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  高原气象  2018, Vol. 37 Issue (1): 137-147  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00032
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段旭, 段玮, 邢冬, 等. 2018. 冬春季昆明准静止锋与云贵高原地形的关系[J]. 高原气象, 37(1): 137-147. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00032
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Duan Xu, Duan Wei, Xing Dong, et al. 2018. The Relationship between Kunming Quasi-stationary Front and Yunnan-Guizhou Plateau Terrain[J]. Plateau Meteorology, 37(1): 137-147. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00032.
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资助项目

国家自然科学基金项目(41365006,41665004,41205067);云南省科技人才和平台计划项目(2017HB040)

通讯作者

段玮.E-mail:duanwain@hotmail.com

作者简介

段旭(1960-), 男, 云南昆明人, 正研级高工, 主要从事天气和气候研究.E-mail:ynmodx@sina.com

文章历史

收稿日期: 2017-01-23
定稿日期: 2017-05-02
冬春季昆明准静止锋与云贵高原地形的关系
段旭1, 段玮1, 邢冬1, 张亚男2     
1. 云南省气象科学研究所, 云南 昆明 650034;
2. 云南大学, 云南 昆明 650500
摘要: 利用1961-2010年地面气象观测数据、2008年1月10日至2月15日和2013年12月10-20日ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析数据以及DEM地形高度数据,研究了昆明准静止锋(Kunming Quasi-Stationary Front,KQSF)位置、云贵高原地形和锋面附近大气要素三者之间的关系。研究结果表明:(1)云贵高原以乌蒙山脉(103°E)分为东、西两部,云贵高原东部地区昆明准静止锋出现的频次为61.5%,西部地区出现频次为38.5%,大部分冷空气被阻挡在了云贵高原东部地区,仅有少部分较强冷空气能越过乌蒙山脉进入云贵高原西部,高原大地形对冷空气的阻滞作用显著;(2)昆明准静止锋的进退与锋面前后地面温压场关系有较好的相关性,锋后冷气团越强、锋前暖气团越弱,锋面位置越偏西,反之越偏东,其相关的显著性主要体现在云贵高原西部,而在高原东部地区,地形作用降低了锋面位置与温压场的相关性;(3)高原地形阻挡作用使冷空气移动速度缓慢甚至停滞而形成准静止锋,抬升作用使局地近地层形成顺时针的次级环流,导致逆温层的出现,一旦冷空气越过高原,抬升作用减弱,逆温层消失;(4)东西风零线能较好地描述锋面位置和冷气团厚度,体现了KQSF呈准南北向和云贵高原地区的冷空气由东向西路径特征;(5)锋后冷高压的位势高度可表示冷气团的厚度,在云贵高原东部锋面位置取决于冷气团的厚度,当锋面到达云贵高原西部后,地形的阻挡作用显著减弱和消失,锋面位置取决于冷暖气团之间势力的强弱对比。
关键词: 云贵高原大地形    昆明准静止锋    锋面位置    冷气团厚度    阻挡和抬升作用    
1 引言

昆明准静止锋(Kunming Quasi-Stationary Front, KQSF)是北方南下冷空气遇高原大地形阻挡而滞留在云贵高原地区的常见天气系统。昆明准静止锋的存在, 20世纪50年代就有学者(Jong, 1950; 顾震潮, 1951; 樊平, 1956)做过定量的描述。昆明准静止锋与华南准静止锋是冬季影响中国南方天气的重要系统, 中国近1/5的区域受它们的影响(Jong, 1950); 高原的屏障作用使华南和华西经常有准静止锋存在(顾震潮, 1951); 昆明准静止锋通常位于四川宜宾、贵州兴仁和云南广南一带, 呈准南北向, 有白天东退、夜间西进的日变化(樊平, 1956); 准静止锋是高原东部特殊地形的产物, 它是北方寒潮与高原南支西风间的界面(杨鉴初等, 1960; 张精华等, 2016)。叶笃正等(1979)从更宏观的角度认为, 青藏高原的屏障作用使高原东侧形成一个“静水区”, 有利于一些独特的地方性天气系统形成。

