2018年1月北大西洋上一個具有“T”型鋒面結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)爆發(fā)性氣旋的分析*

李昱薇 傅 剛 陳蒞佳 孫柏堂

1.山東省氣象臺，濟(jì)南，250031

2.中國海洋大學(xué)海洋氣象學(xué)系，青島，266100

3.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島，266100

4.萊西市氣象局，萊西，266622

1 引言

爆發(fā)性氣旋（Explosive Extratropical Cyclone，簡稱EC）是指在短時間內(nèi)快速發(fā)展的中緯度溫帶氣旋（傅剛等，2017），Sanders 等（1980）最早給出爆發(fā)性氣旋定義：在24 h 內(nèi)氣旋的海表面中心氣壓值下降超過24 hPa，即氣旋的海表面中心氣壓加深率大于1 hPa/h 的溫帶氣旋。Yoshida 等（2004）采用12 h 降壓時間間隔對爆發(fā)性氣旋定義中的時間間隔進(jìn)行了修正。Sun 等（2018）對北半球1979—2016年的爆發(fā)性氣旋進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到北大西洋上空中心緯度分布的平均值為49.96°N，所以將北大西洋區(qū)域爆發(fā)性氣旋的地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度修正為50°N。

在衛(wèi)星云圖上，爆發(fā)性氣旋往往會伴有明顯的緊密螺旋云團(tuán)，且在天氣圖上常常能夠分析出鋒面系統(tǒng)。鋒面與溫帶地區(qū)頻繁發(fā)生的降水、氣溫和風(fēng)的急劇變化等天氣現(xiàn)象有關(guān)（Simmonds，et al，2012），是鋒面氣旋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。因此，對鋒面系統(tǒng)的研究是對溫帶氣旋發(fā)展研究的重要組成部分。

陶祖鈺等（2014）以鋒面氣旋模型為例將天氣學(xué)劃分為“古代”、經(jīng)典、近代和現(xiàn)代4 個階段。近百年前，以Bjerknes 等（1922）為代表的挪威學(xué)派提出了經(jīng)典鋒面氣旋模型，該模型可以較好地描述大陸上多數(shù)溫帶氣旋的發(fā)展過程（熊秋芬等，2013）。隨著觀測資料和數(shù)值模式的進(jìn)步，Shapiro 等（1990）發(fā)現(xiàn)，海洋上的爆發(fā)性氣旋在發(fā)展過程中往往具有“T”型（T-bone）鋒面結(jié)構(gòu)和鋒區(qū)“后彎”（bent-back）現(xiàn)象，而不存在冷鋒趕上暖鋒形成的錮囚鋒，修正了經(jīng)典鋒面氣旋模型。盡管關(guān)于溫帶氣旋發(fā)展和演變有許多不同觀點(diǎn)，但挪威氣旋模型和Shapiro-Keyser 氣旋模型是目前被普遍接受的兩種模型（Schultz，et al，1998），具體描述見表1。

表1 挪威氣旋模型與Shapiro-Keyser 氣旋模型Table 1 Comparison of the Norwegian cyclone model with the Shapiro-Keyser cyclone model

在北大西洋上，爆發(fā)性氣旋頻繁發(fā)生且是影響北美東岸和歐洲最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，學(xué)者們對此區(qū)域的爆發(fā)性氣旋個例較為關(guān)注，對1978年以來大西洋上6 個著名的爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了研究（Gyakum，1983；Uccellini，et al，1985；Odell，et al，2013；Wernli，et al，2002；Liberato，et al，2013；Chadenas，et al，2014），它們都具有顯著的挪威氣旋鋒面結(jié)構(gòu)。然而，在過去的幾十年中學(xué)者們對Shapiro-Keyser 氣旋模型的個例鮮有研究。

2018年1月3—6日在西北大西洋上發(fā)生了一個具有“T”型鋒面結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)爆發(fā)性氣旋，該氣旋被命名為“格雷森”（Storm Grayson）。它經(jīng)歷了強(qiáng)烈的爆發(fā)性發(fā)展過程，給美國東海岸帶來了低溫和暴雪災(zāi)害，并造成了人員傷亡，引發(fā)社會關(guān)注。文中旨在研究該超強(qiáng)爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展的機(jī)制以及“T”型鋒面結(jié)構(gòu)的成因和特征，尋找二者的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以期為該類型爆發(fā)性氣旋的有效預(yù)報和預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

