不同季節(jié)北大西洋上爆發(fā)性氣旋云微物理特性的分析與比較?

鄢 珅， 傅 剛， 陳蒞佳

(中國海洋大學海洋與大氣學院海洋氣象系， 山東 青島 266100)

溫帶氣旋是中緯度“天氣舞臺”上最重要的“演員”[1]，在調(diào)節(jié)地球的能量、水汽平衡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，中緯度地區(qū)有一類能夠在短時間內(nèi)中心氣壓迅速降低、強度急劇增強的溫帶氣旋，被稱為“氣象炸彈”。Sanders 和 Gyakum[2]最早明確定義了這類氣旋：24 h以內(nèi)氣旋海表面中心氣壓值下降達24 hPa以上的溫帶氣旋為爆發(fā)性氣旋(Explosive cyclone)。

國內(nèi)外學者對爆發(fā)性氣旋開展了廣泛研究，多位學者利用不同的觀測資料和手段對北半球爆發(fā)性氣旋的時空分布特征進行分析，發(fā)現(xiàn)在時間上，爆發(fā)性氣旋多發(fā)于冷季[3-4]，其中1月最多[2,5-6]；在空間上，爆發(fā)性氣旋頻發(fā)于太平洋和大西洋西部。Fu等[7]對1979—2016年北半球的爆發(fā)性氣旋進行了深入系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)北半球爆發(fā)性氣旋的初始爆發(fā)源地和快速加深區(qū)域主要在北大西洋和北太平洋上空呈帶狀分布，并指出北大西洋區(qū)域的爆發(fā)性氣旋雖爆發(fā)時長較短，發(fā)展較慢，但強度更強。更有大量學者聚焦于爆發(fā)性氣旋發(fā)展機制的研究，指出爆發(fā)性氣旋的快速加深發(fā)展是由多個因素綜合導致的結(jié)果[8-9]，如大氣斜壓性[3,10]、潛熱釋放[11-12]、正渦度平流[13]和平流層大值位渦的下伸[14]等。

爆發(fā)性氣旋頻繁發(fā)生在中高緯度大洋上，常伴隨大風、強降水等惡劣天氣，由于海上的常規(guī)觀測資料十分稀少，而衛(wèi)星觀測資料可以提供高時空分辨率的觀測數(shù)據(jù)，因此近年來衛(wèi)星成為研究海上各種災害性天氣系統(tǒng)的重要手段。CloudSat衛(wèi)星于2006年4月28日從美國范登堡空軍基地發(fā)射進入軌道，衛(wèi)星上搭載的云廓線雷達(Cloud Profile Radar)可以提供全球范圍內(nèi)各種天氣系統(tǒng)的云系的垂直結(jié)構(gòu)和云內(nèi)多種微物理量的探測信息，為研究云系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和降水等天氣現(xiàn)象提供了嶄新的視角，對于爆發(fā)性氣旋的研究具有重要意義。Posselt等[15]利用CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品分別對溫帶氣旋的冷鋒、暖鋒及錮囚鋒進行了分析，發(fā)現(xiàn)其觀測結(jié)果與經(jīng)典的挪威氣旋模型中的云和降水分布有顯著的相似性，而CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品可揭示更多的關(guān)于云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細節(jié)。Durden等[16]發(fā)現(xiàn)CloudSat衛(wèi)星和A-Train星座中其他衛(wèi)星得到的颶風云系結(jié)構(gòu)的觀測結(jié)果與早期飛機觀測的結(jié)果有很好的一致性，并統(tǒng)計分析了冰云微物理量隨高度的變化特征。Matrosov[17]利用CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品對北大西洋兩次颶風過程的云頂高度、冰水路徑和降水率進行分析，并把其降水率產(chǎn)品與地基天氣雷達得到的產(chǎn)品進行對比，發(fā)現(xiàn)具有很好的一致性。柴乾明等[18]利用CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品分析了熱帶氣旋的眼壁及其螺旋云帶，總結(jié)了不同強度的熱帶氣旋的云的微觀結(jié)構(gòu)特征的差異。孫柏堂等[19]利用CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品對西北太平洋上一個爆發(fā)性氣旋的云微物理屬性的垂直結(jié)構(gòu)進行分析，初步總結(jié)了該個例發(fā)展較為迅速時刻云中冰粒子的分布特點。