因此, 有关对昆明准静止锋的研究均不同程度会涉及到地形问题。段旭等(2002)初步分析了昆明准静止锋结构, 指出受云贵高原阻挡作用, 昆明准静止锋低层的温度场、湿度场和风场等的结构与一般冷锋有明显差异; 杜正静等(2007)在研究滇黔准静止锋在演变过程中的结构及大气环流特征指出, 昆明准静止锋其大气环流特征与高原关系密切, 高原的抬升作用使得云贵高原东侧700 hPa以下纬圈剖面形成一个反气环流, 反环流上升区能较好地解释锋面位置; 杨贵名等(2008)孙建华等(2008)认为, 2008年初中国南方发生的持续低温雨雪冰冻天气一个重要的原因是准静止锋长时间维持, 其西段(即昆明准静止锋)在地形抬升作用下, 冷气团一侧存在过冷云(雾)环境下较均匀冷冻过程, 导致冻雨形成; 杜正静等(2009)对1964—2000年贵州出现的严重冰冻天气过程诊断分析后认为, 南下冷气团遇云贵高原阻挡后被迫抬升、导致低层湿空气上升辐合, 为冰冻天气的形成提供了水汽和动力条件; 林宗桂等(2014)分析2011年6月7日广西出现的一次强对流降水过程时发现, 当弱冷空气入侵广西时, 桂北地区准静止锋锋生, 锋面受西侧高原作用抬升了该地区中尺度暖湿空气, 进而触发了对流运动形成MCS并产生强降水。近年来, 在有关云贵地区干旱、寒潮、降水等天气气候研究中(李登文等, 2011; 周秉根等, 2012; 杨素雨等, 2012; 尤红, 2013a, 2013b; 苗春生, 2014; 廖留峰, 2015; 段旭等, 2009a), 昆明准静止锋与高原地形的关系都是讨论的重要问题之一。另外, 为更直观地描述高原地形对冷空气的阻挡作用, 段旭等(2009b)对2008年1月31日昆明准静止锋的进退进行了地形敏感性试验, 试验表明昆明准静止锋是云贵高原特定地形下在一定的天气系统条件下产生的, 如果降低地形高度而天气系统条件不变的情况下, 冷空气会向西向南推进, 难以在云贵之间形成准静止锋天气系统。

综上所述, 昆明准静止锋与云贵高原地形有着密切的联系。本文将分析准静止锋在云贵高原上的位置以及锋面前后大气要素配置的关系, 讨论它与高原地形的关系, 以期加深对昆明准静止锋活动中地形作用的理解。

2 资料与方法

选用的资料为: (1)1961—2010年100°E—110°E, 20°N—30°N范围内地面气象站逐日观测数据; (2)2008年1月10日至2月15日和2013年12月10—20日14:00(北京时, 下同)ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析数据; (3)地形高度取自国家测绘局提供给中国气象局的“国家基础地理信息数据”中的数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)数据。其中, ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析数据是欧洲中心提供的一套适用于各类气象分析具有高可信度和科研价值的资料。ERA-Interim 0.125°×0.125°由欧洲中心全球模式回算获取的历史高分辨率资料, 其中同化了地面观测、无线电探空、探空气球、飞机、雷达及卫星观测资料, 其中参与同化的卫星资料就有TRMM、NOAA系列卫星、Earth Probe卫星和地球静止轨道环境业务卫星(Geostationary Operational Environmental Satellites, GOES)等27颗卫星。由此可见, ERA-Interim分辨率资料吸收了多种资料源的信息, 其对大气描述的信息量远优于单一的探空站资料。

