灣流區(qū)和黑潮區(qū)兩個超強爆發(fā)性氣旋發(fā)展過程中熱力強迫作用的比較

陶咪咪，張韶晶，張樹欽，嚴 厲，薛宇峰，鄭燕珠，黃哲帆

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院//南海海洋氣象研究院，廣東 湛江 524088）

在中緯度地區(qū)，一些溫帶氣旋在短時間內(nèi)中心氣壓迅速地降低、強度急劇增大，Sanders 等[1]把該類溫帶氣旋定義為爆發(fā)性氣旋，又稱“氣象炸彈（meteorological bomb）”[1]，其伴隨產(chǎn)生的大風(fēng)或強降水等災(zāi)害性天氣對海上的活動構(gòu)成嚴重的威脅。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，北大西洋的灣流區(qū)和北太平洋的黑潮區(qū)是爆發(fā)性氣旋的頻發(fā)區(qū)域[2-3]，且其爆發(fā)強度較大[4-5]。爆發(fā)性氣旋常發(fā)生于高空急流出口區(qū)左側(cè)、強大氣斜壓區(qū)和海洋暖流區(qū)[6]，灣流區(qū)和黑潮區(qū)位于副熱帶鋒區(qū)，較強的斜壓強迫、高空動力作用與海表面感熱、潛熱作用為爆發(fā)性氣旋的發(fā)展提供了有利的大氣與海洋環(huán)境場[5,7-12]。

爆發(fā)性氣旋發(fā)展機制復(fù)雜，高空急流[13-14]、斜壓不穩(wěn)定[7-9]、正渦度平流[13]、非絕熱加熱[1-2]等因子均對爆發(fā)性氣旋的發(fā)生發(fā)展具有重要影響，且爆發(fā)性氣旋的發(fā)展可能是幾個因子共同作用的結(jié)果。灣流區(qū)和黑潮區(qū)海氣相互作用強烈、水汽條件充沛，海表面感熱和潛熱及中低層水汽凝結(jié)釋放潛熱等熱力過程導(dǎo)致的非絕熱加熱對該海域爆發(fā)性氣旋發(fā)展的作用顯著[15]。謝柳森等[16]研究發(fā)現(xiàn)，氣旋從黑潮海域獲取的熱能異常充沛，黑潮海域有氣旋活動時的感熱和潛熱輸送明顯大于無氣旋活動時。Gyakum[17]對發(fā)生于大西洋上爆發(fā)性氣旋研究發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)性氣旋發(fā)展過程中積云對流釋放的大量潛熱促進其快速發(fā)展。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)潛熱可以促使氣旋性環(huán)流增強，導(dǎo)致爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展[12,18-19]。

診斷分析是爆發(fā)性氣旋發(fā)展機制分析中常用的研究方法，Zwack-Okossi 方程是診斷分析中應(yīng)用較廣泛的診斷方程[20-22]。Zwack 等[21]給出準地轉(zhuǎn)形式的Zwack-Okossi 方程，Lupo 等[22]推導(dǎo)出廣義形式的Zwack-Okossi 方程，并通過尺度分析對方程進行簡化，該方程可定量計算不同因子對爆發(fā)性氣旋發(fā)展的貢獻大小，并可解釋不同高度層的強迫過程對地面系統(tǒng)發(fā)展的貢獻[23-25]，廣泛應(yīng)用于爆發(fā)性氣旋的診斷分析[14,20-22]，黃立文等[24]通過使用該方程發(fā)現(xiàn)熱力強迫是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要因子，且非絕熱加熱中積云對流和湍流加熱起主要作用。

灣流區(qū)和黑潮區(qū)海氣相互作用強烈，但由于其海洋和大氣環(huán)境場不同，使得熱力強迫因子在兩區(qū)域爆發(fā)性氣旋發(fā)展中的作用也可能存在差異，但目前對其差異認識尚不清晰。為揭示熱力強迫因子在灣流區(qū)和黑潮區(qū)爆發(fā)性氣旋發(fā)展中的作用差異，本研究選取2000－2015 年灣流區(qū)和黑潮區(qū)中心氣壓加深率最大的爆發(fā)性氣旋開展研究，通過對其發(fā)生發(fā)展的大氣和海洋環(huán)境場進行對比分析，并結(jié)合Zwack-Okossi 診斷方程，揭示熱力強迫因子對兩區(qū)域爆發(fā)性氣旋發(fā)展的作用差異，提升熱力強迫因子對爆發(fā)性氣旋作用機制的認識，為灣流區(qū)和黑潮區(qū)爆發(fā)性氣旋預(yù)報水平的提升提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究使用的資料包括：1）歐洲中期天氣預(yù)報中心 ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ）提供的ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)，用于天氣形勢分析（圖1-6）。水平分辨率為0.5° × 0.5°，垂直分為37 層，時間分辨率為 6 h。下載地址：https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/。2）美國國家環(huán)境預(yù)報中心 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）的FNL（Final Analyses）再分析數(shù)據(jù)，用于診斷分析（圖7-10）。水平分辨率為1° × 1°，垂直分為26 層，時間分辨率為6 h。下載地址為：http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2c。