2 資 料

使用的資料如下：

（1）歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）提供的ERA-Interim 再分析資料，包括：海表面氣壓、10 m高度風(fēng)場和2 m 高度溫度場，不同氣壓層上的位勢高度、氣溫、比濕、風(fēng)場和垂直風(fēng)速等物理量，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間間隔為6 h（http://apps.ecmwf.int/dataests/data/interim-full-daily）。

（2）麥迪遜-威斯康星大學(xué)氣象衛(wèi)星研究所（CIMSS）提供的地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星（GOESEAST）紅外云圖，覆蓋區(qū)域包括西北太平洋、東北太平洋、北大西洋、東大西洋、印度洋、大洋洲等，時間間隔為3 h（http://tropic.ssec.wisc.edu/archive）。

3 氣旋的時、空結(jié)構(gòu)

3.1 演變過程

該氣旋于2018年1月3日12 時（世界時，下同）在美國東南部，巴哈馬以北（25°N，79°W）附近洋面生成（圖1a），氣旋中心氣壓約1012.2 hPa（圖1b）。氣旋在沿北美洲東岸向東北方向移動的過程中快速發(fā)展，生成后6 h 爆發(fā)性發(fā)展，1月3日18 時氣旋中心氣壓下降率達(dá)2.6 hPa/h，24 h 氣旋中心氣壓下降了48.7 hPa。4日00 時氣旋中心氣壓下降率達(dá)到最大（3.94 hPa/h）。5日06 時氣旋中心氣壓下降到最低（956.4 hPa）。隨后氣旋在美國東北部（51°N，64°W）附近登陸并移出研究范圍。

圖1 2018年1月3日12 時—6日06 時（a）氣旋中心移動路徑（實(shí)心點(diǎn)）及4日12 時海表面氣壓場（實(shí)線，單位：hPa）和2 m 高度溫度與海表溫度差（色階，單位：°C），（b）氣旋海表面中心氣壓（實(shí)線，單位：hPa）及中心氣壓下降率（虛線，單位：hPa/h）隨時間變化Fig.1 （a）The moving track of cyclone center（dot）from 12：00 UTC 3 to 06：00 UTC 6 January 2018 and sea level pressure（solid line，unit：hPa）and the difference between 2 m height temperature and sea surface temperature（shaded，unit：°C）at 12：00 UTC 4 January 2018，（b）time series of central sea level pressure（solid line，unit：hPa）of the cyclone and its deepening rate（dotted line，unit：hPa/h）

該爆發(fā)性氣旋伴隨有明顯的緊密螺旋云團(tuán)（圖2），可分析出鋒面系統(tǒng)?；?50 hPa 假相當(dāng)位溫梯度和10 m 高度風(fēng)變化識別和定位鋒面（Schemm，et al，2015），鋒面結(jié)構(gòu)的演變過程劃分為以下4 個階段：

Ⅰ.初始鋒面波動（3日12—18 時）：氣旋的冷、暖鋒相連接（圖2b），冷空氣來自北美大陸，與東南部洋面上的暖空氣交匯。

Ⅱ.冷、暖鋒鋒面斷裂，向極地一側(cè)的冷鋒減弱（3日19 時—4日00 時）：隨著氣旋式環(huán)流加強(qiáng)，低壓中心南部的冷鋒鋒區(qū)假相當(dāng)位溫（θse）梯度減小，向極地一側(cè)的冷鋒減弱，暖鋒鋒區(qū)收縮變窄，水平向東部延伸（圖2c），原來連續(xù)的冷、暖鋒發(fā)生斷裂。