本文擬選擇冬、春、夏、秋不同季節(jié)下北大西洋上被CloudSat衛(wèi)星“捕捉”到的4個爆發(fā)性氣旋個例，利用CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品分析其所伴隨的云系的微物理特性的垂直結(jié)構(gòu)，擬從云的微物理特性視角對爆發(fā)性氣旋的空間結(jié)構(gòu)進行探究，旨在提高對爆發(fā)性氣旋云系分布特征的認識水平，以期為日后爆發(fā)性氣旋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析、強度估計和路徑預報提供一定的理論依據(jù)。

1 資料

1.1 CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品(1)CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品下載地址為：ftp://ftp.cloudsat.cira.colostate.edu/。

CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品提供了云的分布及降水等物理量的剖面信息，其垂直分辨率為0.5 km，跨軌道分辨率為1.4 km，沿軌道分辨率為2.5 km，垂直探測高度大約為30 km，產(chǎn)品分為標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和輔助數(shù)據(jù)產(chǎn)品，本文使用到的產(chǎn)品有：

(1)2B-CLD-CLASS是云分類相關(guān)的產(chǎn)品，將云分為層云(Stratus, St)、層積云(Stratocumulus, Sc)、積云(Cumulus, Cu)、雨層云(Nimbostratus, Ns)、高積云(Altocumulus, Ac)、高層云(Altostratus, As)、深對流云(Deep Convective, DC)和高云(High, 主要包括卷云Cirrus和卷層云Cirrostratus, 簡稱Ci)八種類型，不同類型的云受不同的云動力學過程控制并具有不同的微物理性質(zhì)。

(2)2B-GEOPROF是云的幾何廓線產(chǎn)品，本文主要使用了其中表征雷達回波強度的雷達反射率信息。

(3)2B-CWC-RO是通過云廓線雷達的觀測信息對云水含量、冰水含量等相關(guān)微物理量進行反演估算的產(chǎn)品，本文分析的物理量有表征云中冰粒子尺度分布特征的冰粒子有效半徑和冰粒子寬度系數(shù)，表征冰粒子個數(shù)密集程度的冰粒子數(shù)濃度，以及表征冰云中所含冰晶質(zhì)量大小的冰水含量。

(4)2C-PRECIP-COLUMN是判斷地表是否存在降水并量化其強度的降水產(chǎn)品，本文使用了在一定降水條件下的診斷降水率。

(5) ECMWF-AUX是將歐洲中尺度天氣預報中心提供的大氣基本狀態(tài)參量數(shù)據(jù)(如溫度、濕度、氣壓等)插值到云廓線雷達的每一軌觀測數(shù)據(jù)后得到的輔助產(chǎn)品，本文主要使用了該產(chǎn)品中的溫度一量。

1.2 MODIS可見光云圖(2)MODIS可見光衛(wèi)星云圖下載地址為：https://worldview.earthdata.nasa.gov/。

美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的搭載于Aqua衛(wèi)星上的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)可見光衛(wèi)星云圖，空間分辨率為0.25 km。

1.3 ERA5再分析資料(3)ERA5再分析資料的下載地址為：https://cds.climate.copernicus.eu/。

歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5再分析格點資料，使用到的物理量為海表面氣壓、850 hPa溫度和10 m高度上的風，時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)。

