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第72章 寒潮是怎样发生的

一、寒潮的源地

寒潮源地,是指冷空气开始形成和聚集的地方。从上所述可知,高纬地区,特别是两极地区是地球上最寒冷的地方。影响我国的寒潮冷空气,主要是来源于冰雪封冻的北极地区和靠近的寒冷大陆上。一到冬季的“永夜”期间,这些地方温度降得更低,形成巨大的冷气团,成为北半球寒潮的发源地。具体来说,影响我国的寒潮冷空气有三个源地(见图1)。

第一,新地岛以西的北方寒冷的洋面。这个源地向南爆发的寒潮次数最多。

第二,新地岛以东的北方寒冷的洋面。这个源地虽然影响东亚的冷空气次数较少,但气温较低,只要来到,便能达到寒潮标准。

第三,冰岛以南的洋面。这个源地影响亚洲的冷空气较多,但由于它的气温比其他源地的冷空气高,所以达到寒潮标准的不多。

二、寒潮的酝酿与爆发

1、能量的转换

为什么北冰洋和极地大陆的冷空气有时呆在它的“老家”并不南下,而有时又成为寒潮南侵呢?这是因为一次寒潮过程,就是一次大气中能量的聚集、转换和释放的过程。而这个过程的完成总需要一段时间。

大气中的能量以各种形式出现:由地心引力作用于不同高度的空气而产生的能量,叫做位能;空气质点在运动时具有的能量,叫做动能;表示气体分子热运动状态的能量,叫做内能;大气中水分在发生三态变化时吸收或放出的能量,叫做潜热能。

为了说明能量的转化,我们先介绍一个理想化的情况。一个容器,中间用隔板隔开,两边体积相等。一边是冷空气,一边是暖空气。这时冷、暖空气之间虽然只一板相隔,但温度则差的很多,也就是在隔板两侧是水平温度梯度最大的地方。如果我们将隔板抽去,假定冷暖空气不相互混合。由于冷空气比重大,要下沉;暖空气比重小,要上升,最后冷空气全部沉到下面,暖空气全部升到上面。此时,冷空气在抽去隔板前的位能,在流动中转化为了动能,位能已处在最小的状态了。

当然,大气中的情况远比上述的理想状况要复杂得多,但其基本原理是和这一样的。与寒潮的爆发有关的能量,实际上是“有效位能”。它是大气中实际位能超过最小位能的那一部分位能,只古整个位能的二千分之一。大气中能够转向为动能的位能就是“有效位能”。

寒潮冷空气是在高纬地区形成的大范围的冷空气团,十分强大,十分寒冷,而且还不断的堆积、增厚。在寒潮爆发的初期(见图2),锋面比较陡,锋面的两侧冷、暖气团间

水平温度梯度大。此时冷空气不是处于最小位能的状况。它处在与锋面另一侧的暖空气并立的状态,有较大的平均有效位能,一旦有一个触发条件,这部分平均有效位能就会转化为动能,使冷空气向暖空气一方运动,并逐渐楔入暖空气的下方。到了寒潮后期(见图2),锋面比较平缓,冷空气的重心大为降低,已接近于最小位能的状态,有效位能也即消失。寒潮大风的产生,就是因为寒潮初期的平均有效位能转化成动能所引起的。

一般可以认为,水平温度梯度越大,蕴藏的平均有效位能也就大,转化成的动能也大。寒潮的强度大小,从能量的角度看,决定于初期蕴藏的有效位能的大小。寒潮来临之前,天气越暖,寒潮强度越大的原因就在于此。

2.大气环流的功劳

在气象学上,把冷空气团称做冷高压。从气象观测中发现,只要寒潮源地的冷高压的气压不断上升,温度不断的下降,就表示寒潮在孕育成长之中。到一定程度,就酝酿成熟了。但是,这个强冷空气团要倾泻南下,还需要一定的条件,否则它们也只好呆在“老家”了。这个条件就是大气环流的调整。

大气环流,就是指的大气环绕着地球运动的状况。人们所感到的风就是大气流动生成的。有的大气的流动,是世界性的,它围绕着地球流动;有的大气流动是中等范围的,上千或几千千米;有的则是小范围的、地方性的。这些大、中、小范围的气流共同交互影响,就构成了大气环流。

