2.2 锋生消在线视频

同学们

大家好

我是袁俊鹏老师

欢迎大家来到《天气学》课堂

大气中锋的形成

加强或减弱

消失

可导致锋面附近天气的剧烈变化

锋生和锋消是锋面动力学

和天气分析中的两个重要天气概念

这节课我们一起来学习锋生与锋消的概念

锋生

密度不连续面的形成过程

或者水平温度梯度加大的过程

即锋的生成或原有锋强度增强的过程

都可以称为锋生

锋消

则相反

是密度不连续面的消失过程

或水平温度梯度减弱的过程

即原有锋的强度减弱或者锋消亡的过程

锋生与锋消在天气学图像上的表现为

等压面图上等温线密集程度

地面图上锋两侧要素场差异变化的过程

比如

伴随着锋生

对应着等压面图上等温线密集程度增加

地面图上锋两侧要素场差异加大

锋面的锋生和锋消过程可以用锋生函数来描述

通常可以表示成等温线梯度的函数

F=d(Tn)/dt

当F大于0时

表示锋生作用

F小于0时

表示锋消作用

这是锋生的必要条件

除了满足这个条件之外

还必须使得锋生作用固定在同样一个区域

这样才能形成比较强的锋面

或者导致锋面的消亡

这个条件被称为锋生消的充分条件

这是个极值条件

从数学角度来看

等同于在将要锋生或者锋消的区域

F的一阶偏导数=0

而二阶偏导数小于或大于0

因此

我们就可以得到锋生条件

是F本身大于0

F的一阶偏导数等于0

二阶偏导数小于0

而锋消条件是F小于0

F的一阶偏导数等于0

二阶偏导数大于0

在充分理解了锋生消函数

所描述的锋生消本质后

我们要开始进行锋生消函数的公式推导

锋生消的主要特点是温度梯度发生剧烈变化

温度梯度可以用温度

位温来表示

此处选用位温来表示

F=d/dt|▽θ|

其中位温梯度是二维的

展开后可以得到（1）式

（1）式中的偏θ/偏x

和偏θ/偏y分别是x、y方向的位温梯度

我们还需要知道（1）式中的d/dt〔偏θ/偏x〕

和d/dt〔偏θ/偏y〕具体是指什么

因此

要对这两项进行求解

首先

把d/dt在P坐标系下进行全导数展开

得到（2）式

然后对（2）式求x方向的偏导数

得到（3）式

同时注意偏θ/偏x的全导数为（4）式

（4）式减去（3）式

就可以得到（5）式

同理

可以得到（6）式

将（5）式（6）式代入（1）式

就可以得到二维的锋生函数表达式（7）式

（7）式所表示的二维锋生函数表达式含有 7 项

形势复杂

且各项物理含义比较晦涩

难以快速应用到天气图分析中去判断

需要进一步的处理方程

才可以应用到天气预报业务分析

下面我们将通过巧妙的设置坐标系

将二维锋生函数转化为一维锋生函数

设坐标系 x 轴平行于等位温线

并且由冷指向暖

那么这意味着

偏θ/偏x=0

y 轴垂直于等位温线

指向位温升的方向

那么

二维位温梯度就变成了一维位温梯度

等于

偏θ/偏y

且大于0

通过上述坐标的设置

锋生函数转化为相对比较简单的（8）式

(8)式为一维锋生函数

仅含有三项

分别为

水平运动项

垂直运动项和非绝热加热项

且相对形势简单

物理含义明确

接下来

我们具体讨论锋生函数各项的物理意义

及其相应的在天气学图像上的表现

第一项

水平运动项

也被称为温度平流项

偏θ/偏y为温度梯度

大于0

所以

如偏v/偏y小于0

F1就大于0

对应有锋生作用

如偏v/偏y大于0

F1就小于0

对应有锋消作用

下面我们来看一看

偏v/偏y大于小于0