1.2 方法

本研究使用Zhang 等[6]修正的氣旋中心氣壓加深率ε（單位：Bergeron），其地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度和降壓時間間隔分別為45°N 和12 h，即氣旋中心氣壓值（將其規(guī)范化到45°N）在12 h 內(nèi)下降12 hPa 以上，計算公式（1）如下：

其中，P 為氣旋中心氣壓；φ 為氣旋中心緯度；下標t -6 和t+6 分別表示6 h 前和6 h 后變量。Zhang等[6]使用聚類分析法將爆發(fā)性氣旋分成了四類：超強（≥2.3 Bergeron）、強（1.70～ 2.29 Bergeron）、中（1.30～ 1.69 Bergeron）和弱（1.00～ 1.29 Bergeron）。

本研究使用 Lupo 等[22]推導(dǎo)出簡化形式的Zwack-Okossi 方程對爆發(fā)性氣旋進行診斷分析，計算公式（2）如下：

其中：ζg1表示近地面地轉(zhuǎn)渦度；ζa表示絕對渦度；p1表示近地面氣壓層；pt表示大氣頂層表示水平風(fēng)矢量；ω 表示垂直速度；表示非絕熱加熱率；Cp表示干空氣的定壓比容；S 表示靜力穩(wěn)定度參數(shù)（θ 是位溫）；其它為氣象學(xué)中常用的符號。Zwack-Okossi 方程中，渦度平流項反映了局部增加（減少）的渦度值，正渦度平流強迫產(chǎn)生垂直次級環(huán)流，對近地面地轉(zhuǎn)渦度傾向有正貢獻，負渦度平流相反。溫度平流項、非絕熱項、絕熱項代表了加熱（冷卻）過程。暖平流、非絕熱加熱使得局地增暖，造成對流層低層輻合、高層輻散，近地面地轉(zhuǎn)渦度增加。絕熱項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，絕熱項與非絕熱加熱項的位相是相反的。

使用 FNL 資料與有限差分方法對Zwack-Okossi 方程中的各項進行計算，時間和空間采用二階中央差格式，垂直積分采用梯形積分方案，近地面氣壓層選擇在950 hPa，它是最接近地面并且能代表地面氣旋發(fā)展的等壓面；大氣頂層選擇在100 hPa，它包括整個對流層以及平流層的一部分[22]。利用熱力學(xué)第一定律計算得到非絕熱加熱率由于方程（2）中存在非線性項和拉普拉斯算子，數(shù)值計算時會產(chǎn)生虛假短波或“噪音”，造成計算誤差，為減小這種誤差，需要對計算結(jié)果進行平滑和濾波，本研究使用Shapiro[26]提出的二維二階濾波方法減小計算誤差。使用Rausch 等[27]給出的方法構(gòu)建各強迫項的垂直序列，以研究垂直方向每一氣壓層對近地面地轉(zhuǎn)渦度傾向的影響。

2 天氣形勢分析

本研究選取的兩個爆發(fā)性氣旋個例為2000－2015 年灣流區(qū)和黑潮區(qū)爆發(fā)強度最大的超強爆發(fā)性氣旋，灣流區(qū)超強爆發(fā)性氣旋（SU-GS 爆發(fā)性氣旋）發(fā)生于2014 年3 月25－29 日，最大加深率達到2.62 Bergeron，中心最低氣壓降至958.2 hPa；黑潮區(qū)超強爆發(fā)性氣旋（SU-KS 爆發(fā)性氣旋）發(fā)生于2013 年1 月13－15 日，最大加深率達到3.23 Bergeron，中心最低氣壓降至934.4 hPa。

