鋒 (氣象)

氣象學上的鋒或鋒區是指具有強水平溫度梯度、較大靜力穩定性及較大氣旋性渦度的狹長地帶，出現在兩個密度不同的氣團之間。其寬約數十或數百千米，長約上千千米，屬於中尺度天氣系統。鋒在天氣圖上表現隨高度向冷區傾斜的等溫線密集帶。由於鋒的長度比寬度要大一個量級，通常也被簡化為面而被稱為鋒面，鋒面與地面的交線被稱為鋒線。鋒生成和消散的機制分別被稱為鋒生和鋒消。鋒兩側的氣團之間存在明顯的密度差異，這一差異往往是由溫度差異而引起，且常伴有溼度和露點溫度的差異。受鋒附近氣壓場分佈的影響，鋒往往處在低壓槽中，兩側的風具有氣旋式的切變。鋒區內部的溫度、氣壓、風向等氣象要素的變化非常劇烈，其附近常存在有大片的雲系和降水現象，但這些天氣現象的表現因鋒的型別的不同而有所差異。天氣學上常將鋒分為冷鋒、暖鋒、準靜止鋒和錮囚鋒四種類型進行分析，每一類鋒可被歸納出典型的天氣模式，但具體的天氣過程受到大氣的垂直運動、水汽輸送條件和大氣層結穩定度的影響。地理分佈.鋒是兩個氣團之間的過渡區域，按照氣團所屬的地理型別的不同，鋒又可被分為北極鋒、極鋒和副熱帶鋒：:67極鋒在對流層中層表現得最清楚，一般可到達地面，但不一定伸展至對流層頂；副熱帶鋒則是在對流層中上層表現得最清楚，多從對流層頂延伸向下，往往不到達地面。:46行星鋒區.極鋒和副熱帶鋒是地球的行星鋒區的表現，在對流層中上層的等壓面上表現寬數百公里、環繞半球的等溫線或等高線密集區，其高緯一側是並列的若干氣旋中心，南側是分裂的若干反氣旋中心。隨著中高緯環流的變化，行星鋒區的位置、強度和走向經常發生變動，併發生分支和匯合現象。行星鋒區自下而上向冷區一側即高緯一側傾斜，因此各等壓面上的等溫線或等高線密集區的位置也近乎平行地向高緯一側移動。氣旋和反氣旋的發生和發展多在行星鋒區上進行，其活動與行星鋒區有密切的關聯。:45-46結構特徵.氣團邊介面.為對鋒的結構進行動力學分析以模擬真實情況，常以兩類模型對鋒面進行簡化：零級不連續.鋒的零級不連續是指鋒附近的氣象要素在鋒面處發生不連續的現象，在大氣中滿足零級不連續條件的鋒面需要同時滿足兩個條件：其中，動力學條件保證了由氣壓梯度決定的氣壓梯度力在鋒面處不為無窮大，運動學條件則保證了鋒面附近不會出現真空或空氣質點堆積的現象。根據流體力學理論，同時滿足上述條件的鋒面的移動速度與垂直於鋒線的風的分速相等。因此，理論上組成鋒面的質點不變，鋒面是一個假想的物質面。一級不連續.鋒的一級不連續是指鋒附近的氣象要素在邊介面上連續，但其一階導數在邊介面上不連續的現象。在密度一級不連續的條件下，鋒被視作是具有一定水平寬度和垂直厚度的過渡區域，其與暖氣團的介面被稱為暖介面或上介面，與冷氣團的介面則被稱為冷介面或下介面。鋒區內部的溫度水平梯度、位溫垂直梯度和變壓梯度等氣象要素較氣團內部更大，氣壓場在邊介面上二級不連續。邊介面坡度.