地面鋒

地面鋒（surface front）是指伸展高度離地不到1.5 km的鋒。地面鋒除了受到高空大尺度過程強迫的影響作用外，還要受到與地面有關的過程如邊界層摩擦、非絕熱加熱、湍流動量與熱量通量、地形等的影響作用。

中文名稱	地面鋒
英文名稱	surface front
定　　義	伸展高度離地不到1.5 km的鋒。
套用學科	大氣科學（一級學科），天氣學（二級學科）

基本介紹

• 中文名：地面鋒
• 外文名：surface front
• 定義：指伸展高度離地不到1.5 km的鋒

簡介

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

近地面氣溫不受鋒面影響，地面鋒線兩側沒有明顯的溫差。

背景知識

鋒是指冷暖氣流相遇所形成的一個面，是為冷暖氣團交接口，通常也會伴隨低壓槽。鋒的下方為冷氣團，上方為暖氣團。靠近冷氣團一側為下界面，靠近暖氣團一側為上界面。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。鋒面依照性質分為四種，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著的氣團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於地面氣流的輻合和輻射所造成的。在近地層中，由於空氣與地表的摩擦作用，地面的實際風向風速與梯度風之間是存在偏差的，地面風一般是向地面傾斜的。地面的鋒生與鋒消是由於地面溫度場的構造所決定的，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），則在地面上會產生輻合的氣流系統，而引起發生地面的鋒生過程。此時由於地面等溫線的過於密集，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），則在地面上會產生輻散的氣流系統，而引起發生地面的鋒消過程。同時在地面上沿鋒線等溫線的過於稀疏，就會引起現有的地面鋒散弱。

（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增大的，那么地面上發生等溫線密集的現象，從而引起發生地面的鋒生過程。

（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減小的，那么地面上發生等溫線稀疏的現象，從而引起發生地面的鋒消的過程，使地面鋒過於散弱。

地表拖拽與地面鋒

利用三維非靜力中尺度模式MM5，模擬乾、濕大氣情況下中緯度斜壓波發展、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構及鋒生過程的影響作用, 以及濕大氣情況下此作用的特徵。

研究發現, 一方面地表拖曳力減緩斜壓波系統的發展, 從而導致地面鋒鋒生速度減慢, 且不利於暖鋒的“bent-back”結構形成, 減弱了暖鋒對西北方向入侵的冷空氣的阻擋作用, 不利於氣旋低壓中心附近的孤立暖心形成, 同時暖舌也被分隔為兩個頂端, 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.。另一方面, 從鋒生函式特徵來看, 地表拖曳力可以導致非常強的非地轉流, 從而能夠延長冷鋒鋒生過程維持時間, 有利於冷鋒強度增大. 這表明地表拖曳對冷鋒鋒生的作用是雙向的. 同時, 邊界層地表拖曳也能夠改變鋒區的垂直結構, 造成邊界層內鋒面垂直於地面, 自由大氣中的鋒區斜率增大, 這些結果從更完整過程推廣了談哲敏和伍榮生的理論結果。

在此基礎上, 進一步考慮濕物理過程作用後的地表拖曳對鋒面結構與鋒生影響作用. 濕大氣中產生的非絕熱加熱過程可加速地面鋒的鋒生過程, 尤其利於暖鋒鋒生速度的加強. 地面雨帶分布在地面鋒區周圍, 無論有無地表拖曳力的影響, 降水最大中心都出現在上升區西側. 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動導致的地表能量的迅速耗散, 當大氣低層濕度場很強並伴隨著上升帶出現時, 對流發展旺盛, 此時地表拖曳對低層水汽與能量的束縛作用相對較弱, 表現為雨帶水平分布在有無地表拖曳力時類似. 當低層濕度場減弱, 則地表拖曳力的作用逐漸體現, 表現為減緩了地表水汽與能量的迅速耗散, 並且在鋒後邊界層中產生摩擦輻合上升區, 這些小的上升區逐漸東移到冷鋒前, 補償了鋒前上升帶的強度, 有利於冷鋒降水的維持。

