地面天氣圖

地面天氣圖是特殊類型的天氣圖，根據地面氣象站提供的資訊在指定區域地圖上標出特定時間天氣元素。天氣圖需要標明並追蹤的數據包括海平面氣壓、溫度和雲量，將這些資訊標上地圖有助於氣象學家尋找鋒等天氣尺度特徵。

19世紀誕生的首批天氣圖都是在事後繪製，用於幫助設立風暴天氣系統理論。電報問世讓同步地表天氣觀測首度成為可能，史密森尼學會在19世紀40年代後期成為人類歷史上第一個繪製實時天氣分析圖的機構。美國率先採用地面天氣圖，後於19世紀70年代傳到世界各地。20世紀10年代後期，歐洲普通開始利用挪威氣象模型分析鋒，並在第二次世界大戰期間傳到美國。

地面天氣圖使用特殊符號代表鋒、雲量、降水及其他重要資訊。例如用字母「H」代表高氣壓，說明當地天氣晴朗，氣溫偏高。字母「L」常用於代表低氣壓，往往伴隨降水。各種符號不僅用於標識鋒區及其他地面天氣邊界，還能標明天氣圖各個地點的當前天氣。降水範圍有助於確定鋒的類型和位置。

## 地面天氣圖歷史

人類從19世紀開始利用天氣圖設立風暴天氣系統理論，這也是人類首次從現代角度利用天氣圖。1845年電報網的發展讓快速收集多地天氣資訊用於實時分析成為可能，史密森尼學會從19世紀40年代到60年代在美國東部和中期大部分地區建立觀測網。

各氣象站的建造時間不同，所以早期收集的天氣數據作用有限。英國是第一個嘗試時間標準化的國家，1855年時已基本確立格林威治標準時間，美國直到1905年底特律設立標準時間才開始受到時區影響。1873年，其他國家開始跟隨美國的腳步同步觀測天氣，然後又開始為地面天氣圖準備。雖然1841年就有科學家提出類似構想，但直到20世紀10年代後期挪威氣象模型問世後，人類才開始在天氣圖上標識鋒區。空氣密度變化的邊緣與第一次世界大戰前線（Military front）位置接近，科學家便採用「鋒」（front）來代表天氣圖上的這類線條。

第一次世界大戰結束後，挪威氣旋模型很快傳入美國，但該國此後數十年都沒有正式分析鋒，直到1947年6月氣象局－空軍－海軍分析中心（Weather Bureau-Air Force-Navy Analysis Center）在華盛頓哥倫比亞特區市中心成立才改變局面。1969年，美國開始嘗試天氣圖繪製自動化，並在20世紀70年代達成目標。1987年，香港也已實現地面天氣圖自動繪製。1999年，電腦軟硬體的進步已經具備充分的處理能力，可以在單台工作站疊加衛星圖像、雷達圖像，以及大氣厚度和鋒生等模型派生領域數據，結合地面觀測繪製最理想的地面天氣圖。美國是在使用多台高級交互式氣象處理系統（Advanced Weather Interactive Processing System）工作站取代鷹圖（Intergraph）工作站後實現上述目標。2001年，美國國家氣象局所繪各種地面天氣圖與另外四家機構的數據合併，成為每六小時發布一次的統一地面天氣圖（Unified Surface Analysis）。近年來，人類在氣象學和地理資訊系統取得的進步令精細定製天氣圖成為可能，天氣資訊能夠迅速匹配關聯地理細節。例如結冰情況能夠映射到公路網路，這種手段有望在可預見的將來改變地面天氣圖的創建和顯示方式。

## 氣象站模型在天氣圖的應用

繪製天氣圖需在各氣象站配備氣象站模型，這些模型會將溫度、露點、風速、風向、氣壓、氣壓趨勢以及當前天氣繪製成圖。中間的圓圈代表雲量，裡面填寫的分數代表陰雲程度。美國以外地區採用攝氏溫標標示溫度和露點。風旗指向風的方向，每一面滿旗代表每小時18.52公里風速，半旗代表每小時9.26公里。風速達到每小時92.6公里後，每個實心三角形代表每小時92.6公里風速。美國氣象站模型繪製天氣圖時降雨量的單位是英寸，國際標準是毫米。氣象站模型完成繪製後，天氣圖上會有等壓線、等變壓線、等溫線和等風速線用於分析。