2.1 演變特征

2014 年3 月25 日06 UTC，SU-GS 爆發(fā)性氣旋在佛羅里達半島東部洋面上生成，沿美國東海岸向東北方向移動（圖1_a）。25 日12 UTC，中心氣壓加深率達到1.26 Bergeron，開始爆發(fā)性發(fā)展，氣旋中心氣壓急劇下降，加深率快速增大。至26 日06 UTC，其加深率達到2.61 Bergeron，爆發(fā)性發(fā)展最為劇烈。隨后氣旋中心氣壓加深率減小，氣旋中心氣壓緩慢下降，26 日18 UTC 氣旋中心氣壓加深率降至小于1 Bergeron，氣旋停止爆發(fā)性發(fā)展，且氣旋中心氣壓降至最低958.2 hPa。從25 日12 UTC 至26 日12 UTC 氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程中，氣壓下降39.4 hPa，持續(xù)時間為24 h（圖1_b）。

2013 年1 月13 日00 UTC，SU-KS 爆發(fā)性氣旋在呂宋島東北部的洋面上生成，沿黑潮及其延伸體向東北方向移動（圖 1_c）。13 日18 UTC 中心氣壓加深率達到1.97 Bergeron，開始爆發(fā)性發(fā)展，氣旋中心氣壓急劇下降，中心氣壓加深率迅速增大。至14 日06 UTC，其加深率達到3.23 Bergeron，爆發(fā)性發(fā)展最為劇烈。隨后氣旋中心氣壓加深率開始減小，氣旋中心氣壓緩慢下降，15 日12 UTC氣旋中心氣壓加深率降至1 Bergeron 以下，氣旋停止爆發(fā)性發(fā)展，且氣旋中心氣壓降低至最低值934.4 hPa。從13 日18 UTC 至15 日00 UTC 氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程中，氣壓下降了58.7 hPa，持續(xù)時間為30 h（圖1_d）。

圖1 爆發(fā)性氣旋的移動路徑與強度變化Fig.1 The moving track and intensity change of ECs

2014 年3 月25 日06 UTC，SU-GS 爆發(fā)性氣旋中心生成于佛羅里達半島東部，氣旋中心西南部6 h 總降水量超過25 mm，北部存在北美冷高壓（圖2_a）。25 日12 UTC，氣旋中心東北部出現(xiàn)北大西洋暖高壓，氣旋中心附近降水強度和范圍增大（圖2_b）。26 日06 UTC，北美冷高壓和北大西洋暖高壓持續(xù)增強，氣旋中心出現(xiàn)大風(fēng)，東西兩側(cè)降水面積持續(xù)增大，6 h 總降水中心強度達35 mm（圖2_c）。26 日18 UTC，氣旋中心氣壓降至最低，氣旋中心附近大風(fēng)增強，6 h 總降水區(qū)域面積增加，但強度減弱（圖2_d）。

2013 年1 月13 日00 UTC，SU-KS 爆發(fā)性氣旋生成于呂宋島東北部，氣旋中心附近降水較強，東部6 h 總降水量中心強度可達40 mm，東北部存在北太平洋暖高壓系統(tǒng)（圖2_e）。13 日18 UTC，氣旋北部存在蒙古冷高壓，氣旋中心附近出現(xiàn)大風(fēng)區(qū)，降水中心移動至氣旋中心北部與西南部，強度維持不變，面積迅速增大（圖2_f）。14 日06 UTC，蒙古冷高壓增強，中心位于氣旋中心西北部，北太平洋暖高壓強度和位置維持，氣旋中心附近大風(fēng)區(qū)范圍增大，降水區(qū)域繼續(xù)增大，但6 h 總降水中心強度減弱至30 mm（圖2_g）。15 日12 UTC，氣旋中心氣壓降至最低，大風(fēng)繼續(xù)增強，6 h 總降水中心強度減弱至25 mm（圖2_h）。

圖2 爆發(fā)性氣旋的海平面天氣形勢變化Fig.2 Weather changes in sea level of ECs

由上述分析可知，兩爆發(fā)性氣旋均在暖流區(qū)生成，在暖流區(qū)爆發(fā)性發(fā)展，且移動速度較快；在移出暖流區(qū)后，氣旋停止爆發(fā)性發(fā)展，移動速度減慢。不同于Sanders 等[1]指出灣流區(qū)爆發(fā)性氣旋的平均爆發(fā)強度大于黑潮區(qū)爆發(fā)性氣旋，在極端個例中，初始爆發(fā)時刻和最大加深率時刻的SU-KS 爆發(fā)性氣旋的中心氣壓加深率均大于SU-GS 爆發(fā)性氣旋，且SU-KS 爆發(fā)性氣旋的中心氣壓更低，SU-KS爆發(fā)性氣旋的爆發(fā)時長（30 h）也長于SU-GS 爆發(fā)性氣旋（24 h）。在兩氣旋爆發(fā)性發(fā)展的過程中，氣旋中心西部或者西北部存在冷高壓，并向氣旋中心西南部或者西部入侵，有利于氣旋斜壓性的增強，SU-KS 爆發(fā)性氣旋西北部的冷高壓較強；氣旋中心東部存在暖高壓，可增強氣旋中心西南部水汽輸送，為爆發(fā)性氣旋的發(fā)展提供豐富水汽，SU-KS 爆發(fā)性的降水強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋。

