王寧 馬梁臣 霍也

(1.吉林省氣象科學研究所，吉林 長春 130062； 2. 長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室,吉林 長春 130062; 3.吉林省氣象臺，吉林 長春 130062； 4.長春市氣象局，吉林 長春 130000)

引言

溫帶氣旋一般具有爆發(fā)性發(fā)展和緩慢演變兩種過程。爆發(fā)性氣旋的概念最初由Sanders 和Gyakum提出[1]，若氣旋中心海平面氣壓在24 h內經(jīng)過地轉調整到60°N后下降到24 hPa以上，也就是氣壓加深率大于1 hPa·h-1，該氣旋就被稱為爆發(fā)性氣旋，爆發(fā)性發(fā)展的氣旋也被氣象學者形象地稱為“氣象炸彈”，它不僅可以產(chǎn)生較強的降水和大風，甚至會產(chǎn)生冰雹、龍卷等更為強烈的天氣，由于其影響巨大，因而一直是人們研究的重點課題之一。爆發(fā)性氣旋是臨界增強速率在一個貝吉龍(24 h下降24 hPa乘以sinΦ/sin60°)或一個貝吉龍以上的氣旋[2],其中Φ是氣旋迅速加深階段其中心所在的緯度，因而臨界速率隨緯度的增加而增加。由于爆發(fā)性氣旋常帶來極端天氣，對其氣候特征、發(fā)生發(fā)展機制、帶來暴雨雪和大風天氣成因等問題已開展了一些研究[3]。

董立清和李德輝[4]通過對我國東部沿海爆發(fā)性氣旋的研究，發(fā)現(xiàn)爆發(fā)性氣旋多發(fā)生在春季和冬季，其中春季氣旋的初始位置多集中在30°—35°N，西北太平洋包括東海、黃海和渤海，每年有50個左右氣旋生成，1個能夠出現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展，達到爆發(fā)性氣旋的標準。李長青和丁一匯[5]統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，西北太平洋爆發(fā)性氣旋大部分集中發(fā)生在35°—55°N、140°—165°E的海域。儀清菊和丁一匯[6]通過對西太平洋和東亞地區(qū)爆發(fā)性氣旋的研究發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)性氣旋發(fā)生在大陸和近海上的遠少于發(fā)生在西太平洋，而且海上的強度一般強于陸地。國內很多學者對爆發(fā)性氣旋的形成機制進行了研究，通過研究得出氣旋急劇發(fā)展的有利條件主要有大氣不穩(wěn)定層結、高空急流的輻散區(qū)、中低層大氣的強斜壓性和西太平洋副熱帶高壓的強暖平流等[5]。呂筱英等[7]認為高空高值位渦的向下傳遞是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的一個重要條件。丁治英等[8]分析大西洋與太平洋上爆發(fā)性氣旋，發(fā)現(xiàn)位渦與氣旋的發(fā)展關系密切，高層和低層的位渦大值區(qū)同時位于低空低渦上空并上下貫通，此時進入地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展的時期。黃立文等[9]對西北太平洋溫帶氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程中的物理過程、海溫、能量等進行了數(shù)值模擬試驗研究。目前針對爆發(fā)性氣旋引發(fā)的暴雨雪和大風天氣成因的研究仍較少，可能原因是爆發(fā)性氣旋多發(fā)于海上，陸地上的個例較少。蔡麗娜等[10]研究2007年一次氣旋爆發(fā)性發(fā)展所造成的暴雪天氣過程，分析表明氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要原因是大氣的強斜壓性及其冷暖平流，暴雪的產(chǎn)生與氣旋爆發(fā)性發(fā)展、水汽輸送及垂直運動等關系密切。

對陸地上爆發(fā)性氣旋的研究仍不多見，歐亞大陸是氣旋多發(fā)區(qū)[11],完整的氣旋生成、發(fā)展和消亡過程常發(fā)生在東亞大陸[12-13]，其中蒙古氣旋春季發(fā)生的頻率最高[14]。東北地區(qū)爆發(fā)性氣旋出現(xiàn)的頻率不高，但是影響較大，5月初東北地區(qū)就出現(xiàn)暴雨天氣仍為歷史罕見。研究爆發(fā)性氣旋暴雨形成機制等問題，可為暴雨、暴雪等極端天氣的預報提供參考。

