填坑：简谈冷空气实现下沉增温的过程——续谈“锋前增温”错误认识

摘要：反常识气象基础知识：上空的冷空气其实存在比地面暖的潜在属性。所谓“锋前增温”实际是由锋后冷空气的下沉干绝热增温效果导致。下沉是由中低空风切变导致的湍流向下交换来实现的。中低空风速的大小决定了下沉的强度和效率，也就决定了冷空气清除平原雾霾的能力。不同于经典冷锋是底层超前于上空的情况，冷空气下华北平原一般是空中风超前于地面。边界层顶强风切变导致湍流向下的这种过程早已被前人研究和揭示，成为大气物理学教科书的经典内容，但是多年来限于业务观测的局限和天气尺度分析的习惯，这种过程过去罕有被预报员观察和分析。本文综合1月2日夜间北京海淀观测站的地面观测、风廓线雷达观测、云高仪观测以及PM2.5浓度等资料清晰地展示了这个过程。

本文是对《》中冷空气是如何下沉的解释。涉及专业知识，我尽量顺简单线条层层递进来说，尽量避免讲成课堂上课。

一、反常识认知：上冷下暖的对流层其实潜在温度是上暖下冷的。

这个知识点是理解空气温度的基础，所以必须先讲。

1、一个常识：在对流层中气温随高度是下降的。所以在同一个地方一般高空比地面气温低，也就是山上比山下冷这个常识，探空气球的观测结果清楚地展示了这一点；

这个常识背后隐藏着很多的秘密，导致了很多反常识的错觉，要想理解这些就不得不点开一些物理学技能了。

2、气压和升降：空气是有质量且层层堆叠向上的，在层层空气重力下压的作用下，越下面的地球大气承受的压力越大，这就是气压。气压随着高度升高而下降，所以上图中纵坐标既可以是气压也可以是高度，空气上升过程等价于减压过程，下沉则必然增压。

3、温度和气压：空气的温度是微观的空气分子运动剧烈程度的宏观表现，代表了气块热量的多少。如果气压发生了变化，哪怕气块与外界没有热量交换（所谓绝热），它的热量（温度）也会变化。升压会导致升温：因为一个低气压空气块只有被外界压缩体积变小，气压才会升高，而被外界压缩就意味着外界对它做了功（这里需要回忆中学物理），于是功转化为热能导致气块温度升高，反之降压会导致降温。

4、空气垂直运动：空气上升就必然会降压降温，下沉就必然会增压升温，这不是因为上图中对流层的气温上冷下暖，而是因为气压上低下高。由于空气垂直运动总在各种情况地进行，而且会影响到天气的方方面面，所以必须考虑空气垂直运动带来的气温变化。

5、潜在的温度——位温：假如青藏高原上拉萨的10℃空气在绝热的情况下来到华北平原北京，温度会是多少？为了解决这个问题，位温的概念就被引入了，位温就是指空气块在绝热变压到1000hPa（一个标准大气压、平均海平面的气压）时候所具有的温度。位温的英文是Potential temperature（潜在温度），细想一下其实“位”的中文翻译很准确传神而简洁，但它的多义性会让人懵，对于普通人而言显然还是潜在温度更容易理解。

上图北京探空观测中的温度如果换成位温会是怎样的曲线呢？如下图

可以看到哪怕在对流层内，空气的潜在温度（位温）也是上暖下冷的。

其实这才是气温垂直分布的真谛：既然暖空气都会上升那留在下面的自然都是冷的呀。上面的暖空气温度反而低只是因为降压了而已，只要给它一个机会回到地面，热死人不偿命的。比如对比上两图可知：北京3公里高处-16℃的空气块，如果绝热来到地面，气温会超过10℃。