2.2 熱力強迫因子的形勢特征

灣流區(qū)和黑潮區(qū)海表面感熱和潛熱通量強烈，豐沛的水汽伴隨上升運動有利于潛熱釋放，熱力強迫因子為爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)提供有利條件。選取兩爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展中的代表性時刻：初始爆發(fā)時刻（SU-GS 爆發(fā)性氣旋：2014 年3 月25 日12 UTC；SU-KS 爆發(fā)性氣旋：2013 年1 月13 日18 UTC）和最大加深率時刻（SU-GS 爆發(fā)性氣旋：2014 年3 月26 日06 UTC；SU-KS 爆發(fā)性氣旋：2013 年1 月14 日06 UTC），探究海表面通量、水汽條件和潛熱釋放等熱力強迫因子在其爆發(fā)性發(fā)展過程中的空間結(jié)構(gòu)特征及其演變特征差異。

2.2.1初始爆發(fā)時刻 在初始爆發(fā)時刻（圖3），SU-GS 爆發(fā)性氣旋中心位于美國東南部，海表面凈熱通量大值區(qū)緊鄰氣旋中心東北部（圖 3_a），強度約為800 W/m2；SU-KS 爆發(fā)性氣旋位于日本島南部，其海表面凈熱通量大值區(qū)位于氣旋中心西部的東海黑潮區(qū)（圖3_d），強度約為500 W/m2，弱于SU-GS 爆發(fā)性氣旋。在850 hPa（圖3_b 和3_e），SU-GS 爆發(fā)性氣旋中心南部出現(xiàn)弱的西風(fēng)急流，比濕中心位于氣旋中心東南部，中心強度為10 g/kg，氣旋中心位于濕舌中，水汽輻合區(qū)緊鄰氣旋中心東部，其中心強度為8×10-4g/(kg·s)；SU-KS 爆發(fā)性氣旋的急流、比濕和水汽輻合均強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋，特別是氣旋中心東部和東南部存在強南向低空急流，且該區(qū)域比濕較大（中心強度為12 g/kg），較強的水汽輸送使得氣旋中心附近水汽輻合區(qū)較強，中心強度達到12 × 10-4g/(kg·s)。圖3_c 和3f 為500 hPa 位勢高度、氣溫和垂直積分顯熱[12,28]（圖3_c 和3_f），SU-GS 爆發(fā)性氣旋中心上游存在低壓槽，低壓槽振幅較小，溫度槽落后于高度槽，為發(fā)展的斜壓波；氣旋中心東北部與東部垂直積分顯熱比較強，中心強度均為6 000 W/m2；SU-KS 爆發(fā)性氣旋中心上游的低壓槽和溫度槽強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋，氣旋中心附近呈現(xiàn)一條東北-西南的強垂直積分顯熱區(qū)，中心強度達到10 000 W/m2。

圖4為圖3中黑色實線處各物理量的垂直剖面圖，選取的剖面位置為經(jīng)過氣旋中心和水汽輻合及垂直積分顯熱的大值區(qū)域，分析SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋的比濕、水汽輻合和垂直速度的垂直剖面圖（圖4_a 和4_c）可知，SU-GS爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋中心附近區(qū)域均存在較大的比濕區(qū)，主要分布于600 hPa 以下，水汽輻合區(qū)集中分布于700 hPa 以下。SU-GS 爆發(fā)性氣旋的上升運動存在兩個中心，位于氣旋中心上部的700 hPa 附近（-2.0 Pa/s）和氣旋中心下游的600 hPa 附近（-1.5 Pa/s），水汽輻合中心與氣旋中心重合，強度為16×10-4g/(kg·s)；SU-KS 爆發(fā)性氣旋上升運動中心位于氣旋中心上游700 hPa 附近（-1.5 Pa/s）與下游800 hPa 附近（-2.0 Pa/s），其水汽輻合中心強度為16 × 10-4g/(kg·s)。圖4_b 和4_d 分別為SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋的顯熱和位渦的垂直分布圖，SU-GS 爆發(fā)性氣旋顯熱主要分布于氣旋中心上空的650 hPa 以下，兩中心位于氣旋中心上部800 hPa 附近和下游600 hPa 附近，中心強度均為0.8 W/m2；位渦（PV）主要位于300 hPa 以上，在200 hPa 附近存在強PV 中心，其中心強度為4 PVU。SU-KS 爆發(fā)性氣旋的顯熱中心分別位于氣旋中心上游700 hPa（1.2 W/m）和下游700 hPa（0.8 W/m）及900 hPa（1.2 W/m），強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋；PV 主要位于150 hPa 以上，高層PV 弱于SU-GS 爆發(fā)性氣旋。