1 資料與方法

所使用的資料為2016年5月2—4日的NCEP的FNL和GDAS再分析資料，時間分辨率為每6 h一次，水平分辨率為1°×1°，GDAS再分析資料主要用于水汽軌跡追蹤。降水實況采用中國氣象局地面觀測資料。利用NCEP的FNL和GDAS的1°×1°再分析資料、地面觀測資料，從大尺度環(huán)流背景、水汽源地和輸送、動力和熱力機制、等熵位渦等方面進行分析。

等熵位渦可以理解為等熵面上的絕對渦度和靜力穩(wěn)定度乘積，絕熱無摩擦大氣中，等熵位渦是一個守恒量，等熵位渦守恒與中緯度斜壓擾動發(fā)展之間的診斷關系可用于對氣旋發(fā)生發(fā)展的預報[15-17]。水汽通量和水汽通量散度可以定量表示水汽輸送和水汽匯聚，其中水汽通量表征單位時間通過某一面積的水汽量，水汽通量散度表征單位時間進入和流出單位體積的水汽量[10,18]。水汽軌跡追蹤采用的是HYSPLIT-v4.9[19-20]軌跡模型，假設空氣中的粒子隨風飄動，氣流的移動軌跡就是其在時間和空間上位置矢量的積分[21]。該模型被國內很多學者用于水汽來源和輸送軌跡研究[18,22-23]。鋒生函數(shù)是表征鋒生結構的定量參數(shù)，也可以反映大氣動力學和熱力學特征，在絕熱和不考慮傾斜運動情況下，鋒生函數(shù)主要有輻散項和形變項決定[24]，文中的鋒生函數(shù)計算主要取上述兩項。

2 結果分析

2.1 氣旋實況

2016年5月3—4日地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展導致的東北地區(qū)的遼寧、吉林、黑龍江等地出現(xiàn)暴雨和7級以上瞬時大風[25]，圖1給出地面氣旋的逐6 h中心氣壓和移動路徑，中心氣壓和移動路徑是由人工利用MICPAS系統(tǒng)調用地面要素資料確定的，同時黃海北部到渤海灣受海區(qū)影響，缺少地面觀測，氣壓值和定位可能略有偏差，但基本能夠反映氣旋的實況。5月1日氣旋在江淮地區(qū)生成，在向東北方向移動過程中，氣旋中心海平面氣壓持續(xù)下降，3日14時(北京時，下同)發(fā)展達到最強，減弱過程中東移分量加大。從氣旋中心最低氣壓可以看出，2日14時中心氣壓為1000 hPa，3日14時中心氣壓為976 hPa，24 h中心氣壓下降24 hPa。爆發(fā)性氣旋是臨界增強速率在一個貝吉龍或以上的氣旋，本次氣旋的緯度在40°N附近，24 h中心氣壓下降17.8 hPa就成為爆發(fā)性氣旋，所以本次過程是一次典型的爆發(fā)性氣旋。另外，本次氣旋的快速加強發(fā)展是從3日02時開始，低壓中心移動至山東半島附近，其在遼東半島登陸后持續(xù)加強，用時12 h中心氣壓下降15 hPa，可見發(fā)展之迅速，其強度可與北上臺風相“媲美”。

圖中移動路徑上方數(shù)字為時間YYYYMMDDHH，下方為海平面氣壓，單位為hPa

2.2 降水實況

受氣旋北上影響，2016年5月2—4日東北地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨天氣(圖2)，暴雨主要集中在遼寧東部、吉林中部和黑龍江東部，大暴雨主要位于遼寧，共有5個國家氣象觀測站出現(xiàn)大暴雨，其中48 h最大累計降水出現(xiàn)在遼寧丹東，達到126 mm。暴雨區(qū)集中，吉林和黑龍江西部的降水邊界梯度較大，以穩(wěn)定性降水為主。吉林省50個國家氣象觀測站中，25站出現(xiàn)暴雨，占比50%，最大降水出現(xiàn)在雙陽，為89.4 mm。本次過程出現(xiàn)在5月(春季)，對于東北地區(qū)而言，較為罕見。