2 爆發(fā)性氣旋個例概況

本文研究的爆發(fā)性氣旋是4個在冬、春、夏、秋不同季節(jié)下發(fā)生在北大西洋上的爆發(fā)性氣旋過程。

冬季個例(以下簡稱EC1)于2007年1月26日00 UTC在北大西洋上(63°W, 38°N)附近生成，隨后向東移動后轉(zhuǎn)向北移動，穿越紐芬蘭島后在大西洋西岸(48°W, 53°N)附近消亡(見圖1)，其中心氣壓于27日08 UTC達到最小值951.8 hPa(見圖2(a))。CloudSat衛(wèi)星于1月26日16:34:08 UTC—16:38:52 UTC沿東南-西北方向移動，先經(jīng)過EC1的暖區(qū)并跨過暖鋒后到達冷區(qū)(見圖3(a))，其26日17 UTC其中心氣壓加深率達到2.38 Bergeron(見圖2(a))。從衛(wèi)星云圖(見圖4(a))上看，EC1南部為西南-東北走向的云帶，頂部不平整附有灰色紋路，北部云系呈亮白色，云體邊緣處呈灰白色絲縷狀，表明云系上部輻散較強，存在大量卷云。

春季個例(以下簡稱EC2)于2011年4月1日00 UTC在美國東部沿岸(72°W, 37°N)附近生成，隨后一直沿北美沿岸向東北方向移動，在加拿大東部沿岸(53°W, 52°N)附近消亡(見圖1)，其中心氣壓于2日13 UTC達到最小值969.8 hPa(見圖2(b))。CloudSat衛(wèi)星于4月1日17:36:33 UTC至17:41:10 UTC沿東南-西北方向移動，同樣先經(jīng)過EC2的暖區(qū)并跨過暖鋒后到達冷區(qū)(見圖3(b))，1日18 UTC其中心氣壓加深率達到1.30 Bergeron(見圖2(b))。從衛(wèi)星云圖(見圖4(b))上看，EC2符合“逗點”云系的特征，“逗點”尾部為西南-東北向的灰白色帶狀云系，頂部附有灰色暗影。接近氣旋中心的位置幾乎無云，表明此處高空的干冷空氣向氣旋內(nèi)部下沉侵入，云系頭部則為厚實的亮白色云團。

(紅色為冬季個例EC1，紫色為春季個例EC2，藍色為夏季個例EC3，綠色為秋季個例EC4，不同顏色的叉號“×”表示每個個例的起止位置，不同顏色的實心圓“●”表示被CloudSat衛(wèi)星觀測到的時刻。Red, violet, blue and green solid lines represent the explosive cyclones EC1, EC2, EC3 and EC4, respectively. The “×” signs of different colors mark the starting and ending location of each cyclone. The solid dots of different colors indicate the time observed by CloudSat.)圖1 四個爆發(fā)性氣旋個例的移動路徑Fig.1 The moving trajectories of four explosive cyclones in different seasons

((a)EC1(2007年1月26日00 UTC至28日17 UTC); (b)EC2(2011年4月1日00 UTC至2日23 UTC); (c)EC3(2016年7月6日00 UTC至10日23 UTC); (d)EC4 (2009年10月13日18 UTC至16日11 UTC)。 其中，黑色橫虛線為中心氣壓加深率的0值線，灰色豎虛線代表每個個例被CloudSat衛(wèi)星觀測到的時刻。(a)EC1 (from 00 UTC 26 to 17 UTC 28 January, 2007); (b)EC2 (from 00 UTC 1 to 23 UTC 2 April, 2011); (c)EC3 (from 00 UTC 6 to 23 UTC 10 July, 2016); (d)EC4 (from 18 UTC 13 to 11 UTC 16 October, 2009). The black horizontal dotted lines represent zero value line of deepening rate. The gray vertical dotted lines show the time observed by CloudSat.)圖2 四個爆發(fā)性氣旋個例的海表面中心氣壓值(藍色實線，單位: hPa)和中心氣壓加深率(紅色虛線，單位: Bergeron)隨時間的變化Fig.2 Time series of central sea level pressure of the four explosive cyclones (blue solid lines, unit: hPa) and their deepening rates (red dotted lines, unit: Bergeron)

