1 引言

锋面是气象学的传统研究领域。在中国，梅雨锋(郑永光等，2007)、华南准静止锋(杨贵名，2009; 侯俊等，2013)和昆明准静止锋等锋面的研究一直备受关注。昆明准静止锋(KQSF)是中国西南地区东部云贵高原上经常出现的天气系统，对它的研究可以追溯到20世纪中叶(Jong, 1950)。昆明准静止锋与华南准静止锋是冬季影响中国南方天气的重要系统，云、贵、川、桂等西南诸省均受其影响。尤其昆明准静止锋的存在直接导致了云、贵两地天气、气候迥异。研究早期已经认识到青藏高原地形的屏障作用使华南和华西经常有准静止锋存在(顾震潮，1951)；昆明准静止锋通常位于四川宜宾、贵州兴仁和云南广南一带，呈准南北向，有白天东退、夜间西进的日变化特征(樊平，1956)；准静止锋是青藏高原东部特殊地形的产物，是北方寒潮与青藏高原南支西风间的界面(杨鉴初等，1960)；青藏高原的屏障作用使青藏高原东侧形成一个“静水区”，有利于一些独特的地方性天气系统形成(叶笃正等，1979)。此后，有关昆明准静止锋的研究主要集中在天气学方面。对于锋面结构，段旭等(2002)曾利用探空资料进行多个例的昆明准静止锋合成，讨论了垂直结构，从气温、湿度、风向的角度总结锋前干暖、锋后湿冷等差异。陆庠(1982)则利用早期的2次个例云图简要说明了锋前、锋后的云系差异。杜小玲等(2010)则从2个典型个例对比分析了昆明准静止锋锋面结构的变化与异同。锋生研究是锋面研究的重点，杨洋等(1995)利用锋生函数对昆明准静止锋研究指出北部冷空气加强时, 引起锋生, 并导致锋面南移；李英(1999a)利用Q矢量的研究也指出冷空气南下，Q矢量增大区与锋生区有较好的对应。肖庆农等(1997)通过诊断分析指出锋生中地形具有关键的动力作用。王曼等(2009)利用地形减半对2008年1月昆明准静止锋个例的数值模拟验证了地形是锋面形成和维持的必要条件。昆明准静止锋活动主要影响之一是携带来(强)冷空气侵袭云南，如倒春寒(尤红等，2006)，此外锋面上冷、暖空气交汇背景下还会激发强对流天气(许美玲等，2011)，其中风雹(李英，1999b; 段玮等，2017)和春季暴雨较为常见(杜正静等，2015)。

在目前的天气预报业务中，昆明准静止锋锋面位置是预报员利用天气图来确定的，通常考虑气温、风向、云量、湿度等观测要素。这种主观识别方法对于单一的锋面系统是非常精准的，但如果天气系统比较复杂，主观识别的锋面有可能存在一些偏差，不同预报员的经验和对天气系统的认识也会对锋面位置识别产生一些差异。因此，使用客观方法来确定锋面位置，能消除主观认识上的偏差和差异，可在统计分析历史样本时节约大量的时间和人力, 并为昆明准静止锋的气候学研究提供基础。此外，判识技术也可在数值模式输出结果时自动给出锋面的预报位置。

锋面位置客观确定方法的研究最早由Renard等(1965)提出，认为可以依据锋面的温、湿度特性、用数值分析的方法客观确定锋面位置，同时指出虽然与手工绘制方法相比还有一些缺陷，但客观方法可逐步完善。在此之后，有关锋面判识方法的研究逐渐开展，但总体进展不快。Hewson(1998)提出热力学变量τ的三次差分量为0的区域通常是热力学变量梯度变化最剧烈的区域，利用这一特性，寻找出场中0等值线即可得到潜在锋线，其缺点是依靠单一要素判识。其实锋面还存在着风向、干湿等差异。McCann等(2001)通过地面水平温度梯度、1000—700 hPa厚度来确定锋面位置，然后利用1000—700 hPa温度平流判定冷锋、暖锋或静止锋。Hope等(2014)利用澳大利亚西部1999—2006年冬季锋面系统850 hPa风、温度梯度和湿球温度来确定锋面，并分析了锋面出现频率的变化特征。这些客观方法的天气学原理虽然基本相同，但建立在等压面基础上的判识原则上仅适用于地形变化不大的地区或者洋面。昆明准静止锋位于青藏高原东南侧的云贵高原中部。云贵高原的东、西区域并不在一个海拔平面。其实云南高原与贵州高原海拔相差600 m，由于地形差异自然带来了客观的气压差异，即不在一个等压面上，以往的研究成果不能直接应用。加之以往锋面判识的研究都是针对地域性天气、气候特点开展的，任何一种方法对于昆明准静止锋都不具备适用性，即目前尚未开展针对昆明准静止锋锋面的客观判识研究。本研究将借鉴前人的研究思路，结合昆明准静止锋的地域和气候特征，提出客观确定准静止锋位置的方法，并对其合理性进行验证，继而对昆明准静止锋的时、空分布特征进行统计分析。