圖2 2016年5月2日08時至4日08時東北地區(qū)累計降水量

圖3給出了2016年5月2日08時至4日20時沈陽站和長春站逐小時降水變化曲線。降水天氣過程持續(xù)時間長，兩個代表站均超過34 h。降水主要從2日午后開始，長春降水開始時間較沈陽晚8 h左右。降水過程總體雨強不強，1 h降水量一般在6 mm以下，但沈陽站在3日06—07時降水量達11.3 mm?？傮w上是持續(xù)時間較長的穩(wěn)定性降水過程。從逐小時氣壓變化曲線可以看出，降水開始時間與氣壓的明顯下降有關，沈陽站氣壓達到最低時降水強度為最大，長春站的強降水時段發(fā)生于氣壓最低值前后。本次氣旋降水過程中還伴隨6級以上大風。

圖3 2016年5月2日08時至4日20時沈陽站和長春站逐小時降水和本站氣壓變化

2.3 大尺度環(huán)流形勢

2016年為超強厄爾尼諾的次年，中國北方容易出現(xiàn)洪澇災害。2016年5月西風帶平均位置整體偏北(圖略)，有利于南方暖濕空氣北上與北方冷空氣對碰形成強降水天氣，而且5月初中國東北地區(qū)氣溫回升明顯，為暴雨的出現(xiàn)提供了高溫高濕的環(huán)境背景。2016年5月2日20時500 hPa受高空深槽影響(圖4a)，東北地區(qū)處于高空槽前，槽前有強的正渦度平流輸送，有利于產(chǎn)生強的上升運動。溫度槽落后于高度槽，槽中有冷平流輸送，有利于高空槽的進一步加深發(fā)展。3日08時(圖4b)高空槽加強發(fā)展成為閉合低渦，低渦中心位置偏南，位于遼寧西南部，因持續(xù)有冷平流輸送，低渦中心得到加強，鄂霍次克海附近有高壓脊存在，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。3日20時(圖4c)低渦進一步加強發(fā)展，分析有3條閉合等值線，低渦中心位勢高度為536 dagpm，等溫線和等高線趨于一致。綜上，中國東北地區(qū)降水的高空形勢：高空槽快速發(fā)展為閉合低渦，初生低渦位置偏南，在發(fā)展過程中緩慢北上且略有東移，中國東北地區(qū)降水主要發(fā)生在低渦的東北象限。

從低空850 hPa的風場疊加海平面氣壓場可以看出，2016年5月2日20時(圖4d)在500 hPa高空槽前部，850 hPa低層有西北風和西南風的切變線，地面氣旋位于低空西南氣流中。有三根閉合等壓線，中心氣壓低于1002.5 hPa，從地面到高空，低壓槽系統(tǒng)向西傾斜，是典型的后傾槽形勢，大氣的斜壓性較強。3日08時(圖4e)低空切變線發(fā)展為低空低渦，風速進一步加大，低空形成明顯的西南急流，源源不斷地將海上的水汽、動量、熱量向東北地區(qū)輸送，并在氣旋中心和頭部形成強的輻合抬升，有利于出現(xiàn)強降水。地面氣旋同時加強發(fā)展，中心氣壓低于987.5 hPa，等壓線密集，氣壓梯度大，有利于出現(xiàn)低壓大風，氣旋在發(fā)展的同時略有北上，中國東北地區(qū)位于氣旋的頭部。3日20時(圖4f)高空低渦東移到地面氣旋上空，大氣層斜壓性減弱，氣旋發(fā)展達到最強盛，氣旋中心氣壓小于980 hPa，高低空溫壓場接近正壓。綜上，低空切變線加強發(fā)展為低渦，與低渦配合，其東部形成明顯的低空急流，源源不斷地將海上的水汽、動量、熱量向東北地區(qū)輸送。地面氣旋呈爆發(fā)性發(fā)展，等壓線密集，氣壓梯度大，有利于出現(xiàn)強的上升運動而導致強降水以及地面大風。從以上分析可知，天氣形勢對爆發(fā)性氣旋生成、發(fā)展及強降水非常有利。