为了使大家便于了解大气环流与寒潮的关系,用一张500百帕等压面图来介绍一下大气环流的基本状态(见图3)。因为500百帕等压面在对流层的中层,所以分析高空的天气情况,500百帕天气图具有一定的代表性。

在等压面图上的等高线(或地面图上的等压线)在某些地方闭合。如果圈内高度(或气压)大于圈外者称为高气压,简称高压;反之为低气压,简称低压(如图中的高、低处)。如果等高(压)线有一方开口,就叫做高压脊或低压槽,高压脊用脊线(如图中双虚线)、低压槽以槽线(如图中的虚线)表示其位置。另据观测知道,大气在高空的自由运动中,经常是沿着等高线走的。在风前进的方向上,右手一边气压高,左手一边的气压低。不难看出,在图上,风是自西向东沿等高线运动的,槽后刮西北风,槽前刮西南风;脊后刮西南风,脊前刮西北风。两个低压槽最低点之间的距离称为波长。波长跨度在千千米以上的称为长波,波长小于千千米的称为短波。

东亚寒潮的爆发主要是与这些高压、低压、槽、脊位置的变化、演变的形式有关。这些天气形势是互相影响、互相制约的。也就是说,寒潮天气过程的始末就是天气形势上的长波发生一次调整的过程。图4是一张高空冷低压对应地面的冷高压中心的示意图。当大气长波发生调整,形成了高空的脊与槽都很深的情况时,在槽后、脊前的西北气流就很强大,可引导地面上冷高压处堆积的冷空气南下。因此说,没有大气环流的功劳,或许寒潮冷气团就一直只能呆在遥远的北方了。

三、寒潮过程的结束

不难看出,寒潮过程要具备两个条件:一是冷空气的酝酿和堆积的过程;再一个就是要有引导冷空气南下的大气环流。当上述两个条件不再存在时,寒潮过程也就结束了。

寒潮初期,冷、暖气团之间的锋面较陡,冷空气的重心高,温度梯度大,蕴藏着较大的有效位能。寒潮爆发,有效位能转变为动能,形成了大风。随着有效位能的减小,锋面逐渐平缓,冷空气重心不断降低。当位能接近于最小位能时,锋面变得很宽,水平温度梯度随之变小,并逐步接近消失。此时,大风就随之消失,寒潮也就结束了。隔一段时间,冷空气在高纬地区又重新酝酿堆积,形成新的冷高压,孕育着另一次寒潮。这也是寒潮隔一段时间才能爆发一次的原因之一。

从大气环流上来看,绝大多数寒潮的发生,都与东亚大槽的重新建立和北半球长波调整相联系,而东亚大槽是不断新陈代谢的。寒潮初期,这个槽很弱并东移。随着寒潮的酝酿成熟,大槽在东亚建立,槽后的西北气流引导冷空气南下,寒潮爆发。当大槽减弱并继续东移,引导气流消失,冷空气也就不再南侵,寒潮过程便随之结束。同时另一次寒潮的初期开始了。经过一段时间,具备了适当的条件,又会有一次新的寒潮爆发。

那末,寒潮冷空气南下后,会不会使受侵地区永远温度那么低呢?从实际生活中人们知道,一般寒潮南下后,冷空气团经过一定的时期,它的严寒和干燥的特性会逐渐改变,这在气象上叫做“变性”。由于冷空气的厚度一般只有二、三千米,就整个大气层来说,还是比较浅薄的,当冷空气受了南方较暖和的地面的影响,便要逐步回暖。即使是势力十分强大的冷空气团,受到太阳的照射和南方地面“加热炉”的烘烤,日子长了,也会发生变性,显得暖和一些。但是,当寒潮源地不断地聚集新的冷空气,而经向环流又很显著的条件下,一股冷空气爆发南下,接着又会有新的冷空气南下。在这种情况下,就没有明显的回暖过程,而会出现连续大风降温的情况。遇到这种天气,只有当冷空气聚集减慢、经向环流形势减弱后,才会有天气的回暖。

变性的快慢随季节而异,冬季变性慢,春、秋季变性快。在较远的南方,即便是在冬季,寒潮的影响时间亦较短,回暖的也快。这除了因为冷空气“奔驰”了几千千米,到达远的南方时,也已是强弩之末,同时它到了暖空气的故乡,也只好“入乡随俗”了。

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