2 方法的研究与介绍 2.1 资料

所用资料包括：(1)1961—2010年(20°—30°N，100°—110°E)区域内地面气象站逐日观测数据；(2)2008年1—2月ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析数据。

2.2 方法

客观判识方法是从昆明准静止锋是“两个气团的交界面”原则出发开展设计研发的，具体分解为热力(冷暖差异)、动力(东西风差异)与锋面水平尺度3个角度进行联合判识。判识条件的设定参考昆明准静止锋合成分析结果设定。客观判识方法的合理性分别从天气角度和气候角度开展。天气角度的验证采用单一典型个例和2008年1—2月连续典型锋面天气过程逐日对照进行分析验证。气候角度的验证采用锋面频次与典型要素的对应变化关系来分析讨论。典型要素包括：气团温差、日照时数、降水日数、冰冻天气日数。此外，研究中还用到天气图分析、锋生函数诊断分析、数据归一化变换与统计相关分析。基于昆明准静止锋客观判识结果的统计特征分析才采用常见的气候统计方法，如求和、平均、趋势分析等。

使用的锋生函数具体为：假设水平热力场为T，标量锋生函数F(朱乾根，2007)为

(1)

式(1)可分解为非绝热加热、垂直运动倾斜、水平辐散和水平变形等4项，在此仅分析总的锋生函数，4个分项则不具体讨论。F>0表示锋生，反之为锋消。用θ替换式(1)中的T，得到锋生函数F(θ)。

2.3 昆明准静止锋客观判识方法的设计与研究

昆明准静止锋是极地南下冷气团遇青藏高原和云贵高原阻挡后与西南暖气团对峙而形成的。影响中国95%以上的冷空气来自西伯利亚地区(朱乾根等，2007)，冷气团在南下过程中遇青藏高原大地形阻挡(青藏高原平均高度为4000—5000 m，而地面冷气团厚度一般低于此高度。因为500 hPa及以上等压面上基本不存在闭合冷高压)大多向偏东方向移动，绕过青藏高原东部后向南移动。冷气团南下到中国中东部后，其西侧再次受到云贵高原(西部平均高海拔2000 m以上)阻挡，加上冷气团在南下过程中的逐步变性减弱，一般强度的冷气团也难以越过云贵高原第二级台阶，极易被滞留在云贵之间，与云贵高原上暖气团对峙形成准静止状态(图 1)，即昆明准静止锋。进入准静止状态后，若无新冷空气补充，随着冷气团的变性减弱，昆明准静止锋会东退或消失；若有新的冷空气南下补充，则其有可能加强西进甚至变为冷锋影响云南大部分地区。

由于锋面系冷暖气团的交界面，因此利用表征热力状态的物理量来描述分析锋面位置，通常使用地面(或850 hPa)等温度(T)线的密集区(即最大值的连线(Renard, et al, 1965))来确定锋面位置。由于昆明准静止锋所处云贵交界地域内海拔高度起伏大，地面等温度线不在同一高度上，特别是锋面西侧暖区的海拔高度大多高于东侧的冷区，等温线受递减率影响导致减小，即暖、冷区地面温度对比不能反映锋面真实强度，甚至一些较弱的锋面位置也难以确定。因此，采用干绝热条件下温度变换的守恒量——位温θ表征不同气压(高度)的大气热力状况。用位温密集区，即地面最大值的连线表示昆明准静止锋锋面。

