2019, Vol. 43
2 中国民用航空西南地区空中交通管理局贵州分局, 贵阳 550012
2 Guizhou Sub-bureau of Southwest Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation of China, Guiyang 550012
锋生函数广泛用于锋面等大气要素不连续界面的诊断研究领域。Petterssen(1936, 1956)从运动学观点出发, 通过分析位温梯度的变化来探讨锋面强度的变化, 指出涡度、散度和变形均对锋生有贡献; Doswell III(1984)等研究了变形场对锋生的贡献; Ninomiya(1984, 2000)在梅雨锋的研究中具体计算分析了锋生函数各组成项的作用, 指出梅雨锋锋生的主要贡献来自于副热带区域的变形场和水平辐合项, 锋生作用将强迫出垂直环流有利于梅雨锋的形成。
近年来, 郭英莲等(2009)通过对比2008年1月出现在华南的冬季准静止锋和1998年6~7月出现在江淮流域的夏季梅雨锋指出:2008年静止锋和1998年梅雨锋的阻塞形势和暖湿气流来源基本一致, 锋生作用均在低层较为明显。但是2008年静止锋锋生为温度、湿度、风场的共同作用, 而1998年梅雨锋锋生主要为湿度和风场的影响。毕玮等(2005)研究了一个西北太平洋上冷锋的结构和锋生过程, 发现锋生函数呈水平带状分布, 其后缘基本上与海洋冷锋相重合, 900 hPa以下的低空锋区内剪切项起主要的锋生作用, 850 hPa以上的高空锋区内拉伸项起主要的锋生作用, 而扭转项在锋前的锋生作用最为显著; 杨贵名等(2009)计算了2008年初中国南方地区低温雨雪冰冻天气过程中锋生函数, 指出滇、黔地区准静止锋锋生可能是贵州冰冻严重的主要原因之一。杜小玲和蓝伟(2010)在两次滇、黔准静止锋锋区结构的对比分析中认为, 造成锋区结构特征差异的重要原因在于锋生函数的水平辐合项和变形项对准静止锋的贡献存在差异; 对于2008年初贵州冰冻天气锋生场诊断分析中, 池再香等(2010)认为准静止锋最强时变形项和散度项对锋生起主要作用; 在华南局地锋生及对流系统发展的模拟中发现(蒙伟光等, 2012), 非绝热项和倾斜项分别在由对流引起的次级环流的上升运动支和下沉运动支起锋生作用, 是引发中尺度锋生的主要影响因子, 相对而言, 水平辐合项和形变项却作用比较小; 在准静止锋锋生诱发暴雨的分析中(杜正静等, 2015)表明, 高空急流加速导致对流层中高层极锋锋区内锋生和对流层中层正环流圈的形成, 加强了准静止锋附近的水平变形和垂直运动, 进而促使锋生加强, 水平变形项范围越大则降雨强度越强, 倾斜项移动与准静止锋附近生成的强对流云团的移动方向一致。此外, 还有一些专门针对准静止锋锋生函数的诊断研究(李英等, 1999; 李兆慧等, 2011; 尤红等, 2013; 杨秀庄等, 2016), 从不同的角度分析了锋生函数各项的作用与贡献。
上述大多仅限于个例研究, 对锋生函数各项作用的讨论以定性为主。本文将利用锋生函数对2008年1~2月典型长时间维持昆明准静止锋天气过程进行诊断, 具体分析锋生函数各分项的作用和贡献以及与锋面进退的关系, 并进一步结合2016年1月20~27日增强西进过程、1979年1月14~20日减弱东退过程进行了比较验证, 综合讨论昆明准静止锋生消与进退关系。
2 资料和方法本文所选用的资料包括:(1)2008年1~2月、2016年1月20~27日和1979年1月14~20日西南区域内(20°N~35°N, 95°E~115°E)范围内地面气象站逐日观测, 来源于国家气象信息中心2419个国家级台站的逐日观测资料; (2)欧洲中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的ERA-Interim 0.125°×0.125°逐6小时再分析数据(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/[2017-06-30]); (3)地形数据GTOPO30是美国地质勘探局(USGS)以间隔30 s(即0.00833333°, 在西南地区其分辨率约1 km)开发的全球数字高程模型DEM数据(https://lta.cr.usgs.gov/GTOPO30 [2017- 04-10])。
需要说明的是近年再分析资料的时空分辨率和性能提高明显。查书瑶等(2015)利用美国大气资料中心(NCEP/NCAR)提供水平分辨率为1°×1°的FNL(Final)再分析资料开展了冬季华南复杂地形下准静止锋的结构和类型特征研究。在此次分析中采用的ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析数据是欧洲中心近年推出的一套可信度和科研价值均很高的高分辨率大气再分析资料。该资料通过欧洲中心全球模式回算历史资料, 计算中同化了地面观测、无线电探空、探空气球、飞机、雷达及卫星等多源观测资料, 其对大气描述的信息量远优于单一的探空站资料。尤其是参与同化的卫星多达27颗, 有TRMM、GMP、NOAA系列卫星、Earth Probe卫星和地球静止轨道环境业务卫星(GOES)。回算模式分辨率和卫星等多源资料综合贡献使得ERA-Interim 0.125°×0.125°在地形复杂区域的性能得以显著提高并得以应用(白磊等, 2013; 秦育婧和卢楚翰, 2013), 在针对昆明准静止锋的研究中已经得到了验证(段旭等, 2017, 2018a)。