在前期研究工作中, 根据昆明准静止锋的天气学特性, 综合考虑了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天气系统的水平尺度等要素的基础上, 设计了客观确定昆明准静止锋的方法(段旭等, 2017)。方法为:从昆明准静止锋系两个气团的交界面出发, 首先是热力判识, 具体为锋面是冷暖气团交界面, 等温线密集, 热力(温度)梯度大是锋面位置的指标之一; 其次动力判识, 具体为锋面是东、西风的交界面, 纬向风反向处即锋面; 最后尺度判识, 昆明准静止是天气尺度的系统, 锋面水平尺度应在300 km以上。利用热力、动力和尺度的联合判识方法经过典型天气过程分析和相关气候资料统计的验证, 对有无锋面的识别和锋面位置的确定完全符合主观分析的结果, 并由此计算得到了1961—2010年共50年全部昆明准静止锋样本(包括位置和强度)。经统计, 1961—2010年昆明准静止锋共出现4 647次(日), 其方位和平均位置如图 1所示。

图 1 1961—2010年昆明准静止锋方位分布(a)和平均位置(b) 图 1(a)中水平标注数字为出现的累计频数(单位: d) Figure 1 Total direction frequency distribution (a) and average position (b) of KQSF from 1961 to 2010. In Fig. 1(a), horizontal number denotes the cumulative frequency of occurrence (unit: d)
3 锋面位置与地形高度的关系

由于昆明准静止锋呈NNW-SSE走向(图 1), 因此其纬向位置可以大致判断锋面所在位置。从昆明准静止锋出现频次看[图 2(a)], 103°E—105°E是昆明准静止锋出现频率最高的区域, 该区域海拔在1 500~2 500 m, 最高点2 881 m(103°E), 乌蒙山脉峰区正好位于103°E附近, 是云贵高原的一个台阶。这个台阶以东地区海拔总趋势自东向西升高, 以西地区平均海拔较高, 海拔变化比较复杂, 因此可以把它当做云贵高原东、西部的分界线。统计发现[图 2(b)], 云贵高原东部地区昆明准静止锋出现频次为61.5%, 西部地区昆明准静止锋出现频次为38.5%。由此可知, 只有不到40%的冷空气势力较强, 能克服地形高度推动锋面越过乌蒙山脉向西推进影响云贵高原西部地区, 其余超过60%的冷空气被阻挡在了云贵高原东部地区, 高原大地形迫使冷锋变为准静止锋。

图 2 昆明准静止锋出现频次与地形高度沿26°N的分布及百分比 Figure 2 Frequency distribution of KQSF along 26°N and corresponding terrain

从昆明准静止锋出现频次与地形高度变化看[图 2(a)], 云贵高原东部地区1 500 m以下(850 hPa以下)、1 500~2 000 m(850~800 hPa), 2 000~2 500 m(800~750 hPa), 2 500 m以上(750 hPa以上)昆明准静止锋频次分别为0.7%、12.9%、39.7%和8.2%[图 2(b)], 表明昆明准静止锋形成时, 绝大多数冷气团厚度超过1 500 m, 占总数的99.3%;冷气团厚度超过2 000 m的约为86.4%, 超过2 500 m的只剩46.7%。由此推断当昆明准静止锋过程出现时, 四川盆地至华南一带850 hPa(海拔1 500 m)天气图上基本上能看到闭合冷高压, 约50%的昆明准静止锋过程闭合冷高压能在750 hPa(海拔2 500 m)上反映, 不到40%的能在700 hPa(海拔3 000 m)上反映, 这与实际业务中的经验认知一致。

在不到40%的较强冷空气能越过乌蒙山影响到云贵高原西部地区后, 其势力大为减弱, 又有约一半的冷气团滞留在哀牢山以东的滇中地区, 最后仅有约1/5的冷空气越过哀牢山影响到滇西地区。

