西北太平洋上三個(gè)爆發(fā)性氣旋的對(duì)比分析和數(shù)值模擬研究?

孫柏堂， 李鵬遠(yuǎn)， 時(shí)曉曚

(1. 萊西市氣象局， 山東 青島 266622； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院海洋氣象系， 山東 青島 266100；3. 青島市氣象局， 山東 青島 266003)

0 引言

溫帶氣旋是中緯度地區(qū)最重要的天氣系統(tǒng)之一，對(duì)它的研究可以追溯到19世紀(jì)中葉。在20世紀(jì)初，挪威的卑爾根學(xué)派提出了氣旋模式以及氣旋生命史結(jié)構(gòu)[1-2]。20世紀(jì)中后葉，研究者發(fā)現(xiàn)有一類氣旋可以像“炸彈”(Bomb)一樣快速發(fā)展，中心氣壓迅速降低，Sanders和Gyakum[3]稱這種氣旋為“爆發(fā)性氣旋”(Explosive cyclone)，并給出了定義，即：地轉(zhuǎn)調(diào)整到60°N，24 h內(nèi)平均中心海表面氣壓加深率達(dá)到1 hPa (即1 Bergeron)及以上的氣旋稱為“爆發(fā)性氣旋”。氣旋中心氣壓的加深率計(jì)算公式為：

式中：DR為氣旋中心氣壓加深率；P代表氣旋中心海表面氣壓；φ代表氣旋中心在對(duì)應(yīng)的24 h內(nèi)的平均緯度；t-12和t+12分別是12 h前和12 h后氣旋的海表面中心氣壓值。在Sanders和Gyakum[3]發(fā)表對(duì)爆發(fā)性氣旋的研究以后，眾多的學(xué)者開展了對(duì)其的詳細(xì)研究[4-6]。由于此類氣旋多伴有強(qiáng)降水、大風(fēng)等惡劣天氣，往往會(huì)導(dǎo)致巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失[7-8]，因而被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的天氣系統(tǒng)之一，故開展對(duì)爆發(fā)性氣旋的研究是十分有必要的。

近年來對(duì)爆發(fā)性氣旋的研究日趨深入。在氣候?qū)W分析方面，Iwao等[9]指出，西北太平洋地區(qū)爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)增加的主要原因是日本東部中低空斜壓性增強(qiáng)，水汽也相對(duì)增加。Seiler和 Zwiers[10]指出，黑潮和墨西哥灣暖流區(qū)爆發(fā)性氣旋較多，高空急流變化可能與爆發(fā)性氣旋年代際變化有關(guān)。Isobe和Kako[11]的研究表明，東海和黃海上空的強(qiáng)烈西風(fēng)帶對(duì)氣旋加深不利，加強(qiáng)黃海和東海低空斜壓性需要弱西北氣流條件，而這種斜壓性可能有助于促進(jìn)日本附近氣旋的發(fā)展。Büeler和Pfahl[12]對(duì)潛熱釋放在不同氣候條件，特別是更溫暖和更濕潤(rùn)的氣候條件下如何影響氣旋強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)和定量的研究。結(jié)果表明，氣旋強(qiáng)度隨著潛熱釋放的不斷升高而增大，在較暖的氣候條件下達(dá)到最大值，同時(shí)未來對(duì)極端氣旋路徑的預(yù)測(cè)可能對(duì)潛熱釋放特別敏感。Raveh-Rubin和Flaounas[13]對(duì)大西洋氣旋與強(qiáng)烈的地中海氣旋之間的聯(lián)系機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，聯(lián)系機(jī)制通過是暖輸送帶脊的放大來實(shí)現(xiàn)的，并且隨著大西洋溫帶氣旋的發(fā)展，暖流輸送帶可增強(qiáng)羅斯貝波波裂(Rossby wave breaking)作用，而波裂往往導(dǎo)致地中海氣旋的發(fā)展。Bentley等[14]對(duì)導(dǎo)致寒冷季節(jié)的極端天氣事件的氣旋進(jìn)行了分析，認(rèn)為這些氣旋通常形成于美國(guó)中南部落基山脈的背風(fēng)處，以及北美東海岸，導(dǎo)致極端天氣事件的氣旋相對(duì)于普通溫帶氣旋表現(xiàn)出向赤道偏移的軌跡，這可能與副熱帶或極鋒急流的位置向赤道偏移有關(guān)。