此次分析中锋面位置资料来源于昆明准静止锋的客观判识。昆明准静止锋客观判识方法综合考虑了昆明准静止锋两侧云贵高原上热力场的垂直变化和水平梯度分布、风场的东西向切变和锋面系统水平尺度等特征(段旭等, 2017), 所获得的锋面客观判识资料经过典型天气过程分析和相关气候资料统计的验证是科学合理的。该客观判识方法及其资料为开展锋面客观定量提供了数据基础。本次研究中锋面判识中采用相当位温θe代替了原判识方法中的位温θ, 使之更合理地突出锋面特征(段旭等, 2018b)。
研究中锋生函数采用标量锋生函数(朱乾根等, 2007), 热力参数选用相当位温θe, 则二维(等压面)锋生函数表达式为
| $ \begin{array}{l} F = \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left| {\nabla {\theta _e}} \right| = \frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _e}} \right|}} \cdot \\ \left[ {{{\left({\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial x}}} \right)}^2}\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + {{\left({\frac{{\partial \theta {}_{\rm{e}}}}{{\partial y}}} \right)}^2}\frac{{\partial v}}{{\partial y}} + \frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial x}}\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial y}}\left({\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right)} \right] - \\ {\rm{ }}\frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _{\rm{e}}}} \right|}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}}\left({\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial x}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}} + \frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial y}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial y}}} \right) + \\ \frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _e}} \right|}}\left[ {\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial x}}\frac{\partial }{{\partial x}}\left({\frac{{{\rm{d}}{\theta _{\rm{e}}}}}{{{\rm{d}}t}}} \right) + \frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial y}}\frac{\partial }{{\partial y}}\left({\frac{{{\rm{d}}{\theta _{\rm{e}}}}}{{{\rm{d}}t}}} \right)} \right], \end{array} $ | (1) |
该方程可分解为4项, 即
| $F = {F_1} + {F_2} + {F_3} + {F_4}, $ | (2) |
其中,
| ${F_1} = \frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _{\text{e}}}} \right|}}\left[ {\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial x}}\frac{\partial }{{\partial x}}\left({\frac{{{\text{d}}{\theta _{\text{e}}}}}{{{\text{d}}t}}} \right) + \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial y}}\frac{\partial }{{\partial y}}\left({\frac{{{\text{d}}{\theta _e}}}{{{\text{d}}t}}} \right)} \right], \\~~~~(非绝热加热项)$ | (3) |
