摘要：反常識氣象基礎知識：上空的冷空氣其實存在比地面暖的潛在屬性。所謂“鋒前增溫”實際是由鋒后冷空氣的下沉干絕熱增溫效果導致。下沉是由中低空風切變導致的湍流向下交換來實現的。中低空風速的大小決定了下沉的強度和效率，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超前于地面。邊界層頂強風切變導致湍流向下的這種過程早已被前人研究和揭示，成為大氣物理學教科書的經典內容，但是多年來限于業務觀測的局限和天氣尺度分析的習慣，這種過程過去罕有被預報員觀察和分析。本文綜合1月2日夜間北京海淀觀測站的地面觀測、風廓線雷達觀測、云高儀觀測以及PM2.5濃度等資料清晰地展示了這個過程。

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

一、反常識認知：上冷下暖的對流層其實潛在溫度是上暖下冷的。

這個知識點是理解空氣溫度的基礎，所以必須先講。

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

這個常識背后隱藏著很多的秘密，導致了很多反常識的錯覺，要想理解這些就不得不點開一些物理學技能了。

2、氣壓和升降：空氣是有質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，所以上圖中縱坐標既可以是氣壓也可以是高度，空氣上升過程等價于減壓過程，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動劇烈程度的宏觀表現，代表了氣塊熱量的多少。如果氣壓發生了變化，哪怕氣塊與外界沒有熱量交換（所謂絕熱），它的熱量（溫度）也會變化。升壓會導致升溫：因為一個低氣壓空氣塊只有被外界壓縮體積變小，氣壓才會升高，而被外界壓縮就意味著外界對它做了功（這里需要回憶中學物理），于是功轉化為熱能導致氣塊溫度升高，反之降壓會導致降溫。

4、空氣垂直運動：空氣上升就必然會降壓降溫，下沉就必然會增壓升溫，這不是因為上圖中對流層的氣溫上冷下暖，而是因為氣壓上低下高。由于空氣垂直運動總在各種情況地進行，而且會影響到天氣的方方面面，所以必須考慮空氣垂直運動帶來的氣溫變化。

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，溫度會是多少？為了解決這個問題，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（一個標準大氣壓、平均海平面的氣壓）時候所具有的溫度。位溫的英文是Potential temperature（潛在溫度），細想一下其實“位”的中文翻譯很準確傳神而簡潔，但它的多義性會讓人懵，對于普通人而言顯然還是潛在溫度更容易理解。

上圖北京探空觀測中的溫度如果換成位溫會是怎樣的曲線呢？如下圖

可以看到哪怕在對流層內，空氣的潛在溫度（位溫）也是上暖下冷的。

其實這才是氣溫垂直分布的真諦：既然暖空氣都會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為降壓了而已，只要給它一個機會回到地面，熱死人不償命的。比如對比上兩圖可知：北京3公里高處-16℃的空氣塊，如果絕熱來到地面，氣溫會超過10℃。

6、所謂“鋒前增溫”實際是由鋒后冷氣團內的下沉干絕熱增溫效果導致。

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

二、中低空風切變導致的湍流運動是實現空氣下沉的機制

上面太枯燥了，下面我們都用一個實例來說事：

1、北京海淀冷空氣升溫、驅散霾

1月2日傍晚，海淀國家氣象觀測站，冷空氣下山造成升溫。

同時驅散了霾：

面上的情況如下：

2、經典冷空氣和冷鋒

從宏觀上來說，冷氣團侵入暖氣團時，因為冷密度大暖密度小，所以一定是冷空氣從底部切入暖空氣側，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，最典型就是我國冷空氣到南方時，這個鋒區坡面非常緩，有時候地面冷鋒甚至超前2公里高度鋒面位置數百公里。

3、非經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太行山燕山移向華北平原的時候，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，高原邊界層會被日曬加熱，平原邊界層會因輻射降溫，這樣高原來的冷空氣比平原地面空氣更“暖”的程度也會大大增加。

反過來，這個浮力給冷空氣踩了剎車。在這種作用下，焚風下山只會作用離山非常短的距離，風力也會小很多。這就是很多時候華北平原霧霾驅散不給力的情形。就如前幾天我曾發的那圖的情形《》：

也正是因為這個原因，冷空氣過華北時，冷鋒常常沒法畫。100多年前適用于大尺度天氣系統的經典鋒面和氣團理論、以溫度鋒區來界定冷暖氣團的理論、二維的沒有考慮沒有考慮垂直運動和邊界層特性的理論，在華北地區冷空氣下山這種情況下是不完全適用的。

