2018, Vol. 38
2. 国家气象中心，北京 100081
2. National Meteorological Center, Beijing 100081, China
近年来，西北太平洋爆发性气旋呈现增加态势。爆发性气旋是指气旋中心气压值(考虑地转调整到60°N)在24 h内下降24 hPa以上, 即气旋中心气压加深率大于1 hPa·h-1的快速发展的气旋[1]。统计表明，1979—1988年平均西北太平洋近海发生的爆发性温带气旋每年至多1例[2]，但是近年来爆发性气旋不仅发生频率提高，发生位置也更接近陆地，对我国造成的影响也显著增加[3]，爆发性气旋带来的大风、短时强降水，给人们的生产生活造成了极大影响，因此开展爆发性气旋研究对防灾减灾有重要意义。
目前关于西北太平洋爆发性气旋的研究已取得一些成果，主要包括诊断分析和数值模拟方面。研究表明，爆发性气旋多发生在500 hPa高空槽前，急流区出口左侧[1]。西北太平洋暖流——黑潮及其延伸体区为爆发性气旋提供了有利的气候背景[4-5]。爆发性气旋的发生发展理论主要有动力不稳定或斜压不稳定理论[6-7]，以对流层顶折叠、急流动量下传为主的强上层强迫过程理论[8-9]等。李长青和丁一汇[10]的研究表明，爆发性气旋的形成需要一定的有利大尺度环境条件, 包括海洋沿岸的位势不稳定大气层结, 海上副高西侧暖湿气流输送, 高空急流出口区北侧的动力辐散。Yoshida and Asuma[11]研究发现，亚洲大陆冷空气入侵有利于爆发性气旋的发展，爆发性气旋的中低层存在较强的斜压区。秦增灏等[12]得出了西北太平洋爆发性气旋具有连续爆发的特性，中国近海和西北太平洋爆发性气旋以3月最多, 其次为12月和1月，最多月份可发生7个以上等结论。数值模拟方面，郭大梅和丁治英[13]利用PSU/NCAR MM5模式，对爆发性气旋进行研究，得出潜热释放导致对流层顶和等温面抬升，气流在高层上升冷却形成扰动槽，其适应过程使高层出现惯性不稳定，惯性不稳定会导致气旋加强与降水加强，进一步使潜热释放增加，这种正反馈机制有利于气旋发展。赵洪等[14]分别应用MM5和WRF模式对一次爆发性气旋进行模拟并对所得结果进行比较，指出WRF模式能更好地模拟爆发性气旋的一些特点。
根据前人经验，本文利用美国国家环境预报中心(NCEP)的FNL格点资料和大气数值模式WRFV3.5对2012年1月10—13日发生的一次爆发性气旋过程进行诊断分析和海温敏感性试验，研究此次爆发性气旋的一些特性。
1 演变过程2012年1月10日18 UTC在海平面气压图上，日本以东洋面(143°E，35°N)有风切变加强形成环流并开始出现闭合等压线，11日00 UTC气旋中心气压降低率大于1 hPa·h-1，开始爆发性发展，逐渐向东北方向移动，强度逐渐加强，12日18 UTC气旋中心气压降低率小于1 hPa·h-1，爆发性发展结束。气旋位置由FNL资料的海平面气压最小值确定，图 1是气旋从爆发性发展开始到结束的移动路径。10日18 UTC气旋位于日本本州岛以东洋面(143°E，35°N)上，之后气旋向东北偏东方向移动，移动速度较快，并于1月11日18 UTC发生第一次折向，折向位置为(161°E，40°N)，方向变为东北偏北，移动速度略有下降，12日00 UTC气旋中心气压降低率达到最大，之后速度明显减慢，12日06 UTC第二次折向，位置为(164°E，48°N)，方向折向西北偏北，移动缓慢，最后在堪察加半岛南侧(161°E，52°N)逐渐减弱。图 2是中心气压及其降低率图，可以看出11日00 UTC至11日12 UTC气旋发展较为平稳，中心气压降低率约为1.6 hPa·h-1, 11日12 UTC后气旋进一步发展，从11日12 UTC至12日00 UTC的12 h内气压降低了约26.3 hPa，整个过程气压降低了约63.9 hPa，12日00 UTC中心气压降低率达到最大的2.7 hPa·h-1，根据Sanders[15]对爆发性气旋强度的分类，即弱(1.0~1.2 hPa·h-1)、中(1.3~1.8 hPa·h-1)和强(≥1.8 hPa·h-1)爆发性气旋，此时气旋中心气压降低率大于1.8 hPa·h-1，为强爆发性气旋级，且此时气旋发展最为剧烈，本文也将着重研究这一时刻气旋的发展状况。12日18 UTC气旋中心气压达到最低值944.9 hPa，中心气压降低率小于1 hPa·h-1，爆发性发展结束。
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图 1 2012年1月11日0000 UTC—13日0600 UTC气旋中心(由FNL海平面气压资料确定)的移动路径(实心圆为爆发过程，空心圆为未爆发过程) Fig.1 The trajectory of cyclone center determined by the FNL sea level pressure data from 0000 UTC 11 to 0600 UTC 13 January 2012 (Solid dots represent the outbreak process, and the dashed dots represent the non-outbreak process) |