在對(duì)爆發(fā)性氣旋的診斷分析方面，F(xiàn)u等[15]對(duì)2011年1月中旬的一次雙爆發(fā)性氣旋過程進(jìn)行分析，認(rèn)為對(duì)流層頂折疊對(duì)雙氣旋的加深貢獻(xiàn)最大，而雙氣旋發(fā)展的差異主要由低層溫度平流和與降水相關(guān)的潛熱釋放，且高層強(qiáng)迫對(duì)氣旋的大尺度環(huán)流有影響，中低層強(qiáng)迫在氣旋中心附近影響較大。Black和Pezza[16]對(duì)爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了能量學(xué)分析，指出在氣旋發(fā)展前48 h會(huì)有較強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)換并一直持續(xù)，這個(gè)能量轉(zhuǎn)換與大氣斜壓能增長(zhǎng)有關(guān)。Binder等[17]對(duì)北半球暖輸送帶對(duì)爆發(fā)性氣旋的影響研究表明，暖輸送帶中非絕熱位渦的產(chǎn)生對(duì)很多爆發(fā)性氣旋的加強(qiáng)是必不可少的，暖輸送帶對(duì)氣旋發(fā)展的重要性取決于產(chǎn)生的位渦正異常和氣旋中心的相對(duì)位置。Tamarin和Kaspi[18]通過對(duì)位勢(shì)渦度(PV)趨勢(shì)詳盡分析，證實(shí)了上層PV和非絕熱加熱對(duì)氣旋向極傳播的重要性。Heo等[19]對(duì)2016年5月朝鮮半島上的一次爆發(fā)性氣旋過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，地表氣旋的快速加深受對(duì)流層上層的PV異常和非絕熱過程(與冷凝加熱有關(guān)的低層PV異常)的影響，對(duì)流層下層的斜壓過程的影響最小，同時(shí)高空強(qiáng)迫是氣旋路徑演化中最重要的因素。

在爆發(fā)性氣旋的數(shù)值模擬分析方面，Roebber和Schumann[20]利用MM5(Mesoscale Model 5)全球模式對(duì)海上爆發(fā)性氣旋進(jìn)行研究，結(jié)果表明存在強(qiáng)烈的大氣斜壓強(qiáng)迫，但在沒有充足的水汽和由此產(chǎn)生的潛熱的情況下氣旋不會(huì)快速加深。Joos和Wernli[21]使用了COSMO (Consortium for Small Scale Modeling)模式對(duì)微物理過程在暖輸送帶中PV增長(zhǎng)的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水汽凝結(jié)和積雪增長(zhǎng)對(duì)總潛熱的貢獻(xiàn)較大，進(jìn)而影響了PV的改變。Hirata等[22]使用CReSS (Cloud-resolving Storm Simulator)模式對(duì)2013年1月中旬的一次爆發(fā)性氣旋過程進(jìn)行數(shù)值模擬，指出感熱釋放對(duì)氣旋中心氣壓的降低、冷輸送帶的發(fā)展、以及后彎鋒區(qū)潛熱的加強(qiáng)有利。其中感熱使沿冷輸送帶的大氣邊界層內(nèi)產(chǎn)生對(duì)流不穩(wěn)定，進(jìn)而使后彎鋒附近強(qiáng)迫抬升增強(qiáng)，也增強(qiáng)了潛熱釋放。此外，感熱還使水汽增加，有助于潛熱的激活。Doyle等[23]利用COAMPS(Coupled Ocean-Atmosphere Mesoscale Prediction System )模式，對(duì)北大西洋和英國(guó)附近造成顯著影響的溫帶氣旋進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，氣旋在初始階段對(duì)中尺度的水汽分布非常敏感，且中尺度水汽和位渦結(jié)構(gòu)對(duì)氣旋發(fā)展有很大影響。

西北太平洋地區(qū)的爆發(fā)性氣旋有多種分類方法。例如，Yoshida和Asuma[6]將該區(qū)域的爆發(fā)性氣旋按照氣旋發(fā)生的位置以及中心氣壓最大降低率位置分成了OJ (Okhotsk-Japan Sea cyclones)型，也即發(fā)生在日本海-鄂霍次克海上的爆發(fā)性氣旋；PO-L (Pacific Ocean-land cyclones)型，也即發(fā)生在東亞大陸和西北太平洋上的爆發(fā)性氣旋；PO-O (Pacific Ocean-ocean cyclones)型，也即全過程發(fā)生在西北太平洋上的爆發(fā)性氣旋三類。根據(jù)這種分類方法，本文選擇了OJ型、PO-O型以及PO-L型三類爆發(fā)性氣旋的各一個(gè)個(gè)例進(jìn)行研究，分別是2007年11月18—21日個(gè)例，2012年1月10—13日個(gè)例和2014年3月28—31日個(gè)例，以對(duì)比研究發(fā)生在不同區(qū)域爆發(fā)性氣旋個(gè)例的特征與異同。

1 資料和方法

1.1 資料

本文主要使用的資料：美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP(National Centers for Environment Prediction)提供的最終再分析(Final Analyses，簡(jiǎn)稱FNL)格點(diǎn)資料，水平方向分辨率為1° × 1°，每日00、06、12、18 UTC資料，垂直方向從1 000～10 hPa分為26層，包括位勢(shì)高度、海表面氣壓、氣溫、經(jīng)向風(fēng)速和緯向風(fēng)速等物理量，下載地址為https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/。

1.2 WRF數(shù)值模擬試驗(yàn)及分析方法

WRF (Weather Research and Forecasting Modeling System)模式[24]是由NCAR (National Center for Atmospheric Research)、NCEP以及美國(guó)FSL (Forecast Systems Laboratory)等多家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合研制開發(fā)的中尺度天氣預(yù)報(bào)和數(shù)據(jù)同化模式。WRF模式是有限區(qū)域、可壓的非靜力大氣數(shù)值模式。水平方向采用 Arakawa-C型網(wǎng)格配置，垂直方向使用地形跟隨的靜力氣壓垂直坐標(biāo)，時(shí)間積分上采用三階或四階Runge-Kutta積分方案，主要包括2套動(dòng)力框架，分別是用以科研的ARW (Advanced Research WRF)和用以業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的NMM (Nonhydrostatic Mesoscale Model)模塊。由于其完全開放、高效方便的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各類天氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中。