## 天氣尺度特徵

天氣尺度特徵通常規模偏大，長度在數百公里以上。

### 氣壓中心

地面高氣壓和低氣壓的中心位於地面天氣圖閉合等壓線內，一定是圈定區域內氣壓最高或最低的位置，能夠一目了然地標明附近天氣情況。英語國家的天氣圖一般用「H」代表高氣壓，「L」代表低氣壓，西班牙語國家則大多用「A」代表高氣壓，「B」代表低氣壓。

#### 低氣壓

低氣壓天氣系統又稱氣旋，通常在天氣圖氣壓區內氣壓最低的位置。受科里奧利力影響，北半球地表的氣旋以逆時針方向旋轉，南半球朝順時針方向旋轉。氣旋附近的天氣通常很不穩定，雲量增多、風速加快、溫度升高，大氣向上運動，導致降水機率提升。冷空氣掠過冰面時，有可能在溫度不高的洋面形成極地低壓。相對溫暖的海水促使氣流上升，形成低氣壓，此時的降水通常是降雪。熱帶氣旋和冬季風暴就是強烈的低氣壓，陸地上的熱低壓通常代表夏季炎熱天氣。

#### 高氣壓

高氣壓天氣系統又稱反氣旋，在北半球地面以順時針方向旋轉，南半球向逆時針方向旋轉。地面高氣壓下方的大氣會下沉，進而因空氣壓縮導致氣溫略有上升，天空萬里無雲，風速緩慢，降水機率很小。下沉的空氣很乾燥，所以升溫需要的能量少，如果高氣壓持續，大氣沉降會令污染物在地表附近聚集，進而導致空氣污染。

### 鋒

氣象學上所說的鋒是指移動氣團前緣，其密度、氣溫和濕度均與前方入侵的氣團不同。氣團經過期間，當地氣溫、溫度、風速、風向、氣壓都會改變，降水格局通常也會變化。無論是變暖還是變冷，這種變化都稱為鋒。冷空氣通常從極地高壓區朝赤道移動，與低氣壓天氣系統的暖濕氣流相互影響就會形成冷鋒。冷鋒位於移動的冷空氣團前沿，如果是在北半球，通常還會以逆時針方向把低氣壓區基本包裹起來。赤道沿線邊緣的高空極地高速氣流附近可能形成極地鋒。鋒由高空風引導，但移動速度通常不及風速。北半球的鋒大多從西向東移動，也能從北向南，並包裹氣團關聯的低氣壓區。鋒的移動大多源自壓強梯度力和地球自轉產生的科里奧利力，山區和大範圍水域都能擾亂鋒區。

#### 冷鋒

冷鋒位於地面天氣圖溫度下降範圍的前沿，分析等溫線時顯示為等溫線梯度前沿，通常在尖銳的地面低壓槽內。冷鋒的移動速度可以達到暖鋒兩倍並導致天氣劇烈變化，冷空氣密度大於暖空氣，所以入侵時能迅速抬升暖空氣。冷鋒通常還會伴隨雨帶和雷暴出現。天氣圖用藍色箭頭代表冷鋒，箭頭指向冷空氣前進方向前沿。

