2006年6月北大西洋上熱帶風暴Alberto變性后爆發(fā)性發(fā)展機理分析*

倪 晶， 傅 剛

(中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院海洋氣象系，山東 青島 266100)

引言

爆發(fā)性氣旋(Explosive Extratropical Cyclone, 簡稱EC)是指中緯度地區(qū)快速發(fā)展的溫帶氣旋。Sanders和Gyakum[1]首次給出爆發(fā)性氣旋的定義，他們把海表面中心氣壓值在24 h內(nèi)降低24 hPa以上，即氣旋中心氣壓加深率大于1 hPa/h(定義為1 Bergeron)的快速發(fā)展的溫帶氣旋稱為“爆發(fā)性氣旋”，其定義式為：

氣旋中心氣壓加深率：

式中：P為氣旋海表面中心氣壓值(單位為hPa)；t為分析時刻，下標t-12和t+12分別表示分析時刻12 h前、后的變量；φ為地面氣旋中心所處緯度。后有學(xué)者對該定義式進行了修正，Yoshida和Asuma[2]將定義式中的24 小時間隔修改為12 小時間隔，Gyakum等[3]將氣旋中心氣壓變化地轉(zhuǎn)調(diào)整到45°N。根據(jù)前人的研究，本文對爆發(fā)性氣旋的定義如下：若氣旋海表面中心氣壓(地轉(zhuǎn)調(diào)整到45°N)12 h內(nèi)下降超過12 hPa，即為爆發(fā)性氣旋。

爆發(fā)性氣旋具有中心氣壓快速下降且強度急劇增大的特點，Jula[4]和B?ttger等[5]稱之為“氣旋快速生成”(Rapid cyclogensis)現(xiàn)象。其地面風速在極短時間內(nèi)可達到30 m/s以上[6]，受其影響地區(qū)通常會伴隨出現(xiàn)大風、強降水等惡劣天氣現(xiàn)象。

為了深入了解并準確預(yù)報這類危險天氣系統(tǒng)，眾多學(xué)者對爆發(fā)性氣旋的氣候特征、空間結(jié)構(gòu)特征、發(fā)展機制及環(huán)境背景場等方面進行了系統(tǒng)研究。前人研究指出，對爆發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展有貢獻的環(huán)境背景場主要包括：高空槽及渦度場[1]、海洋暖流及強的海表面溫度(Sea Surface Temperature, 簡稱SST)梯度[1]、高空急流[7]、大氣的斜壓性[2]等。眾多學(xué)者對爆發(fā)性氣旋的發(fā)生發(fā)展機制開展了系統(tǒng)研究，主要有：對流層頂折疊機制[8]、SST或SST梯度機制[1]、平流層高位渦氣團入侵機制[9]、動力不穩(wěn)定或斜壓不穩(wěn)定機制[10]、正渦度平流機制[7]、潛熱釋放機制[11]、動力強迫機制[12]等理論。另有學(xué)者認為爆發(fā)性氣旋的快速加深并非單一因子作用的結(jié)果，而是受多種熱力及動力因子的綜合影響[13]。

北大西洋是爆發(fā)性氣旋頻繁發(fā)生的地區(qū)之一。Gyakum[14]分析了1978年9月9日12 UTC～11日00 UTC的QueenElizabethⅡ氣旋，發(fā)現(xiàn)該氣旋在海上移動時24 h內(nèi)加深了60 hPa，9月10日12 UTC海表面最低氣壓為945 hPa，導(dǎo)致QueenElizabethⅡ郵輪損壞嚴重，且漁船CaptainCosmo失蹤，因此該氣旋被命名為QueenElizabethⅡ氣旋。Bosart[15]研究了1979年2月18～19日發(fā)生在大西洋中部的Presidents’ Day風暴，該風暴造成了大西洋的中部地區(qū)破紀錄的降雪。氣旋Klaus是2009年1月發(fā)生在北大西洋副熱帶地區(qū)、亞速爾群島以西的氣旋，持續(xù)時間為2009年1月22日00 UTC～27日15 UTC，最低海表面平均氣壓為966.0 hPa，被認為是自1999年12月下旬發(fā)生毀滅性風暴Martin以來影響伊比利亞北部和法國南部地區(qū)的最具破壞力的風暴[16]。

Sanders和Gyakum[1]對1976年9月～1979年5月發(fā)生在北半球的爆發(fā)性氣旋進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)大西洋地區(qū)(80oW以東)氣旋爆發(fā)頻率最大的月份是2月。丁治英等[17]統(tǒng)計了北半球1980—1989年間共10年的爆發(fā)性氣旋，發(fā)現(xiàn)氣旋在冬季的爆發(fā)頻率最大(1月是高峰月)，夏季爆發(fā)頻率最低(7、8月無爆發(fā)性氣旋發(fā)生)。由于受大氣環(huán)流的影響，爆發(fā)性氣旋在夏季的平均強度最弱、平均個數(shù)最少，因此發(fā)生在夏季且具有較大加深率的爆發(fā)性氣旋具有深入分析的價值。