2 氣旋個(gè)例簡(jiǎn)介

為了對(duì)比分析OJ型、PO-O型以及PO-L型三種爆發(fā)性氣旋的特征，本文選取了三類爆發(fā)性氣旋的各一個(gè)個(gè)例進(jìn)行研究，分別是2007年11月18—21日個(gè)例(OJ型)，2012年1月10—13日個(gè)例(PO-O型)和2014年3月28—31日個(gè)例(PO-L型)。

就OJ型氣旋個(gè)例而言，2007年11月18日12 UTC，在蒙古東部(110.0°E, 46.0°N)附近有低壓生成，此后在高空氣流引導(dǎo)下向東南方向移動(dòng)，中心氣壓逐漸下降，低壓不斷加強(qiáng)，19日12 UTC—18 UTC氣旋經(jīng)過長(zhǎng)白山進(jìn)入日本海西南部(132°E, 42.0°N)，之后轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng)，并迅速發(fā)展。20日06 UTC，氣旋移動(dòng)至庫(kù)頁(yè)島南側(cè)(142.0°E, 45.0°N)附近，21日06 UTC，氣旋移動(dòng)至庫(kù)頁(yè)島以東洋面(146.0°E, 51.0°N)，并最終消散(見圖1)。從氣旋中心氣壓及其加深率(見圖2(a))來看，20日00 UTC氣旋中心氣壓加深率大于1 Bergeron開始爆發(fā)性發(fā)展，20日06 UTC氣旋中心氣壓加深率達(dá)到最大值1.3 Bergeron，根據(jù)Zhang等[25]對(duì)爆發(fā)性氣旋強(qiáng)度的分類，此次氣旋過程為中等爆發(fā)性氣旋。20日12 UTC氣旋中心氣壓加深率小于1 Bergeron爆發(fā)性發(fā)展結(jié)束，21日06 UTC中心氣壓達(dá)到最小值976.7 hPa，之后氣旋逐漸消亡。

就PO-O型氣旋個(gè)例而言，2012年1月10日18 UTC氣旋位于日本本州島以東洋面(143°E, 35°N)上，之后氣旋向東北偏東方向移動(dòng)，移動(dòng)速度較快，1月11日18 UTC發(fā)生第一次折向，折向位置為(161°E, 40°N)，方向變?yōu)闁|北偏北，移動(dòng)速度略有下降，12日00 UTC氣旋中心氣壓加深率達(dá)到最大，之后速度明顯減慢，12日06 UTC第二次折向，位置為(164°E, 48°N)，方向折向西北偏北，移動(dòng)緩慢。氣旋最后在堪察加半島南側(cè)(161°E, 52°N)逐漸減弱消亡(見圖1)。從氣旋中心氣壓及其加深率(見圖2(b))可以看出，11日00 UTC氣旋中心氣壓加深率大于1 Bergeron開始爆發(fā)性發(fā)展，此時(shí)刻至11日12 UTC氣旋發(fā)展較為平穩(wěn)，中心氣壓加深率約為1.6 Bergeron，之后氣旋進(jìn)一步發(fā)展，在12日00 UTC中心氣壓加深率達(dá)到最大的2.7 Bergeron，為強(qiáng)爆發(fā)性氣旋級(jí)[26]，此時(shí)氣旋發(fā)展最為劇烈。12日18 UTC氣旋中心氣壓加深率小于1 Bergeron爆發(fā)性發(fā)展結(jié)束，同時(shí)氣旋中心氣壓達(dá)到最小值944.9 hPa，隨后氣旋逐漸消亡。

(實(shí)心圓代表爆發(fā)過程，空心圓為未爆發(fā)過程。Solid circles with solid lines denote explosive developing stage. Open circles with dashed lines denote initial and dissipating stage.)

就PO-L型氣旋個(gè)例而言，2014年3月28日18 UTC在中國(guó)長(zhǎng)江中下游平原附近(115.0°E, 29.0°N)有氣旋性風(fēng)切變加強(qiáng)形成閉合等壓線，氣旋生成，受到高空引導(dǎo)氣流的影響，氣旋開始向東北偏東方向移動(dòng)并不斷加強(qiáng)。29日06 UTC以后氣旋中心移動(dòng)至海上(122.0°E, 30.0°N)，較強(qiáng)的表面熱通量和較小的表面摩擦為氣旋的爆發(fā)準(zhǔn)備了條件。30日00 UTC氣旋中心移動(dòng)至日本島西側(cè)(135.0°E, 36.0°N)，隨后經(jīng)過日本本州島，于30日12 UTC到達(dá)日本以東近海(143.0°E, 38.0°N)，之后氣旋繼續(xù)向東北偏東方向移動(dòng)，最后在日本北海道島以東洋面上逐漸填塞消亡(見圖1)。從氣旋中心氣壓及其加深率來看(見圖2(c))，30日00 UTC氣旋中心氣壓加深率大于1 Bergeron開始爆發(fā)，30日12 UTC達(dá)到最大加深率為1.5 Bergeron。根據(jù)Zhang等[25]對(duì)爆發(fā)性氣旋的強(qiáng)度分類，此次爆發(fā)性氣旋為中等爆發(fā)性氣旋級(jí)。30日18 UTC氣旋中心氣壓加深率小于1 Bergeron爆發(fā)性發(fā)展結(jié)束。31日06 UTC達(dá)到最低中心氣壓，為971.3 hPa，最后氣旋不斷消亡。

