昆明准静止锋是青藏高原大地形和冷暖气团交绥的产物, 它对云南、贵州和四川南部地区冬半年的天气有着极大的影响, 云贵冬半年灾害性天气的发生、发展与昆明准静止锋的西进、东退及维持有着密切的关系。过去已有对昆明准静止锋的结构和移动成因的研究, 如段旭等(2002)对10次典型个例进行合成并对其温、湿特征、运动学结构以及水汽收支进行了详细分析; 杜正静等(2007)根据实际预报经验将准静止锋按其所处的位置分为四种类型, 分析了不同类型静止锋演变过程中的温湿特征、不稳定层和大气环流特征; 张腾飞等(2006)对一次低纬高原地区大到暴雪天气过程进行诊断分析, 表明新疆横槽转竖后东移, 从北方来的冷空气不断向南扩散, 在川滇黔间堆积加强, 使得锋面加强西移影响到云南中部; 杨贵名等(2008)指出, 在阻塞形势下, 中高纬冷空气沿河西走廊频繁东南下影响中国, 当冷空气越过长江进一步南下时, 在西南、偏南和东南方向分别受到云贵高原、南岭和武夷山的阻挡作用, 冷空气大量在山脉北侧堆积, 锋区易长时间维持; 尤红等(2013)总结了19802011年云南15次低温雨雪强倒春寒天气过程后表明, 当能量锋水平梯度大、能量积聚多、锋面坡度大时, 静止锋的西推速度将减慢; 张精华等(2016)的研究指出, 不同的天气系统对静止锋位置变化的影响并不完全一致, 而静止锋的活动范围与西太平洋副热带高压西伸脊点的相关最好。此外, 锋生函数在锋面结构和锋面运动特征的研究中也有广泛应用, 杜小玲等(2010)对两次昆明准静止锋锋区结构进行了对比, 发现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; 李兆慧等(2011)从锋生的角度研究了锋生函数各项对锋生、锋消的贡献, 认为水平变形项和水平辐散项在不同时段对锋生的贡献不同, 而变形项对锋消的贡献大于水平辐散项; 杜正静等(2015)表示水平变形项范围越大则降雨强度越强, 垂直运动倾斜项的移动与锋面附近生成的强对流云团的移动方向一致。

由此可见, 过去对昆明准静止锋结构的研究一般考虑锋面位置, 对锋面进退及维持时的锋面结构尚不清楚; 而对锋面运动特征及成因的研究大多以个例为主, 所得结论的普适性也有待进一步考证。基于以上考虑, 并结合昆明准静止锋主要出现在冬季这一特点(许美玲, 2011), 本文将利用合成分析方法, 探讨冬季1月昆明准静止锋在西进、东退及维持时的环流特征、锋面结构及锋生函数各项的特征与作用, 并初步揭示锋面移动的成因。

所选用的资料包括: (1)20012015年地面气象站常规地面观测资料; (2)ECMWF提供的ERA-Interim 0.125°×0.125°逐6 h再分析数据(时间为每个样本日期及其前、后1天); (3)USGS开发的全球DEM地形数据(间隔30 s), 并经过41点滑动平均处理, 文中所用时间均为北京时。

昆明准静止锋样本的合成有诸多问题需要考虑, 主要有两点: (1)锋面形状不规则, 定义锋面的平面上至少需要2个及以上的坐标点, 合成时没有中心点, 合成区域难以选取; (2)即使能选定合成区域, 不同样本选取的区域不同, 地形亦不同, 合成后无法考虑地形特征及作用, 准静止锋失去了生成的必要条件, 合成结果没有意义。因此, 准静止锋样本合成必须满足两条:一是合成样本锋面形状和活动区域相似; 二是取固定的区域, 保持地形不变。