圖3 初始爆發(fā)時刻爆發(fā)性氣旋的天氣形勢Fig.3 Weather maps at the initial-explosive-developing moment for ECs

圖4 初始爆發(fā)時刻爆發(fā)性氣旋各物理量的垂直剖面Fig.4 Cross section of physical quantities at the initial-explosive-developing moment for ECs

2.2.2最大加深率時刻 從初始爆發(fā)時刻到最大加深率時刻（圖5），SU-GS 爆發(fā)性氣旋移至灣流區(qū)的東北部，氣旋中心西南部灣流區(qū)海表面凈熱通量迅速增強（圖5_a），其中心強度達到1 100 W/m2；SU-KS 爆發(fā)性氣旋移動到日本島東部海域，其海表面凈熱通量大值區(qū)位于氣旋中心西南部的黑潮區(qū)（圖5_d），中心強度維持在500 W/m2，依然弱于SU-GS 爆發(fā)性氣旋。在850 hPa（圖5_b 和5_e），SU-GS 爆發(fā)性氣旋比濕中心位于氣旋中心東南部，中心強度維持在10 g/kg，而氣旋中心東南部的西南向低空急流迅速增強，使得氣旋中心東南部水汽輻合區(qū)中心強度增強至12 × 10-4g/(kg·s)，且范圍增大；SU-KS 爆發(fā)性氣旋的西南向低空急流增強，且強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋，比濕中心強度略增強至14 g/kg，水汽輻合中心緊鄰氣旋中心東部，中心強度增強至16 × 10-4g/(kg·s)。在500 hPa（圖5_c 和5_f），SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋的低壓槽均加深，且SU-GS 爆發(fā)性氣旋的低壓槽加深更為劇烈，氣旋中心位于槽前，溫度槽與高度槽近似重合；SU-GS 爆發(fā)性氣旋中心左側(cè)存在較強的垂直積分顯熱，中心強度增強至10 000 W/m2；SU-KS爆發(fā)性氣旋中心上游的低壓槽弱于SU-GS 爆發(fā)性氣旋，氣旋中心左右兩側(cè)存在垂直積分顯熱中心，強度維持在10 000 W/m2。

分析SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋的比濕、水汽輻合和垂直速度的垂直剖面圖（圖6_a和6_c，剖面位置為圖5 黑色斜線）可知，比濕和水汽輻合的空間分布同初始爆發(fā)時刻相似，在最大加深率兩爆發(fā)性氣旋的比濕大值區(qū)主要分布于600 hPa 以下，水汽輻合區(qū)集中分布于700 hPa 以下，水汽輻合中心強度較初始爆發(fā)時刻均增強，且SU-KS 爆發(fā)性氣旋增強更為劇烈（中心增強至32 ×10-4g/(kg·s)）。SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋上升運動中心均分布于氣旋中心下游的700 hPa 附近，強度均增強至-3.0 Pa/s，而SU-KS 爆發(fā)性氣旋上升運動范圍更廣。圖6_b 和6_d 分別為SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋的顯熱和位渦的垂直分布圖，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的顯熱主要分布于氣旋中心上空的400 hPa 以下，其中心分別位于氣旋中心上游950 hPa 與下游600 hPa 附近；PV 向下延伸至500 hPa，700～ 900 hPa 附近出現(xiàn)與顯熱重合的弱PV 區(qū)。SU-KS 爆發(fā)性氣旋的顯熱中心主要位于氣旋中心上游800 hPa處與下游700 hPa處，強度分別為1.2 W/m2與0.8 W/m2；高層的PV顯著增強，并延伸至500 hPa 附近，氣旋中心上方800 hPa 附近存在強度為2 PVU 的高值位渦區(qū)，與顯熱分布相近。SU-GS 爆發(fā)性氣旋的顯熱較初始爆發(fā)時刻增強，而SU-KS 爆發(fā)性氣旋的顯熱強度維持；兩氣旋的PV 迅速向下層延伸增強，SU-GS 爆發(fā)性氣旋強于SU-KS 爆發(fā)性氣旋。

圖5 最大加深率時刻爆發(fā)性氣旋的天氣形勢Fig.5 Weather maps at the maximum-deepening-rate moment for ECs

