錮囚

錮囚是指隔斷與地球表面的接觸，並靠冷鋒會聚迫使其上升到熱鋒之上；亦指這種過程。

基本介紹

• 中文名：錮囚
• 外文名：Prisoner
• 套用：天氣預報
• 釋義：隔斷與地球表面的接觸
• 學科：氣象學

概念

我國常見的是鋒面受山脈阻擋所形成的地形錮囚；或冷鋒追上暖鋒，或兩條冷鋒迎面相遇形成的錮囚。它們迫使冷鋒前的暖空氣抬離地面，錮囚到高空。

河套錮囚與山西暴雪

統計關係

暴雪過程在秋末、初春以及冬季山西降水中有極重要的地位。一次強降雪對山西上述季節的降水量豐欠有重要影響，而多數山西暴雪在河套地區都對應有錮囚鋒存在。對1957年至1980年、1987年至1993年31a間1月至3月、11月至12月的歷史資料統計表明，山西境內共出現過38次暴雪天氣過程，其中在河套地區有錮囚鋒相伴出現的共23次，占暴雪總出現次數的60.5%。

（1）31a間河套錮囚鋒出現次數與造成的降水統計

表1給出了1957年至1980年、1987年至1993年各年1月至3月、11月至12月河套錮囚鋒出現的次數（表中未列年份為無錮囚鋒出現年份）。由表1可看出，河套錮囚鋒出現最多的年份，每年可達3次，有的年份則沒有錮囚鋒在河套地區生成或從上游移入；31a當中，錮囚鋒以3月份最多（共13次，占總出現數的50%），1月份最少（共2次，占總出現數的8%）。31a當中，河套錮囚鋒共出現26次，造成全省範圍降水達18次，占錮囚鋒總出現次數的69.2%；忻州以南有降水達24次，占錮囚鋒總出現次數的92%；中、南部出現降水達25次，占錮囚鋒總出現次數的96%；全省幾乎無降水的一次，占錮囚鋒總出現次數的3.8%。產生大雪以上天氣過程25次，占錮囚鋒總出現次數的96%，產生暴雪天氣過程23次，占錮囚鋒總出現次數的88.5%。

表1 河套錮囚鋒出現的次數

統計結果還表明，錮囚鋒一般可在河套地區維持24h以上，56%的錮囚鋒可在河套維持48h以上，13%的錮囚鋒可在河套維持72h之久。因此，當河套地區出現錮囚鋒時，本省降水一般可持續24h以上，80%可持續48h以上，13%可持續72h以上，在研究所統計的河套地區有錮囚鋒相伴出現的23次暴雪過程中，有56%的過程連續2d出現暴雪，有13%的過程連續3d出現暴雪。

在研究所統計的26次河套錮囚鋒中，有85%的錮囚鋒是20時在河套生成，15%的錮囚鋒是08時在河套生成，夜間開始降雪的過程達90%。

以上統計結果說明：a）秋末初春，河套出現錮囚鋒的機率較大，隆冬河套出現錮囚鋒的機率較小。這是由於隆冬大陸常為強大的冷高壓控制所致。

b）當河套地區出現錮囚鋒時，意味著本省將出現一次持續時間長、降雪範圍廣、降雪量大的降雪過程。

（2）河套有錮囚鋒時各天氣區暴雪出現的機率與極值

為了搞清河套地區有錮囚鋒存在時，對不同地區降水的影響，將全省分為晉西南（運城、臨汾）、晉東南（長治市、晉城市）、晉中（含太原、陽泉）、呂梁、忻州、雁北6個天氣區。

表2 河套地區有錮囚鋒存在時，各天氣區暴雪出現的次數和極值

表2給出了1957年至1980年、1987年至1993年31a間河套地區有錮囚鋒存在時，各天氣區暴雪出現的次數和暴雪出現的極值。由表2可知，暴雪在晉東南的機率最大，在雁北的機率最小，暴雪出現的次數和暴雪出現的極值都由東南向西北逐漸減小。

有利於河套錮囚鋒生成的環流形勢

為了提前24h至36h作出山西的暴雪天氣預報，較準確的判斷河套有無錮囚鋒生成是關鍵。為此，我們從23次河套錮囚鋒暴雪過程中選出20個典型個例，取5×5個經緯度格點讀數，分別作成了有利於河套錮囚鋒生成的850hPa平均溫度場、500hPa平均高度場和地面合成平均圖，希望對預報能有參考價值。