本文以2006年6月14日12 UTC～20日10 UTC發(fā)生在北大西洋上的一個爆發(fā)性氣旋個例為研究對象，該氣旋由2006年大西洋颶風季的第一個熱帶風暴阿爾貝托(Tropical Storm Alberto)變性(Extratropical Transition, ET)后發(fā)展而來，其中心最低氣壓為974.4 hPa，中心氣壓最大加深率為1.85 Bergeron。孫雅文[18]使用ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計了2000年10月—2016年9月發(fā)生在北大西洋的1 082個EC個例，經(jīng)計算該氣旋是2000—2016年的17個夏季(6、7和8月)發(fā)生在北大西洋的爆發(fā)性氣旋中中心氣壓加深率最大的個例。此外，該氣旋自西南向東北移動時橫跨了整個北大西洋，這對北大西洋航線上的船舶航運安全產(chǎn)生了極大的威脅。對該氣旋快速發(fā)展的原因進行診斷分析，不僅可以提高對爆發(fā)性氣旋的認識水平，而且有利于保障航線安全性，具有重要的學(xué)術(shù)價值和實際應(yīng)用價值。

本文旨在分析該氣旋的演變過程以及氣旋在不同階段的云系特點，分析氣旋爆發(fā)前后的高低空環(huán)流形勢和高低空相互作用，進而分析氣旋演變過程中的空間結(jié)構(gòu)特征及具有較大加深率的可能原因，從而深入理解不同熱力學(xué)和動力學(xué)因子在氣旋演變過程中的作用，以期為海上災(zāi)害性天氣的研究和預(yù)報提供有價值的參考建議。

1 資料

本文使用的資料有：

(1) 歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF提供的ERA5客觀再分析資料(0.25o×0.25o，1小時間隔)，海表面資料的下載地址為https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=form，高空資料的下載地址為https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels?tab=form，訪問時間為2019年10月28日。本文使用的物理量主要包括海表面溫度、海表面氣壓、位勢高度、氣溫、經(jīng)向和緯向風速、垂直速度、散度、相對渦度、位勢渦度、比濕和相對濕度，主要用于分析天氣形勢和物理量場演變特征。

(2) 氣象衛(wèi)星合作研究所CIMSS提供的地球同步運行環(huán)境衛(wèi)星(Geostationary Operational Environment Satellite-EAST, GOES-EAST)的紅外衛(wèi)星云圖資料(6小時間隔，逐日四個時次分別為：02:45 UTC、08:45 UTC、14:45 UTC、20:45 UTC)，下載地址為http://tropic.ssec.wisc. edu/archive/，訪問時間為2019年1月8日。該資料主要用于分析云的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、分布及演變，可直觀反映氣旋演變過程。

2 氣旋演變過程分析

2.1 氣旋移動路徑及強度變化分析

2006年6月10日06 UTC，北大西洋上的第一號熱帶低氣壓在(85.6°W, 19.4°N)附近形成，海表面中心氣壓為1 006.5 hPa。11日00 UTC，增強為熱帶風暴，并被美國國家颶風中心命名為阿爾貝托(Alberto)。14日06 UTC，熱帶風暴Alberto減弱成熱帶低氣壓，之后受西風槽及入侵冷空氣影響很快失去熱帶天氣系統(tǒng)特征。根據(jù)Demirci等[19]給出的定義，500 hPa位勢高度場以20 gpm為間隔，最后一條閉合等值線消失的時刻為熱帶氣旋完成變性的時刻，判定Alberto的殘留體于14日12 UTC變性為溫帶氣旋，這與美國國家颶風中心給出的變性時刻一致。

6月14日晚，溫帶氣旋系統(tǒng)加速朝東北前進并進入大西洋。15日氣旋系統(tǒng)在廣闊海域上再度強化并沿海岸線移動，中心氣壓急劇降低，其移動路徑與SST梯度大值區(qū)基本一致(見圖1)，氣旋在經(jīng)過SST梯度大值區(qū)時爆發(fā)性發(fā)展，爆發(fā)時刻為14日23 UTC，其中心氣壓加深率為1.02 Bergeron(見圖2)，爆發(fā)地點位于北美東海岸近海(75.3°W, 36°N)附近，中心氣壓加深率于15日09 UTC達到最大值1.85 Bergeron，海表面中心氣壓于15日18 UTC達到最小值974.4 hPa。此后中心氣壓逐漸升高，氣旋中心氣壓加深率由正轉(zhuǎn)負，氣旋逐漸減弱。16日氣旋從紐芬蘭島的阿瓦隆半島穿過，接下來氣旋路徑轉(zhuǎn)向東北偏東且移動迅速，最終于20日11 UTC在不列顛群島附近消亡。

圖1 2006年6月10日06 UTC～20日10 UTC氣旋(其中心由ECMWF海表面氣壓場確定)的移動路徑和平均海表面溫度梯度(填色，間隔為0.8×10-5 K/m)Fig.1 The moving track of cyclone (its center is determined by ECMWF mean sea level pressure data) and mean sea surface temperature gradient (shaded, 0.8×10-5 K/m interval) from 06 UTC 10 to 10 UTC 20 June，2006

圖2 氣旋的中心氣壓值(黑色實線，hPa)和中心氣壓加深率(黑色虛線，Bergeron)隨時間的變化曲線Fig.2 Time series of cyclone central sea level pressure (solid black line, hPa) and its deepening rate (dashed black line, Bergeron)

2.2 紅外衛(wèi)星云圖特征分析

6月14日20:45 UTC(見圖3(a))，北美東海岸附近有團塊狀的白色密閉云區(qū)，云團結(jié)構(gòu)較為松散且邊緣不整齊，呈“逗號”狀結(jié)構(gòu)。15日02:45 UTC～14:45 UTC(見圖3(b)、3(c)、3(d))，隨著氣旋快速發(fā)展，云團結(jié)構(gòu)更加緊密，輪廓愈加清晰。暖鋒云帶向北突起，云團南側(cè)有一條東北-西南向的冷鋒云帶，鋒面云系呈“人”字形分布。有云區(qū)和無云區(qū)之間的邊界逐漸清晰，其西側(cè)干舌(黑色無云區(qū))范圍擴大且向氣旋中心突起，表明有干冷空氣從氣旋后部侵入到斜壓云帶的西部，云帶后界整齊光滑。隨著氣旋發(fā)展，積云對流強烈，云團北側(cè)的氣旋式彎曲更加明顯，云系逆時針旋轉(zhuǎn)并發(fā)展為“螺旋”狀(見圖3(d))，氣旋中心出現(xiàn)“眼”狀結(jié)構(gòu)。