| ${F_2} = - \frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _{\text{e}}}} \right|}}\frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial p}}\left({\frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial x}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}} + \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial y}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial y}}} \right), \\~~~~(垂直运动倾斜项)$ | (4) |
| $ {F_3} = - \frac{1}{2}\left| {\nabla {\theta _{\text{e}}}} \right|D, (水平辐散项) $ | (5) |
| ${F_4} = - \frac{1}{{2\left| {\nabla {\theta _{\text{e}}}} \right|}} \cdot \\\left[ {{E_{st}}{{\left({\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial x}}} \right)}^2} + 2{E_{sh}}\frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial x}}\frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial y}} - {E_{st}}{{\left({\frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial y}}} \right)}^2}} \right], \\~~~~~(水平变形项) $ | (6) |
式中,
| $ D = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}}, (辐合辐散) $ | (7) |
| $ {E_{{\text{sh}}}} = \frac{{\partial v}}{{\partial x}} + \frac{{\partial u}}{{\partial y}}, (切变变形) $ | (8) |
| $ {E_{{\text{st}}}} = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} - \frac{{\partial v}}{{\partial y}}.(伸缩变形) $ | (9) |
当F及其各分项大于0时, 表示锋生, 即相当位温θe水平梯度加大; 反之, 表示锋消, 即相当位温θe水平梯度减小。
3 锋生函数F及其Fx和Fy分量作者依据实际经验和天气学原理, 研究了昆明准静止锋客观识别方法(段旭等, 2017)。利用该客观方法结果对1961~2010年云贵高原上出现的准静止锋的统计结果表明, 超过80%的锋面为准南北向(方位330°~360°至150°~180°)向, 其余为东西向或东北西南向。2008年1月10日至2月16日云贵高原地区出现准南北向的昆明准静止锋持续性过程。云贵高原中部自东向西分布的贵阳、会泽、昆明三站大致位于同一纬度上, 三站的连线穿越准南北向的昆明准静止锋并基本正交。图 1给出了云贵高原中部自东向西贵阳、会泽、昆明等三个站在此期间的气温距平变化。距平处理使位于不同海拔高度的站点间气温变化有了可比性, 其中温度气候态取1981~2010年1月10日至2月16日期间的30年平均。温度负距平对应冷气团控制, 正距平对应暖气团控制, 正、负距平交替出现对应锋面摆动。从图 1分析可以看出, 1月12日开始冷气团控制贵阳直到2月15日结束, 而昆明大部分时间为暖气团控制, 冷暖气团之间形成准静止锋。介于冷暖气团之间(锋面附近)的会泽气温起伏变化较大, 准静止锋东西摆动特征明显。2008年1月12日至2月15日昆明准静止锋共维持了35天, 是昆明准静止锋典型的长时间持续过程。
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图 1 2008年1月10日至2月16日贵阳、会泽、昆明三站点日平均气温距平（单位：℃） Fig. 1 Average temperature anomalies (units: ℃) at Guiyang, Huize, Kunming stations from January 10 to February 16 of 2008 |
考虑冷气团及其锋面属低层浅薄系统, 以及准静止锋呈准南北走向, 利用公式(1)计算锋生函数后, 取纬向剖面的低层数值来分析锋面的生消与进退。图 2给出了2008年1月10日至2月16日锋生函数F(850 hPa~700 hPa累加值)和锋面位置沿26°N剖面分布。从中可以看出, 锋面位置与最强锋生区域一致, 两者随时间东西摆动变化几乎同步。图 2中除了与锋面活动对应的强锋生带外, 108°~109.5°E之间还存在一个不随时间变化的次锋生带, 该区域虽有锋生现象, 但