黑實線為位勢高度，單位為dagpm;灰虛線為等溫線，單位為℃;灰實線為海平面氣壓，單位為hPa

2.4 氣旋爆發(fā)性發(fā)展的成因

本次暴雨過程與氣旋的爆發(fā)性發(fā)展密切相關，高松影等[26]從天氣學角度對該氣旋發(fā)展機制已經(jīng)進行了研究，為進一步補充，選取等熵位渦進行系統(tǒng)發(fā)展分析。320 K等熵面相當于對流層中高層，從2日20時、3日08時、20時、4日08時320 K等熵位渦分布(圖5)可以看出，320 K等熵面有明顯的高值位渦從北部向南輸送，一邊輸送一邊東移北上，地面氣旋的移動路徑與320K等熵面位渦的移動較為一致。2日20時320 K等熵面的中高層高位渦區(qū)中心值大于5 PVU，305 K等熵面(圖略)上的低層位渦大值區(qū)位于其東南側。3日08時由于高層位渦向下輸送，低層位渦開始增強。到3日20時低層305 K等熵面位渦大值達到1.5 PVU，開始大于同一位置的高空320 K的位渦值，且在發(fā)展加強過程中，305 K(低層)等熵面位渦大值區(qū)始終位于320 K(中高層)東側附近。4日08時320 K位渦呈現(xiàn)出明顯的南移、卷入特征，最后輸送通道切斷、系統(tǒng)減弱。以上分析表明，等熵位渦自320 K高層向305 K低層輸送下傳，并逐步向東南移動，高空正位渦下傳，促使地面氣旋發(fā)展，上升運動加強，有利于暴雨發(fā)生。

單位為PVU

2.5 水汽條件和輸送

水汽是成云致雨最關鍵的要素之一，對于中國東北內陸地區(qū)而言顯得尤為重要。表征水汽的物理量要素有相對濕度、比濕、水汽通量、水汽通量散度等。從圖6不同時刻850 hPa的相對濕度和比濕分布可以看出，5月2日20時(圖6a)氣旋中心比濕已經(jīng)達到10 g·kg-1以上，而中國東北地區(qū)的暴雨區(qū)相對濕度在90%以上，水汽已經(jīng)飽和，比濕達到6—8 g·kg-1，對比1981—2020年5月850 hPa平均比濕分布(圖6d)可以看到，中國東北地區(qū)一般在3.5—4.5 g·kg-1，表明本次過程低層比濕相當大。而且過程發(fā)生在5月初，尤其是遼寧南部比濕超過8 g·kg-1，有利于出現(xiàn)異常暴雨。3日08時(圖6b)飽和區(qū)和濕舌位置東移，暴雨區(qū)比濕維持在6—8 g·kg-1，沈陽附近比濕開始下降，降水也呈現(xiàn)減弱趨勢。到3日20時(圖6c)比濕繼續(xù)減小，沈陽比濕降至4 g·kg-1左右，吉林和黑龍江東部一般在4—6 g·kg-1，比濕條件明顯減弱，降水隨之減弱。以上分析表明，東北地區(qū)5月850 hPa比濕的氣候態(tài)一般在4 g·kg-1，而6 g·kg-1以上非常有利于暴雨的出現(xiàn)，對中國東北地區(qū)春末夏初暴雨預報有一定的參考意義。

