2021, Vol. 41
温带气旋是中高纬度每日“天气舞台”上最重要的“演员”[1]。一些温带气旋的中心气压能在短时间内迅速降低、气旋强度迅速增强，这类气旋被称为“爆发性气旋”(explosive cyclone, EC)。爆发性气旋可伴随大风、暴雨等恶劣天气，由于其破坏力巨大，往往会给海上作业和远洋运输等活动带来巨大危害。SANDERS and GYAKUM[2]首次定义在24 h内中心海平面气压值下降24 hPa以上，即中心气压变化率大于1 hPa·h-1(定义为1 Bergeron)的温带气旋为爆发性气旋。
傅刚等[1]系统回顾了温带气旋的研究历史，总结了爆发性气旋的研究现状，为了解爆发性气旋的研究历史提供了参考。国内外已有众多学者对爆发性气旋的分类[3-5]、气候学特征[1, 6-12]、环境背景场[2-3, 8, 13-14]和发展机制[8, 13, 15-24]等方面进行了广泛而深入的研究。爆发性气旋的分类大多以气旋最大中心气压变化率为主要依据，分为“弱气旋”“中等气旋”和“强气旋”三类[3]，或“弱气旋”“中等气旋”“强气旋”和“超强气旋”四类[4-5]。学者们通过统计分析发现，爆发性气旋多发生在西北太平洋和西北大西洋[2, 6-7]，且主要发生在冷季[2, 8-9]，在冷季爆发性气旋的发生频数有明显的月变化特征[11]。
由于爆发性气旋多发生在海上，可获得的观测资料稀少，仅用传统的观测资料很难满足研究爆发性气旋的迫切需要，而气象卫星为人们观测海上爆发性气旋提供了新的途径和方法。CloudSat卫星作为能够探测云垂直剖面信息的气象卫星，为人们研究爆发性气旋的垂直结构提供了帮助。1999年CloudSat卫星就被选为美国宇航局“地球系统科学探路者”卫星任务，2006年4月28日与CALIPSO卫星一起发射升空，其搭载的94 GHz云剖面雷达(Cloud Profiling Radar)能够“剖开”云系探测到冰水中更小的粒子。CloudSat卫星提供的产品中包括冰粒子有效半径、冰水含量和液态水含量等云微物理量的信息，为更加精细地研究云系结构提供了可能。
CloudSat卫星投入使用初期就有不少学者利用其提供的产品研究各种天气现象，目前较多的研究[25-27]是利用CloudSat卫星资料分析热带气旋。DURDEN et al.[28]使用CloudSat卫星资料研究热带气旋时指出，CloudSat卫星提供的云结构定性视图和云特性的定量估计与之前现场测量的基本一致。DURDEN的研究结论与其之后开展的有关CloudSat卫星资料的研究工作，提高了CloudSat卫星产品的可信度。
不少学者[29-30]也利用CloudSat卫星资料研究了温带锋面气旋，大多都得出了观测结果与温带气旋经典模型相似的结论。GOVEKAR et al.[31]利用CloudSat和CALIPSO卫星资料，首次研究了南半球气旋的三维结构，结果表明气旋周围云分布的三维结构与温带气旋概念模型一致。
CloudSat卫星产品为研究云系的垂直剖面结构提供了帮助，但由于极轨卫星无法对气旋个例进行连续的观测，目前CloudSat用于爆发性气旋的研究工作还较少。孙柏堂等[32]利用CloudSat卫星数据分析了一个爆发性气旋个例云微物理特性的垂直结构，发现冰粒子有效半径随高度递增而减小，冰粒子数浓度随高度递增而增多等特征。
本文选取发生在大西洋上的四个爆发性气旋个例，按照发生季节分为冬季和春季两组。分别为冬季W组：2011年2月11—15日(命名为冬季气旋W1)和2013年2月16—19日(命名为冬季气旋W2)；春季S组：2007年4月7—10日(命名为春季气旋S1)和2014年4月19—25日(命名为春季气旋S2)。利用CloudSat卫星产品探究爆发性气旋云微物理参量垂直分布的特征，并希望能够从中找到冬春季爆发性气旋的相同和不同特征。
1 数据资料本文所使用的数据资料如下：
1) CloudSat卫星数据处理中心(CloudSat Data Processing Center, CloudSat DPC)提供了轨道宽度为1.4 km，沿轨道分辨率为2.5 km，垂直分辨率为500 m的云剖面数据。产品包括2B-CLDCLASS、2B-GEOPROF、2B-CWC-RO、ECMWF-AUX等，其中包含的冰粒子有效半径、冰粒子数浓度、冰水含量和液态水含量等物理量即为本文主要分析的云微物理参量，下载地址为：ftp://ftp.cloudsat.cira.colostate.edu。
2) 美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的Aqua卫星的中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)可见光卫星云图，空间分辨率为500 m，下载地址为：https://worldview.earthdata.nasa.gov。
3) 欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5再分析格点资料，所使用到的海平面气压数据时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，本文使用此数据计算气旋中心气压变化率，下载地址为：https://cds.climate.copernicus.eu。
2 冬季气旋个例概况及云微物理参量垂直分布特征 2.1 冬季气旋个例概况冬季气旋W1于2011年2月11日12:00 (世界时，下同)在美国佛罗里达半岛东部(79°W，30°N)附近生成，此后向东北方向移动，在12日13:00—13日05:00气旋发展迅速，中心气压变化率大于2.00 Bergeron(图 1)。2011年2月13日01:00气旋中心气压变化率达到最大值3.93 Bergeron(图 2)。气旋经过纽芬兰岛南部继续向东北方向移动，于2011年2月13日21:00达到中心气压最小值952.8 hPa。随后气旋中心气压不断升高，气旋强度不断减弱，在到达亚速尔群岛北部后，受高空引导气流影响移动路径发生270°的转向，最后于2011年2月15日23:00在亚速尔群岛附近(27°W，49°N)消亡。2月12日17:00和2月14日04:00(图 2中绿色实线对应时刻)为后文分析云微物理参量垂直分布特征的时刻，分别对应气旋中心气压变化率接近最大值和中心气压接近最小值。
