摘要：反常識(shí)氣象基礎(chǔ)知識(shí)：上空的冷空氣其實(shí)存在比地面暖的潛在屬性。所謂“鋒前增溫”實(shí)際是由鋒后冷空氣的下沉干絕熱增溫效果導(dǎo)致。下沉是由中低空風(fēng)切變導(dǎo)致的湍流向下交換來實(shí)現(xiàn)的。中低空風(fēng)速的大小決定了下沉的強(qiáng)度和效率，也就決定了冷空氣清除平原霧霾的能力。不同于經(jīng)典冷鋒是底層超前于上空的情況，冷空氣下華北平原一般是空中風(fēng)超前于地面。邊界層頂強(qiáng)風(fēng)切變導(dǎo)致湍流向下的這種過程早已被前人研究和揭示，成為大氣物理學(xué)教科書的經(jīng)典內(nèi)容，但是多年來限于業(yè)務(wù)觀測(cè)的局限和天氣尺度分析的習(xí)慣，這種過程過去罕有被預(yù)報(bào)員觀察和分析。本文綜合1月2日夜間北京海淀觀測(cè)站的地面觀測(cè)、風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)、云高儀觀測(cè)以及PM2.5濃度等資料清晰地展示了這個(gè)過程。

本文是對(duì)《》中冷空氣是如何下沉的解釋。涉及專業(yè)知識(shí)，我盡量順簡(jiǎn)單線條層層遞進(jìn)來說，盡量避免講成課堂上課。

一、反常識(shí)認(rèn)知：上冷下暖的對(duì)流層其實(shí)潛在溫度是上暖下冷的。

這個(gè)知識(shí)點(diǎn)是理解空氣溫度的基礎(chǔ)，所以必須先講。

1、一個(gè)常識(shí)：在對(duì)流層中氣溫隨高度是下降的。所以在同一個(gè)地方一般高空比地面氣溫低，也就是山上比山下冷這個(gè)常識(shí)，探空氣球的觀測(cè)結(jié)果清楚地展示了這一點(diǎn)；

這個(gè)常識(shí)背后隱藏著很多的秘密，導(dǎo)致了很多反常識(shí)的錯(cuò)覺，要想理解這些就不得不點(diǎn)開一些物理學(xué)技能了。

2、氣壓和升降：空氣是有質(zhì)量且層層堆疊向上的，在層層空氣重力下壓的作用下，越下面的地球大氣承受的壓力越大，這就是氣壓。氣壓隨著高度升高而下降，所以上圖中縱坐標(biāo)既可以是氣壓也可以是高度，空氣上升過程等價(jià)于減壓過程，下沉則必然增壓。

3、溫度和氣壓：空氣的溫度是微觀的空氣分子運(yùn)動(dòng)劇烈程度的宏觀表現(xiàn)，代表了氣塊熱量的多少。如果氣壓發(fā)生了變化，哪怕氣塊與外界沒有熱量交換（所謂絕熱），它的熱量（溫度）也會(huì)變化。升壓會(huì)導(dǎo)致升溫：因?yàn)橐粋€(gè)低氣壓空氣塊只有被外界壓縮體積變小，氣壓才會(huì)升高，而被外界壓縮就意味著外界對(duì)它做了功（這里需要回憶中學(xué)物理），于是功轉(zhuǎn)化為熱能導(dǎo)致氣塊溫度升高，反之降壓會(huì)導(dǎo)致降溫。

4、空氣垂直運(yùn)動(dòng)：空氣上升就必然會(huì)降壓降溫，下沉就必然會(huì)增壓升溫，這不是因?yàn)樯蠄D中對(duì)流層的氣溫上冷下暖，而是因?yàn)闅鈮荷系拖赂?。由于空氣垂直運(yùn)動(dòng)總在各種情況地進(jìn)行，而且會(huì)影響到天氣的方方面面，所以必須考慮空氣垂直運(yùn)動(dòng)帶來的氣溫變化。

