暖鋒(Warm front)又稱為“暖空氣前鋒”,是指因暖空氣勢力較強,而暖氣團主動向冷氣團地區移動形成的鋒面系統,通常用帶半圓的紅色弧線表述。
暖鋒形成實質是有明顯差異的冷氣團和暖氣團在動力條件下,暖氣團主動向冷氣團進發,推動鋒面向冷氣團一側移動的結果。暖鋒主要由冷氣團、暖氣團和鋒面等要素組成。暖鋒過境前后,由于均受單一氣團控制,天氣較為穩定;過境時,冷、暖氣團交界區空氣運動活躍,常引起天氣變化。由于暖鋒移動慢,且與地面的交角較小(10'~1°),鋒面可以覆蓋大范圍的地面,因此會造成范圍較大的連續性云雨天氣。在世界范圍內,暖鋒分布較為廣泛;在中國,暖鋒很少單獨出現,多與冷鋒成對出現,常在氣旋低中心的東側活動。冬半年或春、秋季,暖鋒在中國東北地區和江淮流域出現較多,夏半年則多出現在黃河流域和渤海地區。
1919年,J.皮葉克尼斯(Jacob Bjerknes)定義出大氣波動發展過程中的兩類主要結構,并將其稱為“轉向線”(steering-譜線)和“颮線”(squall-line)。1919年至1922年,挪威學派通過進一步研究,首次明確定義“暖鋒”。暖鋒對人們的日常生產、生活影響顯著,例如會產生連續性降水,緩解干旱、燥熱天氣,也會形成“回南天”返潮現象等。人類對暖鋒的研究成果,在氣象學、農業生產等領域有著廣泛應用。
發現歷程及命名
發現歷程
1863年,英國人菲茨羅伊(Fitz-Roy)根據長期進行氣象觀測和預報實踐的總結,繪出第一張風暴概念模型,并指出圖中逆時針旋轉的渦旋就是風暴,他用實線和虛線矢線分別表示冷、暖兩股氣流,每個氣旋都由冷、暖兩股氣流組成。
1906年,馬古拉斯(M. Margules,亦譯為馬爾古斯)提出了“鋒”的坡度公式,成為天氣圖繪制尤其是鎖定鋒面位置的理論依據。1918年,挪威學者V.皮葉克尼斯(Vilhelm Bjerknes)總結了大量的天氣變化現象,提出鋒面和氣旋的立體模型,創立了挪威學派的鋒面學說。1919年,挪威氣象學家J.皮葉克尼斯(Jacob Bjerknes,V.皮葉克尼斯之子)通過觀察他曾在萊比錫市研究過的輻合線,定義出大氣波動發展過程中的兩類主要結構,并將其稱為“轉向線”(steering-譜線)和“颮線”(squall-line),指出它們可能與高低壓系統形成,以及極地和熱帶的空氣交換有關,隨之提出了對鋒面氣旋結構的革命性認識;同年,他提出了鋒面氣旋概念模型(被稱為挪威模型)。
命名
1919年末,J.皮葉克尼斯提出的鋒面氣旋概念模型中最重要的要素“轉向線”和“颮線”,被更名為“暖鋒”(Warm front)和“冷鋒”(Cold front)。1919年至1922年,挪威學派的J.皮葉克尼斯、索爾伯格及貝吉龍進一步揭示了對流層低層大氣不連續面(鋒面)結構和氣旋形成過程;J.皮葉克尼斯和索爾伯格論述了降水形成條件,根據斯堪的納維亞半島的降水資料指出空氣上升冷卻凝結是形成降水的關鍵因素,而能夠成雨的上升區多出現在地面氣流輻合帶、切變線附近且通常出現在冷暖空氣交匯處,于是“冷鋒”和“暖鋒”的定義首次明確出現。
表示方法
冷暖鋒可以說是挪威學派提出的標志性概念,其表示方法也經歷過一系列演變。最初的暖鋒顏色,用藍色表示。1919年夏,氣象學家C.G. 羅斯貝(Carl-Gustav Rossby)提出顏色互換的意見;為了在黑白打印稿上標注鋒面,氣象學家T.貝吉龍(Tor Bergeron)構思出圓弧符號,建議J.皮葉克尼斯在挪威學派發表的文章中使用。