圖1

（1）利於河套錮囚鋒生成的500hPa環流形勢

當河套有錮囚鋒生成時，為了能準確判斷雪區是南壓還是北抬的，我們將500hPa高度場分型，分別作了南壓型和北推型暴雪的500hPa平均高度場。圖1a和圖1b分別是南壓型和北推型暴雪的500hPa合成平均高度場。

圖1a和圖1b分別是南壓型和北推型暴雪的500hPa合成平均高度場。由兩圖可知，無論是南壓型還是北推型暴雪，500hPa平均高度場，烏拉爾山附近都為高壓脊控制，俄羅斯東北部都為低壓區，鋒區都位於φ_N45°附近。所不同的是，南壓型暴雪的500hPa平均高度場，亞洲中低緯環流平直，南支槽不活躍，φ_N48°以南，西起λ_E85°，東至λ_E135°，一致盛行偏西氣流。與其相反，北推型暴雪，500hPa南支槽活躍，亞洲中低緯有強盛的西南急流，最大風速可大於等於32m/s。另外，二型500hPa橫槽位置也有所不同。

（2）850hPa平均溫度場

分析23次河套錮囚鋒暴雪發現，無論是南壓型還是北推型，其850hPa溫度場都很相似。因此，將20個典型個例溫度場平均，作成了有利於河套錮囚鋒生成的850hPa平均溫度場，見圖2。

圖2 850hPa溫度合成平均圖（單位：℃）

由圖2可知，850hPa平均溫度場，雅庫次克有低於-28℃的冷溫槽；λ_E90°～λ_E135°，φ_N40°～φ_N45°區域有近似東西向的鋒區，鋒區強度達4℃/100km；河西走廊到河套為暖溫度脊，暖溫度脊兩側有冷溫槽分別舌型東南、西南下，預示未來24h低層東西兩路冷空氣將在河套相遇。

（3）地面合成平均圖

圖3是河套錮囚鋒形成前24h的合成平均圖。由圖3可知，河套錮囚鋒形成前24h，亞洲中高緯為較強的橫向高壓控制，沿φ_N50°有2個高壓中心，平均位置位於λ_E95°和λ_E110°，高壓中心平均強度為1047.1hPa和1045.8hPa；鋒區平均位置在φ_N40°～φ_N45°區間；河套東部向西25個經度為地面倒槽區；河套東部有冷高壓楔向西南方向伸展，從渤海一帶流向華北，華北正形成東高西低的回流形勢。

圖3 地面氣壓合成平均圖（單位：hPa）

考察和分析23次河套錮囚鋒地面形勢還發現，86%的亞洲中高緯橫向高壓有2個高壓中心，高壓中心強度最高可達1071.2hPa，最低的不低於1045.0hPa，2個高壓中心，有67%西部的高壓中心強度高於東部的高壓中心強度。

暴雪落區預報

暴雪與暴雨的落區一樣，是一個比較複雜的問題，但通過分析與研究仍然可找出其發生與發展的規律和預報的著眼點。

綜觀23次暴雪過程發現，暴雪的落區與錮囚鋒的位置、錮囚鋒的形狀、700hPa或850hPa急流的位置、急流的強弱，低層回流濕冷空氣的流向，尤其是低空急流攜帶的暖濕氣流與低層回流的濕冷空氣交綏密切相關。

理論與實踐都告訴我們一個事實，降水的出現，實質是低空急流所攜帶的暖濕氣流與低層回流所攜帶的濕冷空氣交綏的結果。然而，暴雪的出現和降水範圍的擴大確是西路冷空氣介入所致。由於東西兩路冷空氣的夾擠作用，迫使暖濕空氣上升，這樣就使得上升運動得以加強和維持，為暴雪的產生提供了動力條件，而低空急流的存在與增強則為暴雪產生提供了充足的水汽條件。