15日20:45 UTC(見圖3(e))，云系發(fā)展旺盛，呈“螺旋”狀結(jié)構(gòu)，“眼”狀結(jié)構(gòu)的范圍有所擴大。至16日02:45 UTC(見圖3(f))，云團尾部結(jié)構(gòu)逐漸松散。16日08:45 UTC(見圖3(g))，隨著氣旋逐漸減弱，螺旋云系的旋轉(zhuǎn)強度也明顯減弱，云團結(jié)構(gòu)整體變得松散，“眼”狀區(qū)域的邊緣逐漸模糊。至16日14:45 UTC(見圖3(h))，云團的頭尾部發(fā)生斷裂，西南部的云團緩慢消散，東北部云團整體東移至北大西洋。

本文重點關(guān)注溫帶氣旋的快速發(fā)展過程，因此需對氣旋演變過程劃分階段。綜合分析氣旋海表面中心氣壓、氣旋中心氣壓加深率及紅外衛(wèi)星云圖特征，可將該氣旋的演變過程劃分為以下四個階段：

初始階段(14日12 UTC至14日22 UTC)：氣旋中心氣壓緩慢降低，氣旋中心氣壓加深率小于1 Bergeron，云團結(jié)構(gòu)較為松散呈“逗號”狀結(jié)構(gòu)。

發(fā)展階段(14日23 UTC至15日15 UTC)：氣旋中心氣壓迅速降低，氣旋中心氣壓加深率大于1 Bergeron，云系逆時針旋轉(zhuǎn)為“螺旋”狀，鋒面云系呈“人”字形分布，氣旋中心呈“眼”狀結(jié)構(gòu)。

成熟階段(15日16 UTC至15日23 UTC)：氣旋中心氣壓變化較小，氣旋中心氣壓加深率小于1 Bergeron且迅速減小，并于15日20 UTC由正轉(zhuǎn)負，云系發(fā)展旺盛呈“螺旋”狀。

衰亡階段(16日00 UTC至20日10 UTC)：氣旋中心氣壓先迅速升高，氣旋中心氣壓加深率在-0.8 Bergeron左右，之后氣旋中心氣壓基本無變化，云團結(jié)構(gòu)整體變得松散，“眼”狀區(qū)域逐漸模糊，云團的頭尾部發(fā)生斷裂。

(紅色實心圓點代表地面氣旋中心位置。Red solid dots represent the center of the surface cyclone.)

3 天氣形勢分析

分析溫帶氣旋演變過程中的天氣形勢選取以下四個時刻：6月14日12 UTC為溫帶氣旋生成時刻，15日09 UTC為氣旋中心氣壓加深率最大時刻，15日18 UTC為氣旋中心氣壓最低時刻，17日06 UTC為氣旋衰亡階段代表時刻。

3.1 海表面分析

6月14日12 UTC(圖略)， 氣旋附近的等壓線和等溫線分布稀疏，風速較小，氣旋強度較弱，其東北部海域氣-海溫差為負值。15日09 UTC(見圖4(a))及18 UTC(見圖5(a))，氣旋附近的風場呈明顯的氣旋式彎曲且風速較大(大于10 m/s)，等壓線密集，其中心西南側(cè)和東北側(cè)的等溫線密集，與冷暖鋒區(qū)對應(yīng)。美國東海岸附近有條帶狀的氣-海溫差負值區(qū)，其位置與冷鋒位置吻合，這與冷鋒后冷空氣入侵有關(guān)，也與墨西哥灣流將低緯度的暖水輸送至中高緯度地區(qū)有關(guān)。氣旋中心及其東側(cè)存在范圍寬闊的氣-海溫差正值區(qū)，與暖鋒位置吻合，由于氣旋發(fā)展過程中SST幾乎不變，說明正值區(qū)與低空偏南風對暖空氣的輸送有關(guān)，該處的氣-海溫差于15日18 UTC(見圖5(a))達到最大值5.5 K。

圖4 2006年6月15日09 UTC的(a)海表面氣壓場(黑色實線，間隔4 hPa)、2 m高度氣溫場(紅色實線，間隔3 ℃)、10 m高度風場(黑色箭頭，大于10 m/s)和氣-海溫差(填色，間隔1.5 K，其值等于2 m高度氣溫減去海表面溫度)，(黑色實心圓點代表地面氣旋中心位置(下同)，線A1B1和C1D1用于剖面分析)；(b)850 hPa位勢高度場(黑色實線，間隔30 gpm)、風場(紅色箭頭，大于12 m/s)和比濕(填色，間隔2 g/kg)；(c)500 hPa位勢高度場(黑色實線，間隔50 gpm)、溫度場(紅色虛線，間隔2 ℃)和風場(藍色箭頭，大于25 m/s)，(棕色實線代表槽線)；(d)200 hPa位勢高度場(黑色實線，間隔60 gpm)、溫度場(紅色虛線，間隔2 ℃)、風場(藍色風羽，大于40 m/s，全風羽為4 m/s)和水平散度(填色，間隔2×10-5 s-1)