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图 2 气旋中心气压(红色虚线；单位：hPa)和中心气压降低率(黑色虚线；单位：hPa·h-1)的时间序列 Fig.2 Time series of cyclone central pressure (red dashed line; units:hPa) and its reduction rate (black dashed line; units:hPa·h-1) |
根据前文分析，1月11日00 UTC为气旋爆发性发展开始时刻，1月12日00 UTC气旋中心气压加深率最大，发展最旺盛时刻，1月12日18 UTC为气旋中心气压最低时刻，这三个时刻能反应气旋整个爆发过程，故选择这三个时刻对气旋过程进行分析。
1月11日00 UTC，200 hPa位势高度(图 3a)气旋位于高空急流轴中心偏左，总体上利于辐散，有助于气旋的发展。500 hPa位势高度(图 3b)，库页岛至朝鲜以北的区域存在一个槽，槽后有冷平流，未来该槽会进一步发展，该槽发展对下游气旋发展有利。850 hPa位势高度(图 3c)气旋上游有较强冷平流，对应500 hPa是高空槽前，冷平流随高度减弱有利于高空槽的发展，也有利于气旋发展。海平面气压图(图 3d)上气旋式环流加强，风场有明显的辐合，抬升加强，气旋将进一步发展。1月12日00 UTC，200 hPa位势高度(图 4a)气旋位于急流出口区左侧，急流区左侧一般为强辐散区，根据200 hPa辐散区图可以看出气旋中心高空正对应强辐散区，这对气旋发展十分有利。500 hPa位势高度(图 4b)，气旋发展十分旺盛，向上伸展到了对流层中层，此区域对应一个大槽，槽后有冷平流，槽前是较强的暖平流，根据天气学原理，槽还会继续加深，并向着槽前负变压区移动，有利于气旋的发展。850 hPa位势高度(图 4c)气旋中心对应一个低涡中心，低涡东南侧存在较强的暖舌，低涡中心对应槽的槽前仍是较强的暖平流，该结构对应底层是较强的锋面结构，等温线密集且与等高线交错，斜压性较强。海平面气压图(图 4d)，形成了一个深厚强大的气旋系统，冷锋前对应强西南到南风，将低纬度的暖湿气流源源不断的向气旋中心输送，为气旋的发展提供充足的能量。1月12日18 UTC，200 hPa位势高度(图 5a)气旋中心远离急流出口区左侧，辐散明显减弱。500 hPa位势高度(图 5b)，低涡中心西侧槽后有暖平流，该槽将减弱，且东侧暖平流有减弱的趋势，随着东侧暖舌的南撤，低涡中心将受到冷平流控制，逐渐填塞减弱。850 hPa位势高度(图 5c)低涡东南侧冷平流有减弱的趋势，使对应东侧高空槽的发展减弱，等温线梯度有减小的趋势，对应锋面结构有减弱的趋势。海平面气压图(图 5d)，中心气压值达到最低，风场辐合明显减弱，气旋长轴直径超过2 500 km。爆发性气旋整个发展过程的前期在库页岛与堪察加半岛之间存在一个气旋，该气旋为爆发性气旋的生成提供了有利的西南气流背景风场与气旋性风切变，并且在中后期稍有加强而影响了爆发性气旋的更进一步发展，两气旋之间风速较低产生互旋[16]，影响了爆发性气旋的前进方向，最终与将要结束的爆发性气旋合并，加速了爆发性气旋的结束。
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图 3 2012年1月11日0000 UTC天气图(实心圆为气旋中心)：(a)200 hPa位势高度(黑色实线；间隔10 dagpm)和全风速(蓝色虚线；间隔20 m·s-1)；(b)500 hPa位势高度(黑色实线；间隔4 dagpm)和气温(红色虚线；间隔4 ℃)；(c)850 hPa位势高度(黑色实线；间隔4 dagpm)和气温(红色虚线；间隔4 ℃)；(d)海平面场气压(实线；间隔5 hPa)和风场(箭矢；单位：m·s-1) Fig.3 Weather maps at 0000 UTC 11 January 2012 (Solid circle is the cyclone center):(a) 200 hPa geopotential height (black solid contours; 10 dagpm interval) and full wind speed (blue dashed contours; 20 m·s-1 interval); (b) 500 hPa geopotential height (black solid contours; 4 dagpm interval) and air temperature(red dashed contours; 4 ℃ interval); (c) 850 hPa geopotential height (black solid contours; 4 dagpm interval) and air temperature (red dashed contours; 4 ℃ interval); (d) sea level pressure (solid contours; 5 hPa interval) and surface wind (arrows; units: m·s-1) |