對於本省的暴雪過程，從降雪開始到降雪結束有2種形式，一種是南壓型，一種是北推型。

（1）南壓型暴雪

此類暴雪過程，在降雪前12h至24h，700hPa或850hPa的西南或東南急流位置偏北。低空急流攜帶的暖濕氣流與回流的濕冷空氣首先是在本省北部交綏，降雪開始，隨著西路冷空氣的介入，錮囚鋒形成。兩路冷空氣的夾擠使得暖濕空氣抬升，雲層加厚，降水增強，暴雪形成。而後，鋒區緩慢南壓，錮囚鋒的錮囚點緯度逐漸降低，本省的中部和南部相繼出現暴雪。這類暴雪，從降雪開始到降雪結束，歷時可達72h之久。此型500hPa的特點是亞洲中低緯環流平直，南支槽不活躍，沒有明顯的西風大槽影響，在λ_E80°至λ_E135°，φ_N20°至φ_N50°，主要以偏西氣流為主。圖4a，4b給出了降雪從北部開始的南壓型區域性暴雪概念模型。此類可在不同時次，先後在本省的北、中南部分別造成暴雪天氣。

圖4 南壓型暴雪概念模型

（2）北推型暴雪

此類暴雪過程，在降雪前12h至24h，700hPa或850hPa的西南或東南急流位置偏南。在λ_E110°～λ_E115°處，低空急流頭在φ_N35°附近，850hPa和700hPa上，φ_N35°附近常有暖切變存在。降水即將開始時，850hPa圖上，位於φ_N50°附近的鋒區突然南壓，低層回流的濕冷空氣與低空急流攜帶的暖濕氣流首先在本省南部交綏，降雪開始，隨著西路冷空氣的介入，錮囚鋒形成。地面強烈的輻合和東西兩路冷空氣夾擠暖濕氣流形成的強烈上升運動使雲層加厚，暴雪隨之產生。此類暴雪過程的500hPa特點是，降水前12h至24h，南支槽活躍，常與東移的西風槽或分裂東移的短波槽疊加，使500hPa西南氣流加強，最大風速可大於等於32m/s。由於500hPa槽加深，誘發低層切變迅速北抬。切變線在北抬過程中，沿途造成暴雪天氣。降雪最終在北部結束。圖5是降雪起始於本省南部的北推型區域性暴雪概念模型。此型一般可造成本省中、南部區域性、北部局部性暴雪天氣。

圖5 北推型暴雪概念模型

研究只給出了暴雪從北部和從南部開始的南壓型和北推型2種概念模型。實際上，低空急流與低層回流濕冷空氣在本省中部交綏，錮囚鋒的錮囚點位於φ_N37°附近時，降雪常從本省中部開始，此時，若屬於北推型，則可造成中部區域性，北部局部性暴雪天氣；叵屬南壓型則可造成中部區域性、南部局部性或中南部區域性暴雪天氣。具體預報時，最大降水在什麼地方，不但要看低空急流與回流濕冷空氣交綏在何處（即中、低緯系統相互作用在何處），還要看西路冷空氣在何時、何地（錮囚點的緯度高低）介入（動力條件），方能較準確的作好暴雪落區預報。

消空處理

雖然96.2%的河套錮囚鋒都能給本省帶來大雪和暴雪天氣，但畢竟還有3.8%的河套錮囚鋒幾乎不能給本省帶來明顯的降水。為防止空報，必須進行消空處理。

總結與分析乾錮囚鋒發現，這類錮囚鋒一般地面河套倒槽和850hPa暖溫度脊與有暴雪出現時的錮囚鋒相差無幾，只是錮囚點緯度很低，在φ_N33°以南；700hPa圖上河套與本省境內為強盛的西北氣流控制（風速一般大於等於16m/s）；700hPa和850hPa圖上均無影響本省的西南或東南急流存在；500hPa圖上，在λ_E60°處，南起φ_N20°，北至φ_N65°，為南北向大槽，λ_E60°～λ_E120°為強脊控制，河套到本省都處在脊前西北氣流影響區。這種高低空系統配置下的河套錮囚鋒，不會給本省帶來明顯降水，但常給本省帶來強烈的大風降溫天氣。

研究結論

（1）研究所述季節，每年河套出現錮囚鋒的機率以3月份最大（50%），1月份最小（8%）；

（2）96.2%的河套錮囚鋒可使本省產生大雪以上的天氣過程；88.5%可使本省產生暴雪天氣過程；56%可使本省連續2d出現暴雪天氣；13%可使本省連續3d出現暴雪天氣；69.2%可造成本省全省範圍降雪天氣；92%可造成忻州及其以南降雪天氣；

（3）河套錮囚鋒引起的暴雪過程，在晉東南的機率最大，在雁北的機率最小，暴雪出現的次數和極值都由東南向西北逐漸減小；

（4）當500hPa，850hPa以及地面出現有利於河套錮囚鋒生成的環流形勢，850hPa或700hPa有影響本省的低空急流存在時，未來24h本省將有一次持續時間長、降雪範圍廣、降雪量大的強降雪過程；