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图 1 2011年2月11日12:00—15日23:00冬季气旋W1的移动路径(由ERA5平均海平面气压场确定) Fig.1 The track of winter cyclone W1 from 12:00 UTC 11 to 23:00 UTC 15 February 2011 (determined by ERA5 mean sea level pressure data) |
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图 2 冬季气旋W1的中心气压(蓝线，单位：hPa)及中心气压变化率(红线，单位：Bergeron)随时间变化曲线(绿色实线为剖面分析时刻) Fig.2 Time series of central sea level pressure (blue line, units: hPa) and its change rate (red line, units: Bergeron) of winter cyclone W1 (the solid green lines represent the times for vertical cross section analyses) |
冬季气旋W2于2013年2月16日18:00在美国东海岸附近(75°W，34°N)生成，此后向东北方向移动，在17日01:00—19:00气旋发展迅速，中心气压变化率大于2.00 Bergeron(图 3)。2013年2月17日14:00气旋中心气压变化率达到最大值3.58 Bergeron(图 4)。气旋经过新斯科舍半岛后向东移动，于2013年2月18日07:00达到中心气压最小值954.9 hPa。随后中心气压不断升高后气旋开始填塞，并于2013年2月19日17:00在纽芬兰岛东侧(52°W，48°N)附近消亡。2月17日17:00(图 4中绿色实线对应时刻)为后文分析云微物理参量垂直分布特征的时刻，此时气旋中心气压较低，气旋基本成熟。
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图 3 2013年2月16日18:00—19日17:00冬季气旋W2的移动路径(由ERA5平均海平面气压场确定) Fig.3 The track of winter cyclone W2 from 18:00 UTC 16 to 17:00 UTC 19 February 2013 (determined by ERA5 mean sea level pressure data) |
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图 4 冬季气旋W2的中心气压(蓝线，单位：hPa)及中心气压变化率(红线，单位：Bergeron)随时间变化曲线(绿色实线为剖面分析时刻) Fig.4 Time series of central sea level pressure (blue line, units: hPa) and its change rate (red line, units: Bergeron) of winter cyclone W2 (the solid green line represents the times for vertical cross section analyses) |
根据CloudSat卫星序号25525轨道中A1(29°W，60°N)B1(39°W，35°N)段数据，2011年2月14日03:21—03:28，CloudSat卫星由东北向西南穿过冬季气旋W1。图 5为2月14日04:00海平面气压场，背景云图采用Aqua卫星14日14:10获得的图像，此时中心气压为961.9 hPa，接近气旋中心气压最小值，气旋发展几乎成熟。此时气旋中心北侧云的发展更为旺盛，云层向上伸展的高度在8 km附近，云区范围大(图 6a)。雷达反射率大值区常出现在雨层云中下部。此时主要有五种云存在，分别为积云(Cu)、雨层云(Ns)、高层云(As)、层积云(Sc)和高积云(Ac)(图 6b)。在气旋中心主要以积云为主，高度在7 km附近；气旋中心北侧有大范围的雨层云分布，雨层云北侧分布有积云和大范围的高层云，高层云的高度同雨层云相当，均在8 km附近。气旋中心南侧附近云的分布是积云、雨层云、层积云和高积云相间分布，除雨层云和高层云能发展到7 km，积云和高积云高度只达到3 km附近。在该气旋南部的冷锋云带内主要分布的是高积云和高层云，最大高度达到9 km左右。南侧云带与气旋之间是开口细胞状云系，由冷锋后面的冷空气从大陆进入海面受到暖海面的加热形成，主要由层积云组成。
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图 5 2011年2月14日04:00海平面气压场(黑色实线，间隔10 hPa)和2月14日MODIS卫星云图及CloudSat卫星轨迹(绿色实线)(A1和B1分别表示拟分析路径的起始和结束位置) Fig.5 Sea level pressure (solid black contours, interval: 10 hPa) at 04:00 UTC 14 February 2011, MODIS satellite visible imagery on 14 February and the trajectory of CloudSat satellite (solid green lines) (capital letters A1 and B1 denote the starting and ending positions of the selected analysis trajectory) |