夏季個例(以下簡稱EC3)于2016年7月6日00 UTC在北大西洋(63°W, 39°N)附近生成，隨后不斷向東北方向移動，橫跨大西洋直至歐洲沿岸(6°W, 55°N)附近消亡(見圖1)。其中心氣壓于7日10 UTC達到最小值976.6 hPa(見圖2(c))。CloudSat衛(wèi)星于7月6日16:29:45 UTC至16:33:02 UTC由東南向西北方向移動經(jīng)過其中心以東，6日17 UTC其中心氣壓加深率為0.76 Bergeron(見圖2(c))。從衛(wèi)星云圖(見圖4(c))上看，與其他三個個例相比，EC3云系整體偏小，但結(jié)構(gòu)清晰，初現(xiàn)“逗點”狀，尾部云團間存在間隙，頭部云系較尾部相比更加緊實亮白。

((a)2007年1月26日17 UTC; (b)2011年4月1日18 UTC; (c)2016年7月6日17 UTC; (d)2009年10月14日17 UTC。加粗藍線表示后面垂直剖面分析的剖線位置，紅色箭頭表示衛(wèi)星沿軌道的前進方向。(a) 17 UTC 26 January, 2007； (b)18 UTC 1 April, 2011； (c)17 UTC 6 July, 2016； (d)17 UTC 14 October, 2009. The bold blue lines represent the locations of vertical-cross sections analyse later. The red arrows indicate the satellite moving direction along its orbit.)圖3 四個爆發(fā)性氣旋個例不同時刻的海表面氣壓場(黑色實線，間隔4 hPa)、850 hPa假相當位溫(填色，間隔5 K)和10 m高度風場(紫色風羽，一長桿為4 m·s-1，一三角桿為20 m·s-1)。Fig.3 Sea level pressure(black solid line, 4 hPa interval), pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa (shaded, 5 K interval) and 10 m horizontal wind (full barb, 4 m·s-1 for a long pole and 20 m·s-1 for a triangular pole) of four explosive cyclones at different time

秋季個例 (以下簡稱EC4)于2009年10月13日18 UTC在美國東北部沿岸(68°W, 42°N)附近生成，隨后不斷向東移動后轉(zhuǎn)向東北移動，在格陵蘭島南部(47°W, 61°N)附近消亡。其中心氣壓于15日07 UTC達到最小值960.3 hPa(見圖1)。CloudSat衛(wèi)星于10月14日16:38:16 UTC至16:42:40 UTC由東南向西北方向移動先經(jīng)過EC4的冷鋒前的暖區(qū)并穿過冷鋒到達中心，隨后跨過暖鋒后到達冷區(qū)(見圖3(d))，其14日17 UTC中心氣壓加深率為1.27 Bergeron(見圖2(d))。從衛(wèi)星云圖(見圖4(d))上看，整體為緊湊的螺旋云系，其尾部中心亮白，東部外圍出現(xiàn)西北-東南方向的纖維結(jié)構(gòu)，頭部云系無間隙，但頂部附有灰色陰影，凹口部與頭部圍成一個無云的渦旋中心，出現(xiàn)“眼狀”結(jié)構(gòu)。

以下分別沿軌道AB、CD、EF、GH對爆發(fā)性氣旋EC1、EC2、EC3和EC4的云的類型、雷達反射率、冰粒子有效半徑、冰粒子寬度系數(shù)、冰粒子數(shù)濃度和冰水含量做垂直剖面分析，以了解不同季節(jié)下爆發(fā)性氣旋個例云的微物理特性。