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图 2 2008年1月10日至2月16日锋生函数F（850 hPa~700 hPa累加值，单位：10−9 K m−1 s−1）沿26°N的经度—时间剖面及锋面位置（实线） Fig. 2 Longitude–time cross section of frontogenesis function F (the accumulated value over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) along 26°N and the front position (solid line) during the period from January 10 to February 16 of 2008 |
从图 2中可见次锋生带几乎不随时间变化, 也不受西侧准静止锋东西摆动的影响, 除了冷空气影响的因素外, 显然还有高原地形因素在起作用。图 3给出了云贵高原地形沿26°N剖面, 总体趋势自东向西为巨大的陡峭地形, 冷空气被大地形抬升, 但也存在若干个局地平缓区, 冷空气向西推进时会产生局地下沉气流(图 3中箭头所示)。据公式(1), 此时
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图 3 云贵高原沿26°N地形剖面及局地环流示意（箭头） Fig. 3 Topographic profile of the Yunnan–Guizhou Plateau along 26°N and local circulation (arrows) |
如果将公式(1)分解为x和y方向上的分量, 即
| ${F_x} = \frac{{\text{d}}}{{{\text{d}}t}}(- \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial x}}) = - \frac{\partial }{{\partial x}}(\frac{{{\text{d}}{\theta _e}}}{{{\text{d}}t}}) + \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial p}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}} + \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial x}}\frac{{\partial u}}{{\partial x}}, $ | (10) |
| ${F_y} = \frac{{\text{d}}}{{{\text{d}}t}}(- \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial y}}) = - \frac{\partial }{{\partial y}}(\frac{{{\text{d}}{\theta _e}}}{{{\text{d}}t}}) + \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial p}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial y}} + \frac{{\partial {\theta _{\text{e}}}}}{{\partial y}}\frac{{\partial v}}{{\partial y}}, $ | (11) |
由此可以得到锋生函数在x和y方向上的分布与变化。由图 4可知, 锋生函数的2个分量的分布特征有较大差异。
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图 4 2008年1月10日至2月16日锋生函数（a）Fx和（b）Fy分量（850 hPa~700 hPa累加值，单位：10−9 K m−1 s−1）沿26°N的经度—时间剖面及锋面位置（实线） Fig. 4 Longitude–time cross sections of (a) Fx and (b) Fy (accumulated values over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) along 26°N and the front positions (solid lines) during the period from January 10 to February 16 of 2008 |
Fx中(图 4a)最强时间锋生带能够精确描述锋面位置, 强锋生带东西两侧分别有较强锋消带伴随, 它们随时间的东西摆动变化与强锋生带一致, 可以认为是锋面摆动时的生、消转换。除了与锋面位置对应的强锋生带与锋消带外, 还出现了比图 2中的更加显著的次锋生(消)带, 在106°~110°E之间分别有相间的4条锋生(消)带, 它们分别与图 3中的局地地形环流区A和B对应, 上升气流区出现锋消、下沉区锋生。这一现象表明昆明准静止锋维持需要不断有冷空气补充, 在复杂地形产生局地环流的影响下, 补充形式在锋生函数中表现为“震荡”式传播。