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图 6 冬季气旋W1云系沿轨迹A1B1的垂直剖面图(a.雷达反射率，单位：dBZ；b.云类型；c.比湿，单位：kg·kg-1；d.气温，单位：℃) Fig.6 Vertical cross section along the trajectory A1B1 of winter cyclone W1 (a. radar reflectivity, units: dBZ; b. cloud classification; c. specific humidity, units: kg·kg-1; d. air temperature, units: ℃) |
气旋的中心为湿区，比湿在中心两侧呈对称分布(图 6c)。这可能与气旋中心的潜热释放有关，气旋中心充足的水汽为其潜热释放提供了条件，并且产生了明显的暖心结构(图 6d)。气旋中心南侧附近42°N，3.8 km高度处温度梯度较大，气温廓线出现明显的弯曲并且一直随高度向北倾斜直到9 km附近，该区域为锋区。这一区域对应卫星云图上的冷锋云带，在40°N南侧为暖湿空气，而40°N北侧空气较为干冷，暖湿气流为云带内高积云的形成提供了条件。
气旋内云中冰粒子有效半径具有随高度降低而增大的特征，冰粒子的有效半径最大值约为160 μm，高度在2 km附近(图 7a)。冰粒子有效半径的大值区主要集中在雨层云的中下部。气旋中心南侧的大值区向下延伸程度与气旋中心北侧相当，均在1 km附近，而冷锋云带内向下延伸程度仅能达到3 km。结合气温垂直分布图(图 6d)中0 ℃等温线高度南高北低，气旋中心在1.5 km高度附近有明显暖中心的特点，可以发现由于冰粒子在气温0 ℃以上时会融化为水滴、云滴，因此冰粒子出现的最低高度与0 ℃等温线高度几乎重合。
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图 7 冬季气旋W1云系沿轨迹A1B1的剖面图(a.冰粒子有效半径，单位：μm；b.冰粒子数浓度，单位：个·L-1；c.冰水含量，单位：mg·m-3；d.液态水含量，单位：mg·m-3) Fig.7 Vertical cross section along the trajectory A1B1 of winter cyclone W1 (a. ice particle effective radius, units: μm; b. ice particle number concentration, units: number·L-1; c. ice water content, units: mg·m-3; d. liquid water content, units: mg·m-3) |
冰粒子数浓度的分布特征与冰粒子有效半径相反，具有随高度增加而增大的特点(图 7b)。冰粒子数浓度的大值区集中在气旋中心南侧雨层云的中上部6 km附近，最大数浓度达到350个·L-1以上。气旋中心南侧冰粒子数浓度大值区主要集中在4~7 km的高空，而气旋中心北侧无明显的大值区。
云中冰水含量的分布应是由冰粒子有效半径和冰粒子数浓度共同决定，表现为随高度变化向高低空均为减少的趋势(图 7c)。冰水含量的最大值约为1 400 mg·m-3，高度在5 km附近。
冬季气旋W1内雨层云云顶温度低于-20 ℃，而云底温度高于0 ℃。对于此类层状云，顾震潮[33]曾提出概念模型将其垂直结构分为三层。第一层为冰晶层，对应冬季气旋W1在4~8 km的高度，在该层内冰晶可以在冰面过饱和环境下发生凝华增长以及冰晶间的碰并增长过程，但由于其过饱和度很小增长较为缓慢，因此在该层内冰粒子有效半径往往较小，约为50 μm。同时，该层内冰粒子虽增长较慢但冰粒子较多，因此冰粒子数浓度较大，约为275个·L-1。第二层为过冷水滴层，对应冬季气旋W1在1~4 km的高度，冰晶在落入第二层后进入生长的第二阶段，主要发生凝华和碰并增长过程，这是冰粒子增长的主要阶段。在该层冰晶通过贝吉龙过程凝华增长、凇附增长(冰晶与过冷水碰并)、聚并增长(冰晶之间、冰晶与雪晶之间，以及雪晶之间的碰并增长)而长成雪晶、雪团等大粒子。冰粒子有效半径随着冰晶的增长而增加，冰粒子数浓度随着碰并过程的发生而减少，因此在过冷水滴层的底部冰粒子有效半径达到最大值，冰粒子数浓度达到最小值。第三层为暖水层，对应1 km以下气温大于0 ℃的区域，冰晶在高空增长后落入暖水层融化成水滴，在该层内主要为云滴、雨滴，因此冰水含量、冰粒子有效半径和冰粒子数浓度都几乎为零。除了雨层云内冰粒子有这样的分布特点，其他云类也有类似的特征。
相比于冰水含量，气旋中液态水含量主要集中在2 km以下，随高度增加而减少(图 7d)。气旋南部云带内液态水分布最高达6 km，最大值分布在气旋中心附近的云内，达到1 800 mg·m-3以上。雨层云内几乎没有液态水，结合冰粒子分布可推断：雨层云为冰云，主要由冰晶构成。