基于上述考虑, 设计准静止锋样本的合成方法如下: (1)考虑气候背景场相似且冬季昆明准静止锋在1月份出现的频次最高, 合成样本从20012015年1月份中选取。为保证锋面过程的完整性, 1月前后可延10天, 即锋面过程从12月21日至次年2月10日中选取; (2)根据准静止锋向西移动时地形迎风坡高点以103°E为界, 可把云贵高原分为东部和西部, 会泽站处于云贵高原东部最西端, 并且会泽站正好在锋面的平均位置上(段旭等, 2018), 因此锋面样本以会泽站为中心点选取; (3)在昆明准静止锋的活动范围内自东至西选取贵阳、兴仁、会泽、昆明和楚雄5个站点。①当会泽受到锋面影响而昆明未受影响时, 第2天以后昆明、楚雄先后受到锋面影响(出现明显降温), 选定为西进型锋面样本; ②当会泽受到锋面影响而昆明未受影响时, 第2天以后会泽、兴仁显著升温, 选定为东退型锋面样本; ③当会泽连续5天受到锋面影响而昆明未受影响时, 选定为维持型锋面样本。(4)西进型和东退型锋面样本以会泽受到锋面影响而昆明未受影响的时刻(02:00或08:00或14:00或20:00)确定; 维持型锋面样本取维持中间一天(14:00)。

锋生函数的计算参考标量锋生函数(朱乾根, 2007)并用相当位温(θ_e)代替位温(θ), 公式如下:

式中: F1, F2, F3和F4分别为非绝热加热项、垂直运动倾斜项、水平辐散项和水平变形项, 分别为

在式(4)和(5)中, $D = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \nu }}{{\partial y}}$, 为水平散度; ${E_{{\text{st}}}} = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} - \frac{{\partial \nu }}{{\partial y}}$, 为伸缩形变; ${E_{{\text{sh}}}} = \frac{{\partial \nu }}{{\partial x}} + \frac{{\partial u}}{{\partial y}}$, 为切变变形; u为纬向风; v为经向风; ω为p坐标系下的垂直速度。式(5)又可以分解成两部分

式中: F_Est和F_Esh分别为伸缩变形项和切变变形项, 其中

当F>0时, 表示锋生作用, 反之表示锋消作用。

通过合成的500 hPa环流形势和海平面气压场(图 1)可以看出, 在西进型锋面环流中, 东亚大槽和乌拉尔山高压脊均比较显著, 是典型的寒潮环流形势[图 1(a)], 这种形势有利于冷空气南下并加强昆明准静止锋。对于东退型锋面, 环流在中高纬地区以纬向为主[图 1(c)], 不利于引导冷空气南下, 昆明准静止锋无冷空气补充易减弱东退。维持型锋面环流中, 乌拉尔山高压脊比较强, 但东亚大槽较弱, 冷空气主体势力偏北偏东[图 1(e)], 冷空气虽有南下但偏弱, 对静止锋维持有一定作用。

图 1(Figure 1)

图 1 昆明准静止锋各类型样本20:00 500 hPa合成环流场中位势高度(黑色等值线, 单位: dagpm)及温度(红色等值线, 单位: ℃)(左)和合成海平面气压场(右, 单位: hPa)分布 Figure 1 Distribution of 500 hPa circulation about geopotential height field (black contour, unit: dagpm), temperature field (red contour, unit: ℃) (left) and the field of composite sea-level pressure (right, unit: hPa) of Kunming quasi-stationary front at 20:00

从海平面气压合成场来看, 云贵高原地区等压线数值和锋区强度相差无几, 但北部冷高压的势力有所差异。西进型锋面海平面气压场上, 35°N以北地区等压线在1 032 hPa以上, 40°N附近高达1 038 hPa[图 1(b)], 表明后部冷高压强劲; 而东退型锋面海平面气压场上, 准静止锋锋后气压最大值仅为1 029 hPa[图 1(d)], 北部高纬度地区无更强冷高压, 冷空气补充中断; 维持型锋面海平面气压场上, 35°N以北地区仍有1 032 hPa等压线, 40°N附近高达1 035 hPa[图 1(f)], 说明锋面后部保持有一定强度的冷高压, 使得准静止锋维持。另外, 冷空气在绕过青藏高原东部并由北向南推进至我国中东部后, 受中低纬副热带系统的影响将出现向西移动的分支, 这支冷空气本身在南下过程中已逐步变性减弱(厚度在2 000 m左右), 西移过程中又受云贵高原阻挡, 冷气团通常难以翻越而停滞堆积(图 3), 而由于西南地区地势呈纵向分布, 因此等压线在云贵地区呈准南北向[图 1(b), (d), (f)]。

图 3(Figure 3)

图 3 锋区附近垂直环流(102×w+u)合成场沿26°N垂直剖面分布(单位: m·s-1) 黑色阴影为地形, 灰色三角为地面锋线位置 Figure 3 The vertical cross section of composite vertical circulation (102×w+u) along 26°N near the front.Unit: m·s-1 The black shaded denotes topography, gray triangle denotes the front's location

