溫度或密度差異很大的兩個氣團之間的介面,又稱鋒面。鋒面是傾斜的,坡度很小,一般約為1/100,冷氣團在下,暖氣團在上(圖1)。鋒面的鉛直厚度約1公裡,水準寬度在近地面約數十公裡,在高層可達400公裡以上,鋒的水準範圍可延伸數百公裡甚至數千公裡,鉛直範圍可延伸到對流層頂。鋒面和地面的交線,稱為鋒線,也簡稱為鋒。鋒面和高空某一水平面或鉛直剖面相交的區域,稱為鋒區。

  20世紀20年代初期,挪威學派在研究溫帶氣旋的結構和發生時,提出瞭鋒的概念。他們在鋒面結構、特征、分類及其與天氣的關系等方面的研究,對天氣學的發展,起著重要的作用。

  結構和特征 鋒面坡度公式 20世紀初,在鋒面還未發現以前,奧地利M.馬古列斯就曾經指出,在旋轉坐標系中,溫度不同的氣團之間的界面兩側,隻要存在著風的氣旋式切變,就能夠處於平衡狀態。在這種狀態下,界面與水平面形成的夾角α的表達式為

式中T′T、ug分別為鋒面兩側暖、冷空氣的溫度和與鋒面平行的地轉風的速度,T為冷、暖空氣的平均溫度,ω為地球自轉角速度,φ為緯度,g為重力加速度。這就是著名的馬古列斯公式,當鋒面發現後,又稱之為鋒面坡度公式。按這個公式計算所得的數值,和實際鋒面的坡度近似。

  熱力特征 鋒區內的水平溫度梯度比鋒區兩側的單一氣團內的梯度大得多。在等壓面圖上的等溫線密集處即為鋒區。由於暖空氣斜蓋在冷空氣上,使鋒區內的鉛直溫度梯度比其兩側氣團內小得多,有時甚至出現溫度隨高度而增加的逆溫現象。如果空氣比較幹燥,鋒面和密集的等位溫面幾乎平行;如果空氣比較潮濕,它和密集的等假相當位溫面近於平行(見大氣熱力學溫度)。鋒區的這些特征都說明鋒面是大氣斜壓性(見斜壓大氣)集中帶,是大氣位能(見大氣能量)的積蓄區。

  風場和氣壓場 根據馬古列斯公式,要維持大氣中鋒面的存在,其兩側的風(風速或風向)應作氣旋式切變。近地面層的大氣,由於摩擦作用,風向和風速的氣旋式切變都很明顯。根據地轉近似關系,鋒處於氣壓場的槽區。鋒面的風場和氣壓場的這種特征在近地面層特別明顯。在對流層中部和上部,鋒區常處於等壓面上高度槽的前部,故隻表現出風速的氣旋式切變。由於鋒面的水平溫度梯度很大,按熱成風關系,鋒面內風的鉛直切變也很大。

  分類 對鋒常按地理位置和氣團移動方向分類。

  按地理位置分類 ①冰洋鋒。指北冰洋氣團和極地氣團之間的鋒。②極鋒。指極地氣團和熱帶氣團之間的鋒,它可從地面伸展至整個對流層。③副熱帶鋒。為中緯度氣團和熱帶氣團之間的鋒,僅出現在對流層的中部和上部。極鋒和副熱帶鋒,都有一支高空西風急流相伴。

  按氣團移動方向分類 ①暖鋒。指暖氣團向冷氣團一方推移的鋒。②冷鋒。指冷氣團向暖氣團一方推移的鋒。冷鋒因推移速度不同,又分為第一型(慢速)冷鋒和第二型(快速)冷鋒兩種。③靜止鋒。指移動很緩慢呈準靜止狀態的鋒。④錮囚鋒。通常冷鋒比暖鋒移動快,當冷鋒趕上暖鋒時,兩鋒之間的暖空氣被迫向上抬升,冷鋒後的冷氣團與暖鋒前的冷氣團相接形成的鋒稱為錮囚鋒。錮囚鋒還可細分為暖式錮囚鋒和冷式錮囚鋒,這兩者是視錮囚鋒後的冷空氣較鋒前的冷空氣暖還是冷而定。有時因受地形影響,兩條冷鋒相向而行,當其接觸時也可形成錮囚鋒,特稱為地形錮囚鋒。