圖2 氣旋個(gè)例中心氣壓 (黑色實(shí)線，hPa) 及中心氣壓加深率 (紅色實(shí)線：hPa·h-1) 隨時(shí)間變化圖

3 氣旋個(gè)例對(duì)比分析

為了研究爆發(fā)性氣旋發(fā)展的影響因子，接下來對(duì)OJ型，PO-O型以及PO-L型三個(gè)氣旋個(gè)例進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 天氣形勢(shì)對(duì)比分析

三個(gè)爆發(fā)性氣旋個(gè)例發(fā)生的區(qū)域有所不同，但其對(duì)應(yīng)的高低空天氣形勢(shì)配置比較相似。對(duì)OJ型、PO-O型以及PO-L型氣旋個(gè)例而言，在加深率最大時(shí)刻，也即分別在2007年11月20日06 UTC，2012年1月12日00 UTC和2014年3月30日12 UTC氣旋中心附近高空500 hPa位勢(shì)高度上(見圖3(a)，圖4(a)和圖5(a))位于高空大槽的槽前，槽前顯著的正渦度平流對(duì)氣旋發(fā)展有利，同時(shí)溫壓場(chǎng)的配置使高空槽繼續(xù)發(fā)展，為氣旋提供有利的大尺度環(huán)流條件。850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上(見圖3(b)，圖4(b)和圖5(b))氣旋中心附近形成閉合的低壓中心，其中閉合中心的位勢(shì)高度值與氣旋最大加深率或者爆發(fā)性氣旋的強(qiáng)度呈正相關(guān)；而等溫線比較密集且與等高線交錯(cuò)，其中OJ型以及PO-L型氣旋個(gè)例等溫線密集程度及交錯(cuò)程度更明顯，說明冷平流十分明顯，而PO-L型氣旋個(gè)例由于所處緯度更加偏南使大氣斜壓性稍有減弱，等溫線密集程度以及交錯(cuò)程度較弱。海表面氣壓場(chǎng)中(見圖3(c)，圖4(c)和圖5(c))，三個(gè)爆發(fā)性氣旋氣旋直徑達(dá)到或超過2 000 km，低緯度偏南暖濕氣流被源源不斷地輸送到氣旋中心，使氣旋迅速發(fā)展。對(duì)OJ型和PO-L型氣旋個(gè)例而言，其直徑大小相對(duì)于PO-O型氣旋個(gè)例比較小，可能是這兩個(gè)氣旋在發(fā)展階段更靠近陸地的影響。

(實(shí)心圓點(diǎn)表示地面氣旋中心位置。 Black dots represent the location of the surface cyclone center.)

(實(shí)心圓點(diǎn)表示地面氣旋中心位置。Black dots represent the location of the surface cyclone center.)

(實(shí)心圓點(diǎn)表示地面氣旋中心位置。 Black dots represent the location of the surface cyclone center.)

綜合來看在三個(gè)爆發(fā)性氣旋天氣形勢(shì)發(fā)展比較相似，高空槽前正渦度平流、中低層的較強(qiáng)的冷平流和大氣斜壓性(見圖3(b)，圖4(b)和圖5(b)，850 hPa氣旋中心附近等溫線和等高線互相交錯(cuò))以及低緯度的水汽輸送對(duì)氣旋發(fā)展有利，而由于所處經(jīng)緯度位置以及海陸位置的差異使三個(gè)爆發(fā)性氣旋的天氣形勢(shì)還是存在一定的差異。

3.2 水平結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

根據(jù)三個(gè)氣旋天氣形勢(shì)存在的一定差異，推測(cè)三個(gè)氣旋的水平結(jié)構(gòu)也有著明顯不同。對(duì)高空急流以及高層的PV分析對(duì)比可以看出，在最大加深率時(shí)刻，OJ型(見圖6(a))和PO-O型(見圖6(b))爆發(fā)性氣旋位于300 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)中高空急流的北側(cè)，正渦度平流對(duì)氣旋發(fā)展有利。但OJ型氣旋個(gè)例中心位于急流主軸的西北側(cè)，PO-O型氣旋個(gè)例中心明顯位于急流主軸的東北側(cè)。而PO-L型氣旋個(gè)例氣旋(見圖6(c))中心位于呈斷裂的高空急流的中心斷裂區(qū)，即偏西段急流的出口區(qū)左側(cè)，偏東段急流入口區(qū)右側(cè)，同樣對(duì)應(yīng)正渦度平流區(qū)而有利于氣旋發(fā)展；OJ型氣旋個(gè)例(見圖6(a))的高空PV呈較弱的帶狀結(jié)構(gòu)，其向氣旋中心卷入的程度較弱，說明PV由高層下傳比較弱，而PO-O型(見圖6(b))和PO-L型(見圖6(c))氣旋個(gè)例高空位渦呈氣旋式向氣旋中心卷入，呈現(xiàn)鉤狀特征。根據(jù)Hoskins等[26]的理論，高層PV下傳會(huì)引起低層氣旋式環(huán)流的發(fā)展，對(duì)氣旋發(fā)展有利。