鋒面坡度是鋒面和鋒區的邊介面相對於地面的傾斜程度，以鋒面為例，其計算公式最早由奧地利氣象學家在1906年給出：formula_1式中，formula_2 為鋒面的傾角，formula_3 為地轉引數，formula_4 為重力加速度的大小； formula_5 為冷氣團與暖氣團的溫度差，formula_6 為冷氣團與暖氣團平行於鋒面的地轉風分速差；formula_7 和 formula_8 則為冷暖氣團的平均溫度和平行於鋒面平均地轉風分速。根據鋒面坡度公式可以得出如下結論：鋒面坡度的量級很小，中國南方的鋒面坡度多在 1/200－1/500 之間，中國北方的鋒面坡度則多在 1/50 － 1/200 之間，冷鋒的坡度大於暖鋒和準靜止鋒。:66-67氣象特徵.溫度場.鋒兩側的氣團間明顯的溫度差是鋒的顯著特徵。在零級不連續模型中，鋒附近的溫度場在鋒面上出現不連續；在一級不連續模型中，鋒附近的溫度場在邊介面上連續，但溫度梯度在邊介面上不連續。鋒區內部的溫度水平梯度要遠大於鋒區兩側氣團內部的溫度水平梯度。但由於暖空氣爬升至冷空氣上方，鋒區內部的溫度直減率和垂直梯度都特別小，並可能出現鋒面逆溫現象。在等壓面圖上，鋒區內部的等溫線相對密集，分佈與地面鋒線大致平行，可由此大致判斷出鋒區所處的位置。等溫線在自冷氣團穿越鋒區時會發生曲折，且在冷暖氣團溫差越大、鋒面逆溫越強或鋒區越窄時曲折程度越大。位溫場.由於氣塊的位溫在絕熱過程中守恆，天氣學上常以位溫代替溫度以更好地分析鋒面的空間結構。等位溫線的分佈反映了鋒面的厚度和斜率，等位溫面在絕熱條件下與鋒面平行。與絕對溫度的趨勢相反的是，鋒區附近的等位溫線通常是自冷氣團向暖氣團降低，且鋒區內的位溫垂直梯度較氣團內部的位溫垂直梯度更大。氣壓場.鋒區常處在低壓槽中：暖氣團一側的氣壓分佈則較為均勻；冷氣團一側因密度更大而氣壓偏高，且越深入氣團內部，氣壓越高。因此，在冷氣團內部會出現指向暖氣團方向的氣壓梯度，這使得等壓線出現指向高壓區的折角，也即低壓槽。在鋒區內部，等壓線的氣旋式曲率較鋒區外要更大，反氣旋式曲率較鋒區外要更小。變壓場.鋒區附近的變壓場透過氣壓傾向方程描述，在地面場 formula_13 處，氣壓傾向方程的形式為：formula_14式中 formula_15 和 formula_16 分別代表鋒面移動的水平速度在 formula_17 和 formula_18 方向的分量，並取 formula_17 方向與鋒面垂直， formula_18 方向與鋒面平行，兩者均在水平面上。式中的第一項被稱為熱力因子，表示地面上整個氣柱中的密度平流，氣柱以冷平流為主時，空氣密度增大，地面氣壓上升；第二項被成為動力因子，表示地面上整個氣柱內速度的水平散度的和，氣柱淨輻合時地面氣壓上升。由氣壓傾向方程可分析出如下結論：:74由於鋒區邊介面上的氣壓有二級不連續，即變壓梯度不連續，鋒區內部的變壓梯度較鋒區外更大，等壓線亦更加密集，冷鋒過境的短時間內氣壓常發生急升現象。:79風場.鋒線兩側的風場具有氣旋性的切變，受地面摩擦的影響，風向偏離等壓線指向低壓區。由因鋒區內部的等壓線的氣旋式曲率較鋒區外更大，鋒區內部的氣旋式切變亦較氣團內部更大。