在地面形勢圖上,暖鋒常以帶圓弧的紅色線條表示。
定義
暖鋒實質就是采暖散熱器團主動向冷氣團移動的鋒面系統。美國大學大氣研究聯合會(UCAR)對“暖鋒”的解釋為當一股暖空氣遇到一股較冷的空氣并推入其中時,就會形成一個暖鋒。中國科學院大氣物理研究所認為,暖氣團向冷氣團逼近,就是暖鋒。
形成
物質條件
從大范圍來看,在水平方向上,氣溫、濕度等物理屬性比較均勻的大塊空氣是經常存在的,稱為“氣團”(Air 質量)。它的水平范圍可達幾百千米到幾千千米,在垂直范圍可達幾千米到十幾千米。根據相鄰兩個氣團的溫度差異,可把氣團分為“冷氣團”和“暖氣團”。
動力條件
當冷氣團和暖氣團相遇,暖氣團的勢力較強時,暖空氣就占據主導地位,推擠冷氣團,推動鋒面向冷氣團一側移動。在暖鋒鋒區附近主要存在三支垂直上升運動帶:由于邊界層摩擦輻合作用,導致在地面暖鋒后緣暖區中形成一支水平尺度較小、強度較大的垂直運動帶,它隨著暖鋒移速增大而減弱,當暖鋒位于地形迎風側,強度增加,暖鋒位于地形背風側則其強度減弱;在鋒區暖域,沿鋒面存在均勻的上升運動;在冷域遠離地面暖鋒處,存在一支水平范圍較寬,其中心位于邊界層頂部附近的垂直運動帶,當暖鋒位于迎風坡時,這支垂直運動帶可被地形阻塞于地形背風側。
構成結構
暖鋒主要由冷氣團、暖氣團和鋒面等要素組成。
冷氣團
按氣團的熱力特性,當氣團溫度低于流經地區下墊面溫度的,則稱為冷氣團。一般形成在冷源地的氣團就是冷氣團,或者兩氣團相遇時,溫度相對低的就是冷氣團。在暖鋒中,由于冷空氣(Cold?Air)密度大,暖空氣(Warm?Air)密度小,因而冷空氣下沉,傾斜插入暖空氣的下方,將勢能轉化為動能,一部分能量供暖空氣抬升所用,另一部分能量供給大氣運動。
暖氣團
按氣團的熱力特性,當氣團溫度高于流經地區下墊面溫度的,則稱為暖氣團。一般形成在暖源地的氣團就是采暖散熱器團,或者兩氣團相遇時,溫度相對高的就是暖氣團。在暖鋒鋒面附近,由于性質不同的冷暖氣團相互作用,使含有一定水汽的暖空氣被抬升,于是采暖散熱器團沿傾斜的鋒面向上緩慢爬升,從而形成暖鋒。
鋒面
冷氣團和暖氣團之間常會形成一個狹窄的過渡帶,可以將它看成一個交界面,稱為“鋒面”。鋒面在空間向冷區傾斜,具有一定坡度。暖鋒鋒面與地面的交角很小(1°~10°),因而鋒面可以覆蓋大范圍的地面。暖鋒的傾斜,主要與其暖域中地轉流、鋒面移速有關,它隨其移速增加而減小,而地形對暖鋒坡度的影響作用相對較小。與無地形作用時相比,靜止性暖鋒冷域中,位于鋒面界面附近的閉合正環流系,當暖鋒位于地形上游,其伸展范圍增大;當暖鋒位于迎風坡時,其伸展范圍縮小,中心位置上抬;鋒面移至背風坡時,其伸展范圍重新增大,對于冷域中遠離地面暖鋒的另一支正環流系來說,當暖鋒位于地形上游或迎風坡時,它可被地形完全阻塞于背風側,地形高度越高,地形阻塞作用越大。
特征
氣壓
暖鋒面兩側是密度不同的冷、采暖散熱器團,其中冷氣氣團位于鋒前,暖氣團位于鋒后。暖鋒過境前,區域整體受冷氣團控制,氣壓較大;過境時,伴隨冷、暖氣團的相互作用,氣壓會產生變化,表現出不穩定;暖鋒過境后,冷氣團的位置被暖氣團取代,氣壓下降。
氣溫
鋒區附近,由于下部是冷氣團,上部是采暖散熱器團,高層氣溫高于低層氣溫,出現逆溫現象的一層氣體,即鋒面逆溫層。在逆溫層內,空氣密度隨高度增加而迅速減小,氣體狀態穩定,對氣體上下對流過程有抑制作用。暖鋒過境前,氣溫緩慢上升;暖鋒過境時,氣溫繼續上升但不劇烈;暖鋒過境后,氣溫維持較高溫度而少變。