对于冬季气旋W1，本文不仅分析了气旋中心气压接近最小值的时刻，还简要分析了气旋中心气压变化率接近最大值的时刻，这将有利于掌握爆发性气旋不同发展阶段云微物理参量垂直分布的信息。根据CloudSat卫星序号25504轨道中A2(62.5°W，29.9°N)B2(67.0°W，44.9°N)段的数据，2011年2月12日17:08—17:12，CloudSat卫星由东南向西北穿过冬季气旋W1。图 8a为2月12日17:00海平面气压场，此刻中心气压变化率为2.70 Bergeron，接近最大中心气压变化率，气旋正处于爆发性发展阶段。此时共有七种云存在，分别是对流云(Dc)、高层云(As)、积云(Cu)、卷云(Ci)、层积云(Sc)、高积云(Ac)和雨层云(Ns)(图 8b)。在气旋中心分布的是高度较低的积云和层积云。北侧变形场区则以雨层云和高层云为主，高度在8 km附近。南侧冷锋云带主要以较高的高层云和卷云为主，高度在10 km附近。气旋南部33°N附近为急流云系，以对流云和高层云为主，高度在8 km附近。气旋内冰粒子数浓度最大值在气旋中心北侧6 km附近，并且随高度变化都呈减少趋势(图 8c)，这一点与CloudSat卫星序号25525轨道内冰粒子数浓度分布不同。冰粒子有效半径最大值集中在2.5 km附近，并且随高度增加而减少。冰水含量主要集中在中心北侧，最大值在4.5 km附近，并且随高度变化呈减少趋势。液态水含量主要集中在气旋中心积云和层积云下部，以及气旋南侧云带内高层云下部，雨层云内几乎没有液态水分布(图略)。气旋中心北侧有明显的锋区，高度达到4 km附近(图 8d)，该区域对应气旋前部的暖锋，暖锋云系以雨层云和高层云为主，这与气旋南侧的冷锋云系不同。
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图 8 2011年2月12日17:00海平面气压场(黑色实线，间隔10 hPa)、2月12日MODIS卫星云图、CloudSat卫星轨迹(绿色实线)(a；A2和B2分别表示拟分析路径的起始和结束位置)和冬季气旋W1云系沿轨迹A2B2的垂直剖面图(b.云类型；c.冰粒子数浓度，单位：个·L-1；d.气温，单位：℃) Fig.8 Sea level pressure field (solid black contours, interval: 10 hPa) at 17:00 UTC 12 February 2011, MODIS satellite visible imagery on 12 February 2011 and the trajectory of CloudSat satellite (solid green line) (a; capital letters A2 and B2 represent the start and end positions of the selected analysis trajectory), and vertical cross section along the trajectory A2B2 of winter cyclone W1 (b. cloud classification; c. ice particle number concentration, units: number·L-1; d. air temperature, units: ℃) |
根据CloudSat卫星序号36227轨道中C(61°W，25°N)D(71°W，55°N)数据，2013年2月17日17:09—17:18，CloudSat卫星由东南向西北穿过冬季气旋W2。图 9为2月17日17:00海平面气压场，此时中心气压变化率为2.81 Bergeron，中心气压值为963.8 hPa，气旋处于迅速发展的最后阶段。卫星云图为2月17日MODIS可见光云图。根据CloudSat卫星提供的雷达反射率图(图 10a)，气旋中心北侧的云发展旺盛，云层向上伸展的高度在9 km附近，云区范围大。南侧的云区范围则相对较小，分布不集中，云层高度仅在4 km附近。雷达反射率大值区常出现在雨层云中下部。此时主要有六种云存在，分别为积云(Cu)、雨层云(Ns)、高层云(As)、卷云(Ci)、层积云(Sc)和高积云(Ac)(图 10b)。在气旋中心主要分布的是层积云，高度在1~2 km范围内；气旋中心北侧为大范围的雨层云，高度在9 km附近；而气旋中心南侧的雨层云范围较小且高度也较低，高度仅在5 km附近。气旋中心南北侧的雨层云周围都有高层云存在，且高层云高度均与雨层云高度相当。气旋南部云带与气旋中心之间从南至北分别是闭合细胞状云系和开口细胞状云系，主要由层积云和雨层云组成。
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图 9 2013年2月17日17:00海平面气压场(黑色实线，间隔10 hPa)、2月17日MODIS卫星云图、CloudSat卫星轨迹(绿色实线)(C和D分别表示拟分析路径的起始和结束位置) Fig.9 Sea level pressure (field solid black contours, interval: 10 hPa) at 17:00 UTC 17 February 2013, MODIS satellite visible imagery on 17 February 2013 and the trajectory of CloudSat satellite (solid green lines) (capital letter C and D represent the start and end positions of the selected analysis trajectory) |
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图 10 冬季气旋W2云系沿轨迹CD的剖面图(a.雷达反射率，单位：dBZ；b.云类型；c.比湿，单位：kg·kg-1；d.气温，单位：℃) Fig.10 Vertical cross section along the trajectory CD of winter cyclone W2 (a. radar reflectivity, units: dBZ; b. cloud classification; c. specific humidity, units: kg·kg-1; d. air temperature, units: ℃) |
