東北太平洋一次強(qiáng)爆發(fā)性氣旋發(fā)展的機(jī)制分析

張樹(shù)欽 徐建軍 紀(jì)景耀 唐若瑩 龍景超

(1 廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院,廣東 湛江 524088;2 廣東海洋大學(xué) 南海海洋氣象研究院,廣東 湛江 524088;3 茂名市電白區(qū)氣象局,廣東 茂名 525400;4 廣東海洋大學(xué) 濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院,廣東 湛江 524088)

引 言

爆發(fā)性氣旋(Explosive Cyclone),又稱“氣象炸彈(Meteorological Bomb)”[1],是海上極端災(zāi)害性天氣的典型代表,短時(shí)間內(nèi)其中心氣壓可驟降,風(fēng)力猛增(可迅速達(dá)30 m·s-1以上),并伴隨強(qiáng)降水和暴風(fēng)雪等災(zāi)害性天氣,被認(rèn)為是中緯度地區(qū)危害程度最嚴(yán)重的天氣系統(tǒng)之一。Sanders, et al[2]將氣旋中心海平面氣壓(地轉(zhuǎn)調(diào)整到60°N)在24 h內(nèi)下降24 hPa以上的溫帶氣旋定義為爆發(fā)性氣旋;因爆發(fā)性氣旋多發(fā)生于中緯度地區(qū),且考慮到資料時(shí)間分辨率的提高,ZHANG, et al[3]將爆發(fā)性氣旋定義中的地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度修正為45°N,降壓時(shí)間間隔修正為12 h,本文采用該定義開(kāi)展研究,其中心氣壓加深率計(jì)算公式如下:

氣旋中心氣壓加深率(1 hPa·h-1)=

(1)

其中:p為氣旋中心氣壓;φ為氣旋中心緯度;下標(biāo)t-6和t+6分別表示6 h前和6 h后變量。該公式表明,在12 h內(nèi)中心氣壓的平均加深率大于1 hPa·h-1(1 Bergeron)的氣旋即為爆發(fā)性氣旋。

北半球爆發(fā)性氣旋多發(fā)生在冷季的洋面上,且頻繁發(fā)生于北太平洋和北大西洋的西北部[2-9]。但ZHANG, et al[3]對(duì)北太平洋2000—2015年冷季(10月—次年4月)的爆發(fā)性氣旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),北太平洋爆發(fā)性氣旋存在5個(gè)高頻中心,其中一個(gè)較強(qiáng)的高頻中心位于東北太平洋,并使用聚類分析法將爆發(fā)性氣旋在強(qiáng)度上分成四類:超強(qiáng)(super,≥2.3 Bergerons)、強(qiáng)(strong, 1.70～2.29 Bergerons)、中(moderate, 1.30～1.69 Bergerons)和弱(weak, 1.00～1.29 Bergerons)。ZHANG, et al[10]使用合成分析方法,分別對(duì)西北太平洋(83個(gè)個(gè)例)和東北太平洋(24個(gè)個(gè)例)中等強(qiáng)度的爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了合成分析,揭示了其結(jié)構(gòu)特征的區(qū)別,指出兩區(qū)域爆發(fā)性氣旋的結(jié)構(gòu)特征存在顯著差異,東北太平洋爆發(fā)性氣旋高空急流和低層大氣斜壓性較弱,氣旋的吸收合并對(duì)其發(fā)展具有重要影響。傅剛等[11]對(duì)爆發(fā)性氣旋的發(fā)源地、路徑、強(qiáng)度以及高空大氣背景場(chǎng)特征等進(jìn)行總結(jié)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用不同的診斷方程對(duì)爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了診斷分析,常用的診斷方程主要有準(zhǔn)地轉(zhuǎn)位勢(shì)傾向方程、Omega方程和Zwack-Okossi方程。Tsou, et al[12]和Ruscher, et al[13]利用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)位勢(shì)傾向方程對(duì)爆發(fā)性氣旋的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了診斷分析,通過(guò)診斷等壓面的升降,分析氣壓梯度力的變化,進(jìn)而預(yù)測(cè)地面系統(tǒng)的發(fā)展變化。使用Omega方程進(jìn)行診斷分析,可分析渦度平流隨高度的變化、溫度平流和非絕熱加熱對(duì)氣旋發(fā)展的貢獻(xiàn)[14-18]。Zwack, et al[19]推導(dǎo)出了Zwack-Okossi方程,Lupo, et al[20]給出了其廣義形式,該方程中包括了多個(gè)熱力和動(dòng)力因子對(duì)近地面層地轉(zhuǎn)渦度傾向的影響,可直觀給出各強(qiáng)迫因子對(duì)地面系統(tǒng)發(fā)展的作用大小[21];實(shí)踐也證明,Zwack-Okossi方程是一種有效的診斷方程,在爆發(fā)性氣旋發(fā)展機(jī)制的分析中得到了廣泛的應(yīng)用[9, 20, 22-24]。