圖5 同圖4，但時間為2006年6月15日18 UTCFig.5 Same as in Fig. 4, but for 18 UTC 15 June，2006

17日06 UTC(圖略)，氣旋已處于衰亡階段，其附近的等壓線較為稀疏，風場的氣旋式切變減弱，東南側(cè)存在較弱的氣-海溫差正值區(qū)。

3.2 850 hPa分析

6月14日12 UTC(圖略)，地面氣旋中心位于西南低空急流的左側(cè)，低空急流向氣旋中心輸送暖濕空氣，可為氣旋發(fā)展提供充足的動量、熱量和水汽，氣旋中心附近的比濕大值區(qū)呈“逗號”狀。此外，當暖濕空氣被輸送至中高緯度較干冷空氣的下方時可產(chǎn)生對流性不穩(wěn)定，配合低空急流左側(cè)上升運動的觸發(fā)作用易產(chǎn)生對流性天氣。

隨著氣旋的發(fā)展，這支西南低空急流在東移過程中增強且范圍增大。15日09 UTC(見圖4(b))及18 UTC(見圖5(b))，風速大值中心、比濕大值區(qū)及低渦相配置，氣旋中心附近的高濕區(qū)呈“螺旋”狀分布，與對應(yīng)時刻的螺旋云系形狀吻合，部分地區(qū)比濕可達12.8 g/kg。此外，低空急流的左、右兩側(cè)分別存在輻合上升及輻散下沉運動，而地面氣旋中心恰好位于其左側(cè)的上升運動區(qū)，有利于氣旋式渦度中心的加強。

17日06 UTC(圖略)，低空急流轉(zhuǎn)為偏西，水汽水平輸送減弱，氣旋上空比濕較小(小于7 g/kg)，水汽條件不足可能是氣旋的消亡原因之一。

3.3 500 hPa分析

6月14日12 UTC(圖略)，北大西洋區(qū)受北美大槽控制，槽線呈東北-西南向，地面氣旋中心位于槽的底部且其附近風速較小。

15日09 UTC(見圖4(c))及18 UTC(見圖5(c))，北美大槽振幅增大并演化為南北兩個槽，北部的槽位于加拿大東部沿海地區(qū)，南部的槽位于北美東海岸附近，南部槽前的暖平流及槽后的冷平流增強，大氣斜壓結(jié)構(gòu)明顯。15日18 UTC(見圖5(c))氣旋中心附近的等高線和等溫線近乎垂直，溫度平流達到最強。地面氣旋中心位于高空槽前，槽前存在正渦度平流引起氣流輻散，在低層產(chǎn)生補償性的上升運動，從而有利于地面氣旋的發(fā)展。該階段氣旋上空出現(xiàn)閉合中心，說明氣旋和冷渦融合形成了自地面至500 hPa乃至更深厚的渦旋系統(tǒng)，地面氣旋中心位于閉合環(huán)流的東南部。

17日06 UTC(圖略)，50°N附近等高線較為平直，高空風速減小且無閉合中心，氣旋系統(tǒng)逐漸填塞減弱。

3.4 200 hPa分析

6月14日12 UTC(圖略)，高空急流軸位于41°N附近，最大風速為60.7 m/s，地面氣旋中心位于高空急流右后方，低空對應(yīng)輻合上升運動，使得地面減壓從而有利于氣旋發(fā)展。

15日09 UTC(見圖4(d))及18 UTC(見圖5(d))，高空急流演變?yōu)槟媳眱芍?，兩個急流大風核隨時間向東傳播，槽前的北支高空急流軸位于46°N左右，中心風速可達63.8 m/s，槽底的南支高空急流軸約位于36°N，中心風速為56 m/s。地面氣旋中心逐漸北移并位于北支高空急流入口區(qū)右側(cè)的氣流輻散區(qū)，根據(jù)大氣質(zhì)量連續(xù)性原理，這會促進中層的上升運動及低層空氣輻合，為氣旋發(fā)展提供了充足的動力條件。

17日06 UTC(圖略)之后，高空急流逐漸發(fā)展為平直的準西風急流，不利于高層輻散場的形成及大氣斜壓性的增強，在一定程度上加速了氣旋的衰亡。地面氣旋中心已越過急流軸并到達高空急流的左側(cè)，強的氣旋式切變渦度造成高空氣流輻合會阻礙地面氣旋的發(fā)展，此后氣旋逐漸脫離高空急流的影響。

4 物理因子分析

4.1 大氣環(huán)境場分析

斜壓大氣有利于溫帶氣旋的發(fā)展，大氣斜壓性指數(shù)(Baroclinic Index, BI)可度量大氣斜壓性，也可度量大氣環(huán)境促進氣旋系統(tǒng)發(fā)展的能力，其計算公式[20]為：

6月14日12 UTC(見圖6(a))，氣旋附近的等高線和等溫線分布均較稀疏，大氣斜壓性較弱，冷暖鋒區(qū)不明顯。15日09 UTC(見圖6(b))及18 UTC(見圖6(c))，氣旋附近等壓線密集，其西南側(cè)和東北側(cè)等溫線密集分別對應(yīng)冷鋒和暖鋒，冷鋒處有較強的冷平流，暖鋒處有較強的暖平流持續(xù)向氣旋東部輸送暖空氣，從圖4(a)及5(a)中也可看出其東部的氣-海溫差正值區(qū)逐漸增強。鋒區(qū)附近的熱成風及大氣斜壓性均較強，尤其暖鋒一側(cè)斜壓性極強，大氣斜壓性指數(shù)大值區(qū)沿著暖鋒呈“葉”狀分布。17日06 UTC(見圖6(d))，氣旋附近的等高線和等溫線逐漸稀疏，溫度平流及大氣斜壓性也明顯減弱。