3 云微物理屬性垂直結(jié)構(gòu)的分析與比較

沿軌道AB段對EC1的云微物理特性進行垂直剖面分析，該剖面距離氣旋中心約600 km，由南向北恰經(jīng)過該氣旋的暖鋒，圖5(a)展示的是云的類型，發(fā)現(xiàn)共有7種云的存在：雨層云、深對流云、高層云、層積云、高積云、積云和卷云。位溫在約10 km以上呈南低北高。由于在氣旋南部存在較強的對流，潛熱釋放的加熱作用使得此處8 km以下等位溫線下凹，使得位溫在對流層中低層呈南高北低。等位溫線在對流層低層存在一條由氣旋中心向北傾斜的密集帶，在此處表現(xiàn)為一個典型的暖鋒結(jié)構(gòu)。沿軌道前進方向，暖鋒前0 ℃等溫線從約3.8 km平緩下降到約3 km的高度，隨后在鋒面處迅速下降并接地。南北兩側(cè)主要分為兩組云系。暖鋒后為大面積的深對流云，且在10 km高度出現(xiàn)少量卷云。該對流的南側(cè)8 km以下伴有雨層云及少許高積云，對流的北側(cè)為高層云從2 km高度延展到10 km以上。在地面鋒線附近南側(cè)2 km以下有少許層積云。在地面鋒線的北側(cè)，暖鋒上主要以雨層云為主，北部則從2 km以上開始伴有高層云，頂部附有少量卷云，與Bjerknes(1919)提出的經(jīng)典的挪威氣旋模型中暖鋒上的云系組成相似[20]。

圖5(b)～(f)分別給出了雷達反射率、冰粒子有效半徑、冰粒子寬度系數(shù)、冰粒子數(shù)濃度和冰水含量的垂直剖面。綜合來看，暖鋒后，云系最高可發(fā)展到12 km以上，深對流云內(nèi)部雷達反射率最大值接近20 dBZ，對應地面區(qū)域出現(xiàn)連續(xù)的降水，降水率最大約為9 mm·h-1。7 km以下冰粒子尺度較大，有效半徑在100 μm以上，寬度系數(shù)在0.50以上，深對流云內(nèi)部的冰粒子有效半徑最大值約為171 μm。但冰粒子分布不夠集中，數(shù)濃度普遍低于250 L-1，整個云系的冰水含量均小于800 mg·m-3。暖鋒上，云系最大高度可達9 km，內(nèi)部雷達回波普遍大于10 dBZ， 出現(xiàn)多個雷達反射率大于15 dBZ的狹窄的雷達反射率大值區(qū)。雨層云內(nèi)部冰粒子尺度較大，有效半徑最大可達約164 μm，寬度系數(shù)最大值約為 0.62。暖鋒上較強的上升運動可以將冰粒子帶到更高的高度，在約7 km的高度冰粒子有效半徑仍可超過150 μm，同時，冰粒子個數(shù)在5～9 km的高度較為集中，出現(xiàn)一個狹窄的數(shù)濃度大值區(qū)(>400 L-1)，同一區(qū)域的冰水含量大于1 000 mg·m-3，對應地面出現(xiàn)強降水，降水率約為20 mm·h-1。此區(qū)域內(nèi)，數(shù)濃度最大值在約7.4 km高度處可達495.5 L-1，冰水含量最大值在約5.5 km的高度可達1 961 mg·m-3。整體來看，對于EC1個例而言，雖然暖鋒后的云系整體發(fā)展高度更高，但暖鋒上的大尺度冰粒子更為集中，導致冰水含量及地面降水率大于暖鋒后的區(qū)域。

((a)云的類型；(b)雷達反射率(單位:dBZ)；(c)冰粒子有效半徑(單位: μm)；(d)冰粒子寬度系數(shù)；(e)冰粒子數(shù)濃度(單位: L-1)；(f)冰水含量(單位: mg·m-3)；黑色箭頭為CloudSat衛(wèi)星沿軌道的前進方向；圖(a)和(b)中疊加了等位溫線(紅色實線，單位: K)；藍色實線為0 ℃等溫線；黑色加粗實線表示一鋒面；正下方為CloudSat衛(wèi)星所估算的降水率(單位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. The positions of the front are marked with a heavy black line. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b). )圖5 EC1沿AB段云的各微物理量垂直剖面圖Fig.5 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line AB of EC1