大量學(xué)者對(duì)爆發(fā)性氣旋的發(fā)生發(fā)展機(jī)制開(kāi)展了廣泛的研究。Roebber[4]、Rogers, et al[25]和儀清菊等[26]指出大氣斜壓性對(duì)爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展起主要作用。爆發(fā)性氣旋多發(fā)生于海上,特別是暖流區(qū),具備豐富的水汽條件,水汽凝結(jié)導(dǎo)致的潛熱釋放是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要強(qiáng)迫因子之一[27-29]。高力等[30]對(duì)西北太平洋一個(gè)超強(qiáng)爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)高空急流出口區(qū)左側(cè)的強(qiáng)輻散場(chǎng)有利于爆發(fā)性氣旋的急劇發(fā)展。一些學(xué)者指出平流層大值位渦(Potential Vorticity, PV)空氣下傳,移近氣旋中心,上下大值位渦區(qū)垂直耦合打通,可引起氣旋的爆發(fā)性加深[31-32]。多位學(xué)者研究認(rèn)為,較暖的洋面向大氣輸送大量感熱和潛熱,為爆發(fā)性氣旋的急劇發(fā)展提供了有利的海洋環(huán)境場(chǎng)[17, 33-35]。一些學(xué)者指出氣旋爆發(fā)性加深的過(guò)程較為復(fù)雜,是由多個(gè)因子的綜合作用所致[22, 26, 36-38]。

大多學(xué)者對(duì)北太平洋爆發(fā)性氣旋的研究主要集中在西北太平洋，對(duì)東北太平洋爆發(fā)性氣旋的研究甚少。本文選取了2006年12月23—27日發(fā)生在東北太平洋上的一個(gè)強(qiáng)爆發(fā)性氣旋，這是該海域近20 a中心氣壓最低個(gè)例[39]，利用NCEP(National Centers of Environmental Prediction)提供的FNL(Final Analyses)全球格點(diǎn)資料，對(duì)該氣旋的大氣背景場(chǎng)進(jìn)行分析，并使用擴(kuò)展Zwack-Okossi診斷方程定量分析溫度平流、渦度平流、非絕熱加熱和絕熱加熱等因子對(duì)其爆發(fā)性發(fā)展的貢獻(xiàn)，探討其發(fā)展機(jī)制。

開(kāi)展對(duì)東北太平洋爆發(fā)性氣旋發(fā)展機(jī)理的研究，有助于提高對(duì)東北太平洋爆發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為改善該海域爆發(fā)性氣旋的預(yù)報(bào)技巧提供理論參考，對(duì)于提升遠(yuǎn)海和遠(yuǎn)洋海洋氣象服務(wù)能力，以保障東北太平洋航運(yùn)安全，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 資料

FNL全球格點(diǎn)資料,包括位勢(shì)高度、經(jīng)向和緯向風(fēng)分量、垂直速度、氣溫、相對(duì)濕度、海平面氣壓等變量,水平分辨率為1°×1°,垂直分為26層,分別為1 000、975、950、925、900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、350、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa,每天4個(gè)時(shí)次(00、06、12和18 時(shí)；世界時(shí),下同),本研究使用2006年12月23—27日資料,下載地址為:https:∥rda.ucar.edu/。

1.2 方法

采用Zwack-Okossi方程[20]對(duì)強(qiáng)爆發(fā)性氣旋進(jìn)行診斷分析,該方程為:

(2)

2 天氣形勢(shì)分析

2006年12月23日06時(shí)—27日06時(shí)發(fā)生在東北太平洋的一例強(qiáng)爆發(fā)性氣旋, 是2000年10月以來(lái)發(fā)生在東北太平洋上的中心氣壓最低的爆發(fā)性氣旋,中心氣壓最低值為944.9 hPa,最大加深率達(dá)到2.12 Bergerons,生命周期約為4 d。

2.1 演變特征

該氣旋在生成后即開(kāi)始爆發(fā)性發(fā)展,依據(jù)其中心氣壓加深率(圖2)的大小,其發(fā)展過(guò)程可分為兩個(gè)階段:爆發(fā)性發(fā)展階段(氣旋中心氣壓加深率大于1 Bergeron)和爆發(fā)后發(fā)展階段(氣旋中心氣壓加深率小于1 Bergeron)。

(1)爆發(fā)性發(fā)展階段(2006年12月23日12時(shí)—24日06時(shí))

2006年12月23日06時(shí),氣旋生成于東北太平洋(40°N,164°W),向東偏北方向移動(dòng)(圖1),23日12時(shí)開(kāi)始爆發(fā)性發(fā)展,中心氣壓加深率為1.68 Bergerons(圖2),氣旋中心東北部有一低壓系統(tǒng)(圖3b)。23日12時(shí)后,氣旋向東北方向移動(dòng),其中心氣壓快速下降,中心氣壓加深率持續(xù)增大,24日00時(shí)中心氣壓加深率達(dá)到最大為2.12 Bergerons。在此快速發(fā)展的過(guò)程中,氣旋中心西北部低壓系統(tǒng)逐漸被吸收合并(圖3b—f),ZHANG, et al[10]使用合成分析方法,對(duì)東北太平洋中等強(qiáng)度爆發(fā)性氣旋結(jié)構(gòu)特征的分析中也發(fā)現(xiàn),該區(qū)域氣旋的吸收合并對(duì)爆發(fā)性氣旋的發(fā)展具有重要影響。

(2)爆發(fā)后發(fā)展階段(2006年12月24日12時(shí)—27日06時(shí))