在比湿和气温的垂直分布(图 10c、d)中，气旋中心南侧附近约30°N，1.8 km高度处为冷锋锋区，对应云图中的冷锋云带，在30°N南侧为暖湿空气，而北侧为干冷空气，锋区具有向北倾斜的特征。气旋中心的湿区和暖心结构明显，暖中心具有随高度向北倾斜的特征。对比2011年2月14日03:00冬季气旋W1气温垂直剖面图(图 6d)，冬季气旋W2的暖心结构向北倾斜的特征更为明显。除了气旋发展的差异外，推测这可能是由轨道方向不同导致的，冬季气旋W1对应的是下行轨道(由东北向西南移动)，而冬季气旋W2对应的是上行轨道(由东南向西北移动)。气旋低压中心往往是向西北方向倾斜，这也就导致下行轨道很难抓住气旋的斜压结构特征。
与冬季气旋W1类似，冬季气旋W2云中冰粒子有效半径也具有随高度降低而增大的特点，其冰粒子有效半径最大值在160 μm左右，高度在1.5 km附近(图 11a)。冰粒子有效半径的大值区主要集中于冰云的下部，气旋中心南侧的大值区向下延伸程度小于气旋中心北侧，但都位于2 km以下。而冷锋云带内向下延伸程度仅能达到4 km。云中冰粒子出现的最低高度同样具有与0 ℃等温线高度几乎重合的特征。
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图 11 冬季气旋W2云系沿轨迹CD的剖面图(a.冰粒子有效半径，单位：μm；b.冰粒子数浓度，单位：个·L-1；c.冰水含量，单位：mg·m-3；d.液态水含量，单位：mg·m-3) Fig.11 Vertical cross section along the trajectory CD of winter cyclone W2 (a. ice particle effective radius, units: μm; b. ice particle number concentration, units: number·L-1; c. ice water content, units: mg·m-3; d. liquid water content, units: mg·m-3) |
气旋中冰粒子数浓度也同样具有与冬季气旋W1类似的随高度增加而增大的特点，其冰粒子数浓度的大值集中在冰云中上部6 km附近，最大冰粒子数浓度达到275个·L-1(图 11b)。但气旋中心北侧冰粒子分布范围明显大于南侧，这与冬季气旋W1有所不同。气旋云系内冰水含量较少，大部分区域均小于400 mg·m-3(图 11c)。冰水含量最大值约为1 100 mg·m-3，高度在4 km附近，分布随高度变化均为减少的趋势。气旋中心冰水含量几乎为0，北侧冰水含量分布范围远大于南侧。冬季气旋W2云中微物理量的分布同样具有三层结构[33]，5~8 km为冰晶层，1~5 km为过冷水滴层，1 km以下气温大于0 ℃的区域为暖水层。
气旋中液态水分布主要集中在2 km以下，并随高度的增加而减少(图 11d)。南部云带高层云内液态水分布能达到6 km附近，大值区主要分布在气旋中心及其南侧的层积云内，最大值大于1 800 mg·m-3。同样，雨层云内几乎没有液态水。
3 春季气旋个例概况及云微物理参量垂直分布特征 3.1 春季气旋个例概况春季气旋S1于2007年4月7日00:00在美国以东的百慕大群岛(69°W，31°N)上空生成，此后向东北方向移动，在7日10:00前后经历一次转向后继续沿北美洲东部向东北方向移动(图 12)。在7日15:00—19:00以及8日00:00—09:00经历了两次中心气压变化率大于2.00 Bergeron的时段。在跨过新斯科舍半岛后于8日16:00达到中心气压最小值961.6 hPa(图 13)。随后气旋向纽芬兰岛北部移动，中心气压不断升高后气旋逐渐填塞，并于2007年4月10日11:00在纽芬兰岛北部(61°W，16°N)消亡。4月8日05:00和17:00(图 13中绿色实线对应时刻)为后文分析云微物理参量垂直分布特征的时刻，分别对应气旋中心气压变化率接近最大值和中心气压接近最小值。
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图 12 2007年4月7日00:00—10日11:00春季气旋S1的移动路径(由ERA5平均海平面气压场确定) Fig.12 The track of spring cyclone S1 from 00:00 UTC 7 to 11:00 UTC 10 April 2007 (determined by ERA5 mean sea level pressure data) |
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图 13 春季气旋S1的中心气压(蓝线，单位：hPa)及中心气压变化率(红线，单位：Bergeron)随时间变化曲线(绿色实线为剖面分析时刻) Fig.13 Time series of central sea level pressure (blue line, units: hPa) and its change rate (red line, unit: Bergeron) of spring cyclone S1 (the solid green lines denote the times for vertical cross section analyses) |
春季气旋S2于2014年4月19日06:00在纽芬兰岛南侧附近(57°W，43°N)生成，此后向东北方向移动，在20日02:00—08:00气旋发展迅速，中心气压变化率大于2.00 Bergeron(图 14)。气旋继续向东北方向移动一段时间后于2014年4月21日06:00达到中心气压最小值967.8 hPa(图 15)。随后气旋中心气压不断升高，气旋强度逐渐减弱，在受到高空引导气流影响发生270°转向后向东南方向移动，并于2014年4月25日05:00在西欧罗巴海盆西部(23°W，50°N)附近消亡。4月20日15:00(图 15中绿色实线对应时刻)为后文分析云微物理参量垂直分布特征的时刻，此时气旋中心气压接近最小值。