重力流

通過推廣到旋轉坐標系的SL級數展開方法和數值積分方法研究地面鋒附近 , 由於沿鋒非地轉而產生的重力流及鋒生效應。SL方法是把場變數展成為時間的冪級數形式, 該方法的優點在於把複雜的流動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制。但直接用級數解得到鋒面結構在鋒生的後期階段是比較困難的, 此外級數求解不便於考慮摩擦耗散的作用, 數值積分方法可以對此加以彌補，通過兩種方法的求解可以得到如下結論:

l) 當沿鋒的地轉平衡遭到破壞之後, 由於鋒面附近氣壓場會有越鋒分量的氣壓梯度力, 如果(v_o< v_go), 則在此氣壓梯度力作用下會產生穿越等壓線的重力流, 並導致非地轉環流產生和引起邊界層附近快速鋒生, 從而改變原來的鋒面結構。在考慮摩擦耗散作用情況下, 由於受地面拖曳的作用, 在邊界附近會產生重力流的“ 頭” 狀結構,使鋒區向上擴展。

2) 重力流的強弱不僅與鋒面的位溫梯度有關, 而且與沿鋒的地轉偏差有關,偏差越大, 則重力流越強, 重力流引起的鋒生越快。偏差較小, 則重力流較弱, 當地轉偏差為零時(v_o= v_go)) , 則不會有重力流產生。

3) 摩擦耗散的強弱對重力流的強弱及鋒的結構及重要影響,Kv,KH越大, 越不利於重力流鋒生。

研究進展

到目前為止關於地面鋒的研究已取得了不少進展, 揭示出許多與經典鋒面結構理論明顯不同的觀測事實, 如發現鋒面有重力流特徵, 鋒面的多尺度特徵等, 但由於邊界層過程對鋒面結構的影響非常複雜, 尚沒有一個能完全反映觀測事實的研究工作。20 世紀 70年代由Hoskins 及其合作者提出的半地轉鋒生模式能較好地描述非地轉作用對於大氣鋒生的影響作用, 但利用此類鋒生動力學模式無法詳細考慮邊界層物理過程對鋒生的影響效應。

地表拖曳對鋒面動力學結構的影響作用主要包括: 地面摩擦拖曳對鋒面結構的影響, 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定。Hoskins考慮了邊界層摩擦的耗散作用, 認為地面摩擦是一種鋒消作用, 然而Keyser和Anthes在數值模式中比較詳細地考慮了邊界層過程對鋒生、鋒面環流的影響作用,結果指出邊界層摩擦可以加強低層鋒面環流, 導致鋒生作用. 談哲敏等研究提出邊界層摩擦拖曳對鋒生過程的作用具有兩重性觀點: 一方面, 邊界層摩擦具有耗散作用, 主要表現在湍流摩擦對較強鋒面的耗散作用, 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流動, 這種非地轉流動可以導致一定的輻合, 從而產生鋒生效應。

在真實大氣中, 低層存在大量水汽, 相應在這種濕環境下鋒生環流將激發對流產生, 導致雲和降水的成.Bernard等通過位渦收支對鋒面寬雨帶的成因進行了分析, 其結果表明邊界層摩擦誘發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的暖區寬雨帶形成有重要影響作用. Lafore等在此基礎上分析了非熱成風平衡條件下的鋒面雨帶特徵, 其結果認為非地轉余差是鋒面雨帶形成的關鍵, 在鋒面暖區中寬雨帶強度的25%與窄冷鋒雨帶強度的60%是由非地轉余差貢獻的. 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動在乾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, 相對於乾大氣情況, 在濕情況下地表摩擦拖曳對鋒面結構、鋒生及其降水的影響作用同樣存在不確定性,該問題需要進一步研究。