4 锋面大气要素与云贵高原大地形的关系 4.1 地面要素

高原大地形对冷空气的阻挡和昆明准静止锋的形成及进退有显著的作用, 但这种作用是相对不变的。除了地形作用外, 昆明准静止锋的进退取决于锋面前后冷暖气团相对强弱势力的对比。选取昆明准静止锋活动最频繁、冷空气势力最强的1月份, 统计1961—2010年贵阳(代表高原东部和锋后)和昆明(代表高原西部和锋前。如果昆明准静止锋较偏西, 也有可能处于锋后)地面观测要素与昆明准静止锋位置(共719个样本), 分析锋面位置与高原地形和地面气象要素之间的关系。

通过地面气温与昆明准静止锋沿26°N位置的散点分布(图 3)可以看出, 锋后气温似乎与昆明准静止锋的位置无关, 显然这是由于高原对冷气团的阻挡所致, 冷气团是否能向西移动取决于其气压的强度而非气温的高低。昆明准静止锋位置与锋后气温呈正相关, 气温越低、锋面位置越偏西, 当昆明准静止锋向西摆动靠近或越过昆明时, 造成昆明气温急剧下降。

图 3 1961—2010年贵阳(a)、昆明(b)地面气温与昆明准静止锋沿26°N位置之间散点分布 Figure 3 Scatter distribution of surface air temperature about Guiyang (a), Kunming (b) and KQSF along 26°N from 1961 to 2010

再来看地面气压与昆明准静止锋位置的关系(图 4)可知, 锋面前后气压均与位置均呈负相关, 但两者的含义是有差异的。锋前冷气团气压越高, 表示其厚度加深、克服高原地形的能力增强, 锋面位置随气压上升向西推进。而锋后的情况比较复杂, 如果是暖气团控制则气压越高越不利于锋面向西推进, 气压与昆明准静止锋位置应呈正相关; 若冷气团较强越过高原向西推, 则原锋前的区域有可能变为锋后, 此时气压升高有利于锋面西推进, 气压与昆明准静止锋位置应呈负相关。两种情况的综合统计结果, 表现为图 4(b)统计的相关性特征, 下面将一步讨论。

图 4 1961—2010年贵阳(a)、昆明(b)地面气压与昆明准静止锋沿26°N位置之间散点分布 Figure 4 Scatter distribution of surface air pressure about Guiyang (a), Kunming (b) and KQSF along 26°N from 1961 to 2010

为深入分析锋面前后地面温、压要素、高原大地形、以及昆明准静止锋位置之间的关系, 除了考虑整个云贵高原外, 把处于高原东部和西部的昆明准静止锋分别统计, 得出不同部区域昆明准静止锋位置与地面气温、气压要素的相关关系(表 1), 分析如下:

表 1 地面气温和气压与昆明准静止锋经度位置(沿26°N)的相关系数 Table 1 Correlation coefficient (R) of longitude position of KQSF (along 26°N) with surface air temperature and surface air pressure

(1) 贵阳气温(T1)变化与昆明准静止锋位置无相关性(R=-0.003)。但高原东、西部有略有差异, 位于高原东部的锋面位置与T1呈弱的正相关(R=0.093, 没有通过0.05的显著性t检验), 表明在一定程度上冷空气越强、锋面位置越偏西。而高原西部的锋面位置与T1几乎没有相关性(R=-0.029), 因为冷气团越过云贵高原东部到达西部后, 上升到了一个新的高度台阶(见图 2), 它的进退不完全依赖于锋后冷气团的强度。

(2) 昆明气温(T2)变化与昆明准静止锋位置关系密切, 呈显著的正相关(R=0.543), 气温越低、锋面位置越偏西, 其相关性主要体现在高原西部(R=0.425), 高原东部不显著(R=0.054)。当昆明准静止锋位于高原西部时, 昆明有可能处于锋前, 也有可能处于锋后, 无论哪种情形(锋前暖气团减弱或锋后冷气团加强), T2越低、锋面越偏西。若昆明准静止锋位于高原东部, 昆明始终处于锋前, T2的变化与锋面位置无相关性, 高原大地形对冷气团的阻挡起了主要作用。