  此外,按暖空氣的運動狀況,又把鋒分為上滑鋒和下滑鋒兩類:當暖空氣沿鋒面上滑時,稱為上滑鋒;當鋒面上的暖空氣沿鋒面下滑,同鋒前的暖氣流在地面鋒的位置處輻合而引起上升運動,這種鋒稱為下滑鋒。暖鋒和第一型冷鋒一般屬上滑鋒,第二型冷鋒屬下滑鋒。

  鋒面的天氣 各類鋒面有其特有的天氣(圖2)。①暖鋒坡度較小,約為1/150。其典型的雲序為卷雲、卷層雲、高層雲,地面鋒線附近為雨層雲,在高層雲處開始降水,多為連續性降水。如暖空氣不穩定,暖鋒上也可出現積雨雲等對流性天氣。在中國,暖鋒較為少見。②第一型冷鋒的坡度約為1/100,其天氣和暖鋒天氣相似,隻是雲雨次序和暖鋒相反。在東亞,這種冷鋒一般由西北向東南移動,是影響中國天氣的重要天氣系統之一。冬季的冷鋒一般較強,影響范圍較大,有時可達南海;而夏季冷鋒較弱,影響范圍較小,一般隻達到黃河流域。③第二型冷鋒坡度較大,約為1/70,它在近地面層處有時近於垂直或前傾。在地面鋒前,多為對流性天氣,有時伴有颮線,可產生冰雹、龍卷等劇烈天氣。但因鋒面的雲系受到多種因素的影響,特別是受地形的影響更大,故在多山的中國,鋒面的雲系常常和典型特征相差較遠。第二型冷鋒在中國較少,春季見於長江流域,秋季見於黃河流域。④靜止鋒的天氣和第一型冷鋒相似,唯雲雨范圍比較寬廣,在中國華南的南嶺一帶和雲貴高原地區,較為常見。由於冷鋒南下後受地形阻擋而呈準靜止狀態,可停留十天或半月之久,造成陰雨連綿的天氣。⑤錮囚鋒兼有冷、暖鋒的天氣特征。典型的錮囚鋒在中國雖不多見,但在西北、華北、華東等地區,冬半年常出現地形錮囚鋒。

  鋒生和鋒消 鋒生指鋒的生成或加強的過程;鋒消指鋒的消失或減弱的過程。當某些物理過程使空氣的水平溫度梯度沿著一條線附近迅速加大時,可以說這條線附近有鋒生。反之,即為鋒消。

  按運動學觀點,水平運動、鉛直運動和非絕熱過程,都可造成鋒生或鋒消,其中尤以水平運動最為有效。有溫濕特性不同的氣流輻合時容易出現鋒生;如果氣流輻散則容易出現鋒消。如圖3所示的變形流場較有利於鋒生,它不僅能使等溫線沿流出軸密集,而且還能使等溫線旋轉,漸趨與流出軸平行。這種單純的變形場,相當於氣壓場上十字形交叉對稱排列的兩個低壓和兩個高壓之間的鞍形場。但更有利於鋒生的氣壓場,是兩個低壓槽都比較深的鞍形場,實際的鋒生都在低壓槽的槽線附近。

  當水平變形場使等溫線沿著流出軸密集時,水平溫度梯度增大,這是由暖空氣一側增溫,冷空氣一側降溫造成的。在增溫的地區,高層升壓,低層降壓;在降溫的地區則相反。因此在高層產生瞭附加的指向冷空氣的氣壓梯度力,使空氣由暖區流向冷區,反之,在低層則由冷區流向暖區,這使高層和低層的鋒生進一步加強。同時,為瞭補償,暖空氣的一側產生瞭上升運動,冷空氣一側則下沉,在鋒面附近產生瞭鉛直環流。這種環流使低層冷鋒後部的風速加大,鋒前暖濕氣流的凝結過程加快,因此鋒生能使鋒面附近的雲雨天氣加劇。在中層由於暖空氣中水汽大量凝結而釋放潛熱,鋒生也得到進一步加強。鋒消的動力效應與之相反,因而鋒消區雲雨天氣消散,天氣轉好。