圖6 最大加深率時刻爆發(fā)性氣旋各物理量的垂直剖面Fig.6 Cross section of physical quantities at the maximum-deepening-rate moment for ECs

由上分析可知，雖然SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋均發(fā)生于海洋暖流區(qū)，但由于局地大氣和海洋環(huán)境場的不同，導(dǎo)致兩爆發(fā)性氣旋熱力強迫因子的空間結(jié)構(gòu)特征和演變特征存在顯著差異。在初始爆發(fā)時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的濕度小、低空急流弱，而SU-KS 爆發(fā)性氣旋的濕度大、低空急流強，使得SU-GS 爆發(fā)性氣旋的水汽輻合弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋，并進而導(dǎo)致SU-GS 爆發(fā)性氣旋的垂直積分顯熱弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋。從初始爆發(fā)時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋的水汽輻合、垂直速度和垂直積分顯熱均呈現(xiàn)增強的趨勢，而SU-GS 爆發(fā)性氣旋的各因子增強更為顯著，并導(dǎo)致從初始爆發(fā)時刻到最大加深率時刻SU-GS 爆發(fā)性氣旋的中心氣壓加深率增長幅度大于SU-KS 爆發(fā)性氣旋，但SU-GS爆發(fā)性氣旋水汽輻合和垂直積分顯熱等因子依然弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋。SU-GS 爆發(fā)性氣旋的熱力強迫因子弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋是SU-GS 爆發(fā)性氣旋中心氣壓加深率小于SU-KS 爆發(fā)性氣旋的主要原因。

3 Zwack-Okossi 方程診斷分析

熱力強迫因子的不同是SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋中心氣壓加深率呈現(xiàn)差異的主要原因，本節(jié)將利用Zwack-Okossi 方程定量計算氣旋發(fā)展過程中的非絕熱加熱，進一步探究兩爆發(fā)性氣旋熱力強迫因子的特征及其差異。

3.1 非絕熱加熱的整層積分特征

初始爆發(fā)時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值區(qū)主要分布于氣旋中心的東部（圖7_a），存在兩個中心，分別位于氣旋的東部和東南部，中心強度最高均為10 × 10-9s-2；SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值區(qū)分布于氣旋中心的東北部（圖7_c），其中心強度最大值達到28 × 10-9s-2；SU-KS爆發(fā)性氣旋非絕熱加熱正值的強度和范圍均強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋。最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值區(qū)主體移至氣旋中心北部（圖7_b），其中心分布于氣旋中心的東北部和西北部，強度最高分別為12 × 10-9s-2與8 × 10-9s-2，范圍與強度較初始爆發(fā)時刻均增大；SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值區(qū)主要分布于氣旋中心的北部和東部，中心強度最高均為16 × 10-9s-2，較初始爆發(fā)時刻其中心強度有所減弱，而范圍增大。在最大加深率時刻，SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱依然強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋。

圖7 爆發(fā)性氣旋非絕熱加熱項及950 hPa 地轉(zhuǎn)渦度傾向項演變Fig.7 The Evolution of diabatic heating and the 950 hPa geostrophic vorticity tendencies for ECs

分析圍繞爆發(fā)性氣旋中心區(qū)域平均的非絕熱加熱（圖8）可知，在初始爆發(fā)時刻，SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱的區(qū)域平均值為3.122 × 10-9s-2，遠強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋（1.008 × 10-9s-2）。從初始爆發(fā)時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋區(qū)域平均的非絕熱加熱增強至2.258×10-9s-2（增幅：1.250 × 10-9s-2），而SU-GS 爆發(fā)性氣旋區(qū)域平均的非絕熱加熱減弱至2.253 × 10-9s-2。同時對Zwack-Okossi 方程中的渦度平流項和溫度平流項進行計算，發(fā)現(xiàn)在初始爆發(fā)時刻，非絕熱加熱均是對兩爆發(fā)性氣旋貢獻最大的強迫因子，特別是對于SU-KS 爆發(fā)性氣旋其相對貢獻較大；在最大加深率時刻，對于SU-GS 爆發(fā)性氣旋非絕熱加熱依然是貢獻最大的強迫因子，而對于SU-KS 爆發(fā)性氣旋，雖然非絕熱加熱貢獻小于溫度平流，但兩者大小相近，非絕熱加熱的貢獻依然較大。因此，非絕熱加熱是影響兩爆發(fā)性氣旋的關(guān)鍵因子，在初始爆發(fā)時刻，其對SU-KS 爆發(fā)性氣旋發(fā)展的相對貢獻強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋；而在最大加深率時刻，雖然兩爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱強度相近，但其對于SU-GS 爆發(fā)性氣旋發(fā)展的相對貢獻強于SU-KS 爆發(fā)性氣旋。