黑實線為比濕，單位為g·kg-1；填色為比濕距平場，單位為g·kg-1

比濕雖然與降水量關系較為密切，但是暴雨或以上量級的降水，需要持續(xù)的水汽供應和強的水汽輻合抬升。從不同時刻850 hPa水汽通量和水汽通量散度分布圖可以看出，中國東北地區(qū)5月2日20時主降水前期(圖7a)，在渤海東部有強的水汽輸送，水汽通量達到30 g·(cm·s·hPa)-1以上，說明降水前東海和黃海有源源不斷的水汽向東北地區(qū)輸送，為降水提供非常有利的水汽條件，同時在遼寧中東部和吉林中部有水汽通量散度的負值區(qū)，表明存在水汽輻合上升與凝結，降水開始。5月3日08時主降水開始之后(圖7b)，仍然有持續(xù)的水汽供應，但水汽輸送通道略向東移動，東北地區(qū)的水汽輻合位于遼寧和吉林中部，水汽通量散度負值區(qū)的范圍增大、強度增強，850 hPa水汽通量散度負值區(qū)和降水區(qū)吻合，降水中心達到-30×10-7kg·(m2·s·hPa)-1以上。5月3日20時主降水基本結束(圖7c)，水汽輸送大值中心繼續(xù)向東偏移，水汽通量輻合中心東移，主降水移動到黑龍江東部。以上分析表明，中國東北地區(qū)這次爆發(fā)性氣旋的降水，水汽主要來源于東海、黃海及西北太平洋，并占主要地位，水汽輸送通道持續(xù)12 h以上，降水尤其是暴雨區(qū)與850 hPa水汽通量散度的負值區(qū)有較好的對應關系。

填色為水汽通量，單位為g·(cm·s·hPa)-1；箭頭矢量為水汽輸送，單位為10 g·(cm·s·hPa)-1；黑虛線為水汽通量散度，單位為10-7 kg·(m2·s·hPa)-1

以上的水汽研究是基于歐拉觀點，為了進一步證實水汽來源和輸送的事實，下面從拉格朗日觀點對水汽來源進行分析。起始點選取41°—47°N、122°—128°E范圍，間隔為1°×1°的網(wǎng)格點，中心在長春附近，高度分別選取1500 m、3000 m、5500 m和8000 m，時間選取為5月3日08時，即長春和沈陽發(fā)生較強降水時間，運用HYSPLIT-v4.9軌跡模型進行后向120 h水汽的軌跡追蹤。從圖8不同高度水汽的后向軌跡可以看出，整個對流層都有明顯的偏南水汽輸送，5500 m以下水汽軌跡終點(即后向軌跡追蹤的起始點)比濕一般在4 g·kg-1以上，說明濕層非常深厚，整層水汽主要來源于西北太平洋，起始比濕一般大于9 g·kg-1，層次越低，比濕越大。1500 m和3000 m水汽后向軌跡相類似，高比濕水汽主要來源于南側的海上，西北側有明顯的干空氣入侵，干濕空氣在中低層碰撞，形成明顯的濕度不連續(xù)帶，能夠觸發(fā)對流亦能夠促進對流發(fā)展，是降水增強的原因之一。高層5500 m主要以偏南水汽輸送為主，水汽源地比濕含量偏高，8000 m有西風氣流將大陸干空氣卷入，仍以西南側水汽輸送為主。以上分析表明，整層大氣的水汽主要來源南側的西北太平洋，中低層有明顯的干濕空氣交匯，高度越低，終點比濕越大。

圓點代表比濕，單位為g·kg-1；曲線代表軌跡；實心三角代表起始點

以上給出的拉格朗日水汽來源分析，能夠反映水汽輸送方向和比濕情況，但是不能清晰地展示水汽輸送高度的變化。為做進一步分析，同樣選擇發(fā)生較強降水時間5月3日08時，以長春和沈陽兩個點為代表，做后向120 h水汽的三維軌跡(圖9)，起始高度選擇3000 m，實心點的大小代表比濕。由圖9可以看出，兩地的水汽來源方向基本一致，西北側高度較高的干空氣向東南方向移動過程中高度下降，高度下降主要和空氣粒子的垂直下沉運動或者沿等熵面下沉運動有關，空氣粒子在大氣低層和我國東南部沿海等高水汽含量區(qū)域進行吸濕，比濕增大，在120°—125°E附近高度最低、比濕最大，隨后向北輸送，從南側低層向中國東北地區(qū)中層輸送水汽，輸送過程中水汽抬升凝結而出現(xiàn)降水。長春的水汽軌跡在到達之前有一次高度變動，可能是提前發(fā)生降水導致的高度下降。另外，軌跡3000 m高度的終點比濕長春高于沈陽，從降水實況分析，沈陽強降水時段已基本結束，而長春此時降水明顯偏強，所以終點比濕大小和降水強度有一定的正相關。通過上面分析更清楚地看到，此次氣旋降水的水汽來源于西南側的低層，軌跡略呈螺旋式上升，從南側低層向中國東北地區(qū)中層輸送水汽。