由于昆明准静止锋的准南北向特征, 因此取纬向剖面来研究锋面结构。从温度和纬向风(u风)合成场沿26°N的垂直分布(图 2)来看, 由于选择样本时都以会泽站受锋面影响情况为参照, 因此图中的地面锋线位置十分接近[地面锋线位置的客观判别参考段旭等(2017a)给出的方法], 锋区都在103.5°E105.5°E附近, 但锋区结构及强度有所区别。西进型锋面合成场[图 2(a)], 等温线密集区在锋区内与近地面接近垂直, 锋面前后温差大致为8 ℃, 等温线在105°E115°E之间呈漏斗型, 表明高空冷平流有可能直接锲入被抬升后的冷气团(段旭, 2002), 使得锋后冷气团增强。而东退型锋面合成场[图 2(c)], 锋区内的等温线密集程度明显减弱, 与近地面接近垂直的特征不明显, “V”型漏斗区不存在, 锋后逆温层较厚, 无冷空气补充; 锋面前后温差变化不大, 但锋后的0 ℃线明显东退, 说明冷空气减弱。维持型锋面合成场[图 2(e)], 锋区强度达到最大(温差超过12 ℃), 锋后仍存在逆温层, 但近地层有冷空气侵入, 锋后冷中心强度增至-4 ℃, 与锋前增强的暖气团相互对峙, 锋面维持。

图 2(Figure 2)

图 2 昆明准静止锋温度合成场(左, 单位: ℃)和u风合成场(右, 单位: m·s-1)沿26°N垂直剖面分布 黑色阴影为地形, 灰色三角为地面锋线位置 Figure 2 The vertical cross section of composite temperature field (left, unit: ℃) and composite u wind field (right, unit: m·s-1) along 26°N of Kunming quasi-stationary front.The black shaded denotes topography, gray triangle denotes the front's location

除温度场外, 锋面附近风场要素变化最为剧烈, 基本上都能形成冷气团一侧的偏东风和暖气团一侧的偏西风的风向切变(段旭等, 2017a)。东西风风速零线(切变线)均在锋区内[图 2(b), (d), (f)], 但风速零线的位置并不完全相同, 说明在锋面演变过程中, 风场与温度场的变化在时间上不完全同步。西进型锋面合成场[图 2(b)], 锋后近地面风速高达-4 m·s^-1, 东西风零线位置超过800 hPa, 说明锋后冷气团有一定的厚度; 而风速零线西端在锋区暖气团一侧, 说明锋面西进时动力场变化先与热力场。东退型锋面合成场[图 2(d)], 东西风零线高度相对较低, 风速零线西端则在锋区冷气团一侧, 与西进型锋面情况刚好相反。维持型锋面合成场[图 2(f)], 东西风零线高度在850 hPa左右, 东风强度比西进型弱但比东退型强, 风速零线的位置与温度场确定的锋面位置基本相同, 表明此时动力场与热力场基本重合。

对于高原大地形引起的次级环流结构, 昆明准静止锋锋后下沉的冷气团在向西移动的过程中将受地形抬升, 被抬升的东风气流和锋前的偏西气流相互作用, 在锋区附近形成了正的次级环流(图 3)。当锋后东风较强时, 地形的抬升作用使得锋区附近存在较强上升气流(上升速度达0.07 m·s^-1, 图略), 锋后的次级环流相对深厚[图 3(a)]; 当东风势力较弱时, 锋区附近气流的上升速度减弱为0.01 m·s^-1, 次环流也最弱[图 3(b)]; 当东西风势力相当时, 锋区附近气流的上升速度达0.04 m·s^-1, 此时锋后次级环流的强度介于西进锋面和东退锋面之间[图 3(c)]。此外, 在108°E113°E、900~800 hPa区域出现位置几乎不变、尺度更小的正次环流, 说明在锋后东风气流控制下, 高原局地地形对东风气流下沉和抬升作用显著, 导致局地次级环流产生。