4.2 渦度分析

4.2.1 500 hPa渦度分析 6月14日12 UTC(圖略)，地面氣旋中心位于渦度平流幾乎為零的北美大槽槽線附近，正負渦度平流總體較小，高層動力強迫較弱。15日09 UTC(見圖7(a))及18 UTC(見圖7(b))，氣旋中心位于槽前的正渦度平流區(qū)，15日18 UTC正渦度平流可達6×10-8s-2，高層動力強迫明顯增強。高層氣流輻散，在動力強迫作用下低層產(chǎn)生補償性的上升運動，地面減壓，有利于氣旋系統(tǒng)快速發(fā)展。17日06 UTC(圖略)，相對渦度平流有所減弱，氣旋中心逐漸遠離渦度平流大值區(qū)，系統(tǒng)趨于衰亡。

圖6 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)15日09 UTC，(c)15日18 UTC和(d)17日06 UTC的850 hPa位勢高度場(黑色實線，間隔30 gpm)、溫度場(紅色實/虛線，間隔2 ℃)和大氣斜壓性指數(shù)(填色，間隔0.5×10-5 s-1)Fig.6 Geopotential height (solid black lines, 30 gpm interval), air temperature (solid/dashed red lines, 2 ℃ interval) and baroclinic index (shaded, 0.5×10-5 s-1 interval) at 850 hPa at (a)12 UTC 14, (b)09 UTC 15, (c)18 UTC 15 and (d)06 UTC 17 June，2006

圖7 (a)2006年6月15日09 UTC和(b)15日18 UTC的500 hPa位勢高度場(黑色實線，間隔40 gpm)、溫度場(紅色虛線，間隔2 ℃)和相對渦度平流(填色，間隔0.4×10-8 s-2)；(c)15日09 UTC和(d)15日18 UTC相對渦度(填色，間隔10×10-5 s-1)、垂直速度(黑色實/虛線，間隔0.6 Pa/s)和水平風場(藍色風羽，全風羽為4 m/s)沿線AiBi(i=1,2)的垂直剖面Fig.7 Geopotential height (solid black lines, 40 gpm interval), air temperature (dashed red lines, 2 ℃ interval) and advection of relative vorticity (shaded, 0.4×10-8 s-2 interval) at 500 hPa at (a)09 UTC 15 and (b)18 UTC 15 June 2006. The vertical cross section analyses of relative vorticity (shaded, 10×10-5 s-1 interval), vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) and horizontal wind (blue barb, full barb is 4 m/s) alone the lines AiBi (i=1,2) at (c)09 UTC 15 and (d)18 UTC 15 June，2006

4.2.2 渦度垂直剖面分析 從相對渦度的垂直剖面來看，在氣旋的發(fā)展階段及成熟階段，氣旋附近整個對流層受較強的正渦度控制。6月15日09 UTC(見圖7(c))，氣旋上空1 000～200 hPa存在高渦度柱，相對渦度大值中心位于1 000 hPa左右，最大值為1.12×10-3s-1，氣旋附近的正渦度(即氣旋式渦度)區(qū)對應(yīng)氣旋性(逆時針)流場，從圖中也可看出氣旋西側(cè)為偏北風而東側(cè)為偏南風。15日18 UTC(見圖7(d))，渦度柱包含兩個渦度大值中心，對流層中下層的大值中心位于950 hPa附近，中心值為1.09×10-3s-1，對流層上層的大值中心位于400 hPa左右且強度較小，高低層強渦度因子的疊加代表氣旋已發(fā)展至成熟狀態(tài)。

4.3 位渦分析

位勢渦度(Potential Vorticity, PV)是綜合表征大氣熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的一個重要物理量[21]，是診斷氣旋演變的有效工具，其單位為PVU(1 PVU=10-6K·kg-1·m2·s-1)，計算公式為：

式中：g為重力加速度；f為科氏參數(shù)；ζ為相對渦度；θ為位溫；P為氣壓。

4.3.1 200 hPa的PV分析 6月14日12 UTC(見圖8(a))，氣旋的高層(200 hPa)上游已有與極地“PV庫”(PV Reservoir)相連的PV大值區(qū)存在，其邊緣與20%相對濕度等值線基本吻合，高空急流位于PV大值區(qū)的南側(cè)，地面氣旋中心位于高空急流南側(cè)。

隨著氣旋的發(fā)展，PV大值區(qū)出現(xiàn)明顯的氣旋式扭轉(zhuǎn)，高位渦區(qū)向低位渦區(qū)深入，“拱”形的低PV舌(小于1 PVU)將極地高PV庫向北推進。Posselt和Martin[22]指出，爆發(fā)性氣旋發(fā)展過程中經(jīng)常在對流層上部出現(xiàn)“鉤”(Hook)狀的PV正異常。15日09 UTC(見圖8(b))及18 UTC(見圖8(c))，中緯度PV大值區(qū)呈“鉤”狀形態(tài)，由于高PV庫位于極地平流層，因此中緯度對流層上部“鉤”狀高PV舌的出現(xiàn)是氣旋上空對流層頂折疊引起平流層空氣入侵的結(jié)果[23]，PV大值區(qū)內(nèi)的相對濕度小于20%，地面氣旋中心逐漸北移穿過急流軸并位于“鉤”狀結(jié)構(gòu)的尖端。