Ⅲ.形成“T”型結(jié)構(gòu)，鋒區(qū)向氣旋中心后部彎曲（4日01—12 時）：低壓中心北部的暖鋒鋒區(qū)加強(qiáng)，且鋒區(qū)不斷向氣旋中心后部發(fā)展，形成后彎鋒（圖2d、e），冷鋒鋒區(qū)則繼續(xù)減弱東移，東移的冷鋒與暖鋒呈現(xiàn)近似垂直的“T”型結(jié)構(gòu)。

Ⅳ.暖核被隔離（4日13 時—5日06 時）：氣旋逐漸成熟，假相當(dāng)位溫（θse）等值線包圍低壓中心，在低壓中心附近形成相對暖的中心，“暖核”被隔離（圖2f—h）。

圖2 2018年1月3日12 時—5日06 時GOES-EAST 衛(wèi)星紅外波段云頂亮溫（色階，單位：K），850 hPa 假相當(dāng)位溫（實(shí)線，單位：K）和10 m 高度風(fēng)場（全風(fēng)羽，單位：m/s），以及冷鋒鋒面（藍(lán)線）和暖鋒鋒面（紅線）（a.3日12 時，b.3日18 時，c.4日00 時，d.4日06 時，e.4日12 時，f.4日18 時，g.5日00 時，h.5日06 時）Fig.2 Cloud top brightness temperature（shaded，unit：K）of GOES-EAST satellite infrared imagery，pseudo-equivalent potential temperature（solid line，unit：K）at 850 hPa and horizontal wind（full barb，unit：m/s）at 10 m height from 12：00 UTC 3 to 06：00 UTC 5 January 2018，with the cold front（blue line）and warm front（red line）（a.12：00 UTC 3，b.18：00 UTC 3，c.00：00 UTC 4，d.06：00 UTC 4，e.12：00 UTC 4，f.18：00 UTC 4，g.00：00 UTC 5，h.06：00 UTC 5）

3.2 外部環(huán)流背景

氣旋中心附近，美國東南部近海岸海表溫度受墨西哥灣流影響異常偏高，水平梯度較大。氣旋在較暖的灣流上空生成，沿灣流延伸方向快速發(fā)展（圖1a）。4日12 時，氣旋中心附近2 m 高度氣溫比海溫低約9°C，近岸海-氣溫差超過15°C，來自北美大陸西北的冷空氣進(jìn)入溫暖的洋面，使得上層大氣感熱通量和潛熱釋放增大，促進(jìn)氣旋快速發(fā)展。

在天氣形勢上，300 hPa 高空急流建立，呈西南—東北向，與等位勢高度線走向基本一致，隨著槽線東移，高空急流彎曲，斷裂為南、北兩部分（圖3a）。氣旋中心位于高空急流入口處南部，高空對應(yīng)強(qiáng)輻散區(qū)，水平散度超過10-4s-1。地面氣旋中心位于500 hPa 位勢高度場的槽前，伴有超過3×10-8s-2的正渦度平流（圖3b），溫度槽落后于位勢高度槽。850 hPa 高度上（圖3c），氣旋中心南部及東北部上空等溫線較密集，等溫線與等位勢高度線近乎垂直，大氣斜壓性較強(qiáng)。4日12 時，850 hPa 等溫線密集區(qū)及大氣斜壓性大值區(qū)與鋒區(qū)基本一致，呈“T”型結(jié)構(gòu)，冷、暖平流的位置與冷、暖鋒區(qū)相對應(yīng)，氣旋中心東北部暖平流較強(qiáng)，較弱的冷平流覆蓋氣旋中心以南。海表面氣壓場上（圖3d），氣旋的水平尺度及大風(fēng)區(qū)面積逐漸增大，氣旋東部及南部有明顯的氣旋式風(fēng)切變。超過25 m/s 的風(fēng)速大值區(qū)環(huán)繞氣旋西南東3 個方向，風(fēng)速在鋒區(qū)輻合，由水平輻合導(dǎo)致的鋒生作用較強(qiáng)，有利于鋒面發(fā)展。