（5）當河套出現錮囚鋒時，本省有無暴雪過程，要重點分析高、中、低空系統的配置和中、低緯系統是否相互作用在本省。

高低空急流中的錮囚鋒環流

關於鋒生和鋒面環流演變的動力學研究，不論是準地轉模式、半地轉模式，還是原始方程模式，一般都是針對冷鋒的。錮囚鋒也是重要的天氣系統。在我國，東北低壓和蒙古氣旋中常有錮囚鋒出現。在華北地區，還有地形錮囚鋒產生，它是華北地區春季降水的重要天氣系統。此外，武夷山、塔里木盆地和柴達木盆地也常有地形錮囚鋒產生。但是，對錮囚鋒的動力學研究還很少，雖然曾利用半地轉模式討論過錮囚鋒過山時地形對錮囚鋒的作用，然而，關於高低空急流對錮囚鋒環流時間演變的影響的研究還不多見。研究將利用包括耗散的原始方程模式探討高空西風急流、低空南風急流等背景風場中錮囚鋒環流及其結構的時間變化，討論不同背景風場對錮囚鋒環流演變的不同作用。

圖6 高低空急流並存時Wmax的時間變化

數值結果與分析

計算了高低空急流並存時錮囚鋒環流的演變。計算顯示，高低空急流並存對錮囚鋒的作用比較複雜，並不是高低空急流各自作用的線性相加，而是耦合作用。例如，鋒區的上升速度明顯比這兩類急流單獨作用時產生的上升速度大，特別是在t=19h前後幾個小時更加突出（圖6）。在t=19h，上升速度達14cm·s^-1，而高低空急流單獨作用所造成的上升速度之和約只有4cm·s^-1。此外，在高低空急流並存時，最大上升速度的時間變化曲線在t=2h和t=19h附近出現二次峰值，而且分別出現17.2cm·s^-1和14cm·s^-1的上升速度。這表明，高低空急流並存會產生複雜得多的情況，這可能與背景氣流的強迫耦合作用有關。計算還顯示，高低空急流並存時散度場仍呈帶狀分布，但輻合輻散的量值比高低空急流分別產生的輻合輻散的量值之和小得多，這再次說明，高低空急流並存對錮囚鋒的作用是比較複雜的。

圖7 1973年3月15日錮囚鋒垂直速度和流線圖

圖7是美國華盛頓州1973年3月15日觀測到的錮囚鋒鋒區垂直速度的計算圖。與圖8高空西風急流中的鋒區垂直速度場相比，如果取與圖7相同的區域，即水平方向從400km到800km，垂直方向到5km，顯見，二者的垂直速度分布相當相似，而且二者的最大上升速度值也相近，前者的觀測計算上升速度值為14cm·s^-1，研究的理論計算值為16cm·s^-1。可見，研究的理論模式計算是比較可靠的，當然實測的錮囚鋒情況更為複雜，研究只是從理論上考慮乾模式大氣中高低空急流的不同作用，不在於對錮囚鋒環流的真實模擬。

圖8 高空西風急流中的鋒區(a)垂直速度場 (b)Wmax的時間變化

研究結論

通過對乾模式大氣中給定的背景風場中錮囚鋒環流演變的數值模擬，可以得到以下一些結論：

（1）靜止背景風場中，錮囚鋒環流很弱，時間演變緩慢、平穩，各變數數值很小，空間分布比較規則。

（2）高空西風急流的存在使錮囚鋒環流和垂直速度迅速增強，時間變化迅速，沿鋒速度發生重大變形，並形成強而規則分布的散度場，有利於重力內波的垂直傳播，顯示高空西風急流作為強迫因子對錮囚鋒環流演變的重大影響。

（3）低空南風急流對錮囚鋒的作用比高空西風急流小得多，其產生的環流和垂直速度也比高空急流中的小，但比靜止背景風場中的要大得多，顯示出對乾大氣，低空南風急流作為動量源的作用遠不及高空西風急流重要，只有在包括水汽凝結過程的濕大氣中，低空南風急流通過對水汽的輸送有可能對鋒區環流起重要作用，這些將另文討論。

（4）高低空急流並存對錮囚鋒的作用並不是它們各自作用的線性疊加，其作用要複雜得多，顯示出高低空急流可能具有一種複雜的強迫耦合作用。