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图 14 2014年4月19日06:00—25日05:00春季气旋S2的移动路径(由ERA5平均海平面气压场确定) Fig.14 The track of spring cyclone S2 from 06:00 UTC 19 to 05:00 UTC 25 April 2014 (determined by ERA5 mean sea level pressure data) |
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图 15 春季气旋S2的中心气压(蓝线，单位：hPa)及中心气压变化率(红线，单位：Bergeron)随时间变化曲线(绿色实线为剖面分析时刻) Fig.15 Time series of central sea level pressure (blue line, units: hPa) and its change rate (red line, units: Bergeron) of spring cyclone S2 (the solid green line denotes the time for vertical cross section analyses) |
根据CloudSat卫星序号5029轨道中E1(59°W，30°N)F1(71°W，60°N)段数据，2007年4月8日16:56—17:04，CloudSat卫星由东南向西北穿过春季气旋S1。图 16为4月8日17:00海平面气压场，此时中心气压为961.9 hPa接近气旋中心气压最小值，气旋发展几乎成熟。卫星云图为4月8日MODIS可见光云图。根据CloudSat卫星提供的雷达反射率图(图 17a)，气旋中心附近云区范围大，云发展旺盛，北侧云层向上伸展可达10 km的高度，南侧较低约8 km。此时主要有四种云存在，分别是雨层云(Ns)、高层云(As)、层积云(Sc)和高积云(Ac)(图 17b)。在气旋中心南北两侧云类型几乎呈对称分布，气旋中心附近为大范围的雨层云，中心北侧雨层云的高度可达10 km附近，高于南侧的8 km。雨层云外部(南部雨层云的南侧，北部雨层云的北侧)，高层云的高度与雨层云相当。在该气旋南部的冷锋云带内主要分布的是雨层云、层积云和高积云，高度均在4 km附近。云带与气旋中心之间是从气旋后部进入的干冷空气，对应无云的晴空区。
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图 16 2007年4月8日17:00海平面气压场(黑色实线，间隔5 hPa)和4月8日MODIS卫星云图及CloudSat卫星轨迹(绿色实线)(E1和F1分别表示拟分析路径的起始和结束位置) Fig.16 Sea level pressure field (solid black contours, interval: 5 hPa) at 17:00 UTC 8 April 2007, MODIS satellite visible imagery on 8 April and the trajectory of CloudSat satellite (solid green lines) (capital letter E1 and F1 show the start and end positions of the selected analysis trajectory) |
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图 17 春季气旋S1云系沿轨迹E1F1的剖面图(a.雷达反射率，单位：dBZ；b.云类型；c.比湿，单位：kg·kg-1；d.气温，单位：℃) Fig.17 Vertical cross section along the trajectory E1F1 of spring cyclone S1 (a. radar reflectivity, units: dBZ; b. cloud classification; c. specific humidity, units: kg·kg-1; d. air temperature, units: ℃) |
气旋中心为明显的湿区(图 17c)和暖心结构(图 17d)，并且暖中心具有向北倾斜的特征。锋区从气旋南侧附近35°N，3 km高度处一直随高度向北倾斜，直到8 km高度。E1F1轨道与冬季气旋W2的CD轨道均为上行轨道，因此很好地描绘出了暖心结构和锋区向北倾斜的特征。
气旋内冰粒子有效半径随高度降低而增大，最大值约为140 μm，高度在1.5 km附近(图 18a)。冰粒子有效半径的大值区主要集中于冰云的下部，气旋中心南侧的大值区向下延伸程度与气旋中心北侧相当，均在1 km附近。云中冰粒子出现的最低高度同样具有与0 ℃等温线高度几乎重合的特征。
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图 18 春季气旋S1云系沿轨迹E1F1的剖面图(a.冰粒子有效半径，单位：μm；b.冰粒子数浓度，单位：个·L-1；c.冰水含量，单位：mg·m-3；d.液态水含量，单位：mg·m-3) Fig.18 Vertical cross section along the trajectory E1F1 of spring cyclone S1 (a. ice particle effective radius, units: μm; b. ice particle number concentration, units: number·L-1; c. ice water content, units: mg·m-3; d. liquid water content, units: mg·m-3) |