6、所谓“锋前增温”实际是由锋后冷气团内的下沉干绝热增温效果导致。

只要理解了上面的部分，就不难理解冷空气造成升温，就不会去想当然认为升温只能是在锋前了。当冷空气降临华北平原的时候，西边1000米山上（气压900百帕左右）寒冷的空气，只要有机会下到平原地面，气温可以上升7-8℃。如果是白天被晒暖一点的情况，那么夜间下山后的增温会更显著。这也是把它视为焚风增温的原因，物理本质是一样的。
但是焚风有一个bug需要解释：它是如何克服暖升冷降的浮力机制的？暖空气下坡冲入冷空气，难道不应该是被踩刹车吗？下面进入这个问题。

二、中低空风切变导致的湍流运动是实现空气下沉的机制

上面太枯燥了，下面我们都用一个实例来说事：

1、北京海淀冷空气升温、驱散霾

1月2日傍晚，海淀国家气象观测站，冷空气下山造成升温。

同时驱散了霾：

面上的情况如下：

2、经典冷空气和冷锋

从宏观上来说，冷气团侵入暖气团时，因为冷密度大暖密度小，所以一定是冷空气从底部切入暖空气侧，锋面越往高空越向后倾斜的，就如下图：

一般说来不论冷空气在高原上还是平原上都是如此，最典型就是我国冷空气到南方时，这个锋区坡面非常缓，有时候地面冷锋甚至超前2公里高度锋面位置数百公里。

3、非经典本地特色的冷空气和冷锋——“锋前”还是“锋后”

但是在冷空气从蒙古高原经太行山燕山移向华北平原的时候，边界层的情形大不一样了。原因就是前面所讲的，西北来的弱冷空气或者前期冷空气，其位温高于华北平原近地面的空气。冷（潜在温度为暖）空气要下到地面，就必须克服向上的浮力作用，如果不能克服，就只能从华北平原冷垫上“滑”过去了。

尤其是如果冷空气白天过高原晚上过平原的情形，高原边界层会被日晒加热，平原边界层会因辐射降温，这样高原来的冷空气比平原地面空气更“暖”的程度也会大大增加。

反过来，这个浮力给冷空气踩了刹车。在这种作用下，焚风下山只会作用离山非常短的距离，风力也会小很多。这就是很多时候华北平原雾霾驱散不给力的情形。就如前几天我曾发的那图的情形《》：

也正是因为这个原因，冷空气过华北时，冷锋常常没法画。100多年前适用于大尺度天气系统的经典锋面和气团理论、以温度锋区来界定冷暖气团的理论、二维的没有考虑没有考虑垂直运动和边界层特性的理论，在华北地区冷空气下山这种情况下是不完全适用的。

“锋前增温”就是机械套用经典理论的错误认知，基于温度划分锋面，导致分析锋面远落后于实际锋面，将冷空气下沉增温区域放在了锋前。然后基于错误认知的增温解释只能是错上加错了。

而焚风机制虽然可以最浅显的解释，但也不完备，而且过于模糊没有细节，有浮力bug，关键还是下面说的机制。

4、中低空风切变导致的湍流运动是实现“暖”空气下沉的机制

既然高原过来的冷空气比平原地面还要“暖”，那它怎么才能下到地面呢？

在经典的大尺度天气分析中，基本考虑的是槽后有下沉运动、反气旋高压内有下沉运动，实际上这是大背景的次级环流层面的概念，这些运动是不能让空气运动下沉到地面的，其风速量级也很微小，大尺度下沉运动提供的是背景，影响的是边界层之上的自由大气层。很多时候我们在谈论它的时候（比如过去解释副高内、槽后高温天气时），只为了简便而默认了其下沉到地面，这也没有大毛病，因为最终下沉效果会通过边界层湍流运动影响到地面。