通常而言，锋面两侧气团除了冷暖差异外，还存在显著的干湿差异，但昆明准静止锋存在干、湿两种类型。图 2给出了干型(2008年2月5日08时)与湿型(2008年1月27日08时)典型个例对应的沿26°N湿度、纬向风垂直剖面及相应地面天气图。可见，干型时在天气图上绘制锋线，常常可以用地域间的云量差异来识别锋面位置，锋前(西侧)为干暖气团、云量较少，而锋后(东侧)则为湿冷气团、云量较多，阴湿与晴干的界面可较好地体现锋面位置(图 2a)；但如为湿型(图 2b), 如南支槽东移等情形下，就无法用云量来识别锋面位置。如果用湿度分析，可以看到干型昆明准静止锋情形下，锋面(103.5°E)两侧近地面和低空相对湿度差异较大，干湿界面清晰(图 2c)；而湿型下，西南水汽输送显著时，锋面(104.5°E)两侧近地面和低空相对湿度几乎相等(图 2d)，难以区分锋面位置。因此，不能用湿度场来客观确定昆明准静止锋位置。

除温度场(图略)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的风向切变。无论湿度场分布(图 2a、b)如何，东西风速0线(切变线)都能较好地指示锋面的位置(图 3c、d)。因此，可作为客观确定昆明准静止锋位置的必要条件。

通过以上讨论，设计客观确定昆明准静止锋位置的方法如下：

(1) 计算地面站点θ

(2)

式中，p为本站气压，R_d/c_pd取0.286。利用Cressman(1959)方法进行插值，站点θ插值到经纬网格点上，范围为(20°—30°N，100°—110°E)，格距取0.1°×0.1°(约10 km×10 km)。由于θ定义为空气沿干绝热过程变化到1000 hPa时的温度，因此，插值时避开了地形高度问题。

(2) 计算每个格点上的

(3)

式中，Δx和Δy取1个经纬距(约110 km)，根据南下冷气团与高原上暖气团为东、西分布的特点，差分计算时，Δx_i=x_i-5-x_i+5，Δy_i=y_i-5-y_i+5、(i, j)为格点坐标，起始点为(30°N，100°E)，格距取0.1°。当Δθ/Δx < 0或Δθ/Δy < 0，则令Δθ/Δx=0或Δθ/Δy=0，这样可以消除北暖南冷或西冷东暖等非昆明准静止锋系统产生的大值噪点。

在天气图上分析锋面，一般用一个经纬度内多于3条等温度线(间隔4℃)的密集区作为锋区(许美玲等，2011)，因此取≥8 K/110 km的格点作为锋线上的初选点。

(3) 计算每个≥8 K/110 km初选格点上的Δu=u_i-5-u_i+5。根据昆明准静止锋呈准南北向特征，一般情况下锋线格点上u_i=0、u_i-5>0、u_i+5 < 0、Δu>0。在昆明准静止锋增强西进或减弱东退时(段旭等，2002)，动力场变化常常先于热力场，即风向改变先于温度升降，这时u_i≠0。但无论是何种情形，越靠近风速0线附近风速的绝对值越小，因此有u_i-5>u_i+5，即Δu>0。考虑到吹向锋面的风速必须保证一定的梯度(东风梯度)，将判识临界值提高到Δu≤1 m/s，作为初选点删除的标准，保留剩余的为复选点。

(4) 依据昆明准静止锋准南北向特征和单一性，如果同一纬度上有二个以上复选点，取最大的点作为锋线点。将保留下来的点相连接，构成了客观计算的锋线。

(5) 云贵高原上地形和太阳辐射引起的局地动力和热力扰动较为频繁，易产生非昆明准静止锋系统的8 K/110 km或Δu≥1 m/s的噪点形成的小尺度锋线，根据昆明准静止锋为天气尺度系统这一特性，删去小于30个格点(尺度约300 km)构成的锋线。

3 方法与结果的分析验证 3.1 天气角度的分析验证

2008年1月中国南方地区出现罕见的低温冰雪天气，强冷气团持续堆积维持在华南地区是主要原因之一。此时，云贵高原东部(103°E以东)月气温距平-2—-4℃、西部(103°E以西)月气温距平3—5℃(段旭等，2009)，显著的温差导致昆明准静止锋异常活跃。为此，用2008年1—2月逐日资料，对锋面过程主、客观位置进行抽样检验和比较。