圖9 2016年5月3日08時長春和沈陽后向120 h水汽三維軌跡

2.6 動力和熱力診斷

動力條件從低層風場信息可以有較好的判斷，2016年5月3日08時700 hPa風場(圖10a)存在風速大于12 m·s-1的偏南風低空急流，在低空急流左前側的暴雨區(qū)存在強的風速輻合和風向切變，為明顯的暖式切變，產(chǎn)生強的動力抬升。從3日08時700 hPa垂直速度和850 hPa絕對渦度可以看出，暴雨區(qū)與二者有較好的對應關系，上升運動中心主要集中在吉林中南部和遼寧大部，最大上升運動中心達到-1.0 Pa·s-1。20時(圖10b)遼寧降水明顯減弱，長春降水仍在持續(xù)，垂直速度中心向東北方向移動到黑龍江和吉林交界，絕對渦度的正值中心也向吉林移動，絕對渦度正值中心略落后于垂直速度中心，但總體能夠反映降水移動和落區(qū)。

虛線為垂直速度，單位為Pa·s-1；填色區(qū)為絕對渦度，單位為10-5s-1

由于中國東北地區(qū)春季較長，干冷空氣長時間控制，降水的出現(xiàn)一般需要較好的暖濕條件。從2016年5月3日08時850 hPa相當位溫θe分布(圖11a)可以看出，明顯的“暖濕舌”從日本海向北伸到中國東北地區(qū)，在吉林和遼寧中部存在明顯的能量鋒區(qū)，即相當位溫密集帶。主要降水位于能量鋒區(qū)以及偏暖區(qū)一側，相當位溫達到30 ℃以上。能量鋒區(qū)存在明顯的冷暖空氣交匯，非常有利于出現(xiàn)強降水。從鋒生函數(shù)同樣看出，吉林和遼寧中部存在明顯暖區(qū)鋒生，鋒生強度達到4—6 K·(100 km·3 h)-1。3日20時(圖11b),“暖濕舌”位置明顯東移，等相當位溫線變稀疏，鋒生函數(shù)明顯減弱，尤其沈陽減弱更為明顯，降水亦出現(xiàn)明顯減弱趨勢。以上分析表明，強降水區(qū)與850 hPa相當位溫密集帶和暖區(qū)鋒生區(qū)相對應，降水位于能量鋒區(qū)以及偏暖區(qū)一側。

實線為相當位溫θe，單位為℃；填色為鋒生函數(shù)，單位為K·(100 km·3 h)-1

3 結論

(1)位于40°N附近的黃淮氣旋北上加強發(fā)展，2日14時至3日14時中心氣壓下降24 hPa，超過爆發(fā)性氣旋的定義標準。500 hPa高空槽快速加強發(fā)展為閉合低渦，低空切變線加強發(fā)展為低空低渦，其東部形成明顯的低空急流。暴雨過程為中國東北地區(qū)典型的暖式切變降水，降水系統(tǒng)移動緩慢。

(2)比濕在6 g·kg-1以上非常有利于暴雨的出現(xiàn)，對中國東北地區(qū)春末夏初暴雨預報有一定的參考意義。同時濕層比較深厚，強降水發(fā)生時延伸到5500 m左右，水汽主要來源于東海、黃海及西北太平洋，暴雨區(qū)與850 hPa水汽通量散度的負值區(qū)有較好的對應關系。

(3)700 hPa的上升運動區(qū)和850 hPa絕對渦度大值區(qū)與暴雨區(qū)較為一致，強降水區(qū)與850 hPa相當位溫密集帶和暖區(qū)鋒生區(qū)相對應，降水位于能量鋒區(qū)及偏暖區(qū)一側。

(4)等熵位渦自320 K(高層)向305 K(低層)輸送下傳，并逐步向南向東移動，高空正位渦的下傳，使得地面氣旋加強發(fā)展，上升運動加強，進而有利于暴雨發(fā)生。