17日06 UTC(見圖8(d))，地面氣旋中心北移至高空急流的北側(cè)，高PV區(qū)覆蓋在氣旋系統(tǒng)的上空但“鉤”狀結(jié)構(gòu)已消失。

圖8 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)15日09 UTC，(c)15日18 UTC和(d)17日06 UTC的200 hPa位勢渦度場(填色，間隔1 PVU)、風場(紅色箭頭，大于30 m/s)和相對濕度(藍色虛線，20%相對濕度等值線)Fig.8 Potential vorticity (shaded, 1 PVU interval), wind (red arrows with values greater than 30 m/s) and relative humidity (dashed blue lines, contoured for 20%) at 200 hPa at (a)12 UTC 14, (b)09 UTC 15, (c)18 UTC 15 and (d)06 UTC 17 June，2006

4.3.2 PV垂直剖面分析 6月15日09 UTC(見圖9(a))，2 PVU等位渦線作為動力對流層頂[24]維持在350 hPa以上，從圖中可看出對流層頂發(fā)生折疊，致使高位渦空氣從平流層延伸至對流層中高層，高層PV大值區(qū)的出現(xiàn)與加強可促進氣旋的爆發(fā)性發(fā)展。

Pang和Fu[23]研究指出溫帶氣旋發(fā)展過程中通常存在三種PV正異常，即對流層上部、對流層下部及近地面PV正異常。當氣旋發(fā)展至成熟階段，這三種PV正異常通常垂直排列并形成“PV塔”(PV Tower)，表明具有異常高PV值的空氣形成了一個貫穿對流層的氣柱，能夠產(chǎn)生從地面至對流層的強氣旋式環(huán)流，對氣旋的發(fā)展具有重要影響。15日18 UTC(見圖9(b))，對流層上部260 hPa附近的PV大值中心達11.2 PVU，對流層低層800 hPa存在一個強度達7 PVU的PV大值中心，近地面930 hPa也存在向上延伸的PV大值區(qū)(中心值為13.8 PVU)。高低層的PV大值區(qū)通過1 PVU等值線連接形成垂直發(fā)展的“PV柱”，在氣旋上空形成PV塔(大于1 PVU)，PV塔中具有很強的風速水平梯度，高層異常位渦能量和動量的下傳促使低層系統(tǒng)發(fā)展增強。Uccellini等[25]指出，當平流層的高位渦空氣向下延伸至對流層并形成PV塔時，對氣旋的爆發(fā)性發(fā)展有極大的促進作用。

圖9 (a)2006年6月15日09 UTC和(b)15日18 UTC位勢渦度場(填色，間隔1 PVU；紅色實線，1 PVU等位渦線；藍色實線，2 PVU等位渦線)和風速(黑色實線，間隔4 m/s)沿線AiBi(i=1,2)的垂直剖面Fig.9 The vertical cross section analyses of potential vorticity (shaded, 1 PVU interval; solid red lines, contoured for 1 PVU; solid blue lines, contoured for 2 PVU) and wind velocity (solid black lines, 4 m/s interval) alone the lines AiBi (i=1,2) at (a)09 UTC 15 and (b)18 UTC 15 June，2006

4.4 潛熱分析

6月15日09 UTC，氣旋中心東側(cè)1 000～650 hPa存在向上伸展的濕舌(見圖10(b))，近地面比濕可達15.6 g/kg，西側(cè)比濕相對較小，這與850 hPa水汽通量散度的分布特征(見圖10(a))吻合，即氣旋中心的東北側(cè)存在水汽通量散度負值區(qū)而西南側(cè)存在正值區(qū)，說明水汽被輻合到氣旋的東北部。高濕區(qū)配合上升運動可產(chǎn)生凝結(jié)潛熱維持高空溫度，不僅使得氣旋中心附近的等位溫線下凹形成暖心結(jié)構(gòu)，還可避免高空降壓過快，有利于高空輻散場持續(xù)穩(wěn)定存在，從而使得氣旋加深發(fā)展。

Hsu和Li[26]研究表明，天氣尺度的視熱源Q1和視水汽匯Q2加熱(冷卻)異常與氣旋(反氣旋)渦度擾動是同位相的。Yanai等[27]指出，Q1代表總的非絕熱加熱(包括輻射、潛熱和表面熱通量)以及次網(wǎng)格尺度的熱通量輻合，Q2代表由于冷凝或蒸發(fā)過程產(chǎn)生的潛熱以及次網(wǎng)格尺度的水汽通量輻合。從Q1/CP的垂直剖面(見圖10(c))來看，氣旋上空東側(cè)存在強度可達101.4 K/d的視熱源正值區(qū)，大值中心位于600 hPa左右，可見對流層低層的非絕熱加熱強度小于對流層中高層，根據(jù)位勢傾向方程，位勢傾向與非絕熱加熱強度隨高度的變化成反比，由于最大加熱層次(600 hPa)以下非絕熱加熱強度隨高度增加，因此等壓面高度隨時間降低，對氣旋發(fā)展有利。Q2/CP可表征潛熱釋放[28]，王堅紅等[29]指出氣旋中釋放的凝結(jié)潛熱對暖季氣旋的發(fā)展起重要作用，在氣旋發(fā)展過程中潛熱釋放垂向上主要位于對流層的中低層(見圖10(d))，強度可達210.6 K/d。另外，本文在第5部分利用Zwack-Okossi方程對非絕熱加熱進行了更加詳細的診斷分析。