24日12時(shí)氣旋中心氣壓加深率降到1 Bergeron以下,氣旋進(jìn)入爆發(fā)后發(fā)展階段。氣旋繼續(xù)向東北方向移動(dòng)(圖1),24日12時(shí)氣旋中心氣壓降至最低945 hPa(圖2),氣旋中心西北部低壓系統(tǒng)被完全吸收合并(圖3e);之后氣旋中心氣壓逐漸上升(圖1),并繼續(xù)向東北方向移動(dòng),最終27日06時(shí)在加拿大境內(nèi)消散。

圖1 爆發(fā)性氣旋的移動(dòng)路徑(“□”:氣旋生成位置,“·”:爆發(fā)性發(fā)展階段氣旋中心位置,“△”:爆發(fā)后發(fā)展階段氣旋中心位置)

圖2 爆發(fā)性氣旋的海平面中心氣壓(實(shí)線,單位:hPa)和加深率(虛線,單位:Bergeron)隨時(shí)間變化

圖3 爆發(fā)性氣旋的海平面氣壓場(chǎng)(實(shí)線,間隔4 hPa):(a)23日06時(shí);(b)23日12時(shí);(c)23日18時(shí);(d)24日00時(shí);(e)24日06時(shí);(f)24日12時(shí);(g)24日18時(shí);(h)25日00時(shí)；(i)25日06時(shí)

2.2 環(huán)流形勢(shì)

選取該氣旋的23日12時(shí)(初始爆發(fā)時(shí)刻)、24日00時(shí)(最大加深率時(shí)刻)和24日12時(shí)(中心氣壓最低時(shí)刻),對(duì)其天氣形勢(shì)進(jìn)行分析(圖4),探究其發(fā)展的大氣背景場(chǎng)的演變特征。

850 hPa等壓面上(圖4a、d、g),23日12時(shí)(圖4a),氣旋中心西北部存在低壓槽,氣旋中心西南部為等溫線密集區(qū),垂直積分的大氣斜壓區(qū)中心位于氣旋中心西南部,中心強(qiáng)度為2×102℃·m-1。24日00時(shí)(圖4d),氣旋中心西北部低壓槽被低渦吸收合并,低渦增強(qiáng),氣旋中心附近及其南部區(qū)域存在等溫線密集區(qū),垂直積分的大氣斜壓區(qū)中心位于氣旋中心西部,中心強(qiáng)度約為3×102℃·m-1,相對(duì)于初始爆發(fā)時(shí)刻(23日12時(shí))略有增強(qiáng)。24日12時(shí)(圖4g),氣旋中心附近區(qū)域依然存在等溫線密集區(qū),但相對(duì)于最大加深率時(shí)刻(24日00時(shí)),大氣斜壓區(qū)中心強(qiáng)度減弱,且東南部斜壓區(qū)與氣旋中心分離。從初始爆發(fā)時(shí)刻到最大加深率時(shí)刻的氣旋快速發(fā)展過(guò)程中,大氣斜壓區(qū)由位于氣旋中心西南部,向其南部及東南部發(fā)展,且強(qiáng)度增強(qiáng);而從最大加深率時(shí)刻至中心氣壓最低時(shí)刻氣旋緩慢發(fā)展的過(guò)程中,大氣斜壓區(qū)減弱。

500 hPa等壓面(圖4b、e、h)上,在23日12時(shí)(圖4b)氣旋中心位于低壓槽下游約7個(gè)經(jīng)度;氣旋中心上空及其西南部出現(xiàn)強(qiáng)潛熱釋放區(qū),其強(qiáng)度中心位于氣旋中心西南部的西南—東北走向的狹長(zhǎng)區(qū),中心強(qiáng)度為7 000 W·m-2。至24日00時(shí)(圖4e),氣旋中心緊鄰低渦中心下游;在氣旋中心附近及其南部區(qū)域存在較強(qiáng)的潛熱釋放區(qū),潛熱釋放中心位于氣旋中心西南部,中心強(qiáng)度約為8 000 W·m-2,相對(duì)于初始爆發(fā)時(shí)刻,潛熱釋放區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng)、范圍增大。24日12時(shí)(圖4h),氣旋中心附近區(qū)域潛熱釋放減弱,強(qiáng)潛熱釋放區(qū)位于氣旋中心西南部,且距離氣旋中心距離較遠(yuǎn)。上述3個(gè)時(shí)刻潛熱釋放區(qū)主要分布于兩個(gè)區(qū)域,分別為氣旋中心附近(偏北部)及其偏南部區(qū)域,結(jié)合其云系特征(圖略),氣旋中心附近(偏北部)潛熱釋放為暖鋒降水所致,而氣旋中心東南部潛熱釋放則為冷鋒降水所致。在氣旋快速發(fā)展過(guò)程中,氣旋中心附近及其偏南部潛熱釋放區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng)、范圍增大,而在氣旋緩慢發(fā)展過(guò)程中,其強(qiáng)度減弱,且遠(yuǎn)離氣旋中心。分析潛熱釋放的垂直分布特征發(fā)現(xiàn)(圖略),潛熱釋放多分布于400 hPa以下,中心位于800 hPa附近,潛熱釋放發(fā)生于中低層。