冰粒子数浓度随高度增加而增大，大值区集中在冰云中上部6 km附近，最大值大于275个·L-1(图 18b)。气旋中心北侧冰粒子数浓度明显大于南侧，这是由气旋北侧云的高度更高、温度更低导致的。
气旋云系整体冰水含量较少，大部分区域均小于600 mg·m-3(图 18c)。气旋中心北侧冰水含量的分布范围比南侧更宽广。春季气旋S1云中微物理量的分布同样具有三层结构[33]，5~9 km为冰晶层，1~5 km为过冷水滴层，1 km以下气温大于0 ℃的区域为暖水层。
气旋内液态水主要集中在2 km以下，并且随高度的增加而减少(图 18d)。大值区主要分布在气旋南侧高积云和层积云下部，雨层云内几乎不存在液态水。
与冬季气旋W1相同，本文不仅分析了春季气旋S1中心气压接近最小值的时刻，还简要分析了中心气压变化率接近最大值的时刻。根据CloudSat卫星序号5022轨道中E2(56.3°W，55.0°N)F2(66.4°W，25.0°N)段数据，2007年4月8日05:02—05:10，CloudSat卫星由东北向西南穿过春季气旋S1。图 19a为4月8日05:00海平面气压场，背景云图采用Aqua卫星8日17:20获得的图像，此刻中心气压变化率为2.70 Bergeron，接近最大中心气压变化率，气旋正处于爆发性发展阶段。根据CloudSat卫星提供的云分类图(图 19b)，此时主要有五种云，分别是高层云(As)、高积云(Ac)、卷云(Ci)、层积云(Sc)和雨层云(Ns)。在气旋中心分布的是高度较低的雨层云和高积云；北侧变形场区则以较高的雨层云和高层云为主，高度在10 km附近；南侧冷锋云带主要以较低的层积云为主，高度在2.5 km附近。气旋内冰粒子数浓度最大值在气旋中心北侧6.2 km附近，并且随高度变化呈减少趋势，而随高度降低冰粒子数浓度减少更为明显(图 19c)。冰粒子有效半径最大值集中在2.5 km附近，并且随高度增加而减少。冰水含量主要集中在中心北侧，最大值在6 km附近，并且随高度变化呈减少趋势。液态水含量主要集中在气旋中心高积云、积云和层积云下部，雨层云内几乎没有液态水分布(图略)。气旋暖心结构明显，中心南侧有锋区存在，高度达到6 km附近，该区域对应气旋后部的冷锋(图 19d)。值得注意的是，由于下行轨道与锋区夹角远小于90°，可能会导致图中冷锋坡度偏低、强度偏小，不利于准确掌握气旋的真实状态。
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图 19 2007年4月8日05:00海平面气压场(黑色实线，间隔5 hPa)、4月8日MODIS卫星云图、CloudSat卫星轨迹(绿色实线)(a；E2和F2分别表示拟分析路径的起始和结束位置)和春季气旋S1云系沿轨迹E2F2的剖面图(b.云类型；c.冰粒子数浓度，单位：个·L-1；d.气温，单位：℃) Fig.19 Sea level pressure field (solid black contours, interval: 5 hPa) at 05:00 UTC 8 April 2007, MODIS satellite visible imagery on 8 April 2007 and the trajectory of CloudSat satellite (solid green lines) (a; capital letter E2 and F2 show the start and end positions of the selected analysis trajectory), and vertical cross section along the trajectory E2F2 of spring cyclone S1 (b. cloud classification; c. ice particle number concentration, units: number·L-1; d. air temperature, units: ℃) |
根据CloudSat卫星序号42444轨道中G(35°W，35°N)H(45°W，60°N)段数据，2014年4月20日15:15—15:22，CloudSat卫星由东南向西北穿过气旋。图 20为4月20日15:00海平面气压场，此时中心气压变化率为1.09 Bergeron，中心气压值为975.5 hPa，气旋处于迅速发展的最后阶段。卫星云图为4月21日MODIS可见光云图。气旋中心南北两侧云的发展都很旺盛，南侧云层向上伸展到11 km附近的高度，云区范围大，北侧云层则向上发展到约10 km的高度(图 21a)。雷达反射率大值区常出现在雨层云中下部。此时主要有五种云存在，分别为积云(Cu)、雨层云(Ns)、高层云(As)、卷云(Ci)和层积云(Sc)(图 21b)。在气旋中心主要是高度较低的积云；气旋中心南侧和北侧的云种类为近似的对称分布，由中心向外分别为高层云、雨层云、高层云。中心南侧高层云分布于雨层云两侧，且范围广、高度高。
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图 20 2014年4月20日15:00海平面气压场(黑色实线，间隔5 hPa)、4月21日MODIS卫星云图和CloudSat卫星轨迹(绿色实线)(G和H分别表示拟分析路径的起始和结束位置) Fig.20 Sea level pressure field (solid black contours, interval: 5 hPa) at 15:00 UTC 20 April 2014, MODIS satellite visible imagery on 21 April and the trajectory of CloudSat satellite (solid green lines) (capital letter G and H represent the start and end positions of the selected analysis trajectory) |