从相对湿度合成场沿26°N的垂直分布(图 4)来看, 相对湿度在锋区附近存在明显的梯度, 且与近地面接近于垂直, 锋后为相对湿度大于80%的湿区, 尽管本文在挑选个例时并没有排除有南支槽影响的情况, 但从上文的环流形势来看, 西南暖湿气流的输送并不强, 因此锋面前后除了有很强的温度对比外, 还存在明显的湿度梯度。其中, 西进型锋面锋后相对湿度大值区向上发展, 湿层较厚[图 4(a)], 其次是维持型锋面[图 4(c)], 而东退型锋面锋后高湿区最少[图 4(b)]。这样的分布特征一方面说明冷气团在向南向西的移动过程将显著变性, 气团由干冷变得湿冷, 另一方面表明锋后湿度场的强弱也对应冷气团的输送情况。另外, 当锋前有明显西南气流影响时, 锋面前后均为高湿区[图 4(d)], 锋面附近的湿度梯度消失。

图 4(Figure 4)

图 4 锋区相对湿度合成场沿26°N垂直剖面分布(单位: %) 黑色阴影为地形, 灰色三角为地面锋线位置 Figure 4 The vertical cross section of composite relative humidity along 26°N at front area.Unit: % The black shaded denotes topography, gray triangle denotes the front's location

锋面西进、东退及维持时, 锋区内的锋生现象在水平方向和垂直方向存在区别。对于西进型锋面合成场, 850 hPa上相当位温θ_e密集区位于滇黔交界处[图 5(a)], 而强锋生区与锋区的位置基本对应但偏锋区暖区一侧; 700 hPa上, 由于地形对冷气团的阻挡作用减弱, 锋区整体转为准东西向[图 5(b)], 但在海拔较高的四川中部一带, 锋区仍呈准南北向且锋区内有明显的锋生现象, 一方面说明冷空气由北向南推进, 锋面在近地面受地形影响转为准南北向, 一方面说明锋面增强西移时, 冷气团厚度将明显增加。东退型锋面合成场, 850 hPa上锋区强度较锋面西进时差别不大[图 5(c)], 但锋生强度明显减弱; 而700 hPa上已经观察不到锋区和强锋生区了[图 5(d)], 可见锋面东退时锋生强度和锋生区向上的厚度减少。维持型锋面合成场, 850 hPa上锋区内的锋生强度达到最大[图 5(e)], 强锋生区域与锋区完全重合, 但700 hPa上的锋生现象不明显[图 5(f)], 说明锋生区没有向上发展。

图 5(Figure 5)

图 5 总锋生函数F(彩色区, 单位: ×10-9 K·m-1·s-1)和相当位温θe(等值线, 单位: K)合成场 Figure 5 The composite field of frontogenesis function (color area, unit: ×10-9 K·m-1·s-1) and equivalent potential temperature (contour, unit: K)

图 6能更直观地反映锋区和锋生区的垂直分布, 对于西进型锋面[图 6(a)], 强锋生区与锋区并不重合而是偏锋面左侧, 并且锋生现象向上接近700 hPa, 说明锋面西进时锋生现象向西向上发展; 而东退型锋面中[图 6(b)], 尽管锋区位置和强度变化不大, 但锋区内的F正值区域和中心强度明显减小, 强锋生区略微偏锋区右侧, 向上只到达800 hPa左右; 对于维持型锋面[图 6(c)], 在冷暖气团强烈对峙下锋区强度达到最大, 锋区内锋生现象明显, 且强锋生区与锋区位置基本重合, 但向上的厚度不及锋面西进时。此外, 从相当位温θ_e的垂直分布来看, 等θ_e线在锋区内与近地面几乎垂直, 即$\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}} = 0$, 而θ_e在锋后900~700 hPa存在明显的梯度, 且$\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}} > 0$, 即锋后大气层结稳定。为定量地比较三种不同类型锋面大气层结的稳定特征, 并考虑锋面系统的浅薄性, 计算Δθ_e850⁷⁰⁰(θ_e700-θ_e850)可发现, 锋面位于大气稳定与不稳定的交界区(图略), 三种类型锋面的稳定中心均位于贵州西部, 但维持型锋面的稳定性最大, 中心值达25 K, 而西进及东退型锋面稳定中心为21 K; 锋前大气不稳定, 不稳定中心均在缅甸中东部, 而维持型锋面的不稳定中心的绝对值最大。

图 6(Figure 6)

图 6 总锋生函数F(彩色区, 单位: ×10-9 K·m-1·s-1)和相当位温θe合成场(等值线, 单位: K)沿26°N垂直剖面分布 黑色阴影为地形, 灰色三角为地面锋线位置 Figure 6 The vertical cross section of the composite frontogenesis function (color area, unit: ×10-9 K·m-1·s-1) and equivalent potential temperature (contour, unit: K) along 26°N.The black shaded denotes topography, gray triangle denotes the front's location