分别代表什么天气学图像呢

首先我们看看

偏v/偏y小于0

代表什么天气学图像呢

请大家看右侧这个简单的概念图

如果沿着图中Y的方向

分别有来自冷暖一侧的空气汇合

这时

偏v/偏y是不是小于0

所以

偏v/偏y小于0表示气流辐合

意味着将会造成锋生

那么

还有没有其他情况也表示小于0呢

请大家看看

这种情况是不是也是偏v/偏y小于0

这表示来自冷空气一侧的气流

在向锋区辐合

也可以造成锋生

同样的道理

如果是来自暖空气一侧的气流向锋区辐合

也是可以造成锋生的

因此

偏v/偏y小于0

表示气流辐合

可以引起锋生

其对应的天气学图像既可以是冷暖气流的汇合

也可以是来自冷空气

或者暖空气一侧的气流单方面的汇合

同样的道理

大于0

表示气流辐散

可以引起锋消

请大家课后自己绘制下

这种情况下对应的天气学图像

总结一下

水平运动项所代表的物理含义是

在垂直于等位温线的方向上有气流辐合利于锋生

反之则有利于锋消

所以低压带中易锋生

再来看下第二项

垂直运动对锋生的作用

大尺度层结一般是稳定的

那么

偏θ/偏p小于0

这一项的符号主要取决于偏ω/偏y

偏ω/偏y大于0

F₂大于0

锋生

偏ω/偏y小于0

F₂小于0

锋消

下面我们结合天气形势示意图

分析偏ω/偏y代表的可能物理图像

同样图中沿着Y方向

由冷区指向暖区

偏ω/偏y大于0

表示下沉运动向y方向增加

或者上升运动向y方向减少

也就是说

冷区上升

暖区下沉

这样的环流是反热力

间接环流

可见

在大气层结稳定的情况下

间接热力环流会引起锋生作用

其实这也很好理解

冷区一侧的空气向上运动

暖区一侧的空气向下运动

有利于冷暖空气向锋面靠近

引起更强烈的锋生

同理

偏ω/偏y小于0 表示下沉运动向y方向减少

或者上升运动向y方向增加

即暖区上升

冷区下沉

这是正热力（直接）环流

可以引起锋消作用

大尺度层结稳定的垂直运动

引起的正热力环流使得南、北方向

温度热力均衡

利于锋消

但若层结不稳定

正热力环流也可以引起锋生

偏θ/偏p大于0

偏ω/偏y小于0

则F₂大于0

锋生

例如

由于暖空气上升时

释放大量潜热可以引起增温

使得温度梯度加大

导致锋生

同理

若层结不稳定

负热力环流也可以引起锋消

例如湍流的作用

我们看最后一项

非绝热加热对锋生消的作用

如果加热向y方向增加

暖区加热较冷区更多

会使得温度梯度加大

引起锋生

如果加热向y方向减弱

冷暖温差减小

会使得温度梯度减小

引起锋消

大气中常见的加热

比如凝结潜热加热

经常会引起锋生

而下垫面加热常有利于锋消

今天我们共同学习了锋生和锋消函数

这里要提醒大家注意的是

本节课所讲的锋生和锋消主要考虑的是

运动学锋生的情况

仅仅考虑了空气运动对等位温线分布的影响

包括水平运动

垂直运动对锋生消的作用

但是

温度场和流场之间本来就存在着相互作用的

等位温线的分布改变之后

原来的地转平衡和热成风关系就遭到破坏

空气运动也随之发生变化

而这种变化又会进一步影响锋生

这就是 Eliassen 等人提出的动力学锋生概念

关于锋生动力学理论

大家课后可以延伸阅读关于这方面的知识

通过学习今天的课

请大家进一步思考一个问题

鞍形场是天气分析中比较容易引起

锋生的一种天气形势

为什么

是哪一项对锋生起作用

好了

今天的课

就到这儿了

同学们

下节课再见