圖8 圍繞爆發(fā)性氣旋中心區(qū)域平均的各項變化Fig.8 Contributions of three terms within an area-mean regarding to EC center

3.2 非絕熱加熱的垂直剖面特征

結(jié)合圖7 剖面位置，分析SU-GS 爆發(fā)性氣旋與SU-KS 爆發(fā)性氣旋經(jīng)過氣旋中心和非絕熱加熱中心的垂直剖面特征（圖9）可知，在初始爆發(fā)時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正中心位于氣旋中心東部700 hPa 處（圖9_a），中心強度最高為1.5 ×10-9s-2；SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值中心位于氣旋中心東北部600 hPa 處（圖9_c），其中心強度最大值為2.5 × 10-9s-2，其范圍和強度遠強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋。在最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值區(qū)位于氣旋中心兩側(cè)（圖9_b），中心依然位于700 hPa 左右，西北部正值區(qū)強度較強，其中心強度最高為1.5 × 10-9s-2；SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值主要位于氣旋中心東北部（圖9_d），中心位于700 hPa 附近（1.5 ×10-9s-2）。由上分析可知，對于兩爆發(fā)性氣旋，非絕熱加熱正值均分布于中低層，在初始爆發(fā)時刻，SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值遠強于SU-GS爆發(fā)性氣旋；從初始爆發(fā)時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值強度略有增強，而SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值減弱，使該時刻兩爆發(fā)性氣旋非絕熱加熱正值近似相等。

圖9 非絕熱加熱項的垂直剖面Fig.9 Cross section of diabatic heating for ECs

分析非絕熱加熱圍繞爆發(fā)性氣旋中心區(qū)域平均的垂直廓線（圖10）可知，在初始爆發(fā)時刻和最大加深率時刻，兩氣旋的非絕熱加熱正值區(qū)均位于400 hPa 以下的中低層，且最大值位于650 hPa 附近。在初始爆發(fā)時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱在中低層弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋（圖10_a）；從初始爆發(fā)時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋中低層的非絕熱加熱增強（圖10_a），最大值位于500 hPa 附近（0.33 × 10-9s-2）；雖然SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱正值在600 hPa 附近，其強度與初始爆發(fā)時刻相當(dāng)，但在650～ 900 hPa 和550～ 400 hPa 均有所減弱；在最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱強度相似。

圖10 圍繞爆發(fā)性氣旋中心區(qū)域平均非絕熱加熱項的垂直廓線Fig.10 Vertical profiles of area-mean diabatic heating for ECs

通過Zwack-Okossi 方程診斷分析發(fā)現(xiàn)，在SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展的過程中，非絕熱加熱的演變特征及其貢獻呈現(xiàn)顯著差異。在初始爆發(fā)時刻，非絕熱加熱均是兩氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要強迫因子，且主要分布于中低層；SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱顯著強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋，是該時刻SU-KS 爆發(fā)性氣旋中心氣壓加深率強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋的主要原因。從初始爆發(fā)時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱顯著增強，且增強主要發(fā)生在中低層（900～ 500 hPa）；而SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱呈現(xiàn)減弱趨勢，使得在最大加深率時刻兩爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱值相近，但非絕熱加熱對SU-GS 爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展的相對貢獻最大，是其加深率達到最大的主導(dǎo)強迫因子；而對于SU-KS 爆發(fā)性氣旋，非絕熱加熱的貢獻略小于溫度平流的貢獻，雖然非絕熱加熱依然是SU-KS 爆發(fā)性氣旋重要強迫因子，但其相對重要性弱于初始爆發(fā)時刻。

4 結(jié)論與討論

本研究利用歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF提供的ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)和美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP 提供的FNL 再分析數(shù)據(jù)，對2000－2015年發(fā)生于灣流區(qū)和黑潮區(qū)的氣旋中心加深率最大兩例超強爆發(fā)性氣旋進行形勢分析和診斷分析，揭示熱力強迫因子在兩爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展過程中的結(jié)構(gòu)特征和演變特征差異，得到如下主要結(jié)論。