为深入讨论锋生函数各项(F1, 非绝热加热项; F2, 垂直运动倾斜项; F3, 水平辐散项; F4:水平变形项)在各类型锋面合成场的变化特征及作用, 除了合成零时刻场(表 1中样本发生时间)外, 还合成了以下两个时刻(6 h和12 h)的锋生函数诊断场(图 7)。另外, 段旭等(2017b)对锋生函数各项的物理含义已做了详细解释, 本文不再赘述, 只分析其诊断结果。从图 7中可见, F1对各类型锋面的生消作用较小, 以下不再讨论; F2在西进型锋面中以锋消作用为主, 对锋面东退和维持的锋生、消作用不明显; F3和F4是锋生的主要贡献项, 其中F3的锋生作用更明显, 在锋面西进型和维持型F3和F4的锋生作用明显大于东退型。

表 1(Table 1)

表 1 昆明准静止锋各类型样本发生时间 Table 1 Time of sample occurrence of Kunming quasi-stationary front 西进型 东退型 维持型 2003-01-04T20:00 2004-01-27T20:00 2002-01-27T14:00 2004-01-20T20:00 2005-01-20T02:00 2005-01-08T14:00 2004-01-22T20:00 2006-01-09T14:00 2007-01-17T14:00 2005-01-11T20:00 2007-01-23T14:00 2008-01-27T14:00 2009-01-08T02:00 2008-01-17T14:00 2011-01-27T14:00 2011-01-11T02:00 2011-01-08T02:00 2012-01-24T14:00 2013-01-08T20:00 2011-02-01T14:00 2013-01-06T14:00 2014-01-11T08:00 2012-01-11T20:00 -

表 1 昆明准静止锋各类型样本发生时间 Table 1 Time of sample occurrence of Kunming quasi-stationary front

图 7(Figure 7)

图 7 0 h、6 h和12 h锋生函数各项合成场(850~700 hPa累加值)沿26°N剖面、锋面±0.5°区域平均值分布 Figure 7 The composite of frontogenesis function (sum of 850~700 hPa) by four components at 0, 6 and 12 hours along 26°N, regional average of front ±0.5°

垂直运动倾斜项F2与垂直运动的水平分布密切相关, 西进型锋面0 h合成场[图 8(a)], 强盛的东风气流在迎风坡受地形作用抬升, 锋前103°E附近出现上升运动最大区, 锋后为下沉气流, 锋区附近的垂直运动在x方向减小$\left({\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}} < 0} \right), F2 < 0$, 导致锋消现象; 6 h和12 h合成场[图 8(b), (c)], 锋区附近的次级环流随锋面西进西移, 104°E105°E区域内的气流上升运动减弱(各样本锋面移动情况不同, 风向差异较大, 不进行风矢量合成), 此时$\left| {\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}}} \right|$减小, 对应F2的锋消现象减弱, 说明锋面移上云贵高原西部后, 地形对锋面的抬升作用减小。东退型锋面0 h合成场[图 8(d)], 锋后的东风输送明显减弱, 向东传输的西风随着地形下沉, 与地形抬升的东风气流相互作用$\left({\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}} > 0} \right)$, 在锋区内产生锋生现象, 而由于下沉和上升气流的强度较小, F2产生锋生强度明显弱于锋面西进时的锋消强度, 6 h、12 h合成场, 以及锋面维持型0 h、6 h、12 h合成场中F2在锋区内的分布与图 8(d)类似(图略)。此外, F2在106°E115°E之间出现锋生、锋消交替现象, 并且锋生(消)位置基本相同, 这种次锋生区由地形作用和持续冷空气补充下的局地环流造成(段旭等, 2017b), 当锋后冷空气输送减弱, 冷气团与局地地形相互作用减弱将使得锋生现象减小, 如图 8(d)中108°E附近的锋生区。

图 8(Figure 8)

图 8 垂直运动倾斜项F2(彩色区, 单位: ×10-9 K·m-1·s-1)和纬向垂直环流($\vec u + {10^{ - 2}} \times \vec w$)(矢量, 单位: m·s-1)合成场沿26°N垂直剖面分布 黑色阴影为地形, 灰色三角为地面锋线位置 Figure 8 The vertical cross section of composite vertical motion tilting term (color area, unit: ×10-9 K·m-1·s-1) and zonal vertical circulation ($\vec u + {10^{ - 2}} \times \vec w$) (wind vector, unit: m·s-1) along 26°N.The black shaded denotes topography, gray triangle denotes the front's location