锋生函数是表征锋面活动物理意义充分并且直观的诊断量，因此给出了2008年1月10日—2月16日沿26°N的锋生函数经度-时间剖面以及对应的锋面位置(图 3)。由图 3可见，锋生锋消主要发生在云贵之间(102°—106°E)，103°—105°E是变化最大的区域，这与同期预报员对昆明准静止锋活动的认知是一致的。同时锋生锋消具有日变化特征，典型的如1月20—24日锋生锋消出现4个完整的日循环。在这一研究时段内，云贵地区系2008年初南方持续雨雪冰冻天气西部区域，也遭受了影响。分析可见，1月25日—2月14日锋生函数正值区的强度、范围都明显比前期增强、增大，尤其是2月4日—2月14日达到了强盛时期，关键的锋生正值区在空间、时间上都长时间持续。对于锋生锋消，锋面位置的解释不同。在锋生阶段锋面位置应该是锋生函数正梯度最大点；在锋消阶段，锋面位置是负梯度最大的点。对应锋生函数与客观判识的锋面位置可见，锋面基本位于锋生锋消的大值区边缘，即锋生函数梯度最大的地区。这说明客观判识的锋面位置是合理的。

以26°N线为横坐标，统计主、客观昆明准静止锋锋线与其相交点的夹角(α)和经度(L)来比较锋面位置。表 1给出了2008年1—2月昆明准静止锋样本主客观位置，统计发现两者之间的误差Δα在-33°—16°、ΔL在-0.9°—1.5°E，平均|Δα|=7.49°，平均|ΔL|=0.44°E。由于主观分析使用站点数据(平均站距20—30 km)，而客观计算则是用细网格(约10 km×10 km)数据，两者之间空间分辨率差异有可能导致0.1°—0.2°E的误差，因此，锋面位置的主、客观实际误差比统计误差要小。总体看，主客观锋线所处位置相差很小，客观计算基本可以代替主观分析。

为直观比较昆明准静止锋锋面主、客观方法，图 4给出2008年1月14日主、客观锋面位置。图 4a中的昆明准静止锋为14时地面天气上主观分析的位置。图 4b为地面资料客观判识的位置，图中实圆点是对锋线点的切比雪夫5次拟合(徐士良，2004)结果。比较可知，客观计算与主观分析的锋面形态和位置非常相似，特别是平滑后曲线形态几乎与主观分析一致。

图 4b中A、B、C等区域也存在θ密集线，由于不满足东西风风向切变或东风梯度条件，未被选入昆明准静止锋的锋线点，这与主观分析(图 4a)结果相符。另外，客观锋线点的唯一性(东西向)也验证了第3节判识方法的合理性。值得注意的是，主观定锋面受限于观测站点分布情况以及分析人员的主观性。

客观计算2008年1—2月共46 d有昆明准静止锋，其中1月2—3日连续2 d、1月12日—2月15日连续35 d、2月17—21日连续5 d、2月25—28日连续4 d。利用同期天气图进行锋面主观分析，除1月4日判断有锋面、与客观结果有出入外，其他锋面日期主、客观结果一致。图 5给出了1月4日主、观分析在贵州的威宁—兴义残留尺度较小的准静止锋地面图。按照客观判识中空间尺度应大于30个格点(尺度约300 km)构成的设定，这一锋面客观计算时被舍去。这类锋面还有一个关键问题是由于尺度小，其持续时间也较短(即消亡快)，常常达不到“准静止”的定义。因此其作为锋面是肯定的，但作为准静止锋舍弃是有合理性的。

综合以上分析可见，通过利用锋生函数时空变化、锋线走向对2008年1—2月逐日锋面过程主、客观判识结果的检验对比以及典型个例对比分析，证明综合考虑热力场、动力场和锋面系统空间尺度的昆明准静止锋客观判识方法是合理可行的。以主观分析结果为准，对2008年1—2月锋面客观判识结果的统计也显示准确率为46/47=97.87%，即锋面客观识别率非常高。