Fy的分布(图 4b)与F相似, 但最强锋生区与锋面位置对应得不如Fx一致, 特别是锋面摆动幅度最小阶段(1月16~29日), 锋区滞后于锋面位置。另外, 锋后无显著的锋消区, 这表明锋面以东西摆动为主, 南北移动不明显。
为了验证图 4中准静止锋Fx和Fy分布的特征, 取不同的纬向剖面来分析, 如25°N。沿25°N剖面地形虽然与26°N剖面有所不同, 但仍存在相似的局地地形环流发生区。图 5给出了沿25°N的Fx和Fy分布, 可知与沿26°N剖面的分布特征几乎一致。唯一区别是随着纬度的降低, 冷空气势力减弱(
2008年初的昆明准静止锋过程维持时间较长, 锋面两侧冷暖气团势力相当, 基本上在一个比较小的范围内东西摆动, Fx“震荡”式传播分布特征显著。如果冷气团较强或较弱、静止锋变为冷锋或暖锋时, 这种“震荡”式传播分布特征是否存在？2016年1月20~27日增强西进过程、1979年1月14~20日减弱东退过程进行比较分析, 并讨论此问题。图 6给出了Fx(850 hPa~700 hPa累加值)沿26°N剖面分布及锋面位置。分析可见2016年1月20~27日增强西进过程冷空气较强, 静止锋变为冷锋向西移动。1979年1月14~20日减弱东退过程冷空气减弱, 静止锋变为暖锋逐步向东退。从分析图 7可见, 106°E以东与局地地形环流相关的区域也存在不随时间变化的锋生、消带。相比较, 在图 3中局地地形B区域2条锋生、消带较完整, 与2008年的情况(图 4a)相同, 而局地地形A区域2条锋生、消带图 6a较完整, 图 6b则不完整。前面已分析过, 不随时间变化的锋生、消带是冷气团与局地地形相互作用的产物。在冷锋过程中, 局地地形A和B区域始终处于冷气团的影响下, 与局地地形的相互作用存在; 在暖锋过程中, 偏西的A区域已被暖气控制, 冷气团与局地地形相互作用不存在, 偏东的B区域冷气团较弱, 相互作用存在但也比较弱。
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图 6 （a）2016年1月20~27日和（b）1979年1月14~20日锋面过程中的Fx（850 hPa~700 hPa累加值，单位：10−9 K m−1 s−1）沿26°N的经度—时间剖面及锋面位置（实线） Fig. 6 Longitude–time cross sections of Fx (accumulated values over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) along 26°N and the front positions (solid lines) (a) from January 20 to 27 of 2016, and (b) from January 14 to 20 of 1979 |
通过上述不同锋面过程的分析, 揭示了Fx不随时间变化的锋生、消带, 是冷气团和高原局地地形相互作用下形成的, 它的“震荡”式传播机制, 导致了昆明准静止锋的形成、维持和东西摆动。
4 锋生函数各项特征为分析锋生函数F以及各分项(非绝热加热项F1、垂直运动倾斜项F2、水平辐散项F3和水平变形项F4)的变化关系, 图 7给出26°N锋面位置上锋生函数F以及各项对2008年年初昆明准静止锋生消过程的贡献与作用。
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图 7 2008年1月10日至2月16日26°N锋面位置上（a）锋生函数以及各分项（非绝热加热项F1、垂直运动倾斜项F2、水平辐散项F3和水平变形项F4；850 hPa~700 hPa累加值）平均值逐的6小时变化和（b）锋生函数各分项的平均贡献（单位：10−9 K m−1 s−1） Fig. 7 (a) 6-h frontogenesis function and its individual components (diabatic heating term F1, vertical motion tilt term F2, horizontal convergence and divergence term F3, horizontal deformation term F4; accumulated values over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) at the front position along 26°N and (b) average contributions of individual components during the period from January 10 to February 16 of 2008 |
分析图 7可见, 锋生函数是各分项综合作用的结果。非绝热加热项F1对锋生函数F时段内的平均贡献为6.03%, 锋面生消作用有限; F1的变化主要表现为围绕0值的正负变化, 即对锋生函数F的贡献有正有负。垂直运动倾斜项F2对锋生函数F的贡献也不大, 在统计时段内的平均贡献为-0.88%;虽然F2在时段内的变化也有正有负, 但以锋消作用的情况略多。垂直运动倾斜项F2在变化上也与锋生函数F不同步。在锋生函数F各项中, 水平辐散项F3和水平变形项F4是锋生的主要贡献项, 时段内平均贡献分别为58.62%和36.91%, 因此锋生函数F大致是和水平辐散项F3和水平变形项F4变化同步的。