對(duì)比濕以及低空急流分布的對(duì)比分析可以看出，在最大加深率時(shí)刻，OJ型(見圖7(a))和PO-O型(見圖7(b))個(gè)例比濕大值區(qū)集中在氣旋的東南偏南一側(cè)，也即暖輸送帶一側(cè)，而PO-L型氣旋個(gè)例(見圖7(c))比濕大值區(qū)基本覆蓋了整個(gè)氣旋。根據(jù)三個(gè)氣旋個(gè)例的強(qiáng)度和低層水汽分布推測(cè)二者似乎沒有十分明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)低空急流的分布來看，靠近陸地的OJ型(見圖7(a))和PO-L型氣旋個(gè)例(見圖7(c))低空急流發(fā)展相比在海上發(fā)展的PO-O型氣旋個(gè)例(見圖7(b))偏弱，其中OJ型氣旋個(gè)例明顯受到東亞大陸的影響，陸上部分急流較弱，PO-L型氣旋個(gè)例低空急流則主要環(huán)繞氣旋中心附近，從低緯度向氣旋中心輸送的偏南向氣流較弱，制約其進(jìn)一步發(fā)展。PO-O型氣旋個(gè)例在其東西兩側(cè)存在十分強(qiáng)力的偏南和偏西北的低空急流，使位勢(shì)不穩(wěn)定增加[27]，同時(shí)間接增加了中低層的潛熱釋放，為氣旋發(fā)展源源不斷的提供能量。

(實(shí)心圓點(diǎn)表示地面氣旋中心位置。 Black dot represents the location of the surface cyclone center. )

(L表示氣旋中心位置，直線EF用于后文的垂直剖面分析。Capital letter L represents the location of the surface cyclone center, and line EF is used for later cross section analysis.)

3.3 垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

氣旋發(fā)展過程中垂直結(jié)構(gòu)的改變也反映了氣旋發(fā)展?fàn)顟B(tài)的變化，三個(gè)氣旋個(gè)例的發(fā)展?fàn)顟B(tài)也存在一定差異。故本文選取了以爆發(fā)性氣旋中心為中心，沿緯向左右各13個(gè)經(jīng)度的垂直剖面圖(見圖7)來對(duì)比分析不同個(gè)例的垂直結(jié)構(gòu)。研究表明，非絕熱加熱可以改變對(duì)流層PV的垂直分布，其中中低層潛熱釋放會(huì)使加熱中心下層出現(xiàn)PV大值區(qū)。高層PV大值區(qū)的下傳可以引起地面氣旋式環(huán)流發(fā)展，從而影響爆發(fā)性氣旋的發(fā)展[26]，而影響中低層PV分布的原因有三個(gè)，分別是平流層高層入侵，中低層的非絕熱加熱以及表面位溫正異常。所以本文主要通過對(duì)比不同個(gè)例的PV垂直分布來分析氣旋的特征。

在最大加深率時(shí)刻，從PV的垂直分布上可以明顯看出，OJ型氣旋個(gè)例(見圖8(a))中底層沒有出現(xiàn)明顯的PV大值區(qū)，綜合前文的分析可以得到此個(gè)例高層下傳比較弱(見圖6(a))，同時(shí)非絕熱加熱對(duì)氣旋發(fā)展的影響可能比較小。而PO-L型(見圖8(b))和PO-O型氣旋個(gè)例(見圖8(c))氣旋中心附近低層都出現(xiàn)了明顯的大值區(qū)，和高層PV大值區(qū)連通形成比較明顯的PV塔結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)形成與高層PV下傳以及中低層的非絕熱加熱過程有關(guān)，而低層PV大值區(qū)形成對(duì)氣旋發(fā)展十分有利。為進(jìn)一步探究PV結(jié)構(gòu)的發(fā)展特征與非絕熱加熱過程的關(guān)系，本文將使用敏感性試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(箭頭和L代表氣旋中心所在位置。 Arrows and capital letter L represent the location of the surface cyclone center.)

4 敏感性試驗(yàn)