天氣變化
暖鋒過境時通常會引起天氣變化,主要表現為云雨天氣。其中,降水主要特征為連續性,整體強度較小,覆蓋地面范圍較大。如果空氣不穩定,在暖鋒周圍可能會有雷暴天氣。 暖鋒在夏季常出現積雨云,形成雷陣雨天氣。另外,暖風過境時,風速會增大。
主要分布
暖鋒通常形成于低壓系統的東側,來自南方的溫暖空氣被向北推進。另外,活躍在溫帶中緯度地區的溫帶氣旋(又稱為鋒面氣旋),伴隨鋒面出現。從氣旋波動產生到繪出第一根閉合等壓線為止的整個階段,稱為鋒面氣旋的初生階段;在氣旋波動的東段,暖空氣向冷空氣推進,形成暖鋒。
在中國,暖鋒很少單獨出現,多與冷鋒成對出現;在氣旋低中心的東側,暖鋒向北移動。在冬半年或春、秋季,在中國東北地區和江淮流域出現較多;夏半年,則多出現在黃河流域和渤海地區,長江流域少見。春夏之間,當有強烈西南氣流活動時,華西地區會出現一個地面倒槽,低層可能有西南渦發生發展,在其東部西南-東南氣流之間的暖式切變處常引起暖鋒鋒生,但維持時間不長。由于降水冷卻或北方冷鋒南下,倒槽中生成江淮氣旋,暖鋒隨之東移出海。東北地區的暖鋒主要出現在東北低壓,華南沿海地區當有江淮氣旋明顯發展時,或華北的東部有黃河氣旋強烈發展時,都可短時期出現暖鋒活動。
典型案例
南方“回南天”
每到冬末初春,中國南方雨霧頻繁,空氣濕度加大,導致地面、墻面甚至物品表面出現霧氣水珠等嚴重返潮現象,形成俗稱的“回南天”現象。“回南天”現象產生的主要原因是冷空氣減弱后,暖濕氣流強勢反攻,致使氣溫回升,空氣濕度加大,遇到冷的界面就產生水汽凝結,出現潮濕現象。這也與南方靠海,空氣濕潤有關。“回南天”形成至少需要兩個條件:一是要有長時間的低溫,日平均氣溫低于12攝氏度,至少持續3天;二是天氣發生突變,從長期低溫突然變得暖濕。例如根據對2005-2013年廣西壯族自治區“回南天”過程的天氣形勢和氣象要素特征分析結果發現:不同影響程度“回南天”發生前均受到較長時間的冷空氣影響;“回南天”發生時,地面有暖低壓或倒槽發展,中高緯度沒有明顯的冷空氣南下,850hPa和925hPa上南風強盛,鋒區逆溫接近近地層,溫度驟升,氣壓劇降,濕度加大,當日14:00露點高于當日最低氣溫。
日本以南海域海霧
2012年6月17日至19日,日本以南海域發生了一次海霧過程,嚴重影響了船舶航行安全。后來的氣象分析結果表明:此次海霧事件為典型的鋒面霧過程,霧區始終處在副熱帶高壓后部、大槽前部;前期霧區范圍與鋒面的發展移動密切相關,后期臺風外圍的卷吸作用是海霧消散的主要因素;海霧發生前氣海溫差值約為2℃,為海霧形成提供了有利條件,近地面逆溫層的存在也為海霧的發生提供了助力;HYSPLIT-4模式對氣粒的追蹤結果表明,此次海霧過程的水汽來自東南方向,水汽向北輸送過程中受副熱帶高壓的影響不斷下沉,在穩定層結條件下最終凝結成霧。
江淮氣旋引發極端降水事件
江淮氣旋是產生于長江中下游地區和淮河,生命史≥12h,且具有明顯冷、暖鋒結構的低值系統。春季和初夏是江淮氣旋活動的最盛期,通常伴有暴雨和大風等災害性天氣,給所經之處帶來明顯的風雨影響。2017年6月9—10日,江淮氣旋(簡稱“0609”過程)在江蘇省、安徽兩省造成了區域性(相鄰3個基本站以上)大暴雨、局部特大暴雨的強降水過程。自6月9日20時至10日20時,南京站、常州站、句容站和金壇站的24h累計雨量,分別達245.3、234.1、259.9和265.3mm,南京站雨量打破了1951年以來的歷史紀錄,其他3站的雨量則刷新了歷史第二極值。