((a)云的類型；(b)雷達反射率(單位:dBZ)；(c)冰粒子有效半徑(單位: μm)；(d)冰粒子寬度系數(shù)；(e)冰粒子數(shù)濃度(單位: L-1)；(f)冰水含量(單位: mg·m-3)；黑色箭頭為CloudSat衛(wèi)星沿軌道的前進方向；圖(a)和(b)中疊加了等位溫線(紅色實線，單位: K)；藍色實線為0 ℃等溫線；黑色加粗實線表示一鋒面；正下方為CloudSat衛(wèi)星所估算的降水率(單位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. The positions of the front are marked with a heavy black line. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b). )圖6 EC2沿CD段云的各微物理量垂直剖面圖Fig.6 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line CD of EC2

對于春季個例EC2，沿軌道CD段的剖面同樣經(jīng)過其暖鋒，但較EC1更為接近氣旋中心(距中心約200 km)，共有6種云的存在：雨層云、高層云、卷云、積云、高積云和層積云(見圖6(a))。等位溫線在約10 km以上的高度平緩而緊密，10 km以下位溫南高北低，北部4 km以下的等位溫線變得密集并在氣旋中心附近接地，對應該氣旋的暖鋒鋒區(qū)。0 ℃等溫線從約3.3 km平緩下降到約3 km的高度，在鋒區(qū)迅速下降至近地面，隨后緩慢升高。EC2暖鋒后的云系主要以雨層云和高層云為主，頂部附有卷云，與EC1相比，未出現(xiàn)深對流云。該區(qū)域云系整體云頂高度保持在約11 km的高度，雨層云南部5 km以下伴有少量的層云和高積云，北部2 km附近開始出現(xiàn)高層云，且高層云的云底高度向北不斷升至約7 km。暖鋒上的云系與EC1暖鋒云系結(jié)構(gòu)相似，同樣由雨層云、高層云和卷云組成，但EC2暖鋒云系可發(fā)展到更高的高度，云頂高度最大值約10 km。

綜合圖6(b)～(f)分別給出的各云微物理物理量的垂直分布圖來看，暖鋒后雨層云內(nèi)約3 km附近出現(xiàn)淺層對流，雷達反射率超過15 dBZ，地面最大降水率約為7 mm·h-1，其南側(cè)低層伴有的積云同樣伴有較強的雷達回波，對應地面最大降水率約為18 mm·h-1，高層云內(nèi)部9 km以下雷達反射率在0～15 dBZ。雨層云內(nèi)冰粒子尺度隨高度的增加而減小，6 km以下冰粒子有效半徑幾乎保持在100 μm以上，其最大值約為164 μm，但冰粒子數(shù)濃度整體小于300 L-1，冰水含量小于600 mg·m-3。暖鋒上以雨層云為主的云系的云頂高度稍低于暖鋒后云系的云頂高度，但該區(qū)域的雨層云內(nèi)部出現(xiàn)大面積雷達反射率大于15 dBZ的回波大值區(qū)，集中在2～6 km的高度，其中最大值約20 dBZ出現(xiàn)在3.5 km附近。地面暖鋒鋒線以北出現(xiàn)連續(xù)降水，最大降水率約為12 mm·h-1。暖鋒上雨層云內(nèi)冰粒子有效半徑最大值出現(xiàn)在約1 km高度的0 °C等溫線上，可達161 μm。與EC1相似，暖鋒上較強的上升運動使得EC2暖鋒上雨層云內(nèi)部約7 km高度上的冰粒子有效半徑大于100 μm，同時其內(nèi)部數(shù)濃度隨高度的增加而增大，在6～10 km附近其內(nèi)部出現(xiàn)一數(shù)濃度大值區(qū)(>350 L-1)，并由內(nèi)部大值區(qū)向水平兩側(cè)遞減，最大值410 L-1出現(xiàn)在7.7 km附近，該大值區(qū)可能與暖輸送帶上充足的水汽與較強的上升運動有關(guān)。冰水含量大值區(qū)(>1 000 mg·m-3)的高度相較于冰粒子濃度大值區(qū)的高度有所下降，集中在雨層云內(nèi)部3～7 km的高度，在約4.9 km附近達到最大值1 481 mg·m-3，同時冰水含量由內(nèi)部大值區(qū)向云體的南北兩側(cè)及頂部和底部邊緣遞減。暖鋒上云系的冰粒子數(shù)濃度與冰水含量值整體遠高于暖鋒后云系。