图 8给出了2008年初昆明准静止锋过程中F1、F2、F3、F4及其锋面位置沿26°N剖面分布。由图 8可以直观地看出F1、F2、F3、F4与锋面进退(锋面位置)的关系。锋生进退主要依赖于水平辐散项F3和水平变形项F4, 而非绝热加热项F1和垂直运动倾斜项F2对锋生贡献较小(甚至起锋消作用)。
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图 8 2008年1月10日至2月16日（a）F1、（b）F2、（c）F3和（d）F4沿26°N的经度—时间剖面（850 hPa~700 hPa累加值，单位：10−9 K m−1 s−1）及锋面位置（实线） Fig. 8 Longitude–time cross sections of (a) F1, (b) F2, (c) F3, (d) F4 (accumulated values over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) along 26°N and the front positions (solid lines) during the period from January 10 to February 16 of 2008 |
非绝热加热项F1所反映的是准静止锋和外界之间的热量交换过程, 如把大气作为整体来考虑, 过程主要包括辐射、感热输送和潜热释放, 显然后两个因素与日变化无直接关系, 辐射因素起主要作用。辐射包括两个方面的作用, 白天太阳辐射使大气和地面增温, 导致暖气团增强、冷气团减弱, 锋面减弱东退; 夜间太阳辐射消失、地面出现逆辐射(地面的长波辐射), 使得暖气团减弱、冷气团增强, 锋面增强西进。F1在锋生函数中的贡献(图 8a)虽然较小, 但它的生消分布与锋面位置对应得非常吻合, 这是否与天气经验中昆明准静止锋有昼退夜进现象(樊平, 1956)有关？为证实这一点, 取103°~104°E区域逐日02:00(北京时, 代表夜间)和14:00(代表白天)F1值做分析。图 9给出了沿26°N剖面2008年1月12日至2月15日02:00与14:00锋生函数中非绝热加热项F1变化。从图 9分析可知, 在准静止锋活动区域内, 夜间(02:00)多数情况下F1＞0(锋生), 白天(14:00)则多数情况下F1＜0(锋消), 这表明大气的非绝热加热是准静止锋日变化的主要成因。当然, 由于非绝热加热项F1在锋生函数中的比重较小, 准静止锋的进退主要依赖于水平辐散项F1和水平变形项F1的变化, 对某一区域而言, 锋面位置的不同影响着大气辐射, 从而改变了非绝热加热项F1的大小, 如图 8中一些时间节点02:00的锋消和14:00的锋生就是这种情况的反映。
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图 9 2008年1月12日至2月15日02:00与14:00 26°N处锋生函数非绝热加热项F1（850~700 hPa、103°~104°E累加值；单位：10−9 K m−1 s−1）的变化 Fig. 9 Diabatic heating term F1 of the frontogenesis function (accumulated value over 850–700 hPa and 103°–104°E along 26°N, units: 10−9 K m−1 s−1) at 0200 BT and 1400 BT during the period from January 12 to February 15 of 2008 |
垂直运动倾斜项F2的分布(图 8b)有三个特点。第一个特点是在锋面附近F2数值较小, 不同的时间节点可表现出锋生或锋消, 具有双重性。依据公式(4), 当上升气流(
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图 10 2008年（a）1月19日、（b）1月25日、（c）1月12日和（d）2月11日沿26°N剖面的纬向垂直环流（103×w, u） Fig. 10 Vertical cross sections of circulation (103×w, u) along 26°N on January 19 (a), January 25 (b), January 12 (c), and February 11 (d) of 2008 |
水平辐散项F3分布与锋面位置是锋生函数四个分项中最吻合的(图 8c), 它对锋生的作用也比较大。从公式(5)和(7)可知, 它是相当位温梯度和散度的乘积, 表示了锋区强度和锋区中辐合辐散状况, 等温线越密集、冷暖气团之间的辐合越强, 则锋生越显著。因此, 水平辐散项F3产生的强锋生带可以直接描述锋面位置和强度。散度包括