(3) 冷暖气团温差(ΔT)大小与昆明准静止锋位置呈正相关(R=0.449), 其显著性也同样仅反映在高原西部(R=0.445)。当锋面越过高原东部时, 表明冷气团到达了较强的程度, 此时气团温差越大说明暖气团越强、锋面位置自然越偏东。以上涉及到锋面前后地面气温场的结论均反映了高原大地形对昆明准静止锋移动产生的影响显著, 在高原东部与气温变化对锋面移动的作用基本相当。

(4) 贵阳气压(p1)变化与昆明准静止锋位置有显著的相关性(R=-0.474), 无论是高原东部(R=-0.376)、还是西部(R=-0.273), 均呈显著的负相关。表明气压越高(冷气团越厚)、冷气团克服高原阻挡的能力越强、锋面位置就越偏西。比较高原东、西部锋面位置与p1之间相关性可知, 位于高原东部的昆明准静止锋向西推进时更依赖于深厚的冷气团。

(5) 昆明气压(p2)变化与昆明准静止锋位置相关性较好(R=-0.339)。但也仅限于高原西部(R=-0.345), 气压越高、锋面位置越偏西。而在高原东部相关性并不显著(R=-0.081), 表明高原地形对其东部的锋面进退影响超过锋前气压的大小。

(6) 冷暖气团压差(Δp)大小与昆明准静止锋位置呈负相关(R=-0.402), 但相关显著性区域发生在高原东部(R=-0.507)。当昆明准静止锋位于高原东部时, 锋后冷气团相对较弱, 此时Δp越大表明锋前暖气团越强或锋后冷气团越弱, 导致锋面位置偏东。而昆明准静止锋位于高原西部时, 昆明有可能处于锋前、也有可能处于锋后, Δp不完全表示冷暖气团之间的压差, 故与锋面的关系不确定, 其相关性也不显著(R=0.022)。

综上可知, 昆明准静止锋的进退与锋面前后的温度声、气压场有较好的相关性, 但其显著性主要体现在云贵高原西部。而在高原的东部, 地形的阻挡作用降低了锋面位置与温度场和气压场的相关性, 特别是锋前的温度场和锋后的气压场。

4.2 高空要素

2008年初中国南方出现罕见低温冰雪天气, 云贵高原东部1月平均气温为负距平2~4 ℃, 而云贵高原西部则正距平为3~5 ℃(段旭等, 2009a), 东、西部气温相反的异常造成了2008年1月12日至2月15日昆明准静止锋连续35天维持在云贵之间。2013年12月15日乌拉尔山以东的中高纬地区大气环流阻塞形势(500 hPa, 图略)崩溃, 导致冷空气大规模迅速南下, 维持数日的昆明准静止锋变为冷锋向西移动, 云贵高原被锋后强冷高压控制。

这两次大型过程中包含了若干个昆明准静止锋维持、增强西进和减弱东退等天气过程, 在昆明准静止锋活动范围自西向东选3个站的地面气温变化来直观表示锋面进退情况(图 5)。2008年1月12日受强冷空气影响, 云贵高原东部的贵阳站气温骤降, 此后的30多天冷气团处于滞留和维持状态; 而同时期云贵高原西部的昆明站绝大部分时间为暖气团控制, 它们之间的会泽站正好处于锋面摆动频繁的区域。图 5(a)中, 1月15日和31日会泽气温剧降、锋面向西摆动, 但未影响云贵高原西部地区; 2月8日以后昆明出现3次相对明显降温, 表明昆明准静止锋越过云贵高原东部影响到西部地区, 2月15日以后冷气团变性减弱, 昆明准静止锋东退锋消。2013年12月14日以前昆明准静止锋维持在云贵高原东侧, 15日变为冷锋迅速西移, 15日以后云贵高原东西两侧均为冷气团控制[图 5(b)]。

图 5 昆明准静止锋活动区域地面气温变化 Figure 5 Surface air temperature changes in the KQSF active region