由上述分析可见, 锋面西进时东风气流较强, 由于地形对东风气流的抬升作用将导致在迎风坡出现强烈的锋消现象, 此时F2对锋面西进起锋消作用, 由于F3和F4起主要的锋生作用[图 7(a)], 因此总锋生函数为正, 而尽管F2的贡献不如F3和F4, 但F2仅在锋面西进时出现量级较大的锋消现象, 因此此项对锋面西进的指示作用不可忽视; 锋面东退时, F2产生的锋消现象明显减弱甚至出现弱的锋生现象, 而由于冷空气输送减弱, 将导致与锋面相邻的次锋生区减弱; 锋面维持时, F2在迎风坡的分布与锋面锋面东退时类似, 但由于锋后有冷空气补充, 使得锋面相邻的次锋生区分布与锋面西进时类似。

水平辐散项F3仅与相当位温梯度和水平散度有关, 由于锋区附近通常存在偏东风与偏西风的水平辐合$\left({\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}} < 0} \right)$, F3>0, 因此此项在锋面附近总起增强锋生的作用, 对锋面的生消和移动都起主要作用。西进型锋面合成场[图 9(a)], 锋区内的水平辐合作用很强, 风的辐合将带动冷暖气团相互作用从而使得等温线变得密集产生锋生现象; 此外, 由上文分析可知, 锋面西进时动力场的变化超前于热力场, 因此水平辐合中心和F3的大值中心偏向锋面左侧; 6 h和12 h合成场, F3的强锋生区仍偏向锋面左侧, 但不及0 h合成场明显(图略)。东退型锋面合成场[图 9(b)], 锋区内的辐合作用减小, 并且水平风仅在近地面锋区出现辐合, 锋区中高层为弱辐散区$\left({\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}} > 0} \right)$, 风的辐散作用将使原本密集的等温线变得稀疏, 不利于锋生, 对应F3的锋生作用明显减弱; 6 h和12 h合成场F3的特征与0 h合成场类似(图略)。维持型锋面合成场[图 9(c)], 锋区内也存在明显的辐合作用, 且F3产生的锋生区与锋区基本重合; 6 h和12 h合成场F3的特征与0 h合成场类似(图略)。可见, 由于风场的变化超前于热力场, F3产生的锋生现象将偏向于锋面移动的方向, 对锋面的移动具有指示作用, 对比图 6可知, 总锋生函数的强锋生区先于锋区移动的现象由F3产生。

图 9(Figure 9)

图 9 水平辐散项F3(彩色区, 单位: ×10-9 K·m-1·s-1)和水平散度(等值线, 单位: ×10-5m·s-1)合成场沿26°N垂直剖面分布 黑色阴影为地形, 灰色三角为地面锋线位置 Figure 9 The vertical cross section of composite horizontal divergence term (color area, unit: ×10-9 K·m-1·s-1) and horizontal divergence (contour, unit: ×10-5m·s-1) along 26°N.The black shaded denotes topography, gray triangle denotes the front's location

水平变形项F4由伸缩变形和切变变形共同影响, 其中, 由于锋面附近气流通常流向形变中心(段旭, 2017b), $\frac{{\partial v}}{{\partial x}}$和$\frac{{\partial u}}{{\partial y}}$均小于零, 导致E_sh < 0, 因此切变变形项F_Esh对锋区起锋生作用, 结合图 10中的锋面位置来看, F_Esh产生的强锋生区与锋区正好吻合, 而伸缩变形项F_Est主要在锋后起作用, 说明F4中切变变形更为重要。对于西进型锋面, 0 h合成场中F4在锋区产生锋生现象[图 10(a)], F_Esh和F_Est产生的锋生强度相当; 随着锋面西移, 6 h合成场中F_Esh的值迅速增加, 而F_Est产生的锋生作用远小于F_Esh(图略); 而12 h合成场中, 锋面已西移至云贵高原西部, 此时F_Esh对锋区无作用[图 10(b)]。对于东退型锋面, 0 h、6 h、12 h合成场中F4产生的锋生现象均变得不明显[图 10(c)]。对于维持型锋面, 0 h、6 h、12 h合成场中, 锋面维持在云贵高原东部, F_Esh对锋区起主要的锋生作用[图 10(d)], F_Est在锋后出现强锋生区; 对比图 10(a)、(b)中F_Est的分布特征可知, F_Est仅在104°E以东的区域有较强的锋生现象, 这显然与冷气团遇迎风坡有关; 当锋面西移迎风坡消失后, F_Esh对锋区生的锋生(消)作用极小。