續(xù)圖 2Fig.2 Continued

圖3 2018年1月4日12 時大尺度環(huán)流背景場（a.300 hPa 位勢高度（實(shí)線，單位：gpm）、水平輻散場（虛線，單位：10-5 s-1）和急流（全風(fēng)羽，單位：m/s）；b.500 hPa 位勢高度（實(shí)線，單位：gpm）、氣溫（虛線，單位：°C）和渦度平流（色階，單位：10-9 s-1）；c.850 hPa 位勢高度（實(shí)線，單位：gpm）、氣溫（虛線，單位：°C）和溫度平流（色階，單位：10-4 K/s）；d.海表面氣壓場（實(shí)線，單位：hPa）、氣溫（虛線，單位：°C）、全風(fēng)速（色階，單位：m/s）和風(fēng)場（全風(fēng)羽，單位：m/s））Fig.3 Weather maps at 12：00 UTC 4 January 2018（a.geopotential height（solid line，unit：gpm），horizontal divergence（dotted line，unit：10-5 s-1）and jet stream（full barb，unit：m/s）at 300 hPa；b.geopotential height（solid line，unit：gpm），air temperature（dotted line，unit：°C）and vorticity advection（shaded，unit：10-9 s-1）at 500 hPa；c.geopotential height（solid line，unit：gpm），air temperature（dotted line，unit：°C）and temperature advection（shaded，unit：10-4 K/s）at 850 hPa；d.sea level pressure（solid line，unit：hPa），air temperature（dotted line，unit：°C），total wind speed（shaded，unit：m/s）and horizontal wind（full barb，unit：m/s））

3.3 內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)

鋒生函數(shù)（F）是定量描述鋒生和鋒消的重要物理量。Petterssen（1936）把大氣鋒生定義為水平位溫梯度沿氣塊軌跡的時間變化率，即，F(xiàn)＞0 時代表有鋒生作用，F(xiàn)＜0 時為鋒消作用，F(xiàn)=0 時既無鋒生也無鋒消。4日12 時，950 hPa 鋒生函數(shù)大值區(qū)略前置于等位溫線密集區(qū)，反映了鋒面的發(fā)展和移動方向（圖4a）。鋒生區(qū)主要位于氣旋中心北部向東延伸的暖鋒鋒區(qū)及斷裂的冷鋒鋒區(qū)，呈“T”型結(jié)構(gòu)，鋒生函數(shù)大值中心為2.4×10-7K/（m·s），氣旋中心西側(cè)存在鋒消，鋒生作用大于鋒消作用，鋒面將繼續(xù)發(fā)展。垂直結(jié)構(gòu)上，暖鋒系統(tǒng)深厚，超過10-8K/（m·s）的鋒生函數(shù)可達(dá)400 hPa 高度（圖4d），冷鋒系統(tǒng)較弱，等位溫線的垂直分布在低層呈“鼻狀”結(jié)構(gòu)，這與來自北美大陸的冷空氣被較高溫度的洋面加熱有關(guān)。

由于氣旋發(fā)展迅速，低層相對渦度急劇增大，低壓中心南部來自西北方向的干冷空氣隨氣旋式環(huán)流快速向東推進(jìn)，與暖濕氣流在氣旋中心東南部交匯。4日12 時，相對渦度大值區(qū)圍繞氣旋中心分布（圖4b），系統(tǒng)較為深厚，氣旋中心上部整層伴有大于10-4s-1的相對渦度，900 hPa 附近相對渦度超過6×10-4s-1（圖4e）。東南部高空急流下傳，800 hPa出現(xiàn)風(fēng)速達(dá)45 m/s 的低空急流，西北部低層也存在一個明顯的急流中心，高低空急流耦合，氣旋快速發(fā)展。

大氣視熱源（Q1）為單位時間內(nèi)單位質(zhì)量空氣的加熱率，代表輻射、潛熱釋放和表面熱通量等帶來的加熱。研究（Hsu，et al，2011）表明，大氣中視熱源的加熱作用是影響天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的重要熱力強(qiáng)迫因子。濕焓為濕空氣的顯熱能和潛熱能之和，高濕焓區(qū)對應(yīng)高溫、高濕的能量聚集區(qū)。4日12 時，大氣視熱源主要分布在冷暖鋒區(qū)和后彎區(qū)，氣旋中心東北部和南部的濕焓梯度大值區(qū)幾乎垂直，氣旋中心附近伴有超過3.6×103J/kg 的濕焓（圖4c）。在垂直結(jié)構(gòu)上，低層后彎鋒區(qū)的大氣視熱源和濕焓梯度較大，能量在此堆積（圖4f）。