在经典的中尺度天气分析中，考虑的下沉运动主要是上冷下暖的密度流，是下击暴流。与大气边界层内干空气下沉的情形完全不同。

不论大尺度下沉运动还是对流下沉运动，都不能解决下沉增温的问题。解决问题的是归属于大气边界层物理学的湍流。

其实，大气边界层的空气运动大多都是湍流尺度！

不论是地面上刮的水平大风，还是上下空气交换，都是湍流尺度的。

湍流的问题今天就不深入展开了，因为它是远比前面所讲的温度、气压、位温这些概念更加专业更深更难得多的气象知识。传说某个量子力学的奠基者就是因为搞湍流搞不下去郁闷了才转专业的，这个故事也暂时略过吧。下面只照搬大气边界层物理学教科书中的结论来阐述这个冷空气下沉的过程。其实就一张图可也：

边界层大气湍流运动的发动主要有两种情形：

1）热力发动：白天日晒，地面受热后加热空气，地面受热不均导致气块有冷有暖，热升冷降，从而湍流发生，这是自下而上的；

2）动力发动：风只要不均匀，只要有切变就可以产生湍流，风切变越大，湍流越强，这是自上而下的，因为高空风大，近地面风小，白天夜间均可发动，夜间湍流只能由动力发动。

实际上，冷空气下沉增温的具体过程简单描述就是：在夜间，冷空气过华北平原的时候，由于平原近地面位温比山上低，山上的地面风开始是不能直接吹下山来的，而是低空（约1公里到3公里左右）大风先到先过，然后由强风切变产生湍流交换，将动量和质量交换依次向下交换：动量交换的结果是大风下传，地面遂起大风，质量交换的结果是就是下沉增温。

前面我说的这些都来源于成熟理论，没有什么质疑空间，但是我有没有观测证据呢？当然是有的。

5、中低空风切变导致的湍流运动实现“暖”空气下沉机制的实证

如前所说，边界层顶强风切变导致湍流向下的这种过程早已被前人研究和揭示，成为大气物理学关于大气边界层物理这部分教科书的经典内容。

但是多年来限于天气预报业务观测的局限（传统只有稀疏的地面观测和更稀疏的探空观测，只能支撑大尺度天气系统的分析），在这个观测基础上，以及在应用层面把握大尺度天气背景的可行性和有效性足够的原因下，天气尺度分析也成为预报员的几乎全部工作内容。

湍流过程过去罕有被预报员观察和分析，这也是产生“锋前增温”错误认识的背景原因。现在，我们有了更多的可以捕捉更小尺度大气信息的各种非常规观测，在业务中分析出湍流运动的结果并不难。

上面已经利用了1月2日北京海淀观测站的地面观测、和其附近的PM2.5浓度监测资料展示了冷空气下沉增温的结果，下面再匹配上风廓线雷达观测、云高仪观测等资料，这个暖空气突破浮力下沉到地面的过程就不难看出了。

上图可以清晰的看到18时左右和20时左右的两次较大风速脉动和下传过程，云高仪展示出的气溶胶变化与其完美对应：

6、大尺度环境风强度是关键

有几个问题：什么时候冷空气下山有下沉增温，增温幅度如何？增温速度如何？什么时候冷空气在平原冷垫上滑过，什么时候可以一鼓作气下山吹散雾霾？

其实都是一个答案：大尺度背景的低空风有多大，匹配的山上山下位温差有多大。

位温差越大，下沉增强自然越显著，但是位温差越大，浮力越强，下沉的难度越大。

越强的低空风（大尺度天气系统决定）产生越强风切变，产生越强的向地面湍流交换，造成越强的地面阵风，造成越强的吹散雾霾能力。

时间上，湍流从边界层顶发动到达地面，可以在20分钟内完成，所以这也就轻松解释了为什么会一个小时内升温7、8℃。

原则上如此，具体问题具体分析，因为不同的地形、不同的风速分布，不同的气温分布的存在，造成即便是同一次过程不同的地方情况也不一样。

最后，上一张昨夜（1月4日夜间5日凌晨）厚此薄彼的下山冷空气，所造成的护佑京津不管保定石家庄的图来说明这一点：

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