通常，鋒面附近的氣流是輻合的，且輻合線即為地面鋒線。受鋒區內溫度水平梯度的影響，鋒區記憶體在著較大的熱成風。又鋒區是傾斜的過渡區，因此鋒區上下風的垂直切邊很大。暖鋒鋒前的風隨高度作順時針改變，暖平流最強且熱成風最大的高度即高空暖鋒鋒區所在處；冷鋒鋒後的風隨高度作逆時針改變，冷平流最強且熱成風最大的高度即高空冷鋒鋒區所在處。靜止鋒則沒有明顯的平流。在 3000 m 以上的高度，等高線與等溫線趨於重合，鋒區的風向隨高度沒有明顯的變化，但風速隨高度迅速增加。鋒區的上方和對流層頂的下方可能存在一個急流中心或最大風速中心。:77-78鋒面天氣.在天氣學分析中，常按鋒在移動過程中氣團所屬的主次地位以及移動方向，將鋒分為冷鋒、暖鋒、準靜止鋒和錮囚鋒四種類型。每一型別的鋒都有相對固定的天氣模式，但具體的天氣過程則取決於鋒面附近大氣的垂直運動、大氣中的水汽條件、大氣的層結穩定度和當地的地理條件等因素。:49按照鋒區附近氣流的移動方向，鋒還可被分為上滑鋒兩類：上滑鋒附近的暖溼空氣沿氣團邊介面向上滑升，表現出不穩定性，從而引起明顯的天氣變化；而下滑鋒附近的乾冷空氣沿氣團邊介面向下滑降，阻礙了暖空氣的上升，從而使鋒面逐漸傾向鋒消，造成的溫度和溼度變化較小，且降水量有限。冷鋒.冷鋒，冷氣團主動向暖氣團推進，並取代暖氣團原有位置所形成的鋒稱之為冷鋒。由於冷氣團的密度大，暖氣團的密度小，所以冷暖氣團相遇時，冷氣團就會切入暖氣團的下方，暖氣團被迫抬升。在上升過程中，大氣逐漸冷卻，如果暖氣團中含有大量的水分，就會形成降水天氣；如果水氣含量較少，便形成多雲天氣。暖鋒.暖鋒，暖氣團主動向冷氣團推進，並取代冷氣團原有位置所形成的鋒稱之為暖鋒。常發生於高緯區。由於暖氣團的密度較小，所以暖氣團就會爬升到冷氣團的上方，導致大氣凝結成雲或雨。因為暖鋒移動的速度比冷鋒要慢，因此可能會連續幾天降雨或有霧。當暖鋒到來時，首先見到的是一縷縷羽毛狀的捲雲，然後是高層雲，最後是雨層雲，雨層雲將帶來降雨。滯留鋒.滯留鋒，又稱靜止鋒，有時候冷暖氣團實力相當，沒有一方有足夠的力量使另一方移動，兩個氣團便會僵持在一起，這時形成的鋒便稱為滯留鋒，亦稱：靜止鋒。在滯留鋒附近的地方，暖空氣中的水汽凝結成雨、雪、霧或雲。滯留鋒經常帶來較長時間的不穩定的天氣，有時會造成大範圍的大雨。東亞季風區春末夏初的梅雨，便是由滯留鋒所帶來。滯留鋒一段時間會轉變為暖鋒或冷鋒，亦或自行減弱。囚錮鋒.由於冷氣團移動較快，暖氣團移動較慢，於是在一個溫帶氣旋中，冷鋒將追趕上暖鋒，最後冷鋒與暖鋒相疊，地面全部被冷空氣佔據，暖空氣舉昇至高空中，便形成囚錮鋒。囚錮鋒與溫帶氣旋有關。囚錮鋒的出現，意味著溫帶氣旋達到其最大強度，但同時也意味著溫帶氣旋將逐漸減弱。囚錮鋒能帶來多種的天氣，但一般而言與降水有關。囚錮鋒按照其帶來的溫度改變分為三類，即：三類囚錮鋒的形成原因：由於囚錮鋒由冷鋒與暖鋒重疊產生，有兩個冷氣團夾一個暖氣團，故兩個冷氣團本身的溫度將決定囚錮鋒的型別。拓展閱讀.