圖4 2018年1月4日12 時氣旋水平（a—c）及垂直（d—f）結(jié)構(gòu)（a.950 hPa 鋒生函數(shù)（色階，單位：10-9 K/（m·s））和位溫（實(shí)線，單位：K），b.900 hPa 全風(fēng)速（色階，單位：m/s）、風(fēng)場（全風(fēng)羽，單位：m/s）和相對渦度（實(shí)線，單位：10-4 s-1），c.850 hPa 大氣視熱源（色階，單位：K/d）和濕焓（實(shí)線，單位：103 J/kg）；d—f 分別為a—c 中沿AB 的垂直剖面）Fig.4 Horizontal and vertical cross section analysis at 12：00 UTC 4 January 2018（a.frontogenetical function（shaded，unit：10-9 K/（m·s））and potential temperature（solid line，unit：K）at 950 hPa；b.total wind speed（shaded，unit：m/s），horizontal wind（full barb，unit：m/s）and relative vorticity（solid line，unit：10-4 s-1）at 900 hPa；c.apparent heat source（shaded，unit：K/d）and enthalpy of moist air（solid line，unit：103 J/kg）at 850 hPa；d—f show the vertical cross section analyses a—c，respectively）

4 氣旋的發(fā)展機(jī)制分析

4.1 WRF 數(shù)值模擬

由于本研究所使用的ERA-Interim 再分析資料的時間間隔為6 h，難以對氣旋演變過程進(jìn)行詳細(xì)且精準(zhǔn)的描述。所以采用WRFv3.7.1 進(jìn)行數(shù)值模擬，主要參數(shù)設(shè)置見表2。區(qū)域中心為（36°N，72°W），模擬時段3日00時—6日06時，得到水平分辨率為15 km，時間間隔為1 h 的模擬結(jié)果。

表2 WRF 模式的主要參數(shù)設(shè)置Table 2 Configuration of WRF model in the present study

對比驗(yàn)證可知，WRF 模式模擬的氣旋移動路徑與ERA-Interim 再分析資料得到的氣旋移動路徑較吻合（圖5a）。尤其是在氣旋快速降壓階段，兩移動路徑基本一致。海表面中心氣壓與ERA-Interim再分析資料得到的結(jié)果趨勢相似，但數(shù)值整體偏低。WRF 模式給出的氣旋中心氣壓最低時刻為5日03 時，比ERA-Interim 約提前了3 h，中心氣壓最低值約為954 hPa（圖5b）。分析得到的天氣形勢較一致（圖略），WRF 模式模擬（圖5c、d）與ERAInterim 再分析資料（圖2c、e）獲得的低層溫度場和風(fēng)場配置及鋒區(qū)的位置和強(qiáng)度均相似?？傮w而言，在該氣旋的模擬中WRF 模式模擬結(jié)果與ERAInterim 再分析資料有較好的一致性。下面將利用WRF 模式模擬結(jié)果對氣旋爆發(fā)性發(fā)展的機(jī)制進(jìn)行分析。

圖5 WRF 模式模擬結(jié)果（實(shí)線）和ERA-Interim 再分析資料（虛線）確定的2018年1月3日12 時—6日06 時（a）氣旋中心移動路徑和（b）海表面中心氣壓隨時間變化及WRF 模式模擬4日00 時（c）、12 時（d）的850 hPa 假相當(dāng)位溫（實(shí)線，單位：K）、10 m 風(fēng)場（全風(fēng)羽，單位：m/s）、冷鋒鋒面（灰線）和暖鋒鋒面（黑線）Fig.5 （a）Moving tracks and（b）time series of central sea level pressure of cyclone provided by WRF modeling result（solid line）and ERA-Interim data（dotted line）from 12：00 UTC 3 to 06：00 UTC 6 January 2018，pseudo-equivalent potential temperature（solid line，unit：K）at 850 hPa and horizontal wind（full barb，unit：m/s）at 10 m height，with cold front（gray line）and warm front（black line）provided by WRF modeling result（c.00：00 UTC 4，d.12：00 UTC 4）