圖10 2006年6月15日09 UTC的(a)850 hPa位勢高度場(黑色實線，間隔30 gpm)、風場(藍色箭頭，大于12 m/s)和水汽通量散度(填色，間隔2×10-8 g/(s·hPa·cm2))；(b)比濕(填色，間隔2 g/kg)、位溫(紅色實線，間隔5 K)和垂直速度(黑色實/虛線，間隔0.6 Pa/s)沿線A1B1的垂直剖面；(c)Q1/CP(填色，間隔20 K/d)、垂直速度(黑色實/虛線，間隔0.6 Pa/s)和溫度(紅色實/虛線，間隔5℃)沿線A1B1的垂直剖面；(d)Q2/CP(填色，間隔20 K/d)、垂直速度(黑色實/虛線，間隔0.6 Pa/s)和溫度(紅色實/虛線，間隔5℃)沿線A1B1的垂直剖面Fig.10 (a) Geopotential height (solid black lines, 30 gpm interval), wind (blue arrows with values greater than 12 m/s) and water vapor flux divergence (shaded, 2×10-8 g/(s·hPa·cm2) interval) at 850 hPa; (b) The vertical cross section analyses of specific humidity (shaded, 2 g/kg interval), potential temperature (solid red lines, 5 K interval) and vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) alone the lines A1B1; (c) The vertical cross section analyses of Q1/CP (shaded, 20 K/d interval), vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) and air temperature (solid/dashed red lines, 5℃ interval) alone the lines A1B1; (d) The vertical cross section analyses of Q2/CP (shaded, 20 K/d interval), vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) and air temperature (solid/dashed red lines, 5℃ interval) alone the lines A1B1 at 09 UTC 15 June, 2006

5 Zwack-Okossi方程診斷分析

為定量分析各物理量對氣旋發(fā)展的貢獻，選取6月14日12 UTC(溫帶氣旋生成時刻)、14日23 UTC(初始爆發(fā)時刻)、15日09 UTC(氣旋中心氣壓加深率最大時刻)和15日18 UTC(氣旋中心氣壓最低時刻)四個時刻利用Zwack-Okossi方程進行診斷分析。Zwack和Okossi[30]給出了Zwack-Okossi方程的準地轉(zhuǎn)形式，本文使用Lupo等[31]提出的廣義形式的Zwack-Okossi方程：

圖11 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)14日23 UTC，(c)15日09 UTC和(d)15日18 UTC的950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向(黑色實/虛線，間隔1×10-9 s-2)、Zwack-Okossi方程右邊九項之和(填色，間隔1×10-9 s-2)Fig.11 Geostrophic vorticity tendencies at 950 hPa (solid/dashed black lines, 1×10-9 s-2 interval) and the sum of the nine terms on the right hand side of Zwack-Okossi equation (shaded, 1×10-9 s-2 interval) at (a)12 UTC 14, (b)23 UTC 14, (c)09 UTC 15 and (d)18 UTC 15 June,2006

從圖11可以看出，Zwack-Okossi方程右邊九個強迫項所產(chǎn)生的950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向與950 hPa地轉(zhuǎn)渦度局地變化的水平分布相似、數(shù)量級相當，二者變化趨勢也較為一致，因此用該方程診斷各強迫項對近地面地轉(zhuǎn)渦度局地變化的貢獻是可行的。6月14日12 UTC(見圖11(a))，氣旋中心的東北部存在強度較弱的地轉(zhuǎn)渦度傾向正值區(qū)，最大值僅為2.8×10-9s-2，其西北側(cè)負值區(qū)的范圍和強度均較小；氣旋初始爆發(fā)時刻(見圖11(b))，地轉(zhuǎn)渦度傾向正值區(qū)的范圍和強度都增大，氣旋西部負值區(qū)增強至-3.4×10-9s-2；15日09 UTC(見圖11(c))，正地轉(zhuǎn)渦度傾向的中心值增大為1.09×10-8s-2，負地轉(zhuǎn)渦度傾向的中心值達-7.5×10-9s-2，氣旋中心靠近地轉(zhuǎn)渦度傾向正值區(qū)，此時氣旋中心氣壓加深率達最大；當氣旋中心氣壓降至最低時(見圖11(d))，地轉(zhuǎn)渦度傾向正值區(qū)略微增強(中心值為1.12×10-8s-2)，而負值區(qū)強度稍減弱(中心值為-6.9×10-9s-2)，此后氣旋中心氣壓開始上升，氣旋強度逐漸減弱。另外也可看出，近地面地轉(zhuǎn)渦度傾向與氣旋強度的變化較為一致，表明可用Zwack-Okossi方程計算得出的950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向度量氣旋強度變化。

經(jīng)計算表明，Zwack-Okossi方程右邊的后五項(FRIC、AGEO、VORV、TILT和VDIV)數(shù)量級約為10-11s-2，而前四項(VADV、TADV、DIAB和ADIA)的數(shù)量級大致為10-9s-2或10-10s-2，即后五項比前四項在數(shù)值上小一或兩個數(shù)量級，因此僅討論前四項對地轉(zhuǎn)渦度傾向的貢獻。6月14日12 UTC(見圖12(a))，熱帶低壓剛變性為溫帶氣旋，絕對渦度平流項、溫度平流項和非絕熱項對氣旋發(fā)展有正貢獻，但渦度平流和溫度平流的強度很小，因此該階段主要是非絕熱加熱過程促進了氣旋發(fā)展，而絕熱項不利于氣旋發(fā)展。14日23 UTC(見圖12(b))，絕對渦度平流項增強(由6.2×10-11s-2增大到4.56×10-10s-2)，非絕熱項略有減弱(由9.91×10-10s-2減小到7.72×10-10s-2)， 二者對氣旋發(fā)展有正貢獻，而溫度平流項和絕熱項對氣旋發(fā)展起阻礙作用。15日09 UTC(見圖12(c))，絕對渦度平流項和非絕熱項迅速增強，進一步促進了氣旋的爆發(fā)性發(fā)展，且非絕熱項的貢獻最大，溫度平流項和絕熱項對氣旋發(fā)展的負貢獻也加強，說明氣旋快速發(fā)展的主要影響因子是正渦度平流和非絕熱加熱的增強。15日18 UTC(見圖12(d))，絕對渦度平流項、非絕熱項和絕熱項均減弱，溫度平流項有所增強，溫度平流項和絕熱項依然不利于氣旋發(fā)展，此時絕對渦度平流項和非絕熱項對氣旋發(fā)展的正貢獻大小相當(分別為4.22×10-10s-2和4.99×10-10s-2)。