5、潛在的溫度——位溫：假如青藏高原上拉薩的10℃空氣在絕熱的情況下來到華北平原北京，溫度會(huì)是多少？為了解決這個(gè)問題，位溫的概念就被引入了，位溫就是指空氣塊在絕熱變壓到1000hPa（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、平均海平面的氣壓）時(shí)候所具有的溫度。位溫的英文是Potential temperature（潛在溫度），細(xì)想一下其實(shí)“位”的中文翻譯很準(zhǔn)確傳神而簡(jiǎn)潔，但它的多義性會(huì)讓人懵，對(duì)于普通人而言顯然還是潛在溫度更容易理解。

上圖北京探空觀測(cè)中的溫度如果換成位溫會(huì)是怎樣的曲線呢？如下圖

可以看到哪怕在對(duì)流層內(nèi)，空氣的潛在溫度（位溫）也是上暖下冷的。

其實(shí)這才是氣溫垂直分布的真諦：既然暖空氣都會(huì)上升那留在下面的自然都是冷的呀。上面的暖空氣溫度反而低只是因?yàn)榻祲毫硕?，只要給它一個(gè)機(jī)會(huì)回到地面，熱死人不償命的。比如對(duì)比上兩圖可知：北京3公里高處-16℃的空氣塊，如果絕熱來到地面，氣溫會(huì)超過10℃。

6、所謂“鋒前增溫”實(shí)際是由鋒后冷氣團(tuán)內(nèi)的下沉干絕熱增溫效果導(dǎo)致。

只要理解了上面的部分，就不難理解冷空氣造成升溫，就不會(huì)去想當(dāng)然認(rèn)為升溫只能是在鋒前了。當(dāng)冷空氣降臨華北平原的時(shí)候，西邊1000米山上（氣壓900百帕左右）寒冷的空氣，只要有機(jī)會(huì)下到平原地面，氣溫可以上升7-8℃。如果是白天被曬暖一點(diǎn)的情況，那么夜間下山后的增溫會(huì)更顯著。這也是把它視為焚風(fēng)增溫的原因，物理本質(zhì)是一樣的。
但是焚風(fēng)有一個(gè)bug需要解釋：它是如何克服暖升冷降的浮力機(jī)制的？暖空氣下坡沖入冷空氣，難道不應(yīng)該是被踩剎車嗎？下面進(jìn)入這個(gè)問題。

二、中低空風(fēng)切變導(dǎo)致的湍流運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)空氣下沉的機(jī)制

上面太枯燥了，下面我們都用一個(gè)實(shí)例來說事：

1、北京海淀冷空氣升溫、驅(qū)散霾

1月2日傍晚，海淀國(guó)家氣象觀測(cè)站，冷空氣下山造成升溫。

同時(shí)驅(qū)散了霾：

面上的情況如下：

2、經(jīng)典冷空氣和冷鋒

從宏觀上來說，冷氣團(tuán)侵入暖氣團(tuán)時(shí)，因?yàn)槔涿芏却笈芏刃?，所以一定是冷空氣從底部切入暖空氣?cè)，鋒面越往高空越向后傾斜的，就如下圖：

一般說來不論冷空氣在高原上還是平原上都是如此，最典型就是我國(guó)冷空氣到南方時(shí)，這個(gè)鋒區(qū)坡面非常緩，有時(shí)候地面冷鋒甚至超前2公里高度鋒面位置數(shù)百公里。

3、非經(jīng)典本地特色的冷空氣和冷鋒——“鋒前”還是“鋒后”

但是在冷空氣從蒙古高原經(jīng)太行山燕山移向華北平原的時(shí)候，邊界層的情形大不一樣了。原因就是前面所講的，西北來的弱冷空氣或者前期冷空氣，其位溫高于華北平原近地面的空氣。冷（潛在溫度為暖）空氣要下到地面，就必須克服向上的浮力作用，如果不能克服，就只能從華北平原冷墊上“滑”過去了。

尤其是如果冷空氣白天過高原晚上過平原的情形，高原邊界層會(huì)被日曬加熱，平原邊界層會(huì)因輻射降溫，這樣高原來的冷空氣比平原地面空氣更“暖”的程度也會(huì)大大增加。

反過來，這個(gè)浮力給冷空氣踩了剎車。在這種作用下，焚風(fēng)下山只會(huì)作用離山非常短的距離，風(fēng)力也會(huì)小很多。這就是很多時(shí)候華北平原霧霾驅(qū)散不給力的情形。就如前幾天我曾發(fā)的那圖的情形《》：