圖4 23日12時(shí)(a—c)、24日00時(shí)(d—f)、24日12時(shí)(g—i)爆發(fā)性氣旋天氣形勢(shì):(a、d、g)850 hPa位勢(shì)高度(實(shí)線,間隔40 gpm)、氣溫(虛線,間隔4 ℃)和975～700 hPa垂直積分的水平溫度梯度(陰影,間隔102℃·m-1);(b、e、h)500 hPa位勢(shì)高度(實(shí)線,間隔60 gpm)、氣溫(虛線,間隔4 ℃)和975～400 hPa垂直積分的潛熱(陰影,間隔1 000 W·m-2);(c、f、i)300 hPa 位勢(shì)高度(實(shí)線,間隔120 gpm)、水平風(fēng)矢量(箭矢,≥30 m·s-1)、高空急流(陰影,≥30 m·s-1,間隔10 m·s-1)和PV(白色虛線,間隔2 PVU, 1 PVU=1×10-6K/(m2·kg·s))

300 hPa等壓面(圖4c、f、i)上,在23日12時(shí)(圖4c)氣旋中心位于高空槽前6個(gè)經(jīng)度左右;高空槽中存在PV大值區(qū),其中心緊鄰氣旋中心上游;在氣旋中心西部存在西北—東南向高空急流。24日00時(shí)(圖4f),高空槽加深并移近氣旋中心,氣旋中心緊鄰高空槽前;高空槽中的PV增強(qiáng),并繼續(xù)向氣旋中心的南部入侵;氣旋中心緊鄰急流區(qū),位于高空急流中心的左前側(cè)。24日12時(shí)(圖4i),出現(xiàn)低渦中心;PV大值區(qū)位于氣旋中心的下游區(qū)域;在氣旋中心的東南部存在西南—東北向的急流區(qū),但氣旋中心已移出急流區(qū)。在氣旋快速發(fā)展的過(guò)程中,高空槽移近氣旋中心,PV大值區(qū)入侵氣旋中心及其南部區(qū)域,當(dāng)高層大值PV位于低層斜壓區(qū)上空時(shí),會(huì)使得地面氣旋環(huán)流加強(qiáng)[21];氣旋中心移至高空急流出口區(qū)左側(cè),該區(qū)域高空動(dòng)力強(qiáng)迫較強(qiáng)[41-43]。在氣旋緩慢發(fā)展過(guò)程中,大值PV中心移至氣旋中心下游,且氣旋中心遠(yuǎn)離急流區(qū)。

由上分析可知,中低層大氣斜壓性和潛熱釋放及高層動(dòng)力強(qiáng)迫(PV和急流)的演變與氣旋發(fā)展過(guò)程一致,表明其對(duì)氣旋的發(fā)展具有重要的影響作用;在氣旋快速發(fā)展的過(guò)程中,中低層大氣斜壓區(qū)逐漸增強(qiáng),但東北太平洋區(qū)域遠(yuǎn)離冷空氣源地,下墊面性質(zhì)均一,相對(duì)于西北太平洋的強(qiáng)爆發(fā)性氣旋[44],其大氣斜壓性較弱;Murty, et al[45]也指出雖然東北太平洋爆發(fā)性氣旋存在鋒面結(jié)構(gòu),但低層溫度平流較弱,對(duì)氣旋發(fā)展的作用較小。850 hPa等壓面上,在氣旋快速發(fā)展過(guò)程中,氣旋中心西北部低壓槽被低渦合并,在海平面氣壓場(chǎng)上則表現(xiàn)為其西北部低壓被吸收合并(圖3b、c),該爆發(fā)性氣旋西北部為北半球半永久性的大氣活動(dòng)中心阿留申低壓,阿留申低壓或其分裂形成的低壓系統(tǒng)對(duì)其爆發(fā)性發(fā)展具有重要影響。對(duì)比張樹(shù)欽[44]揭示的西北太平洋爆發(fā)性氣旋的大氣斜壓性和位勢(shì)高度場(chǎng)特征,可發(fā)現(xiàn)東北太平洋爆發(fā)性氣旋較弱的大氣斜壓性和氣旋中心西北部低壓系統(tǒng)被吸收合并是區(qū)別于西北太平洋爆發(fā)性氣旋發(fā)展過(guò)程的主要特征之一。海表面感熱和潛熱通量在氣旋快速發(fā)展的過(guò)程中有所增強(qiáng),但強(qiáng)度較弱(圖略),Kuo, et al[46]也發(fā)現(xiàn)海表面熱通量對(duì)東太平洋爆發(fā)性氣旋的發(fā)展影響較弱。

3 Zwack-Okossi方程診斷分析

上節(jié)定性分析了有利于該氣旋爆發(fā)性發(fā)展的大氣背景場(chǎng),本節(jié)將利用Zwack-Okossi方程對(duì)其發(fā)展過(guò)程中各強(qiáng)迫項(xiàng)進(jìn)行定量計(jì)算,以確定渦度平流項(xiàng)(VADV項(xiàng))、溫度平流項(xiàng)(TADV項(xiàng))、非絕熱加熱項(xiàng)(DIAB項(xiàng))和絕熱項(xiàng)(ADIA項(xiàng))因子的相對(duì)大小,進(jìn)而探究各物理過(guò)程對(duì)該爆發(fā)性氣旋發(fā)展的貢獻(xiàn)。

3.1 地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由于非線性項(xiàng)的存在,在Zwack-Okossi方程的計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生混淆現(xiàn)象,濾波并不能濾掉所有噪音,而且潛熱釋放的計(jì)算中也存在一些誤差,但對(duì)比Zwack-Okossi方程所有強(qiáng)迫項(xiàng)相加得到的950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)(公式(2)右側(cè)各項(xiàng)之和,圖5陰影)與950 hPa地轉(zhuǎn)渦度局地項(xiàng)(公式(2)左側(cè)項(xiàng),圖5等值線)的水平分布和大小可知,其趨勢(shì)分布和量級(jí)吻合程度較好,尤其在氣旋中心附近,兩者的相似程度較高,表明由Zwack-Okossi方程計(jì)算得到的地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)是合理的,使用Zwack-Okossi方程進(jìn)行診斷分析是可信的。