4.1 WRF模式模擬結(jié)果驗(yàn)證

表1是三個(gè)個(gè)例的WRF模式主要參數(shù)設(shè)置。要使用WRF模式的結(jié)果要對(duì)WRF模式模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。OJ型氣旋個(gè)例WRF模式控制試驗(yàn)(cntl_test_2007)結(jié)果與FNL再分析資料得到的氣旋較移動(dòng)路徑相比(見圖9(a))，發(fā)現(xiàn)在氣旋生成到進(jìn)入日本海之前的階段，cntl_test_2007試驗(yàn)得到的氣旋移動(dòng)路徑整體略偏南，而進(jìn)入日本海之后整體略偏西。氣旋中心氣壓方面(見圖9(b))，cntl_test_2007試驗(yàn)結(jié)果比FNL再分析資料結(jié)果略偏低，也就是氣旋強(qiáng)度略偏強(qiáng)。PO-O型氣旋個(gè)例WRF模式控制試驗(yàn)(cntl_test_2012)與FNL再分析資料得到的移動(dòng)路徑相比(見圖9(c))，cntl_test_2012試驗(yàn)比再分析資料得到的路徑整體相對(duì)偏東，氣旋中心氣壓方面(見圖9(d))，cntl_test_2012試驗(yàn)結(jié)果比FNL再分析資料得到的結(jié)果整體略偏低，也就是氣旋強(qiáng)度略偏強(qiáng)。PO-L型氣旋個(gè)例WRF模式控制試驗(yàn)(cntl_test_2014)與FNL再分析資料得到的移動(dòng)路徑相比(見圖9(e))，cntl_test_2014試驗(yàn)比再分析資料得到的路徑整體相對(duì)偏西北，氣旋中心氣壓方面(見圖9(f))，cntl_test_2014試驗(yàn)結(jié)果在氣旋發(fā)展前期比FNL再分析資料得到的結(jié)果略偏低，也就是氣旋強(qiáng)度略偏強(qiáng)，在后期略偏高，也即氣旋強(qiáng)度偏弱。綜合比較三個(gè)氣旋個(gè)例的WRF模式控制試驗(yàn)結(jié)果和FNL再分析資料的結(jié)果，可以看出二者相差不大，可以認(rèn)為模式較好地模擬了此次氣旋的演變過程。

表1 WRF模式主要參數(shù)設(shè)置

4.2 非絕熱加熱敏感性試驗(yàn)

根據(jù)非絕熱加熱的作用以及WRF模式特點(diǎn)，本文將非絕熱加熱試驗(yàn)共分為4組試驗(yàn)，分別是控制試驗(yàn)(cntl_test)、無潛熱釋放試驗(yàn)(noLHR)、無表面熱通量試驗(yàn)(noSFLX)、無潛熱釋放且無表面熱通量試驗(yàn)(noLHR+SFLX)。對(duì)于cntl_test試驗(yàn)和noSFLX試驗(yàn)，水平分辨率為30 km，而noLHR試驗(yàn)和noLHR+SFLX兩個(gè)試驗(yàn)，水平分辨率改為10 km，同時(shí)關(guān)閉了積云對(duì)流參數(shù)化方案。

對(duì)三個(gè)氣旋個(gè)例非絕熱加熱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，OJ型氣旋個(gè)例中noLHR+SFLX_2007試驗(yàn)和noSFLX_2007試驗(yàn)在氣旋發(fā)展前期的移動(dòng)路徑方面(見圖9(a))比cntl_test_2007試驗(yàn)偏南，而在氣旋發(fā)展后期更偏北；PO-O型氣旋個(gè)例中不同試驗(yàn)的路徑結(jié)果相差比較小，其中noLHR+SFLX_2012試驗(yàn)和noSFLX_2012試驗(yàn)在氣旋發(fā)展前期移動(dòng)路徑(見圖9(c))比cntl_test_2012試驗(yàn)偏南，而隨著氣旋發(fā)展整個(gè)路徑更偏西，noLHR_2012試驗(yàn)在整個(gè)發(fā)展過程中路徑更偏西；PO-L氣旋個(gè)例中不同試驗(yàn)的路徑結(jié)果相差比較明顯，其中noLHR+SFLX_2014試驗(yàn)和noLHR_2014試驗(yàn)在氣旋發(fā)展過程中的移動(dòng)路徑(見圖9(e))比cntl_test_2014試驗(yàn)更偏北，noSFLX_2014試驗(yàn)在整個(gè)發(fā)展過程中路徑和cntl_test_2014試驗(yàn)的結(jié)果十分接近。中心氣壓變化方面，OJ型氣旋個(gè)例(見圖9(a))中noLHR+SFLX_2007試驗(yàn)和noSFLX_2007試驗(yàn)中，氣旋中心氣壓降低很小，氣旋未出現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展。而相比于關(guān)閉表面熱通量的noSFLX_2007試驗(yàn)，關(guān)閉潛熱釋放的noLHR_2007試驗(yàn)氣旋中心氣壓出現(xiàn)了明顯下降，說明此氣旋在關(guān)閉表面熱通量的條件下受到的影響更明顯，而關(guān)閉潛熱釋放影響比較小。而PO-O型氣旋個(gè)例(見圖9(b))與PO-L型氣旋個(gè)例(見圖9(c))與OJ型氣旋個(gè)例不同，二者的noLHR+SFLX試驗(yàn)和noLHR試驗(yàn)中心氣壓降低很小，相對(duì)而言，反而是關(guān)閉表面熱通量的noSFLX試驗(yàn)氣旋中心氣壓出現(xiàn)了較明顯的下降，也即關(guān)閉表面熱通量的條件下氣旋發(fā)展受到的影響比較小，而關(guān)閉潛熱釋放影響很明顯。