也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，冷空氣過華北時(shí)，冷鋒常常沒法畫。100多年前適用于大尺度天氣系統(tǒng)的經(jīng)典鋒面和氣團(tuán)理論、以溫度鋒區(qū)來界定冷暖氣團(tuán)的理論、二維的沒有考慮沒有考慮垂直運(yùn)動(dòng)和邊界層特性的理論，在華北地區(qū)冷空氣下山這種情況下是不完全適用的。

“鋒前增溫”就是機(jī)械套用經(jīng)典理論的錯(cuò)誤認(rèn)知，基于溫度劃分鋒面，導(dǎo)致分析鋒面遠(yuǎn)落后于實(shí)際鋒面，將冷空氣下沉增溫區(qū)域放在了鋒前。然后基于錯(cuò)誤認(rèn)知的增溫解釋只能是錯(cuò)上加錯(cuò)了。

而焚風(fēng)機(jī)制雖然可以最淺顯的解釋，但也不完備，而且過于模糊沒有細(xì)節(jié)，有浮力bug，關(guān)鍵還是下面說的機(jī)制。

4、中低空風(fēng)切變導(dǎo)致的湍流運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)“暖”空氣下沉的機(jī)制

既然高原過來的冷空氣比平原地面還要“暖”，那它怎么才能下到地面呢？

在經(jīng)典的大尺度天氣分析中，基本考慮的是槽后有下沉運(yùn)動(dòng)、反氣旋高壓內(nèi)有下沉運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上這是大背景的次級(jí)環(huán)流層面的概念，這些運(yùn)動(dòng)是不能讓空氣運(yùn)動(dòng)下沉到地面的，其風(fēng)速量級(jí)也很微小，大尺度下沉運(yùn)動(dòng)提供的是背景，影響的是邊界層之上的自由大氣層。很多時(shí)候我們?cè)谡務(wù)撍臅r(shí)候（比如過去解釋副高內(nèi)、槽后高溫天氣時(shí)），只為了簡(jiǎn)便而默認(rèn)了其下沉到地面，這也沒有大毛病，因?yàn)樽罱K下沉效果會(huì)通過邊界層湍流運(yùn)動(dòng)影響到地面。

在經(jīng)典的中尺度天氣分析中，考慮的下沉運(yùn)動(dòng)主要是上冷下暖的密度流，是下?lián)舯┝?。與大氣邊界層內(nèi)干空氣下沉的情形完全不同。

不論大尺度下沉運(yùn)動(dòng)還是對(duì)流下沉運(yùn)動(dòng)，都不能解決下沉增溫的問題。解決問題的是歸屬于大氣邊界層物理學(xué)的湍流。

其實(shí)，大氣邊界層的空氣運(yùn)動(dòng)大多都是湍流尺度！

不論是地面上刮的水平大風(fēng)，還是上下空氣交換，都是湍流尺度的。

湍流的問題今天就不深入展開了，因?yàn)樗沁h(yuǎn)比前面所講的溫度、氣壓、位溫這些概念更加專業(yè)更深更難得多的氣象知識(shí)。傳說某個(gè)量子力學(xué)的奠基者就是因?yàn)楦阃牧鞲悴幌氯ビ魫灹瞬呸D(zhuǎn)專業(yè)的，這個(gè)故事也暫時(shí)略過吧。下面只照搬大氣邊界層物理學(xué)教科書中的結(jié)論來闡述這個(gè)冷空氣下沉的過程。其實(shí)就一張圖可也：

邊界層大氣湍流運(yùn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)主要有兩種情形：

1）熱力發(fā)動(dòng)：白天日曬，地面受熱后加熱空氣，地面受熱不均導(dǎo)致氣塊有冷有暖，熱升冷降，從而湍流發(fā)生，這是自下而上的；

2）動(dòng)力發(fā)動(dòng)：風(fēng)只要不均勻，只要有切變就可以產(chǎn)生湍流，風(fēng)切變?cè)酱?，湍流越?qiáng)，這是自上而下的，因?yàn)楦呖诊L(fēng)大，近地面風(fēng)小，白天夜間均可發(fā)動(dòng)，夜間湍流只能由動(dòng)力發(fā)動(dòng)。