4.2 Zwack-Okossi 方程診斷分析

前文定性分析表明，潛熱釋放、溫度平流和渦度平流等因子對爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展具有重要作用，但是它們對氣旋發(fā)展的具體貢獻(xiàn)并不清楚。下面基于WRF 模式模擬結(jié)果，利用Zwack-Okossi（簡稱Z-O）方程診斷分析該氣旋快速發(fā)展的機(jī)制。

通過Z-O 方程計算近地面地轉(zhuǎn)渦度來診斷地面氣旋的發(fā)展，此方法考慮到了大氣各層的動力和熱力強(qiáng)迫作用（Zwack，et al，1986）。文中采用Lupo 等（1992）給出的Z-O 方程廣義形式

式 中，ζgl是近地面地轉(zhuǎn)渦度（單位：s-1），pl是近地面氣壓層（單位：hPa），pt是大氣頂層（單位：hPa），p 是大氣壓強(qiáng)（單位：hPa），V 是水平風(fēng)矢量（單位：m/s），u、v 是其兩個分量，T 是氣溫（單 位：K），R是干空氣氣體常數(shù)（單位：J/（mol·K）），f 是科里奧利參數(shù)（單位：rad/s），是非絕熱加熱率（單位：J/（kg·d）），cp是大氣定壓比容（單 位：J/（kg·K）），S是大氣靜力穩(wěn)定度參數(shù)θ 是位溫（單位：K）），ω 是氣壓坐標(biāo)系下的大氣垂直速度（單位：hPa/s），k 是鉛直方向單位矢量，F(xiàn) 是摩擦力（單位：N），ζag是非地轉(zhuǎn)渦度（單位：s-1），ζa是絕對渦度（單位：s-1）。大氣頂層氣壓選為100 hPa，將整個對流層包含其中，近地面層氣壓選為950 hPa，因?yàn)樵谘芯繀^(qū)域內(nèi)的各個時刻，氣旋中心氣壓值不小于950 hPa，且它足夠接近海表面，可以反映氣旋的發(fā)展。式（1）等號左邊為950 hPa地轉(zhuǎn)渦度傾向（GVT），右邊依次為：絕對渦度水平平流（VADV）、溫度水平平流（TADV）、非絕熱加熱（LATH）、絕熱（ADIA）、摩擦（FRIC）、非地轉(zhuǎn)渦度傾向（AGEO）、絕對渦度垂直平流（VVTE）、渦度傾斜（TILT）和散度（DIVH）。

該爆發(fā)性氣旋快速降壓階段，其中心氣壓下降率和Z-O 方程中950 hPa 地轉(zhuǎn)渦度傾向隨時間變化曲線趨勢一致（圖6）。隨著氣旋快速發(fā)展，二者均逐漸增大，至3日22 時，氣旋中心氣壓下降率達(dá)到最大（4.2 hPa/h），地轉(zhuǎn)渦度傾向此時亦達(dá)到最大（1.65×10-9s-1），隨后逐漸減小。雖然地轉(zhuǎn)渦度傾向的數(shù)值有所波動，但二者整體趨勢一致。因此，利用Z-O 方程對該爆發(fā)性氣旋進(jìn)行診斷分析是合適的。

圖6 2018年1月3日18 時—5日03 時氣旋海表面中心氣壓加深速率（實(shí)線）和950 hPa 地轉(zhuǎn)渦度傾向的區(qū)域平均值（虛線）隨時間的變化Fig.6 Time series of the deepening rate of central sea level pressure（solid line）and the area-mean value of geostrophic vorticity tendency（dotted line）at 950 hPa from 18：00 UTC 3 to 03：00 UTC 5 January 2018