3.2 地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)的演變特征

23日06時(shí)(圖5a),地轉(zhuǎn)渦度傾向正值中心強(qiáng)度為5×10-9s-2,氣旋中心位于其西部。23日12時(shí)(圖5b),地轉(zhuǎn)渦度傾向正值中心強(qiáng)度增強(qiáng)至7×10-9s-2,氣旋開(kāi)始爆發(fā)性發(fā)展。23日18時(shí)(圖5c),地轉(zhuǎn)渦度傾向正值中心強(qiáng)度增強(qiáng)至10×10-9s-2,氣旋快速發(fā)展。24日00時(shí)(圖5d),地轉(zhuǎn)渦度傾向正值中心強(qiáng)度增強(qiáng)至最強(qiáng)12×10-9s-2,氣旋中心基本與地轉(zhuǎn)渦度傾向正值中心重合,此時(shí)氣旋中心氣壓加深率達(dá)到最大。從24日00時(shí)后,地轉(zhuǎn)渦度傾向正值中心強(qiáng)度開(kāi)始減弱,氣旋緩慢發(fā)展,至24日12時(shí)(圖5f,中心氣壓最低時(shí)刻)其中心強(qiáng)度減弱至6×10-9s-2,之后其中心強(qiáng)度繼續(xù)減弱(圖5g、h)。由上分析可知,950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向增強(qiáng)時(shí)氣旋快速發(fā)展,并在其強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí),氣旋中心氣壓加深率達(dá)到最大。950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向強(qiáng)度變化與該氣旋的發(fā)展過(guò)程基本一致,也表明Zwack-Okossi方程計(jì)算所得的地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)是可信的。在23日06時(shí)(圖5a)和23日12時(shí)(圖5b),地轉(zhuǎn)渦度傾向正值中心的西北部存在弱的副中心,其與海平面氣壓場(chǎng)上氣旋中心西北部的低壓系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),在氣旋發(fā)展的過(guò)程中被吸收合并,至23日18時(shí)(圖5c)消失,再次表明存在氣旋中心西北部低壓系統(tǒng)被吸收合并的現(xiàn)象。

圖5 爆發(fā)性氣旋950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)(等值線表示Zwack-Okossi方程左邊一項(xiàng),間隔10-9 s-2;陰影表示Zwack-Okossi方程右邊九項(xiàng)之和,間隔10-9 s-2;實(shí)心圓點(diǎn)表示爆發(fā)性氣旋中心位置):(a)23日06時(shí);(b)23日12時(shí);(c)23日18時(shí);(d)24日00時(shí);(e)24日06時(shí);(f)24日12時(shí);(g)24日18時(shí);(h)25日00時(shí);(i)25時(shí)06時(shí)

3.3 強(qiáng)迫過(guò)程特征

尺度分析和實(shí)際計(jì)算結(jié)果均表明,Zwack-Okossi方程右邊最后五項(xiàng)(摩擦項(xiàng)、非地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)、渦度垂直平流項(xiàng)、傾側(cè)項(xiàng)和散度項(xiàng))比前四項(xiàng)(VADV項(xiàng)、TADV項(xiàng)、DIAB項(xiàng)和ADIA項(xiàng))小一個(gè)量級(jí),因此,在本節(jié)只討論前四項(xiàng)對(duì)氣旋發(fā)展的作用。正渦度平流造成局地渦度的增大,強(qiáng)迫產(chǎn)生垂直次級(jí)環(huán)流,從而在地面造成輻合和渦度增加,所以正渦度平流對(duì)地面地轉(zhuǎn)渦度的變化有正的貢獻(xiàn),而負(fù)渦度平流則相反。暖平流、潛熱釋放、陸地和海洋對(duì)氣旋的感熱輸送等會(huì)造成局地增暖,使得高層脊區(qū)位勢(shì)高度增加,造成輻散,引起低層輻合增強(qiáng),地面地轉(zhuǎn)渦度增加,暖平流對(duì)地面地轉(zhuǎn)渦度的變化有正的貢獻(xiàn),而冷平流則相反。在氣旋的降水區(qū)有潛熱釋放,使得非絕熱加熱增加,對(duì)地面地轉(zhuǎn)渦度的貢獻(xiàn)為正。ADIA項(xiàng)與垂直速度和靜力穩(wěn)定度有關(guān),上升絕熱冷卻,下沉絕熱增暖,ADIA項(xiàng)與DIAB項(xiàng)的位相是相反的。

3.3.1 整層積分特征

為進(jìn)一步探究該氣旋的爆發(fā)性發(fā)展機(jī)制,選取其初始爆發(fā)時(shí)刻(23日12時(shí))和最大加深率時(shí)刻(24日00時(shí))進(jìn)行診斷分析,定量分析VADV項(xiàng)、TADV項(xiàng)、DIAB項(xiàng)、ADIA項(xiàng)對(duì)其爆發(fā)性發(fā)展的貢獻(xiàn)。