图 5中, A、B、C、D分别为处于云贵高原东部的锋生、锋面最强(锋面两侧温差最大)、和越过云贵高原东部进入西部地区的锋面、锋消(静止锋变为冷锋移出高原)等时间节点。下面将比较分析这些时间节点的大气要素垂直分布, 了解昆明准静止锋进退时大气要素和地形与对它的制约。

通过A、B、C、D四个时间节点温度沿26°N垂直剖面分布(图 6)可以看出, 锋生时(A节点), 云贵高原东部108°E—114°E近地层有冷空气堆积[图 6(a)], 冷气团受高原迎风坡抬升使其上空出现明显的逆温层, 锋区位于107.5°E附近。锋面最强时(B节点), 近地层堆积的冷空气很强、锋面处于云贵高原东部最偏西位置[图 6(b)], 由于冷气团仍受高原大地形阻挡, 其上空仍保持明显的逆温层。昆明准静止锋越过云贵高原东部进入西部地区后, 锋后冷空气克服了高原大地形的阻挡, 失去了抬升力后其上空逆温层消失[图 6(c)], 此时锋面逐渐东退(C节点)。还有一种典型的情况是当冷空气较强时(D节点), 锋面可从准静止态变为动态, 即昆明准静止锋变为冷锋扫过云贵高原地区, 上空也无逆温层[图 6(d)]。通过四个时间节点上温度垂直剖面分析(图 6)还可以看出, 高原地形对冷空气有阻挡和抬升作用。高原地形阻挡作用使冷空气移动速度缓慢甚至停滞而形成准静止锋。当冷空气未越过高原时, 在自东向西渐高的地形强迫下气流依势抬升。此时, 依地势西进抬升的冷空气遇到对吹(东进)的暖空气后产生垂直上升气流。在高空强大西风气流压制下, 上升气流偏转折向西进, 即在昆明准静止锋东侧的局地近地层形成顺时针的垂直次级环流, 并导致逆温层的出现。而当冷空气越上高原, 之前自东向西渐高的地形变为平坦高原地台, 地形抬升作用明显减弱并消除, 垂直次级环流圈形成条件不足未能出现, 相应的逆温现象也未能出现, 这与杜正静等(2007)的研究结果是一致的。

图 6 昆明准静止锋生消和进退时间节点温度沿26°N剖面垂直分布(单位: ℃) 阴影为沿26°N的地形 Figure 6 Vertical profile of temperature at key time node of genesis, dissipation, advance and retreat of KQSF activity along 26°N.Unit: ℃.The shaded denotes terrain along 26°N

由A、B、C、D四个时间节点东西风沿26°N垂直剖面分布(图 7)可以看出, 近地面东西风零线西端位置与锋面位置有较好的关联性。与图 6显示的锋面位置相比, 在冷气团不断增强的阶段(节点A和B), 东西风零线西端位置较锋面位置靠暖气团一侧[图 7(a), (b)], 说明动力作用超前于热力作用; 而在冷气团减弱阶段(节点C), 东西风零线西端位置与锋面位置几乎一致[图 7(c)]; 当准静止锋变为冷锋后(节点D), 整个云贵高原为东风引导的冷气团控制, 东西风零线西端向西移出了云贵高原[图 7(d)]。

图 7 昆明准静止锋生消和进退时间节点东西风速沿26°N剖面垂直分布(单位: m·s-1) 阴影为沿26°N的地形 Figure 7 Vertical profile of zonal wind speed at key time node of genesis, dissipation, advance and retreat of KQSF activity along 26°N.Unit: m·s-1.The shaded denotes terrain along 26°N

图 7中还可以看出, 东西风零线西端不仅能较好体现锋面位置, 其垂直上端还能表示冷气团的厚度。随着冷气团厚度的加大(东西风零线抬升), 锋面位置偏西[图 7(a)~(c)]; 当冷气团厚度达到一定程度(东西风零线高度高于地形高度)时, 静止锋失去地形阻挡变为冷锋快速向西移动越过云贵高原[图 7(d)]。