1）兩爆發(fā)性氣旋均在暖流區(qū)生成后爆發(fā)性發(fā)展，在初始爆發(fā)時刻與最大加深率時刻，SU-KS 爆發(fā)性氣旋的中心氣壓加深率更大、中心氣壓更低、爆發(fā)時長更長。在兩氣旋爆發(fā)性發(fā)展的過程中，氣旋中心西部或西北部存在冷高壓，并向氣旋中心西南部或西部入侵，有利于氣旋斜壓性的增強；氣旋中心東部存在暖高壓，可增強氣旋中心西南部水汽輸送，為爆發(fā)性氣旋的發(fā)展提供豐富水汽，導(dǎo)致產(chǎn)生較強降水，而冷高壓和暖高壓的強度存在一些差異，SU-KS 爆發(fā)性氣旋西北部的冷高壓較強。

2）雖然SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋均發(fā)生于海洋暖流區(qū)，但由于局地大氣和海洋環(huán)境場的不同，導(dǎo)致兩爆發(fā)性氣旋熱力強迫因子的空間結(jié)構(gòu)特征和演變特征存在顯著差異。在初始爆發(fā)時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的濕度、水汽輻合和顯熱均弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋。從初始爆發(fā)時刻至最大加深率時刻，兩氣旋各因子均呈現(xiàn)增強的趨勢，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的各因子增強更為顯著，但依然弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋。SU-GS 爆發(fā)性氣旋的熱力強迫因子弱于SU-KS 爆發(fā)性氣旋是SU-GS 爆發(fā)性氣旋中心氣壓加深率小于SU-KS 爆發(fā)性氣旋的主要原因。

3）Zwack-Okossi 方程診斷分析表明，雖然非絕熱加熱均是SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要強迫因子，且主要分布于中低層，但初始爆發(fā)時刻SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱顯著強于SU-GS 爆發(fā)性氣旋，且對其快速發(fā)展的相對貢獻較大；至最大加深率時刻，SU-GS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱顯著增強，是其快速發(fā)展的主導(dǎo)強迫因子，而SU-KS 爆發(fā)性氣旋的非絕熱加熱呈現(xiàn)減弱趨勢，相對重要性減弱。非絕熱加熱在SU-GS 爆發(fā)性氣旋和SU-KS 爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展過程中的特征及其貢獻呈現(xiàn)顯著差異。

雖然灣流區(qū)爆發(fā)性氣旋平均的中心氣壓加深率大于黑潮區(qū)爆發(fā)性氣旋[1]，但統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在極端的個例中，黑潮區(qū)超強爆發(fā)性氣旋的中心氣壓加深率的最大值大于灣流區(qū)爆發(fā)性氣旋。前人對灣流區(qū)爆發(fā)性氣旋的研究多集中于西北大西洋，關(guān)注較多的4 個個例分別為：“Queen Elizabeth II storm”[17,29]、“President Day’s Cyclone”[30-32]、“ERICA IOP-4 Cyclone”[27,33-34]和“ERICA IOP-5 Cyclone”[35-36]，Sanders[37]、Wang 等[3]使用合成分析方法指出斜壓強迫是西北大西洋爆發(fā)性氣旋發(fā)展的主要因子，與Bosart[7]、Anthes 等[38]、Gyakum[17,29]和Manobianco[39]等對上述4 個爆發(fā)性氣旋研究的結(jié)論相似，其與本文中熱力因子是灣流區(qū)爆發(fā)性發(fā)展的主導(dǎo)因子存在差異，是由于灣流區(qū)強烈的海氣相互作用所致。前人也對黑潮區(qū)的爆發(fā)性氣旋開展了較豐富的研究，發(fā)現(xiàn)由于黑潮區(qū)較強的海表面熱通量和水汽通量[40-42]，使得潛熱釋放是其爆發(fā)性發(fā)展的主要影響因子[12,43-44]，與本研究結(jié)論相似。但本研究發(fā)現(xiàn)，在不同發(fā)展階段熱力強迫因子的作用貢獻存在顯著的差別。在黑潮區(qū)超強爆發(fā)性氣旋的最大加深率時刻，非絕熱加熱的貢獻減弱，而溫度平流的貢獻顯著增強，和初始爆發(fā)時刻存在顯著差異，表明不同的發(fā)展階段，各因子的貢獻發(fā)生變化，是需要進一步探究的科學(xué)問題。

由于本研究只選取了兩個超強爆發(fā)性氣旋個例進行分析，其結(jié)論具有一定的局限性，多個例綜合分析是需要進一步研究的工作。目前數(shù)值模擬也是研究爆發(fā)性氣旋發(fā)展機制的重要方式，WRF（Weather Research and Forecasting Model）是爆發(fā)性氣旋數(shù)值模擬中應(yīng)用較廣泛的模式[6,45-49]，未來我們將利用WRF 模式，對灣流區(qū)和黑潮區(qū)爆發(fā)性氣旋的發(fā)展機制做進一步的探究。