23日12時(shí)VADV項(xiàng)(圖6a)正值中心與氣旋中心位置重合,中心強(qiáng)度為2×10-9s-2;至24日00時(shí)(圖6e),其正值中心緊鄰氣旋中心東部,中心強(qiáng)度增強(qiáng)至4×10-9s-2。TADV項(xiàng)(圖6b)在23日12時(shí)的正值區(qū)和負(fù)值區(qū)分別分布于氣旋中心的東北部和西南部(分別對(duì)應(yīng)于槽前暖平流和槽后冷平流(圖4a)),中心強(qiáng)度分別為8×10-9s-2和-6×10-9s-2;24日00時(shí)(圖6f),TADV項(xiàng)正值中心位于氣旋中心北部,中心強(qiáng)度增強(qiáng)至10×10-9s-2;負(fù)值區(qū)位于氣旋中心西南部,中心強(qiáng)度增強(qiáng)至-16×10-9s-2,表明冷鋒向其西南部入侵。23日12時(shí)DIAB項(xiàng)(圖6c)的正值中心緊鄰氣旋中心的西南部,中心強(qiáng)度達(dá)到12×10-9s-2;分析圖4b可知,該區(qū)域存在較強(qiáng)的潛熱釋放;至24日00時(shí)(圖6g),正值中心位于氣旋中心東南部,中心強(qiáng)度增強(qiáng)至16×10-9s-2,表明該區(qū)域的潛熱釋放繼續(xù)增強(qiáng)。 ADIA項(xiàng)在23日12時(shí)(圖6d)和24日00時(shí)正負(fù)值區(qū)域的分布與DIAB項(xiàng)相反,即在潛熱釋放區(qū)伴隨有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。

圖6 Zwack-Okossi方程的VADV項(xiàng)(a、e,等值線,間隔2×10-9 s-2)、TADV項(xiàng)(b、f,等值線,間隔2×10-9 s-2)、DIAB項(xiàng)(c、g,等值線,間隔2×10-9 s-2)和ADIA項(xiàng)(d、h,等值線,間隔2×10-9 s-2)對(duì)總的地轉(zhuǎn)渦度傾向項(xiàng)(陰影,間隔10-9 s-2)的貢獻(xiàn)(實(shí)心圓點(diǎn)表示爆發(fā)性氣旋中心位置):(a—d)23日12時(shí);(e—h)24日00時(shí)

正渦度平流、暖平流和潛熱釋放有利于地面地轉(zhuǎn)渦度的增大,絕熱冷卻阻滯其增長(zhǎng),Lupo, et al[20]和黃立文等[21]為評(píng)估Zwack-Okossi方程中各項(xiàng)對(duì)地轉(zhuǎn)渦度傾向的相對(duì)貢獻(xiàn),對(duì)整層積分的各項(xiàng)進(jìn)行區(qū)域平均,區(qū)域平均范圍均約為圍繞氣旋中心10°×10°的范圍內(nèi),本文采用相似的方法探究各項(xiàng)對(duì)氣旋發(fā)展的貢獻(xiàn)。圖7a、b分別為23日12時(shí)和24日00時(shí)區(qū)域平均的VADV項(xiàng)、TADV項(xiàng)、DIAB項(xiàng)和ADIA項(xiàng),23日12時(shí)(圖7a)區(qū)域平均的VADV項(xiàng)、TADV項(xiàng)和DIAB項(xiàng)均為正值(圖7a),其中DIAB項(xiàng)值最大(1.797×10-9s-2),VADV項(xiàng)次之(1.299×10-9s-2),TADV值最小(0.857×10-9s-2)。表明,由潛熱釋放導(dǎo)致的非絕熱加熱對(duì)該氣旋的初始爆發(fā)性發(fā)展作用最大,其次為正渦度平流,再次為暖平流。24日00時(shí)(圖7b),區(qū)域平均的DIAB項(xiàng)最大(2.239×10-9s-2),其次為VADV項(xiàng)(1.126×10-9s-2),再次為T(mén)ADV項(xiàng)(0.151×10-9s-2)。從初始爆發(fā)時(shí)刻(23日12時(shí))至最大加深率時(shí)刻(24日00時(shí)),VADV項(xiàng)強(qiáng)度基本維持,TADV項(xiàng)強(qiáng)度減弱,而DIAB項(xiàng)增長(zhǎng)較大(增長(zhǎng)0.442×10-9s-2),表明由潛熱釋放導(dǎo)致的非絕熱加熱是氣旋劇烈發(fā)展的主要影響因子。對(duì)比23日12時(shí)(圖6b)和24日00時(shí)(圖6f)垂直積分的TADV項(xiàng)可知,區(qū)域平均的TADV項(xiàng)的減弱主要是TADV負(fù)值區(qū)的增強(qiáng)所致,而非大氣斜壓性的減弱。由上述分析可知,在初始爆發(fā)時(shí)刻,正渦度平流、暖平流和非絕熱加熱的共同作用,使得該氣旋開(kāi)始爆發(fā)性發(fā)展,其中非絕熱加熱的貢獻(xiàn)最大。從初始爆發(fā)時(shí)刻到最大加深率時(shí)刻,非絕熱加熱增強(qiáng),是該氣旋快速發(fā)展的主要貢獻(xiàn)因子,由潛熱釋放導(dǎo)致的非絕熱加熱在該氣旋的爆發(fā)性發(fā)展過(guò)程中起主導(dǎo)作用。