根據(jù)OJ型氣旋個(gè)例2007年11月20日06 UTC PV的垂直剖面分析表明，noSFLX_2007試驗(yàn)中對(duì)流層低層的PV顯著減小(見圖10(b))，比cntl_test_2007試驗(yàn)(見圖10(a))中小得多，說明關(guān)閉表面熱通量條件下氣旋發(fā)展會(huì)受到很大影響；而在noLHR_2007試驗(yàn)中(見圖10(c))，盡管中低層PV大值區(qū)范圍比較小，但是存在比較明顯的大值區(qū)，說明關(guān)閉潛熱釋放后對(duì)氣旋有一定的影響，但是相比于關(guān)閉表面熱通量而言氣旋發(fā)展受到的影響要小很多，也就是此次過程對(duì)潛熱釋放比較不敏感，而對(duì)表面熱通量更敏感。同時(shí)在noLHR+SFLX_2007試驗(yàn)中(見圖10(d))，大值區(qū)總體上和noSFLX_2007試驗(yàn)(見圖10(b))的PV大值區(qū)相當(dāng)，也就是說noLHR+SFLX_2007試驗(yàn)雖然多加了一個(gè)關(guān)閉潛熱釋放的條件，但是結(jié)果和noSFLX_2007試驗(yàn)相當(dāng)，進(jìn)一步說明潛熱釋放在氣旋發(fā)展中的作用確實(shí)比較有限。

表2 OJ型、PO-O型和PO-L型氣旋個(gè)例對(duì)比

((a)、(c)和(e)分別為OJ型、PO-O型和PO-L型氣旋個(gè)例中心移動(dòng)路徑，(b)、(d)和(f)分別為中心氣壓變化。黑色表示FNL資料的結(jié)果，深藍(lán)色分別表示cntl_test_2007、cntl_test_2012、cntl_test_2014試驗(yàn)結(jié)果，綠色分別表示noLHR_2007、noLHR_2012、noLHR_2014試驗(yàn)結(jié)果，紅色分別表示noSFLX_2007、noSFLX_2012、noSFLX_2014試驗(yàn)結(jié)果，淺藍(lán)色分別表示noLHR+SFLX_2007、noLHR+SFLX_2012、noLHR+SFLX_2014試驗(yàn)結(jié)果。(a), (c) and (e) donate the trajectory of cyclone center as determined from the FNL sea level pressure data and diabatic sensitivity tests in OJ type, PO-O type and PO-L type cyclone,respectively. (b), (d) and (f) same as with (a), (c) and (e) but for time evolution of the central sea level pressure. Black lines denote FNL data. Blue lines denote the cntl_test_2007, cntl_test_2007 and cntl_test_2014 run, respectively. Green lines denote the noLHR_2007, noLHR_2012 and noLHR_2014 run, respectively. Red lines denote the noSFLX_2007, noSFLX_2012 and noSFLX_2014 run, respectively. Light blue lines denote the noLHR+SFLX_2007, noLHR+SFLX_2012 and noLHR+SFLX_2014 run, respectively.)

((a)cntl_test_2007試驗(yàn)，(b)noSFLX_2007試驗(yàn)，(c)noLHR_2007試驗(yàn)，(d)noLHR+SFLX_2007試驗(yàn)。箭頭和L代表氣旋中心所在位置。(a) The cntl_test_2007 run. (b) The noSFLX_2007 run. (c) The noLHR_2007 run. (d) The noLHR+SFLX_2007 run. Arrows and capital letter L denote the location of the surface cyclone center.)

相對(duì)于OJ型氣旋個(gè)例，PO-O型氣旋個(gè)例和PO-L型氣旋個(gè)例中潛熱釋放和表面熱通量的影響出現(xiàn)了明顯的不同。根據(jù)這兩個(gè)個(gè)例分別在2012年1月12日00 UTC和2014年3月30日12 UTC的非絕熱加熱試驗(yàn)中PV的垂直剖面(見圖11和12)對(duì)比來看，noLHR_2012(2014)試驗(yàn)、noSFLX_2012(2014)試驗(yàn)和noLHR+SFLX_2012(2014)試驗(yàn)的氣旋中心附近PV大值區(qū)比cntl_test_2012(2014)試驗(yàn)中小一些，說明關(guān)閉非絕熱加熱的相關(guān)條件下氣旋發(fā)展會(huì)受到一定影響；同時(shí)，2012年1月12日00 UTC和2014年3月30日12 UTC中低層PV大值區(qū)noLHR+SFLX_2012(2014)試驗(yàn)(見圖11(d)和12(d))最小，noLHR_2012(2014)試驗(yàn)見(見圖11(c)和圖12(c))結(jié)果次之，而noSFLX_2012(2014)試驗(yàn)(見圖11(b)和圖12(b))PV大值區(qū)最大，也和cntl_test_2012(2014)相對(duì)最接近。同時(shí)在noLHR+SFLX_2012(2014)試驗(yàn)中(見圖11(c)和圖12(c))，PV大值區(qū)總體上和noLHR_2012(2014)試驗(yàn)(見圖11(d)和圖12(d))的PV大值區(qū)相當(dāng)，也進(jìn)一步證明了表面熱通量的影響比較小。所以PO-O型氣旋個(gè)例和PO-L型氣旋個(gè)例對(duì)潛熱釋放更加敏感，反而對(duì)表面熱通量不太敏感。

4.3 海溫敏感性試驗(yàn)