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图 4 2012年1月12日0000 UTC天气图(实心圆为气旋中心；图b中棕色实线表示槽线；图d中蓝色实线表示冷锋，直线EF用于垂直剖面分析)：(a)200 hPa位势高度(黑色实线；间隔10 dagpm)和全风速(蓝色虚线；间隔20 m·s-1)；(b)500 hPa位势高度(黑色实线；间隔4 dagpm)和气温(红色虚线；间隔4 ℃)；(c)850 hPa位势高度(黑色实线；间隔4 dagpm)和气温(红色虚线；间隔4 ℃)；(d)海平面场气压(实线；间隔5 hPa)和风场(箭矢；单位：m·s-1) Fig.4 Weather maps at 0000 UTC 12 January 2012(Solid circle is the cyclone center.Brown solid line represents the trough in Fig. 4b.In Fig. 4d, blue solid line represents the cold front and line EF is used for the analysis of vertical cross section):(a) 200 hPa geopotential height (black solid contours; 10 dagpm interval) and full wind speed (blue dashed contours; 20 m·s-1 interval); (b) 500 hPa geopotential height (black solid contours; 4 dagpm interval) and air temperature (red dashed contours; 4 ℃ interval); (c) 850 hPa geopotential height (black solid contours; 4 dagpm interval) and air temperature (red dashed contours; 4 ℃ interval); (d) sea level pressure (solid contours; 5 hPa interval) and surface wind (arrows; units: m·s-1) |
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图 5 2012年1月12日1800 UTC天气图(实心圆为气旋中心)：(a)200 hPa位势高度(黑色实线；间隔10 dagpm)和全风速(蓝色虚线；间隔20 m·s-1)；(b)500 hPa位势高度(黑色实线；间隔4 dagpm)和气温(红色虚线；间隔4 ℃)；(c)850 hPa位势高度(黑色实线；间隔4 dagpm)和气温(红色虚线；间隔4 ℃)；(d)海平面场气压(实线；间隔5 hPa)和风场(箭矢；单位：m·s-1) Fig.5 Weather maps at 1800 UTC 12 January 2012 (Solid circle is the cyclone center):(a) 200 hPa geopotential height (black solid contours; 10 dagpm interval) and full wind speed (blue dashed contours; 20 m·s-1 interval); (b) 500 hPa geopotential height (black solid contours; 4 dagpm interval) and air temperature (red dashed contours; 4 ℃ interval); (c) 850 hPa geopotential height (black solid contours; 4 dagpm interval) and air temperature (red dashed contours; 4 ℃ interval); (d) sea level pressure (solid contours; 5 hPa interval) and surface wind (arrows; units: m·s-1) |