圖7 圍繞爆發(fā)性氣旋中心區(qū)域平均(10°×10°)的VADV項(xiàng)、TADV項(xiàng)、DIAB項(xiàng)和ADIA項(xiàng):(a)23日06時(shí);(b)24日00時(shí)

3.3.2 垂直剖面特征

為進(jìn)一步揭示VADV項(xiàng)、TADV項(xiàng)、DIAB項(xiàng)和ADIA項(xiàng)在初始爆發(fā)時(shí)刻(23日12時(shí))和最大加深率時(shí)刻(24日00時(shí))的垂直分布特征,對(duì)其經(jīng)過(guò)氣旋中心的緯向垂直剖面的分布特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)各強(qiáng)迫項(xiàng)的大值區(qū)均分布在950 ～100 hPa范圍內(nèi)(圖8),表明將近地面氣壓層選擇在950 hPa和大氣頂層選擇在100 hPa是合適的。

VADV項(xiàng)在23日12時(shí)(圖8a)正值區(qū)位于氣旋中心上空的500～200 hPa,中心位于300 hPa附近,中心強(qiáng)度為0.6×10-9s-2;24日00時(shí)(圖8e),其正值中心仍位于氣旋中心上空的300 hPa附近,其中心強(qiáng)度增強(qiáng)至0.8×10-9s-2,且大值區(qū)域向中層延伸。23日12時(shí)TADV項(xiàng)(圖8b)在氣旋中心東部800 hPa及其上部250 hPa存在兩正值中心,中心強(qiáng)度均為1.0×10-9s-2;24日00時(shí)(圖8f),中低層正值區(qū)東移,中心強(qiáng)度維持不變,高層正值中心仍位于氣旋中心上方,中心強(qiáng)度增強(qiáng)至1.2×10-9s-2。DIAB項(xiàng)在23日12時(shí)(圖8c)正值區(qū)主要分布于氣旋中心上空的900～500 hPa,中心位于800 hPa附近,強(qiáng)度為0.8×10-9s-2;至24日00時(shí)(圖8g),DIAB項(xiàng)正值區(qū)的范圍增大,且中心強(qiáng)度增強(qiáng)至1.2×10-9s-2。23日12時(shí)ADIA項(xiàng)(圖8d)的負(fù)值區(qū)集中分布在氣旋中心上空900～200 hPa,較強(qiáng)中心位于600 hPa附近,中心強(qiáng)度為-1.2×10-9s-2;至24日00時(shí)(圖8h),負(fù)值區(qū)的范圍增大,中心強(qiáng)度增強(qiáng)至-1.4×10-9s-2。以上分析可知,從初始爆發(fā)時(shí)刻到最大加深率時(shí)刻,正渦度平流、暖平流、非絕熱加熱和絕熱各項(xiàng)強(qiáng)度均增強(qiáng),對(duì)垂直積分(圖6)的貢獻(xiàn),正渦度平流主要來(lái)自于中高層,暖平流主要源于中低層和高層,而由潛熱釋放導(dǎo)致的非絕熱加熱主要來(lái)自于中低層。

圖8 經(jīng)過(guò)爆發(fā)性氣旋中心VADV項(xiàng)(a、e,間隔0.2×10-9 s-2)、TADV項(xiàng)(b、f,間隔0.2×10-9 s-2)、DIAB項(xiàng)(c、g,間隔0.2×10-9 s-2)和ADIA項(xiàng)(d、h,間隔0.2×10-9 s-2)的緯向垂直剖面(實(shí)心圓點(diǎn)表示爆發(fā)性氣旋中心位置):(a—d)23日12時(shí);(e—h)24日00時(shí)

圖9為區(qū)域平均的VADV項(xiàng)、TADV項(xiàng)、DIAB項(xiàng)和ADIA項(xiàng)在23日12時(shí)和24日00時(shí)的垂直廓線。區(qū)域平均的VADV項(xiàng)(圖9a)在23日12時(shí)和24日00時(shí)峰值均分布于300 hPa附近,且從23日12時(shí)至24日00時(shí),中高層峰值增大,而在中低層轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)渦度平流區(qū)。TADV項(xiàng)(圖9b)在23日12時(shí)從低層至高層均為正值,但值較小且隨高度變化較小;至24日00時(shí)在300 hPa以下轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值區(qū),300 hPa以上為正值區(qū),且強(qiáng)度增強(qiáng),峰值分布于250 hPa。區(qū)域平均的DIAB項(xiàng)(圖9c)正值區(qū)和區(qū)域平均的ADIA項(xiàng)(圖9d)負(fù)值區(qū)主要分布于250 hPa 以下,且均在中低層較大(峰值位于700 hPa附近),從23日12時(shí)至24日00時(shí),其均有所增強(qiáng)。從初始爆發(fā)時(shí)刻到最大加深率時(shí)刻,區(qū)域平均的VADV項(xiàng)(圖9a)在高層增強(qiáng)(300 hPa附近),在低層減弱,使得其整層積分結(jié)果表現(xiàn)出略微的減弱趨勢(shì)(圖7a、b)。區(qū)域平均的TADV項(xiàng)(圖9b)雖然在高層增強(qiáng),但300 hPa以下均為負(fù)值區(qū),使得其整層積分結(jié)果減弱較大(圖7a、b)。區(qū)域平均的DIAB項(xiàng)(圖9c)在中低層增強(qiáng)(400 hPa以下,最大值位于850 hPa附近),使得其整層積分結(jié)果增強(qiáng)(圖7a、b)。