图 10(Figure 10)

图 10 水平变形项F4(彩色区)、伸缩变形项FEst(黑色等值线)、切变变形项FEsh(绿色等值线)合成场沿26°N垂直剖面分布(单位: ×10-9 K·m-1·s-1) 黑色阴影为地形, 灰色三角为地面锋线位置 Figure 10 The vertical cross section of composite horizontal deformation term (color area)、expansion deformation term (black contour) and shearing deformation term (green contour) along 26°N.Unit: ×10-9 K·m-1·s-1. The black shaded denotes topography, gray triangle denotes the front's location

利用合成分析方法, 从大气环流场、锋面附近要素场及锋生函数诊断场探讨了昆明准静止锋在西进、东退及维持时的结构特征, 得出以下结论:

(1) 从500 hPa环流和地面形势合成结果看, 本文关于昆明准静止锋合成的设计方案合理, 合成场能反映寒潮环流形势和锋面进、退或维持的主要特征。

(2) 从温度场来看, 锋后低层到地面等温线呈“V”型分布, 表明有较强冷空气补充, 锋面易西进; 锋后低层到地面呈较深厚的逆温层, 表明锋后无冷空气补充, 锋面易东退; 锋后逆温层仅限于低层而近地面为冷中心, 表明锋后有冷空气补充但势力较弱, 锋面易维持且锋区强度最大。

(3) 对于东西风的垂直结构, 风速零线(切变线)均在锋区内, 但锋面西进时, 东风强度较大, 风速零线西端在锋面左侧; 而锋面东退时, 东风强度有所减小, 风速零线西端则在锋面右侧; 锋面维持时, 东风强度也较弱, 风速零线的位置与锋面位置基本重合。

(4) 对于次级环流结构, 锋区附近为正的次级环流, 锋面西进时, 锋后的次级环流相对深厚, 其次是锋面维持时, 而锋面东退时锋后次级环流位置偏东且最为浅薄; 当锋后东风输送稳定时, 地形的起伏将改变近地面垂直运动分布, 并使其出现多个上升和下沉运动中心。

(5) 对于总锋生函数F, 当锋面维持时锋生区域与锋区完全重合, 锋生作用很强; 而锋面进、退时, 锋生现象偏向于锋面移动的方向, 锋生区域先于锋区移动, 对锋面运动有指示作用, 且锋面西进时的锋生强度及锋生厚度明显大于东退时。

(6) 垂直运动倾斜项F2在105°E附近迎风坡出现强烈的锋消现象时, 预示着锋面西进; 锋面东退和维持时, F2在105°E附近产生的锋消现象减弱甚至转为锋生现象; 在106°E115°E之间F2出现锋生、锋消交替现象, 当与锋面相邻的次锋生区减弱时, 预示着锋面东退。

(7) 水平辐散项F3产生的强锋生区在锋面左侧时, 指示锋面西进; 强锋生区在锋面右侧且锋生现象很弱时, 指示锋面东退; 锋面维持时, F3的强锋生区与锋区基本重合。

(8) 水平变形项F4中切变变形产生的锋生区与锋区位置基本对应, 起主要的锋生作用; 伸缩变形对锋区内的锋生作用并不明显, 而由于冷气团受迎风坡影响, 在104°E以东的锋后区域产生较强的锋生现象; 当锋面西移迎风坡消失后, 伸缩变形对锋面生的锋生(消)作用极小。

最后, 锋面的进、退及维持对云贵地区的天气具有重要作用, 本文的一些结论对研究锋面的移动具有指示意义, 但也存在一些问题:合成时由于锋面位置不完全相同, 合成场存在一定的平滑, 因此锋生函数诊断的量级较过去个例研究中的明显减小, 但主要和共性特征依然显著; 本文的样本主要从冬季1月锋面过程中选取, 对其他季节昆明准静止锋系统(尤其是夏季)的结构及活动特征有待进一步研究。