6．4．2 冷空气南下过程中的结构及其变化
1．南下冷空气降温强度的垂直分布
受南下冷空气的影响，地面和低空都会出现降温。而且是冷空气愈强，降温越大，冷空气越厚，降温层次越高。因为冷空气总是有一定的厚度，所以，每次冷空气活动都有一个最大的降温高度。最大降温高度既不在高空，也不在地面，平均在900～800hPa的高度。在这个高度上，锋区强，冷平流最强，当然，降温也最大。
最大降温高度随地区不同而差异。据实际资料统计分析，最大降温高度北方高于南方，平原高于高原(如图6.15)。平均每向北增加一个纬度，最大降温高度升高40m，其原因是冷空气离开源地南下，厚度将变薄。源地冷空气厚度可达5000m以上(500hPa)，到中高纬约3000m(700hPa)，再往南就变得更薄了，自然降温最大的高度也就降低。高原上由于空气的厚度小于平原地区，所以就出现上述情况。
各高度上的降温强度，平均来说也随纬度向南减小，而且是高层减小快低层减小慢，在最大降温高度上，平均每向南一个纬度约减小0.3℃。
2．南下冷空气过程中的厚度变化及三维路径
上述冷空气南下的厚度变薄，其原因可以在三维路径中看出。根据位涡守恒原理：
(6.1)
其中ζ是相对涡度，f是牵连涡度，ΔP是气柱的厚度。上式表示气柱的厚度与气柱本身所具有的绝对涡度成正比。在冷空气南下过程中，f是减小的。如果气柱相对涡度加大，流线呈气旋式弯曲，则气柱厚度变化不大，若流线呈反气旋式弯曲，则气柱厚度强烈收缩。因而，冷空气南下时的厚度就取决于冷空气运动的轨迹。冷锋后除靠近气旋区外的冷空气，在向南突出的冷高脊区大多数呈反气旋式运动，冷空气必然会扩散变薄。
如图6.16一次典型寒潮爆发过程中冷空气的三维路径，数字分别是12、24、36小时后的高度。由图可见，冷空气多半是反气旋式弯曲，因而气柱垂直收缩，伴有相应的下沉运动。如图中部的气块，36小时中，从640hPa下降到900hPa左右。只有在东北部有些路径呈气旋性弯曲，才基本上保持了其厚度，垂直运动不明显。
3．空中槽在冷空气南下中的作用
冷空气南下过程中不仅有厚度的变化，而且还有温度的变化。一方面由于冷空气与下垫面接触，非绝热加热使空气增暖，同时，还受到由垂直运动引起的绝热加热的影响，而且这项的作用还相当大。
例如(图6.17)，位于60°N的冷空气，其厚度为500hPa，下界在地面，开始时相对涡度ζ=0，取三条路径(A、B、C)到达30°N，其相对涡度分别为：A路径为-ωsin30°，B路径为0，C路径为2ωsin30°。根据(6.1)式有：
取地面为1000hPa，则此时冷空气顶高从500hPa降至850hPa。如果取500hPa高度为5800m，850hPa高度为1500m，则冷空气的厚度减少了5800-1500=4300m，即冷空气下沉了4300m。由绝热递减率：γd=1℃/100m，此时冷空气南下，下沉增温为43℃，同样可以算出B路径和C路径。结果如下
这说明极地冷空气取反气旋路径到达低纬时，变薄且增温较大；而冷空气取气旋式路径南下时，既能保持冷空气的厚度，又不会使冷空气迅速变暖，甚至当路径的气旋式曲率很大时，还可能出现增厚降温。