針對(duì)影響PV分布的另一個(gè)因素表面位溫，本文設(shè)計(jì)了海溫敏感性試驗(yàn)。從海溫試驗(yàn)的結(jié)果來看，三個(gè)個(gè)例對(duì)海溫的反應(yīng)比較一致，相對(duì)而言，海溫對(duì)氣旋的移動(dòng)路徑影響比較小(見圖13(a)、(c)和(e))，而對(duì)氣旋中心氣壓的變化(見圖13(b)、(d)和(f))影響比較大。海溫升高時(shí)，相對(duì)控制試驗(yàn)而言表面位溫出現(xiàn)正異常，氣旋中心氣壓更低，強(qiáng)度更強(qiáng)，而當(dāng)海溫降低時(shí)，表面位溫出現(xiàn)負(fù)異常，氣旋中心氣壓偏高，強(qiáng)度減弱。

((a)cntl_test_2012試驗(yàn)，(b)noSFLX_2012試驗(yàn)，(c)noLHR_2012試驗(yàn)，(d)noLHR+SFLX_2012試驗(yàn)。箭頭和L代表氣旋中心所在位置。 (a) The cntl_test_2012 run, (b) The noSFLX_2012 run, (c) The noLHR_2012 run, (d) The noLHR+SFLX_2012 run. Arrows and capital letter L denote the location of the surface cyclone center.)

(a)cntl_test_2014試驗(yàn)，(b)noSFLX_2014試驗(yàn)，(c)noLHR_2014試驗(yàn)，(d)noLHR+SFLX_2014試驗(yàn)。箭頭和L代表氣旋中心所在位置。(a) The cntl_test_2014 run, (b) The noSFLX_2014 run, (c) The noLHR_2014 run, (d) The noLHR+SFLX_2014 run. Arrows and capital letter L denote the location of the surface cyclone center.)

((a)、(c)和(e)分別為OJ型、PO-O型和PO-L型氣旋個(gè)例中心移動(dòng)路徑，(b)、(d)和(f)分別為中心氣壓變化。深藍(lán)色分別表示cntl_test_2007、cntl_test_2012、cntl_test_2014試驗(yàn)結(jié)果，綠色分別表示sst-2K_2007、sst-2K_2012、sst-2K_2014試驗(yàn)結(jié)果，紅色分別表示sst+2K_2007、sst+2K_2012、sst+2K_2014試驗(yàn)結(jié)果。(a), (c) and (e) donate the trajectory of cyclone center as determined from the FNL sea level pressure data and diabatic sensitivity tests in OJ type, PO-O type and PO-L type cyclone,respectively. (b), (d) and (f) same as with (a), (c) and (e) but for time evolution of the central sea level pressure. Blue lines denote the cntl_test_2007, cntl_test_2007 and cntl_test_2014 run, respectively. Green lines denote the sst-2K_2007, sst-2K_2012 and sst-2K_2014 run, respectively. Red lines denote the sst+2K_2007, sst+2K_2012 and sst+2K_2014 run, respectively. )

5 結(jié)論

本文利用NCEP提供的FNL資料等，使用診斷分析和WRF敏感性試驗(yàn)等方法，對(duì)西北太平洋上發(fā)生的三個(gè)爆發(fā)性氣旋個(gè)例進(jìn)行對(duì)比分析，分別是OJ型(a) 2007年11月18—21日經(jīng)過長(zhǎng)白山脈并在日本海-鄂霍次克海上發(fā)生發(fā)展的爆發(fā)性氣旋，PO-O型(b) 2012年1月10—12日發(fā)生在日本以東洋面上的爆發(fā)性氣旋以及PO-L型(c) 2014年3月28—31日在長(zhǎng)江中下游平原-日本以東洋面上發(fā)生發(fā)展的爆發(fā)性氣旋，得到的主要結(jié)論包括：

(1)高空槽前正渦度平流和高空強(qiáng)輻散對(duì)氣旋的發(fā)展十分有利，但是由于不同類型氣旋發(fā)生位置不同，同時(shí)受到的陸地部分影響也有差別，高空急流場(chǎng)的形態(tài)分布以及高層PV的向下傳遞、低空急流以及水汽分布等都存在一定差異。

(2)從PV垂直分布角度來看，低層PV影響了氣旋的發(fā)展，同時(shí)也一定程度上反應(yīng)了中低層非絕熱加熱中的潛熱釋放和表面熱通量作用的大小對(duì)比。當(dāng)?shù)蛯映霈F(xiàn)顯著的PV大值區(qū)時(shí)，中底層的潛熱釋放的影響往往比較明顯。

(3)非絕熱加熱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了不同個(gè)例中潛熱釋放和表面熱通量的貢獻(xiàn)可能不同，在一些個(gè)例中潛熱釋放的作用更顯著，而另一些個(gè)例中表面熱通量可能作用更明顯。

(4)海溫改變?cè)诓煌瑐€(gè)例中的反應(yīng)比較一致，其中一定條件下海溫升高或者降低對(duì)氣旋移動(dòng)路徑影響比較小，而海溫升高會(huì)使氣旋強(qiáng)度加強(qiáng)，海溫降低則使氣旋強(qiáng)度減弱。

致謝：本文所使用的FNL再分析數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP提供，在此謹(jǐn)表感謝！