云南预报员在讨论冷空气强度时往往指的是冷气团的厚度, 因为冷气团的厚度决定锋面所能到达的位置。除了东西风零线对冷气团厚度具有较好的指示性外, 低层等压面上冷高压的强度也能较好地表示冷气团的厚度。图 8给出了A、B、C、D四个时间节点低层等压面上位势高度沿26°N剖面垂直分布, 锋生时(A节点), 云贵高原东部低层各等压面上位势高度均比较低[图 8(a)], 850 hPa上出现的等高线均低于1 480 gpm, 且位置偏东, 表明冷气团势力较弱, 位置偏东。锋面最强时(B节点), 云贵高原东部低层各等压面上位势高度仍然比较低[图 8(b)], 850 hPa上出现的等高线仅略高于1 480 gpm, 表明虽然近地层堆积的冷空气较强[见图 6(b)], 但由于冷气团的厚度有限, 仍无法克服高原的阻挡而滞留在云贵高原东部。昆明准静止锋越过云贵高原东部进入西部地区时(C节点), 云贵高原东部低层各等压面上位势高度均明显升高[图 8(c)], 850 hPa和800 hPa等压面上高原东部的位势高度高于高原西部, 但750 hPa和700 hPa等压面上仍呈西高东低形势, 表明冷气团的厚度到达了能克服高原阻挡的程度, 但冷暖气团势力相当, 准静止锋维持。当冷空气较强时(D节点), 云贵高原低层各等压面上位势高度均呈东高西低[图 8(d)], 冷气团的厚度可达到700 hPa以上, 平均海拔2 000 m的云贵高原无法阻挡冷空气向西移动。

图 8 昆明准静止锋生消和进退时间节点低层等压面上位势高度沿26°N剖面垂直分布 虚线为云贵高原东、西部分界线 Figure 8 Vertical profile of low layer potential height at key time node of genesis, dissipation, advance and retreat of KQSF activity along 26°N.The dotted line is the dividing line of the eastern and the western Yunnan-Guizhou Plateau
5 结论与讨论

利用1960—2010年共50年的昆明准静止锋客观识别锋面资料、ERA-Interim再分析资料和数字地形高程DEM资料研究了昆明准静止锋位置、云贵高原地形和锋面附近大气要素三者之间的关系, 得到如下结论:

(1) 云贵高原东部地区(103°E以东)昆明准静止锋出现的频次为61.5%, 西部地区(103°E以西)出现的频次为38.5%。即大部分冷空气被阻挡在了云贵高原东部地区, 少部分较强冷空气能越过乌蒙山脉进入云贵高原西部, 高原大地形对冷空气的阻滞作用显著。

(2) 高原大地形的作用显著, 其作用相对固定不变。除了地形作用外, 昆明准静止锋的进退还取决于锋面前后冷暖气团相对强弱势力的对比。通过冷空气活动最频繁、势力最强的1月份样本分析显示:第一, 昆明准静止锋的进退与锋面前后地面温、压场关系有较好的相关性, 锋后冷气团越强、锋前暖气团越弱, 锋面位置越偏西, 反之越偏东; 第二, 其相关的显著性主要体现在云贵高原西部, 而在高原东部地区, 地形作用降低了锋面位置与温度场和气压场的相关性。

(3) 对锋面生消和进退时间节点上的温度、东西风和位势高度等要素的昆明准静止锋典型个例垂直剖面分布特征研究显示:高原地形阻挡作用使冷空气移动速度缓慢甚至停滞而形成准静止锋, 抬升作用使局地近地层形成顺时针的次级环流, 导致逆温层的出现, 一旦冷空气越过高原, 抬升作用减弱, 逆温层消失; 东西风零线能较好地描述锋面位置和冷气团厚度, 体现了昆明准静止锋呈准南北向和云贵高原地区由东向西的冷空气路径特征; 锋后等压面上闭合冷高压的位势高度可以表征冷气团的厚度, 在云贵高原东部锋面位置取决于冷气团的厚度; 当锋面到达云贵高原西部后, 地形的阻挡作用显著减弱和消失, 锋面位置取决于冷暖气团强弱对比。