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图 21 春季气旋S2云系沿轨迹GH的剖面图(a.雷达反射率，单位：dBZ；b.云类型；c.比湿，单位：kg·kg-1；d.气温，单位：℃) Fig.21 Vertical cross section along the trajectory GH of spring cyclone S2 (a. radar reflectivity, units: dBZ; b. cloud classification; c. specific humidity, units: kg·kg-1; d. air temperature, units: ℃) |
与上文所有的分析时刻不同，卫星扫描轨道两次经过锋面，气旋中心表现为干区(图 21c)，这是由于卫星扫描轨道两次经过锋面气旋从南至北“湿—干—湿”的分布，分别对应冷锋前的暖湿空气、冷锋后的干冷空气以及冷锋前的暖湿空气。在温度图(图 21d)中也能看到两处明显的锋区，即在47°N，1.8 km高度附近以及在53°N，1.7 km高度附近气温廓线出现明显的弯曲，并且一直随高度向北倾斜。
尽管卫星扫描轨道相对位置有所不同，但云中冰粒子有效半径仍具有随高度降低而增加的特点，其最大值约为160 μm，在1~4 km之间均有分布(图 22a)。冰粒子有效半径的大值区主要集中于冰云的下部，气旋中心及其南侧的大值区向下延伸至2 km附近，而北侧能向下延伸到1 km附近。云中冰粒子出现的最低高度同样具有与0 ℃等温线高度几乎重合的特征。冰粒子数浓度随高度增加而增大，大值区集中在气旋中心北侧冰云中上部7~9 km的范围内，最大值大于350个·L-1，气旋中心北侧冰粒子数浓度明显高于南侧(图 22b)。气旋内冰水含量的大值区主要集中在4~6 km附近，最大值约为1 400 mg·m-3，高度在5 km附近(图 22c)，冰水含量随高度变化均为减少的趋势。气旋中心以及南侧冰水含量远小于北侧，北侧冰水含量范围宽广。
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图 22 春季气旋S2云系沿轨迹GH的剖面图(a.冰粒子有效半径，单位：μm；b.冰粒子数浓度，单位：个·L-1；c.冰水含量，单位：mg·m-3；d.液态水含量，单位：mg·m-3) Fig.22 Vertical cross section along the trajectory GH of spring cyclone S2 (a. ice particle effective radius, units: μm; b. ice particle number concentration, units: number·L-1; c. ice water content, units: mg·m-3; d. liquid water content, units: mg·m-3) |
四个气旋不论季节和卫星轨道位置差异，冰粒子有效半径、冰粒子数浓度和冰水含量分别具有类似的分布特征，这主要是因为气旋内云中微物理量的分布具有上文提及的三层结构[33]。但是四个个例每层所处高度有所不同，在春季气旋S2个例中7~11 km为冰晶层，1~7 km为过冷水滴层，1 km以下气温大于0 ℃的区域为暖水层。这与气旋个例的发展情况和气温分布有关，而与季节关系不大。
与前三个个例相同，春季气旋S2内液态水仍然具有随高度增加而减少的特点，但在高度的分布上气旋南北有所差异(图 22d)。气旋中心北侧液态水集中在2 km以下，而气旋南部高层云内液态水高度达到4 km以上。液态水含量的大值区主要集中在高层云和层积云底部，雨层云内几乎没有液态水分布。
4 结语本文利用ERA5再分析数据和CloudSat卫星产品等资料, 对发生在大西洋上冬季和夏季各两个爆发性气旋个例的云微物理参量的垂直分布特征进行分析，得到的主要结论如下：
1) 爆发性气旋中心云系多为层积云或积云，中心外围云系以雨层云为主，高度都能达到8 km以上，雨层云外部往往伴随着同等云顶高度的高层云。气旋冷锋云带内以雨层云、高层云和高积云为主，云的高度较高。在气旋成熟时，冬季两个气旋云类型分布表现出南北分布不对称的特点，而春季两个气旋在云种类上南北呈相似分布。这可能与卫星轨道是否经过气旋中心有关。在春季两个爆发性气旋个例中，卫星轨道离气旋中心距离约为425 km，而冬季个例中距离仅为85 km。春季气旋中卫星主要扫描到的是中心外围的云系，这些云系中心都以雨层云为主，外围往往伴随着高层云的出现，并且高层云的高度与雨层云相当。
2) 冰粒子出现的最低高度与0 ℃等温线高度几乎重合，冰粒子有效半径随高度的增加而减小。冰粒子数浓度分布特征与冰粒子有效半径相反，具有随高度增加而增大的特点。冰水含量大值区集中分布在雨层云中上部，随高度变化向高低空均为减少的趋势。冰粒子数浓度、冰粒子有效半径和冰水含量的分布特征与顾震潮[33]在1980年提出的三层概念模型相吻合。
3) 液态水含量主要集中在2 km以下，分布随高度增加而减少，大值区主要分布在高层云和层积云底部。气旋南部冷锋云带内液态水分布高度能达到4~6 km。冬季爆发性气旋内的液态水含量大于春季。
4) 冰粒子主要集中在雨层云内，并且雨层云中无液态水分布。雨层云内大气对流运动较强，雷达反射率大值区常出现在雨层云中下部。
5) CloudSat上行轨道(由东南向西北)能更好地刻画出温带气旋斜压性的特征。
本文的研究工作主要基于CloudSat卫星资料展开，但由于极轨卫星“捕捉”到爆发性气旋的时间和位置有一定偶然性，选取的四个爆发性气旋个例中，卫星扫描轨道相对气旋中心的位置都有所不同，得到的结论也存在一定差异，因此要了解更多冬春季爆发性气旋的共同和不同特征，需要寻找更多卫星轨道相对气旋中心位置接近或一致的个例进行分析。
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