以氣旋中心為中心的10°×10°范圍內(nèi)Z-O 方程各因子平均值如圖7 所示。式（1）950 hPa 地轉(zhuǎn)渦度傾向主要受絕對渦度水平平流、溫度水平平流、非絕熱加熱和絕熱因子的影響，其余各因子的貢獻(xiàn)非常小，不足以對地轉(zhuǎn)渦度傾向的變化產(chǎn)生顯著影響。因此，下文主要對氣旋發(fā)展不同時刻Z-O 方程中絕對渦度水平平流、溫度水平平流、非絕熱加熱和絕熱對地轉(zhuǎn)渦度傾向的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。

圖7 Z-O 方程各因子的區(qū)域平均值分布（a.3日18時，b.3日22時，c.4日12時，d.5日03時）Fig.7 Histograms of area-mean value of geostrophic vorticity tendency at 950 hPa and area-mean values of nine terms on the right-hand-side of Z-O equation（a.18：00 UTC 3，b.22：00 UTC 3，c.12：00 UTC 4，d.03：00 UTC 5 January 2018）

氣旋初始爆發(fā)階段，非絕熱加熱對氣旋快速發(fā)展有較大貢獻(xiàn)（圖8），這是因?yàn)槲鞅崩淇諝膺M(jìn)入溫暖的洋面，海洋對上層大氣潛熱釋放較強(qiáng)。氣旋進(jìn)一步發(fā)展，“T”型鋒面結(jié)構(gòu)顯著，溫度平流凈貢獻(xiàn)較大。隨著氣旋繼續(xù)加深，平流對地轉(zhuǎn)渦度傾向的貢獻(xiàn)超過非絕熱加熱。絕熱始終與非絕熱位相相反，對地轉(zhuǎn)渦度傾向?yàn)樨?fù)的貢獻(xiàn)。

圖8 2018年1月3日18時—5日03時Z-O方程部分因子的區(qū)域平均值隨時間變化Fig.8 Time series of area-mean value of GVT（black solid line）at 950 hPa and area-mean values of the first four terms（VADV，TADV，LATH and ADIA terms showed with different grey lines）in the right-hand-side of Z-O equation from 18：00 UTC 3 to 03：00 UTC 5 January 2018

3日22 時，氣旋中心氣壓下降率最大，地轉(zhuǎn)渦度傾向正值區(qū)主要位于氣旋中心東北部，負(fù)值區(qū)位于氣旋中心西南部，強(qiáng)度和分布范圍均小于正值區(qū)（圖略）。由于大氣感熱和潛熱較強(qiáng)，非絕熱加熱作用顯著，對地轉(zhuǎn)渦度傾向的增大起主要作用。4日12 時，氣旋進(jìn)一步發(fā)展，地轉(zhuǎn)渦度傾向正值區(qū)和負(fù)值區(qū)的強(qiáng)度和范圍都有所增大，正值區(qū)位于氣旋東北部，正值中心超過1.5×10-8s-1，負(fù)值區(qū)位于氣旋西南部（圖9）。溫度平流正值區(qū)位于氣旋中心以北，數(shù)值約為1.0×10-8s-1，超過-5.0×10-9s-1的負(fù)值區(qū)位于氣旋中心南部，與地轉(zhuǎn)渦度傾向的分布相似（圖9b）。隨著冷暖鋒區(qū)發(fā)展，溫度平流作用加強(qiáng)，氣旋發(fā)展起重要作用。非絕熱加熱相對之前階段顯著減弱，正值區(qū)主要位于氣旋中心東北部（圖9c）。絕熱因子與非絕熱因子位相相反，整體以負(fù)值為主（圖9d）。

圖9 2018年1月4日12 時Z-O 方程部分因子（等值線，單位：10-9 s-1）對地轉(zhuǎn)渦度傾向（色階，單位：10-9 s-1）的貢獻(xiàn)（a.VADV，b.TADV，c.LATH，d.ADIA；方框表示以氣旋中心為中點(diǎn)10°×10°的區(qū)域）Fig.9 Contributions of the first four terms（isoline，unit：10-9 s-1）in the right-hand-side of Z-O equation to the geostrophic vorticity tendency（shaded，unit：10-9 s-1）at 12：00 UTC 4 January 2018（a.VADV，b.TADV，c.LATH，d.ADIA.Box shows the area within 10°×10° centered in the surface cyclone center）