3.2 气候角度的分析验证

昆明准静止锋是南下冷空气受云贵高原地形阻挡后与云贵高原上暖气团对峙的结果，这里有3个直接关联的要素，云贵高原地形、冷气团和暖气团。云贵高原地形是不变的，它的作用是阻挡冷气团向西推进，其阻挡作用也是固定不变的。其他两个要素为冷气团和暖气团，它们是变化的，可以认为当冷气团达到一定强度时(能一定程度地克服地形阻挡)，冷、暖气团之间的强、弱与平衡是昆明准静止锋产生及其变化的关键因素。因此，可用冷、暖气团的温差变化来验证昆明准静止锋客观方法是首选变量。另外，昆明准静止锋极易伴随阴雨和冷害天气的产生，并直接导致云、贵的气候差异。冰冻天气、降水日数、日照时数等是表征昆明准静止锋气候影响的常见变量(段旭，2011b；许美玲等，2011)。这些变量的变化特征与其客观判识结果的相关关系自然也可以验证结果的合理性。

考虑1月昆明准静止锋次数最多，同时天气系统也相对单一和简单，气象要素变化的指向性强。因此，用1月的相关气候资料来验证客观方法计算的结果。图 6给出了1961—2010年逐年1月客观判识的昆明准静止锋累计天数与同期气团温差、冰冻天数、降水日数和日照时数的逐年变化。气团温差取昆明(代表锋前暖气团)与贵阳(代表锋后冷气团)逐年1月平均气温差值。冰冻天数、降水日数和日照时数取昆明准静止锋平均位置所在区域——云南东部昭通、曲靖和文山三州(市)27站逐年1月累计值。为便于比较，将5组数据进行了归一化处理。

从图 6a中可知，气团温差与昆明准静止锋具有较强的相关，其起伏变化几乎同步，气团温差与昆明准静止锋天数的相关系数为0.741通过了0.01的显著性水平检验，表明客观方法确定的昆明准静止锋能充分体现锋面两侧气团冷暖对比以及温度梯度的属性。

冰冻天气出现需要低温、高湿、小风条件下产生(段旭等，2010)。1月昆明准静止锋锋后较易达到冰冻天气产生的气象条件，即冷气团自身相对湿度较大，加上地面空气冷却凝结，大多数情况下具备产生雨凇和雾凇的水汽条件。因此，冰冻天气对昆明准静止锋的指向性很强。由图 6b分析可见，客观判识的昆明准静止锋天数与冰冻天气也保持着高同步性，相关系数为0.539，通过了0.01的显著性水平检验。这表明客观方法确定的昆明准静止锋是合理的。

图 6c、d分别为降水日数、日照时数与昆明准静止锋的逐年变化。降水日数多和日照时数少虽然都直观反映阴雨天气的多少，但两者的区别在于阴天不一定会有降水但会影响日照，因此阴雨天气不一定全部指向昆明准静止锋。从图 6c可知，降水天气与昆明准静止锋也保持较高的一致性变化，相关系数为0.521，通过了0.01的显著性水平检验。选取云南东部的威信站(乌蒙山以东，基本处于准静止锋后)和西部的腾冲站(高黎贡山以西，没有准静止锋影响)，通过分析1961—2010年1月平均降水日数变化可知，威信为24.7 d、腾冲为5.4 d，两者之比为4.6。即使南支槽和孟加拉湾风暴等西南暖湿系统在影响腾冲的同时也影响到了威信，威信受单一昆明准静止锋系统影响的比例仍然很高，也就是说降水日数对昆明准静止锋的指向性同样很强。而对比图 6d分析可知，昆明准静止锋与阴雨天气是正相关关系，而与日照为负相关，即在年际变化下，日照时数的多寡与昆明准静止锋频数多寡相反，相关系数为-0.436，也通过了0.01的显著性水平检验。

上述统计分析表明，客观方法确定的昆明准静止锋较准确地反映了气候变化的事实，从相对宏观的角度证实了客观方法的正确性和合理性。

4 基于昆明准静止锋客观判识结果的部分基础统计特征与验证

昆明准静止锋客观判识结果的优势在于避除了人为判识方面的主观性，其次对于历史上数十年逐日的昆明准静止锋人工定锋面在工作量上是巨大的，即使得以完成也不能保证质量。利用1961—2010年逐日相关地面观测数据，按第2节的判识步骤(1)—(5)，定量计算了50年全部锋线位置，按云贵高原上地面锋面至少维持2 d以上的昆明准静止锋定义标准(许美玲等，2011)，剔除仅维持1 d的锋线(冷锋或暖锋)，最后得到昆明准静止锋的客观位置。