經過氣象科學分析,從氣旋的生成、發展、冷暖鋒和相當正壓性等方面,與前一次降水較弱的江淮氣旋過程(同年6月5日過程,簡稱“0605”過程)進行了對比,主要結論為:對流層高層正渦度平流及出流區引發高空輻散場,繼而導致對流層低層動力減壓病,是“0609”江淮氣旋的啟動機制;對鋒生函數的計算表明,“0609”過程鋒生作用較“0605”過程更強,前者暖鋒鋒區較后者更為陡立且在一定區域內緩慢移動,暖鋒附近及暖區一側上升運動更強且更為深厚,以上因素直接導致了“0609”過程區域性大暴雨的發生。
應用
氣象研究
天氣過程首先是通過云和云系體現。暖鋒通常會產生碎層云、碎積云和層云等,暖鋒到來前,天空中往往會呈現一條很高的云帶,接著是一片低而濃的云,然后會產生降雨。因而,可以通過觀測暖鋒的云系特征,監測天氣變化。在衛星云圖上,暖鋒云系通常表現為帶狀云系結構,一般一條活躍的暖鋒云系寬度約為300千米~500千米,長度為幾百千米。從結構上看,暖鋒云系的上面由大片卷云構成,卷云下面為高層云、雨層云和積狀云,在衛星云圖上的色調明亮。
農業
暖鋒過境時,常會形成大風、連續性降雨甚至雷陣雨天氣。農業生產對人類的正常生活有著重要的意義,影響農業生產的因素有很多,其中最為常見的則是氣象因素,有一些氣象因素會給農業生產帶來不良影響。如果氣候變化無常、環境惡劣,自然災害頻發,會導致農作物減產,影響農業的發展。這就需要降低和預防氣象對農作物的影響,從而保證農作物的生長和產量,確保農業的正常發展,保證人們生活不被影響。氣象事業的發展高低,對農業生產與防災抗災具有重大的影響,因而氣象部門要準確預測氣象變化,為人們的生產勞動提供準確的氣象資料。隨著科學技術、信息技術的發展與普及,氣象預報服務成為指導農業生產的重要依據。綜合氣象觀測工作是現代化農業生產活動開展的重要基礎,對于作物種植與管理具有一定的指導性與前瞻性。
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冷冷冷,有“鋒”來了!.科普中國網.2024-04-06
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談談“鋒”的概念.中國氣象局官方網站.2024-03-29
“回南天”現象可以準確預報嗎?.中國氣象局.2024-04-19
濕漉漉的回南天是如何形成的.人民網.2024-04-19
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課程學習 >> 天氣分析的內容和方法 1.1 天氣圖分析 1.1.1 地面天氣圖 1.1.1.1 鋒面 .中國氣象局氣象干部培訓學院 中國氣象局遠程教育網.2024-04-17
氣旋的眼睛——記氣象學家J·皮葉克尼斯.中國氣象局.2024-04-04
切變線.中國氣象科普網.2024-04-28
IAP科普君:冷空氣、冷鋒、寒潮、寒流,你能分清嗎?.中國科學院大氣物理研究所.2024-04-16
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如何防御“回南天”?.中國氣象局.2024-04-19
“觀云識天”的故事:云和天氣的那些事兒.中國氣象局.2024-06-01
農業農村部部署強降雨和臺風防范工作.中國政府網.2024-04-04