實(shí)際上，冷空氣下沉增溫的具體過程簡(jiǎn)單描述就是：在夜間，冷空氣過華北平原的時(shí)候，由于平原近地面位溫比山上低，山上的地面風(fēng)開始是不能直接吹下山來的，而是低空（約1公里到3公里左右）大風(fēng)先到先過，然后由強(qiáng)風(fēng)切變產(chǎn)生湍流交換，將動(dòng)量和質(zhì)量交換依次向下交換：動(dòng)量交換的結(jié)果是大風(fēng)下傳，地面遂起大風(fēng)，質(zhì)量交換的結(jié)果是就是下沉增溫。

前面我說的這些都來源于成熟理論，沒有什么質(zhì)疑空間，但是我有沒有觀測(cè)證據(jù)呢？當(dāng)然是有的。

5、中低空風(fēng)切變導(dǎo)致的湍流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)“暖”空氣下沉機(jī)制的實(shí)證

如前所說，邊界層頂強(qiáng)風(fēng)切變導(dǎo)致湍流向下的這種過程早已被前人研究和揭示，成為大氣物理學(xué)關(guān)于大氣邊界層物理這部分教科書的經(jīng)典內(nèi)容。

但是多年來限于天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)觀測(cè)的局限（傳統(tǒng)只有稀疏的地面觀測(cè)和更稀疏的探空觀測(cè)，只能支撐大尺度天氣系統(tǒng)的分析），在這個(gè)觀測(cè)基礎(chǔ)上，以及在應(yīng)用層面把握大尺度天氣背景的可行性和有效性足夠的原因下，天氣尺度分析也成為預(yù)報(bào)員的幾乎全部工作內(nèi)容。

湍流過程過去罕有被預(yù)報(bào)員觀察和分析，這也是產(chǎn)生“鋒前增溫”錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的背景原因。現(xiàn)在，我們有了更多的可以捕捉更小尺度大氣信息的各種非常規(guī)觀測(cè)，在業(yè)務(wù)中分析出湍流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果并不難。

上面已經(jīng)利用了1月2日北京海淀觀測(cè)站的地面觀測(cè)、和其附近的PM2.5濃度監(jiān)測(cè)資料展示了冷空氣下沉增溫的結(jié)果，下面再匹配上風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)、云高儀觀測(cè)等資料，這個(gè)暖空氣突破浮力下沉到地面的過程就不難看出了。

上圖可以清晰的看到18時(shí)左右和20時(shí)左右的兩次較大風(fēng)速脈動(dòng)和下傳過程，云高儀展示出的氣溶膠變化與其完美對(duì)應(yīng)：

6、大尺度環(huán)境風(fēng)強(qiáng)度是關(guān)鍵

有幾個(gè)問題：什么時(shí)候冷空氣下山有下沉增溫，增溫幅度如何？增溫速度如何？什么時(shí)候冷空氣在平原冷墊上滑過，什么時(shí)候可以一鼓作氣下山吹散霧霾？

其實(shí)都是一個(gè)答案：大尺度背景的低空風(fēng)有多大，匹配的山上山下位溫差有多大。

位溫差越大，下沉增強(qiáng)自然越顯著，但是位溫差越大，浮力越強(qiáng)，下沉的難度越大。

越強(qiáng)的低空風(fēng)（大尺度天氣系統(tǒng)決定）產(chǎn)生越強(qiáng)風(fēng)切變，產(chǎn)生越強(qiáng)的向地面湍流交換，造成越強(qiáng)的地面陣風(fēng)，造成越強(qiáng)的吹散霧霾能力。

時(shí)間上，湍流從邊界層頂發(fā)動(dòng)到達(dá)地面，可以在20分鐘內(nèi)完成，所以這也就輕松解釋了為什么會(huì)一個(gè)小時(shí)內(nèi)升溫7、8℃。

原則上如此，具體問題具體分析，因?yàn)椴煌牡匦巍⒉煌娘L(fēng)速分布，不同的氣溫分布的存在，造成即便是同一次過程不同的地方情況也不一樣。

最后，上一張昨夜（1月4日夜間5日凌晨）厚此薄彼的下山冷空氣，所造成的護(hù)佑京津不管保定石家莊的圖來說明這一點(diǎn)：

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