“鋒前增溫”就是機械套用經典理論的錯誤認知，基于溫度劃分鋒面，導致分析鋒面遠落后于實際鋒面，將冷空氣下沉增溫區域放在了鋒前。然后基于錯誤認知的增溫解釋只能是錯上加錯了。

而焚風機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節，有浮力bug，關鍵還是下面說的機制。

4、中低空風切變導致的湍流運動是實現“暖”空氣下沉的機制

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？

在經典的大尺度天氣分析中，基本考慮的是槽后有下沉運動、反氣旋高壓內有下沉運動，實際上這是大背景的次級環流層面的概念，這些運動是不能讓空氣運動下沉到地面的，其風速量級也很微小，大尺度下沉運動提供的是背景，影響的是邊界層之上的自由大氣層。很多時候我們在談論它的時候（比如過去解釋副高內、槽后高溫天氣時），只為了簡便而默認了其下沉到地面，這也沒有大毛病，因為最終下沉效果會通過邊界層湍流運動影響到地面。

在經典的中尺度天氣分析中，考慮的下沉運動主要是上冷下暖的密度流，是下擊暴流。與大氣邊界層內干空氣下沉的情形完全不同。

不論大尺度下沉運動還是對流下沉運動，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的湍流。

其實，大氣邊界層的空氣運動大多都是湍流尺度！

不論是地面上刮的水平大風，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，因為它是遠比前面所講的溫度、氣壓、位溫這些概念更加專業更深更難得多的氣象知識。傳說某個量子力學的奠基者就是因為搞湍流搞不下去郁悶了才轉專業的，這個故事也暫時略過吧。下面只照搬大氣邊界層物理學教科書中的結論來闡述這個冷空氣下沉的過程。其實就一張圖可也：

邊界層大氣湍流運動的發動主要有兩種情形：

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

2）動力發動：風只要不均勻，只要有切變就可以產生湍流，風切變越大，湍流越強，這是自上而下的，因為高空風大，近地面風小，白天夜間均可發動，夜間湍流只能由動力發動。

實際上，冷空氣下沉增溫的具體過程簡單描述就是：在夜間，冷空氣過華北平原的時候，由于平原近地面位溫比山上低，山上的地面風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）大風先到先過，然后由強風切變產生湍流交換，將動量和質量交換依次向下交換：動量交換的結果是大風下傳，地面遂起大風，質量交換的結果是就是下沉增溫。

前面我說的這些都來源于成熟理論，沒有什么質疑空間，但是我有沒有觀測證據呢？當然是有的。

5、中低空風切變導致的湍流運動實現“暖”空氣下沉機制的實證

如前所說，邊界層頂強風切變導致湍流向下的這種過程早已被前人研究和揭示，成為大氣物理學關于大氣邊界層物理這部分教科書的經典內容。

但是多年來限于天氣預報業務觀測的局限（傳統只有稀疏的地面觀測和更稀疏的探空觀測，只能支撐大尺度天氣系統的分析），在這個觀測基礎上，以及在應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報員的幾乎全部工作內容。

湍流過程過去罕有被預報員觀察和分析，這也是產生“鋒前增溫”錯誤認識的背景原因。現在，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觀測，在業務中分析出湍流運動的結果并不難。

上面已經利用了1月2日北京海淀觀測站的地面觀測、和其附近的PM2.5濃度監測資料展示了冷空氣下沉增溫的結果，下面再匹配上風廓線雷達觀測、云高儀觀測等資料，這個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時左右和20時左右的兩次較大風速脈動和下傳過程，云高儀展示出的氣溶膠變化與其完美對應：

6、大尺度環境風強度是關鍵

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

其實都是一個答案：大尺度背景的低空風有多大，匹配的山上山下位溫差有多大。

位溫差越大，下沉增強自然越顯著，但是位溫差越大，浮力越強，下沉的難度越大。

越強的低空風（大尺度天氣系統決定）產生越強風切變，產生越強的向地面湍流交換，造成越強的地面陣風，造成越強的吹散霧霾能力。

時間上，湍流從邊界層頂發動到達地面，可以在20分鐘內完成，所以這也就輕松解釋了為什么會一個小時內升溫7、8℃。

原則上如此，具體問題具體分析，因為不同的地形、不同的風速分布，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，所造成的護佑京津不管保定石家莊的圖來說明這一點：

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