圖9 2006年12月23日12時(shí)(綠線)和24日00時(shí)(紅線),爆發(fā)性氣旋中心區(qū)域平均(10°×10°)的VADV項(xiàng)(a,單位:10-9 s-2)、TADV項(xiàng)(b,單位:10-9 s-2)、DIAB項(xiàng)(c,單位:10-9 s-2)和ADIA項(xiàng)(d,單位:10-9 s-2)的垂直廓線

4 結(jié)論

本文利用NCEP提供的FNL全球格點(diǎn)資料,對(duì)2006年12月23—27日發(fā)生在東北太平洋上的一個(gè)海平面中心氣壓最低的強(qiáng)爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了天氣形勢(shì)分析和診斷分析。主要結(jié)論如下:

(1)在氣旋快速發(fā)展的過(guò)程中,中低層存在西北部低壓系統(tǒng)被吸收合并的現(xiàn)象,且斜壓強(qiáng)迫的作用較弱,與西北太平洋爆發(fā)性氣旋的發(fā)展過(guò)程存在顯著差異。氣旋中心附近及其南部區(qū)域在中低層存在強(qiáng)潛熱釋放區(qū);在高層,氣旋中心緊鄰上游PV大值區(qū),氣旋中心位于高空急流出口區(qū)的左前側(cè)(高空強(qiáng)輻散區(qū)和正渦度平流區(qū));中低層潛熱釋放以及高層動(dòng)力強(qiáng)迫為氣旋的快速發(fā)展提供了有利的大氣環(huán)境背景場(chǎng)。

(2)Zwack-Okossi方程診斷分析表明,正渦度平流、暖平流和非絕熱加熱的共同作用,使得氣旋開(kāi)始爆發(fā)性發(fā)展,其中非絕熱加熱的貢獻(xiàn)最大。從初始爆發(fā)時(shí)刻到最大加深率時(shí)刻,由潛熱釋放導(dǎo)致的非絕熱加熱劇烈增強(qiáng),該熱力因子是氣旋快速發(fā)展的主要貢獻(xiàn)因子,其在氣旋的爆發(fā)性發(fā)展過(guò)程中起主導(dǎo)作用,而西北太平洋爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展常是由多個(gè)因子的綜合作用所導(dǎo)致[30, 37-38]。

(3)通過(guò)對(duì)Zwack-Okossi方程各項(xiàng)的垂直剖面特征分析發(fā)現(xiàn),在氣旋的爆發(fā)性發(fā)展過(guò)程中,渦度平流的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于高層(主要分布于500～200 hPa,中心位于300 hPa附近),溫度平流的貢獻(xiàn)主要源自于中低層(主要分布于900～600 hPa,中心位于800 hPa附近)和高層(主要分布于300～200 hPa,中心位于250 hPa附近),而非絕熱加熱過(guò)程主要發(fā)生在中低層(主要分布于400 hPa以下,中心位于700 hPa附近)。從初始爆發(fā)時(shí)刻至最大加深率時(shí)刻,非絕熱加熱增強(qiáng)主要是其在中低層的增強(qiáng)所致(主要發(fā)生在400 hPa以下,最大值位于850 hPa附近)。

針對(duì)爆發(fā)性氣旋動(dòng)力和熱力過(guò)程的探討,不同于Reed, et al[47]分析云系特征推測(cè)潛熱釋放的作用和張雪貝等[39]分析水汽通量探討濕過(guò)程的影響,以及Murty, et al[45]、Reed, et al[47]和張雪貝等[39]通過(guò)分析高空急流的特征估計(jì)高空強(qiáng)迫的作用,本文聚焦于氣旋快速發(fā)展的兩個(gè)重要時(shí)刻(初始爆發(fā)時(shí)刻和最大加深率時(shí)刻),使用診斷方程定量計(jì)算了潛熱釋放和高空渦度平流的作用,并給出了其對(duì)氣旋發(fā)展的貢獻(xiàn)值及垂直分布特征,使得對(duì)東北太平洋爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展過(guò)程中熱力和動(dòng)力作用的認(rèn)識(shí)更加清晰。結(jié)合ZHANG, et al[10]從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上揭示了東北太平洋和西北太平洋爆發(fā)性氣旋發(fā)展過(guò)程的差異,對(duì)比高力等[30]對(duì)西北太平洋強(qiáng)爆發(fā)性氣旋的分析,使得對(duì)東北太平洋和西北太平洋爆發(fā)性氣旋發(fā)展機(jī)制的差異性認(rèn)識(shí)更加系統(tǒng)。Kuo, et al[46]使用PSU/NCAR(Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research)模式對(duì)東北太平洋爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了數(shù)值敏感性試驗(yàn),WRF(Weather Research and Forecast)模式是近些年較為常用的對(duì)爆發(fā)性氣旋開(kāi)展研究的中尺度模式,其對(duì)爆發(fā)性氣旋的數(shù)值模擬能力優(yōu)于PSU/NCAR模式[48],使用WRF模式開(kāi)展數(shù)值模擬和敏感性試驗(yàn),以進(jìn)一步探究東北太平洋爆發(fā)性氣旋的發(fā)展機(jī)制可作為未來(lái)的研究方向。