圖12 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)14日23 UTC，(c)15日09 UTC和(d)15日18 UTC圍繞氣旋中心區(qū)域平均(10°×10°)的絕對渦度平流項(VADV)、溫度平流項(TADV)、非絕熱項(DIAB)、絕熱項(ADIA)以及Zwack-Okossi方程右邊九項之和(Total)Fig.12 Four individual terms (VADV, TADV, DIAB, and ADIA) and the sum of the nine terms on the right hand side of Zwack-Okossi equation (Total) within an area-mean (10°×10°) regarding to cyclone center at (a)12 UTC 14, (b)23 UTC 14, (c)09 UTC 15 and (d)18 UTC 15 June,2006

綜合以上分析可知，絕對渦度平流項和非絕熱項始終對氣旋發(fā)展有正貢獻，且非絕熱加熱對氣旋快速發(fā)展的貢獻最大，這與前文得出的結(jié)論一致，即高空槽前的正渦度平流及氣旋上空的潛熱釋放均有利于氣旋發(fā)展。另外，熱帶低壓剛變性為溫帶氣旋時，溫度平流項的貢獻為正，此后貢獻一直為負，而絕熱項始終不利于該氣旋的發(fā)展，二者相比，對氣旋發(fā)展起阻礙作用的主要是絕熱項。

6 總結(jié)與討論

本文對2006年6月14日12 UTC～20日10 UTC發(fā)生在北大西洋上的一個爆發(fā)性氣旋進行了分析，該氣旋由熱帶風暴Alberto變性后發(fā)展而來。熱帶風暴Alberto北移登陸后因水汽供應(yīng)減少、下墊面摩擦增大等因素減弱成熱帶低氣壓，之后由于冷空氣入侵及中高緯天氣系統(tǒng)的影響變性為溫帶氣旋，而溫帶氣旋東移入海后水汽條件充沛，非絕熱加熱過程使得氣旋再度加強直至爆發(fā)，該溫帶氣旋的演變過程可劃分為初始、發(fā)展、成熟和衰亡共四個階段。

從天氣形勢來看，在氣旋的發(fā)展階段，氣旋經(jīng)過SST梯度大值區(qū)時爆發(fā)性發(fā)展，850 hPa西南低空急流向氣旋中心輸送暖濕空氣，為氣旋發(fā)展提供動量、熱量和水汽；500 hPa高空槽前的正渦度平流引起氣流輻散，低空產(chǎn)生補償性的輻合上升運動促進氣旋系統(tǒng)增強；200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)的氣流輻散區(qū)為氣旋發(fā)展提供了充足的動力條件。

研究影響氣旋發(fā)展的物理因子發(fā)現(xiàn)，低層大氣強烈的溫度平流導(dǎo)致的大氣斜壓性對氣旋發(fā)展有利，BI大值區(qū)沿著暖鋒呈“葉”狀分布；500 hPa槽前的正渦度平流可使地面減壓，高低層強渦度因子的疊加代表氣旋已發(fā)展至成熟狀態(tài)；對流層頂折疊過程致使高位渦空氣從平流層延伸至對流層中高層，200 hPa出現(xiàn)“鉤”狀的PV正異常，垂向上對流層高低層的PV大值區(qū)連通形成PV塔，異常位渦能量的下傳促使低層系統(tǒng)發(fā)展增強；氣旋東北部的高濕區(qū)配合上升運動可釋放凝結(jié)潛熱促使氣旋加深，且潛熱釋放(Q2/CP)垂向上主要位于對流層中低層。

利用Zwack-Okossi方程進行診斷分析發(fā)現(xiàn)，在該氣旋發(fā)展過程中絕對渦度平流項和非絕熱項的貢獻始終為正，且非絕熱加熱對氣旋快速發(fā)展的貢獻最大，而溫度平流項和絕熱項對氣旋發(fā)展起阻礙作用。已有不少學(xué)者利用Zwack-Okossi方程對不同的爆發(fā)性氣旋進行診斷研究，例如王勁松等[32]對1981年12月20～21日發(fā)生在西北太平洋的一次爆發(fā)性氣旋進行診斷，發(fā)現(xiàn)渦度平流對該氣旋發(fā)展的貢獻最大，而非絕熱加熱影響較小；黃立文等[33]考察了1982年3月1日00時～3日00時以及1983年1月3日00時～5日00時這兩個西北太平洋爆發(fā)性氣旋，指出熱力強迫對氣旋發(fā)展起主要控制作用，渦度平流的動力作用較小?？梢姎庑l(fā)性發(fā)展的主要影響因子存在個例上的差異，至于溫帶氣旋爆發(fā)性發(fā)展的影響因子是否存在季節(jié)規(guī)律、空間規(guī)律或其他規(guī)律，還需進行更加深入的研究。