根據(jù)前文分析，氣旋“T”型鋒面結(jié)構(gòu)的顯著特征為冷鋒鋒區(qū)的位置偏東且強(qiáng)度較弱，所對應(yīng)的冷平流較弱。在Z-O 方程中，由于冷平流較弱，溫度平流負(fù)貢獻(xiàn)較?。▓D9b），使得區(qū)域范圍內(nèi)溫度平流凈貢獻(xiàn)較大，數(shù)值約為8.2×10-10s-1（圖8），對地轉(zhuǎn)渦度傾向作用顯著。這就導(dǎo)致在“T”型鋒面結(jié)構(gòu)階段，溫度平流對氣旋發(fā)展起重要作用，使其快速發(fā)展并得以維持。

綜上所述，非絕熱加熱、溫度平流和正渦度平流是氣旋發(fā)展的主要影響因子。初始爆發(fā)階段，非絕熱加熱起主要作用。隨著冷暖鋒區(qū)發(fā)展，區(qū)域范圍內(nèi)溫度平流凈貢獻(xiàn)較大，“T”型鋒面結(jié)構(gòu)對氣旋快速發(fā)展和維持起重要作用。

5 總結(jié)

對2018年1月3—6日發(fā)生在北大西洋上一個超強(qiáng)爆發(fā)性氣旋進(jìn)行了分析，該氣旋具有顯著的“T”型鋒面結(jié)構(gòu)，得到的主要結(jié)論如下：

（1）該爆發(fā)性氣旋“T”型鋒面結(jié)構(gòu)的演變過程分為4 個階段：Ⅰ.初始鋒面波動；Ⅱ.冷、暖鋒鋒面斷裂，向極地一側(cè)的冷鋒減弱；Ⅲ.形成“T”型結(jié)構(gòu)，鋒區(qū)向氣旋中心后部彎曲；Ⅳ.暖核被隔離。

（2）大氣的高低層環(huán)流形勢配置、低層較強(qiáng)的大氣斜壓性和暖洋流作用等外部因素為氣旋的快速發(fā)展提供了良好的環(huán)流背景場。鋒區(qū)鋒生作用顯著，非絕熱加熱較強(qiáng)，水汽輸送條件較好，能量堆積，有利的內(nèi)部條件使其快速發(fā)展，并具備顯著的“T”型空間結(jié)構(gòu)。

（3）基于天氣預(yù)報模式WRF 的模擬結(jié)果，利用Z-O 方程診斷分析表明，非絕熱加熱、溫度平流和渦度平流是該爆發(fā)性氣旋發(fā)展的主要影響因子。初始爆發(fā)階段，非絕熱加熱貢獻(xiàn)較大。后期，平流作用加強(qiáng)，顯著的“T”型鋒面結(jié)構(gòu)使溫度平流凈貢獻(xiàn)較大，氣旋快速發(fā)展并得以維持。

（4）氣旋的爆發(fā)性發(fā)展和其具有的“T”型鋒面結(jié)構(gòu)存在一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)（圖10）。由于氣旋發(fā)展迅速，低層相對渦度急劇增大，低壓中心南部來自西北方向的干冷空氣隨氣旋式環(huán)流快速向東推進(jìn)，與暖濕氣流在氣旋中心東南部交匯，由水平輻合導(dǎo)致的鋒生作用較強(qiáng)，冷鋒鋒區(qū)位置偏東。受灣流影響，較暖的洋面對西北冷空氣的加熱作用使得交匯的冷、暖空氣溫度梯度較小，這就使得減弱東移的冷鋒與暖鋒形成了近似垂直的“T”型結(jié)構(gòu)。正因冷鋒鋒區(qū)的位置偏東且強(qiáng)度較弱，所對應(yīng)的冷平流較弱。在Z-O 方程中，由于冷平流較弱，區(qū)域范圍內(nèi)溫度平流負(fù)貢獻(xiàn)較小，使得溫度平流凈貢獻(xiàn)較大，對氣旋發(fā)展起重要作用，使其快速發(fā)展并得以維持。