从基于客观判识结果多年平均(1961—2010年)的昆明准静止锋频数年变化(图 7)可以看出，冬、春季(11月至次年4月)昆明准静止锋出现频率较高，月平均为11.83 d，夏、秋季(5—10月)较低，月平均为3.66 d，两者之比为3.23。其中，出现频率最高的为1月(14.38 d)，最低的为8月(0.86 d)。

图 8a给出了1961—2010年锋线样本的走向频率(arctanα_i)分布，绝大多数锋线呈北西北—南东南走向。其中，在111°—306°方位无昆明准静止锋，西北—东南走向(307°—330°)的占44.2%，南北走向(331°—30°)的占47.2%，东北—西南走向(31°—110°)的占8.6%(该方位昆明准静止锋主要受偏南位置冷气团西侧的东南路径冷空气影响所致)。通过求取平均(和)得到了昆明准静止锋的平均位置(图 8b), 具有准南北走向和位于云贵之间(昆明102.65°E、贵阳106.73°E)的特征。

综合以上对客观判识结果的分析，昆明准静止锋的基本特征是位于云贵之间, 呈现西北—东南走向, 出现频数冬春季多，夏秋季少。这与早期定性研究结果(Jong，1950; 樊平，1956)、天气图主观分析(段旭等，2010；许美玲等，2011)、云图(陆庠，1982)影像学等已有认知是一致的。这也进一步验证了本文提出的昆明准静止锋客观判识方法是科学合理的。

5 结论和讨论

根据昆明准静止锋的天气学特性，在综合考虑了云贵高原上热力场的垂直变化和水平梯度分布、风场的东西向切变和天气系统的水平尺度等要素的基础上，设计了客观确定昆明准静止锋的方法。经过典型天气过程分析和相关气候资料统计的验证，认为客观方法合理，对有无锋面的识别和锋面位置的确定基本符合主观分析的结果。

利用客观方法，计算和统计了1961—2010年出现的昆明准静止锋，给出了其出现天数的逐年变化和月平均分布、昆明准静止锋方位分布和平均位置，对昆明准静止锋的时空变化特征有了全面地认识。改变了由于巨大工作量导致对昆明准静止锋历史样本完整分析的限制和主观判断差异带来的分析结果的不一致性，为客观定量描述昆明准静止锋、快速查询历史个例和应用于天气预报精细化和数值化提供了一种途径。此外，通过客观方法的研究和验证，对昆明准静止锋的形态和成因有了一些新的认识。如昆明准静止锋方位分布和平均位置的定量特征，冷暖气团温差大小决定其活动频率而非气候变冷或变暖，降水日数、冰冻天气和日照时数与昆明准静止锋活动频率的密切相关性等。这为进一步研究昆明准静止锋的生消和进退机理提供了一些思路。

需要说明的是，在天气过程分析验证中发现客观确定昆明准静止锋的方法还存在一些问题，主要是锋线格点Δu≥1 m/s和大于30个格点构成锋线的判识条件是主观设定的，虽然也有一些理论和经验上的依据，但从客观定量的角度看，还需要进行统计试验来确定。此问题比较复杂，有待更近一步的研究。另外，云贵高原实质上是地形台阶式上升的地区，云南高原比贵州高原高600 m，直接利用地面气温表征昆明准静止锋锋前、锋后气团的热力状态有可能会导致弱化差异(主要是昆明一侧气团热力被低估)，采用统一高度的位温可能比简单地直接利用地面气温更能表征昆明准静止锋的热力状况、位置与强度。但需要注意的是坡度大地区地表与低层大气不是完全满足干绝热过程。这样将导致位温换算到1000 hPa会包含少许误差。综上，此项工作提供了一套可行可用的昆明准静止锋客观判识方法，为量化研究和应用等奠定了基础，但随着研究不断深化和可用资料(地基、空基等多源观测资料)不断丰富，昆明准静止锋的客观判识还有改进之处。