#### 暖鋒

位於地面的暖空氣團驅逐冷空氣時，暖空氣團的前沿就叫暖鋒。等溫線梯度朝赤道方向的邊緣溫度上升，暖鋒通常也在低壓槽內，但比冷鋒存在的低壓槽要寬。暖空氣密度不及，所以難以取代地表的冷空氣，移動速度不及冷鋒，進而導致暖鋒內的氣溫差異更大。暖空氣在高海拔地區更容易取代冷空氣並引起溫度變化，暖鋒前面的雲大部分是層雲，降水隨暖鋒逼近增多。暖鋒經過前經常形成霧，經過後天氣往往很快放晴，氣溫上升。如果暖空氣不穩定，混合暖濕氣流後會在暖鋒前方的層雲內形成雷暴。暖鋒過去後，雷雨可能繼續。天氣圖上通常用半圓形紅色線條代表暖鋒及其移動方向。

#### 錮囚鋒

錮囚鋒是在冷鋒替換暖鋒引起氣旋生成的過程中形成。冷鋒和暖鋒自然地向兩極方向彎曲進入錮囚點，在氣象學上又稱三相點。錮囚鋒位於尖銳的低壓槽內，但邊緣後方的空團既可能是暖空氣，也可能是冷空氣。如果是冷錮囚鋒，取代暖鋒位置的氣團溫度低於暖鋒前方冷空氣，並在兩個氣團下方高速移動。如果是暖錮囚鋒，取代暖鋒位置的氣團溫度高於暖鋒前方冷空氣，位於冷空氣團上方並抬升暖空氣團。錮囚鋒附近可能出現包括雷暴在內的各種天氣，但大部分錮囚鋒伴隨的氣團都很乾燥。天氣圖上通常用紫色線條代表錮囚鋒，並以半圓和三角形交替指明移動方向。

暖舌指高空暖空氣在地球表面的投影，可能在低氣壓的錮囚鋒階段形成。

#### 准靜止鋒和切變線

准靜止鋒指兩氣團間基本不移動的邊界，兩個氣團都沒有足夠的能量擠開對方，所以長時間保留在原地，但還是會一波波地移動。准靜止鋒縮小到一定程度，風向能在短距離內變化時改稱切變線。切變線碰到雷暴後可能推動熱帶氣旋形成，也可能再度形成准靜止鋒。地面天氣圖以紅點和虛線代表切變線。

## 中尺度特徵

中尺度特徵比包括鋒在內的天氣尺度天氣系統小，但比雷暴之類風暴尺度天氣系統大，水平跨度通常在十到數百公里範圍。

### 乾線

乾線是洛磯山脈和其他相同走向山脈東側干、濕氣團的邊界，在地面天氣圖上通常位於露點、濕氣和梯度前沿。靠近地表的暖濕空氣密度大於溫度更高、更乾燥的空氣，就像冷鋒從暖空氣下方楔入一樣楔入乾暖空氣。乾暖空氣下方的暖濕空氣溫度升高後密度降低並向上移動，有時會形成雷暴。

高空的乾燥空氣日間下降到地面，促使乾線明顯向東移動。夜間沒有太陽加熱空氣，下層大氣混合，乾線迴轉向西。如有足夠水分匯聚，乾線可能成為下午和夜間雷暴活動的核心。地面天氣圖用棕色線條代表乾線，並以貝形弧形標明濕氣方向，但這並不代表乾線的移動方向，這種情況在天氣圖上很少見。

### 外流邊界和颮線

有組織的雷暴活動區不但能強化已經存在的鋒區，還能取代冷鋒。這種情況通常在高空高速氣流分裂成兩部分時出現。高空氣流分裂，在下層內流最有利的位置形成中尺度對流系統。對流朝東面和赤道方向移動，進入氣溫更高的地區。對流足夠強勁並呈線形或弧形時，中尺度對流系統稱為颮線，在地面天氣圖上標出前進方向的邊緣，代表風向轉變和氣壓上升的位置。

### 海陸風鋒

陸地在晴天加熱上空大氣，氣溫高於水溫時便形成海陸風鋒。日間湖泊與河流的順風口，以及夜間的海上陸地（如島嶼）也會形成類似鋒。水的比熱很大，所以即使萬里無雲，水體的晝夜溫差也不大。水溫變化幅度通常不到一攝氏度，陸地因比熱小，往往在數小時內就能升溫或降溫十餘度。