冷气团厚度的判定, 对高原地形阻挡作用的深入讨论有重要意义, 对锋面位置的预报也非常关键。本文从温度、东西风和位势高度等要素讨论了这个问题, 得出了一些结论, 同时也发现了一些不确定的东西, 有待今后进一步研究的问题: (1)位于云贵高原东部的冷气团受地形抬升作用的影响, 常出现逆温层, 逆温层的顶部可作为冷气团厚度的上界, 但如果逆温层不明显或无逆温层时, 冷气团厚度的识别就比较困难了; (2)冬春季云贵高原上空为西风带控制, 近地层冷气团向西移动, 高低空东西风零线正好反映了冷气团厚度, 夏季西风带北撤后, 高空风并非完全是西风, 高低空东西风零线不能完全表示冷气团厚度; (3)等压面上位势高度能较好反映冷空气的强度, 但由于气压是连续性变量, 冷气团厚度难以精确判定。

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The Relationship between Kunming Quasi-stationary Front and Yunnan-Guizhou Plateau Terrain
DUAN Xu1 , DUAN Wei1 , XING Dong1 , ZHANG Yanan2     
1. Yunnan Institute of Meteorology Sciences, Kunming 650034, Yunnan, China;
2. Yunnan University, Kunming 650021, Yunnan, China
Abstract: Using ground meteorological observation data from 1961 to 2010, ERA-Interim reanalysis data from January 10 to February 15, 2008 and December 10 to 20, 2013 and terrain elevation data of digital elevation model(DEM), the relationships of Yunnan-Guizhou Plateau topography, position of Kunming quasi-stationary front(KQSF) and meteorological elements near the front were analyzed. The main results are as follows:(1) The Yunnan-Guizhou Plateau is divided into the eastern and the western in Wumeng Mountains (103°E). The KQSF present frequency is 61.5% in the eastern area of Yunnan-Guizhou Plateau, the frequency of the western region is 38.5%. Most of the activity of cold air is blocked in the eastern area of Yunnan-Guizhou Plateau. Only a small part of the strong cold air activity can across Wumeng Mountains, and get into the western area of Yunnan-Guizhou Plateau. The effect of plateau topography on cold air activity is significant. (2) There is a good correlation between the advance (retreat) of KQSF and the temperature and pressure field before (after) the frontline. The stronger the cold air mass after KQSF, the weaker the warm air mass before KQSF, the KQSF position is more westerly. On the contrary, the KQSF position is more easterly. The significant correlation is mainly reflected in the western area of Yunnan-Guizhou Plateau. The effect of terrain reduced the correlation in the western area of Yunnan-Guizhou Plateau. (3) Blocking effect of plateau topography makes cold air activities moving slowly, or even stagnation and leads to the formation of quasi stationary front. Uplift effect of plateau topography results in the formation of clockwise secondary circulation in local low layer, leading to the emergence of the inversion layer. Once the lifting effect is weakened when the cold air passes over the plateau, the inversion layer will disappear. (4) The zero line of zonal wind can describe the front position and the cold air mass thickness, which illustrates that the distribution of KQFS is quasi-North-South. And characteristics of cold air path is from east to west. (5)The potential height after front can indicate the thickness of the air mass. In the eastern part of the Yunnan-Guizhou Plateau, the frontline position depends on the thickness of the cold air mass. In the eastern part, the frontline position depends on contrasted dynamics between the cold and warm air mass.
Key Words: Yunnan-Guizhou Plateau    Kunming quasi-stationary front    the frontline position    air mass thickness    blocking and uplifting effect