为研究爆发性气旋中心温湿结构，本文选取了爆发性气旋中心气压降低率最大时刻并以爆发性气旋中心为中心，沿经向左右各跨13个经度的垂直剖面图(图 4d)。主要从锋面，相当位温，位势涡度，垂直散度和风速等方面对爆发性气旋进行研究。由相当位温图(图 6a)分析可得，12日00 UTC, 气旋中心存在明显的暖舌，和台风中的暖心结构类似，由积云对流产生的凝结潜热释放到对流层中高层，使中高层气压升高，辐散加强，高空辐散且加热使地面气压降低，地面环流加强，有利于爆发性气旋的发展。气旋西侧的冷锋已十分接近气旋中心，呈现准垂直形态，可知锋面发展十分强烈，锋面越接近气旋中心，冷锋引起的气旋中心暖湿空气抬升越强，地面辐合增强，中心气压降低率也随之增大。由位涡图(图 6b)分析可得，气旋中心上空对流层中低层出现了一个较大的位涡中心，中心涡度达到了3 PVU以上，Hoskins et al.[17]关于高层位涡下传理论指出，对流层上部或平流层的位涡扰动下传，可以引发对流层下部以及地面的气旋性发展。气旋西侧冷空气势力较强，相当位温线出现“鼻”状结构，再配合高位涡的条件，对流剧烈，水汽凝结释放潜热，促进气旋发展。由垂直散度(图 6c)分析可得，对流层中低层存在一个强辐合中心，中低层辐合中心向东倾斜向上，对流层中层650 hPa附近存在一个强的辐散中心。低层强辐合中心表明低层强烈的气旋式环流并且存在强上升运动，对气旋发展有利，而对流层中层的辐散中心使该层的干冷空气被吸入，冷空气能加强低层较暖湿空气的抬升。根据风速垂直分布(图 6d)分析可以看到，12日00 UTC对流层高层对应一个强辐散中心，根据达因补偿原理，高空强辐散中心对低层的辐合发展有利。同时低空有一支较强的低空急流发展，对流层低层强低空急流能增强低层的抬升，对气旋发展有利。
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图 6 2012年1月12日0000 UTC爆发性气旋的垂直结构：(a)相当位温(黑色虚线；间隔4 K)和温度(黑色实线；间隔4 ℃)；(b)相当位温(红色虚线；间隔4 K)和位涡(黑色实线；间隔1 PVU；1 PVU=10-6 K·Pa-1 m·s-1)；(c)散度(单位：10-5 s-1)；(d)风速(间隔5 m·s-1；灰色实心圆表示低空急流轴位置，黑色实心圆和箭矢表示地面气旋中心位置) Fig.6 Vertical structures of the explosive cyclone along the line EF at 0000 UTC 12 January 2012 (The location of the cyclone center is indicated by the black solid circle and the arrow):(a) equivalent potential temperature (black dashed contours; 4 K interval) and air temperature (black solid contours; 4 ℃ interval); (b) equivalent potential temperature (red dashed contours; 4 K interval) and potential vorticity (black solid contours; 1 PVU interval; 1 PVU=10-6 K·Pa-1 m·s-1); (c) divergence (units:10-5 s-1); (d) wind speed (5 m·s -1 interval; Gray solid dot represents the potion of jet stream axis at lower troposphere) |
由12日00 UTC云水含量图(图 7a)分析可得，气旋中心东侧和北侧对应的云水含量很高，配合图 7c可知云体发展旺盛，水汽辐合较好，比湿较大，而西南象限则是云水含量较低，比湿较低。由风速垂直分布(图 6d)可以得到，12日00 UTC气旋中心东侧对流层低层有低空急流，大约在850 hPa。根据12日00 UTC 850 hPa风速相当位温图(图 7c)，气旋东侧存在一支强而窄低空急流，风速在40 m·s-1以上，方向为东南风，此低空急流对应强暖平流，暖舌由南向北发展于锋区上，综合850 hPa比湿图(图 7b)分析，气旋东南象限的高比湿区，配合东南风为气旋中心提供源源不断的水汽与能量，爆发性气旋的螺旋结构十分明显，低纬度高水汽含量的空气被“吸入”气旋中心，有利于气旋的发展。
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图 7 2012年1月12日0000 UTC水汽分布(实心圆为气旋中心)：(a)云中水含量(间隔0.5 kg·m-2)；(b)850 hPa比湿(间隔0.5 g·kg-1)；(c)850 hPa水平风速(蓝色阴影；间隔5 m·s-1)和相当位温(红色虚线；间隔4 ℃) Fig.7 Water vapor distributions at 0000 UTC 12 January 2012 (Solid circle is the cyclone center):(a) cloud water content (0.5 kg·m-2 interval); (b) 850 hPa specific humidity (0.5 g·kg-1 interval); (c) 850 hPa horizontal wind speed (blue shaded areas; 5 m·s-1 interval) and equivalent potential temperature (red dashed contours; 4 K interval) |
