面有重力流特征, 鋒面的多尺度特征等, 但由于邊界層過程對鋒面結(jié)構(gòu)的影響非常復(fù)雜, 尚沒有一個(gè)能完全反映觀測事實(shí)的研究工作。20 世紀(jì) 70年代由Hoskins 及其合作者提出的半地轉(zhuǎn)鋒生模式能較好地描述非地轉(zhuǎn)作用對于大氣鋒生的影響作用, 但利用此類鋒生動(dòng)力學(xué)模式無法詳細(xì)考慮邊界層物理過程對鋒生的影響效應(yīng)。

地表拖曳對鋒面動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的影響作用主要包括: 地面摩擦拖曳對鋒面結(jié)構(gòu)的影響, 及其對鋒生過程的影響。

對鋒生過程的影響, 許多研究工作表明邊界層過程能夠減弱線性斜壓不穩(wěn)定。Hoskins考慮了邊界層摩擦的耗散作用, 認(rèn)為地面摩擦是一種鋒消作用, 然而Keyser和Anthes在數(shù)值模式中比較詳細(xì)地考慮了邊界層過程對鋒生、鋒面環(huán)流的影響作用,結(jié)果指出邊界層摩擦可以加強(qiáng)低層鋒面環(huán)流, 導(dǎo)致鋒生作用. 談?wù)苊舻妊芯刻岢鲞吔鐚幽Σ镣弦穼︿h生過程的作用具有兩重性觀點(diǎn): 一方面, 邊界層摩擦具有耗散作用, 主要表現(xiàn)在湍流摩擦對較強(qiáng)鋒面的耗散作用, 這種作用隨著鋒面水平溫度的增加而增大; 另一方面, 邊界層摩擦拖曳可以造成跨越等壓線的非地轉(zhuǎn)流動(dòng), 這種非地轉(zhuǎn)流動(dòng)可以導(dǎo)致一定的輻合, 從而產(chǎn)生鋒生效應(yīng)。

在真實(shí)大氣中, 低層存在大量水汽, 相應(yīng)在這種濕環(huán)境下鋒生環(huán)流將激發(fā)對流產(chǎn)生, 導(dǎo)致云和降水的成.Bernard等通過位渦收支對鋒面寬雨帶的成因進(jìn)行了分析, 其結(jié)果表明邊界層摩擦誘發(fā)出的低層正位渦異常將加速沿鋒面低空急流, 它對地面鋒前300看km的暖區(qū)寬雨帶形成有重要影響作用. Lafore等在此基礎(chǔ)上分析了非熱成風(fēng)平衡條件下的鋒面雨帶特征, 其結(jié)果認(rèn)為非地轉(zhuǎn)余差是鋒面雨帶形成的關(guān)鍵, 在鋒面暖區(qū)中寬雨帶強(qiáng)度的25%與窄冷鋒雨帶強(qiáng)度的60%是由非地轉(zhuǎn)余差貢獻(xiàn)的. 由此表明, 邊界層摩擦在冷鋒降水形成過程中起著重要作用. 然而Baldwin等分析顯示地面冷鋒鋒前大的垂直運(yùn)動(dòng)在干大氣中主要由形變及摩擦過程造成,但在濕大氣中主要由非絕熱加熱過程決定. 顯然, 相對于干大氣情況, 在濕情況下地表摩擦拖曳對鋒面結(jié)構(gòu)、鋒生及其降水的影響作用同樣存在不確定性,該問題需要進(jìn)一步研究。3