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图 11 2008年1月10日至2月16日锋面过程中水平辐散项F3的（a）F3x和（b）F3y分量（850~700 hPa累加值，单位：10−9 K m−1 s−1）沿26°N的经度—时间剖面及锋面位置（实线） Fig. 11 Longitude–time cross sections of components (a) F3x and (b) F3y (accumulated values over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) of F3 along 26°N and the front positions (solid lines) during the period from January 10 to February 16 of 2008 |
由图 11a分析可见, F3x分布特征很好地反映了准南北向的锋面。冷暖气团呈东西对峙时, 锋面附近始终维持
F3y分布(图 11b)与F3x有较大差别。锋面西侧暖气团区域锋生、消现象均较弱, 分布差异不大。东侧冷气团区域出现明显的锋生现象, 它反映出冷气团中南北热力场和动力场的差异。当
从图 8d中可知, 水平变形项F4对锋生的贡献是比较显著的, 下面分析它是如何作用的。水平变形项
图 12给出了切变变形和伸缩变形在锋面过程中的分布。从中可以看出, 切变变形在锋面锋生中起主要作用(图 12a), 由于它没有旋转
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图 12 2008年1月10日至2月16日（a）切变变形和（b）伸缩变形（850~700 hPa累加值，单位：10−9 K m−1 s−1）沿26°N的经度—时间剖面及锋面位置（实线） Fig. 12 Longitude–time cross sections of (a) shear deformation term and (b) expansion deformation term (accumulated values over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) along 26°N and the front positions (solid lines) during the period from January 10 to February 16 of 2008 |
伸缩变形在锋面附近大多数情况下起弱的锋生作用(图 12b), 对于以东西摆动为主的准静止锋,
为了进一步分析伸缩变形项Est对锋生、消的贡献, 图 13给出了沿26°N剖面2008年1月10日至2月16日伸缩变形Estx分量与Esty分量分布。从图 13中清晰看到, 昆明准静止锋变形场沿x方向收缩, 产生锋生; 沿y方向伸展, 产生锋消。
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图 13 2008年1月10日至2月16日伸缩变形Estx分量（a）与Esty分量（b）（850 hPa~700 hPa累加值，单位：10−9 K m−1 s−1）沿26°N的经度—时间剖面及锋面位置（实线） Fig. 13 Longitude–time cross sections of (a) Estx component and (b) Esty component of expansion deformation term (accumulated values over 850–700 hPa, units: 10−9 K m−1 s−1) along 26°N and the front positions (solid lines) during the period from January 10 to February 16 of 2008 |
本文详细讨论了2008年初昆明准静止锋生消过程中锋生函数及各分项的作用与贡献, 结论如下:
(1) 昆明准静止锋生消过程是非绝热加热项、垂直运动倾斜项、水平辐散项和水平变形项综合作用的结果, 其中水平辐散项F3和水平变形项F4是锋面生消变化的主要贡献项。
(2) 非绝热加热项F1虽然对昆明准静止锋生消变化贡献较小, 但是导致昆明准静止锋日变化的原因。锋面维持时, 辐射是引起非绝热加热项F1出现日变化的关键因素, 并且表现为白天锋生(F1＞0), 夜间锋消(F1＜0)。
(3) 垂直运动倾斜项F2在昆明准静止锋锋生变化中的平均贡献也较小, 但次级锋生和锋消与垂直运动倾斜项密切链接, 因此其对锋面的影响不可忽视。在锋后东风西进过程中, 存在局地地形高度下降“背风坡”导致的局地锋生(F2＞0)现象。局地地形产生的次级锋生锋消以“振荡”式西传, 可能是昆明准静止锋的形成、维持和东西摆动的重要机制。
(4) 水平辐散项F3在昆明准静止锋锋面生消中贡献最大, 并且在x方向和y方向锋生机制有差异。在x方向, 锋前锋后的东风西风对吹形成强烈辐合并产生强锋生现象, 强锋生带与锋面位置几乎一致; 在y方向, 锋前锋后没有一致的风向, 对锋生的影响有限。x方向和y方向上锋生机制的差异是昆明准静止锋呈现准南北向的成因。
(5) 水平变形项F4对昆明准静止锋锋面生消也有显著贡献, 其中切变变形作用Esh以锋生为主, 伸缩变形Est在x方向产生锋生, 而在y方向产生锋消。
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