爆发性气旋多在冬春季海上爆发，考虑到海上海温(SST)和陆地气温有较大差异，故对SST进行了敏感性试验来检验SST对爆发性气旋的影响。选择了WRF模式对此次过程进行模拟。表 1为WRF模式参数设置。FNL数据为原始过程，不改变SST为控制试验过程，将SST分别增加和降低2 K为试验过程。综合图 8和图 9可以看出，SST改变对气旋中心气压变化影响较大，对移动路径影响较小，相对于控制试验，SST增加2 K试验使气旋中心气压降低，SST降低2 K试验使气旋中心气压升高。控制试验和海温敏感性试验中爆发性气旋的中心气压都比FNL再分析资料分析的爆发性气旋中心气压要低，这可能与模式在插值过程产生的误差和模式本身误差有关。这些影响需要对模式本身的物理过程进行详细研究。而且SST改变对气旋中心气压改变不是线性响应，在改变相同的SST且改变幅度较小的情况下，相比于SST减少，爆发性气旋中心气压对SST增加的响应更明显，也即较高温度下气旋中心气压对海温更敏感。
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表 1 WRF模式主要参数设置 Table 1 Setting of main parameters in WRF model |
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图 8 模拟与观测气旋中心移动路径的比较(黑色实线是气旋中心移动路径；红色虚线是SST减少2 K，绿色虚线是SST增加2 K，黑色虚线是SST不变；相邻点的时间间隔为6 h；实心圆代表爆发过程，空心圆代表未爆发过程) Fig.8 Comparison of the trajectory of cyclone center of observations with those of simulations (Black solid line represents the trajectory of the cyclone center determined by the FNL sea level pressure data.Red dashed line represents SST minus 2 K, green dashed line represents SST plus 2 K, and black dashed line represents control test.The time interval between adjacent points is 6 h.Solid dots represent the outbreak process, and the dashed dots represent the non-outbreak process) |
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图 9 WRF模式模拟和FNL资料确定的中心气压时间序列(黑线为FNL资料，红线为SST减少2 K，橙线为SST增加2 K，蓝线为SST不变) Fig.9 Time series of the central pressure determined by WRF simulations and FNL data (Black line represents FNLdata.Red line represents SST minus 2 K, orange line represents SST plus 2 K, and blue line represents control test) |
本文对2012年1月10—13日发生在西北太平洋的一次爆发性气旋进行了诊断分析，并对SST做了敏感性试验，主要结论如下。
气旋于2012年1月11日00 UTC在日本以东开始爆发性发展并向东北方向移动，经历2次转向后在勘察加半岛南侧发展结束；气旋发展过程中，中心附近的强锋面结构以及暖心结构为气旋发展提供了有利动力和热力条件，锋面结构接近气旋中心时气旋能快速发展，当锋面远离气旋中心且逐渐锢囚后气旋会减弱；对流层高层和平流层的高位涡区下传对海平面的气旋式环流加强有利，进而使辐合上升增强；倾斜上升的气流使空气流入流出更加有序，气旋结构更稳定，对流层中层的干冷空气被吸入对中小尺度的垂直环流有利；低空急流使对流层中低层的不稳定加强，辐合抬升加强，并向气旋中心输送充足的水汽与能量；SST敏感性试验表明，SST在一定范围内变化对气旋的移动路径影响不大，对气旋中心气压降低影响较大，且气旋的爆发性发展对SST增加的敏感程度要大于SST降低。
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