圖7為沿軌道EF段對夏季爆發(fā)性氣旋EC3的云微物理特性的垂直剖面分析，該剖面雖然距中心僅有400 km，但由于EC3整體尺度與其他個例相比較小，因此該剖面掃到了氣旋東部靠外圍的位置。在該剖面中共有七種云的存在：深對流云、高層云、卷云、雨層云、積云、高積云和層積云(見圖7(a))。與其他三個個例相比，等位溫線整體較為平整，未見明顯的鋒面結(jié)構(gòu)。沿軌道前進方向，0 °C等溫線從4.6 km平緩下降到約3 km的高度。軌道前半部分大約對應EC3云系尾部，主要為不規(guī)則的高層云和卷云，沿軌道前進方向南側(cè)卷云和高層云均保持在約5 km以上，云頂高度由約13 km逐漸下降，靠近軌道中心附近，云系云頂高度在10 km以下，但在約12 km附近出現(xiàn)零星的卷云，云系中還夾雜著極少量深對流云、雨層云、積云、高積云和層積云。軌道后半部分則對應云系亮白的頭部位置，與尾部云系相比，頭部云系云的類型相對單一，以大面積的深對流云為主，從約0.3 km延展到最高超過13 km，其下墊面較大的海表面溫度梯度(未在圖中給出)可能是造成此區(qū)域大面積對流產(chǎn)生的原因之一。同時，深對流云頂部伴有少量卷云，兩側(cè)10 km以下則伴有雨層云和高層云。

對于EC3云系的微物理屬性(見圖7(b)～(f))進行分析，其尾部云系中，除夾雜的深對流云和雨層云中出現(xiàn)雷達反射率大于10 dBZ的狹窄對流帶，對應地面出現(xiàn)降水，但降水率小于2 mm·h-1，在夾雜的積云和高積云處也出現(xiàn)少量降水，降水率小于1 mm·h-1，其余區(qū)域雷達反射率均小于10 dBZ。尾部云系中僅在夾雜的深對流云內(nèi)部4～8 km附近出現(xiàn)少量有效半徑大于140 μm的冰粒子，最大值約為144 μm，其余區(qū)域的冰粒子有效半徑均小于140 μm，寬度系數(shù)整體在0.29～0.60之間。冰粒子數(shù)濃度整體小于300 L-1，未出現(xiàn)大范圍的冰粒子集中區(qū)域，數(shù)濃度最大值僅約275 L-1，冰水含量整體小于800 mg·m-3，最大值約為770 mg·m-3，尾部云系中冰粒子集中程度小于頭部云系。頭部云系中，深對流云內(nèi)部約2～8 km附近出現(xiàn)雷達反射率大于10 dBZ的大值區(qū)，且沿0 °C等溫線，在約3～4 km的高度上，雷達反射率接近20 dBZ，對應地面出現(xiàn)大范圍降水，最大降水率約為5 mm·h-1。其南部伴隨的雨層云中同樣出現(xiàn)大于10 dBZ的大值區(qū)，對應地面降水率小于2 mm·h-1，而高層云中雷達反射率小于5 dBZ。深對流云中8 km以下冰粒子有效半徑大于100 μm，最大值約為167 μm，寬度系數(shù)最大值約為0.62，兩者最大值均出現(xiàn)在約3.5 km附近。深對流云8 km以上的部分，冰粒子數(shù)濃度普遍大于200 L-1，并在約10 km高度達到最大，最大值約為336 L-1。但由于上層冰粒子尺度較小，冰水含量整體小于700 mg·m-3，在約6.6 km附近出現(xiàn)最大值約622 mg·m-3。與其他三個個例相比，EC3云系中深對流云發(fā)展高度最高，但云內(nèi)大尺度冰粒子的數(shù)濃度較小，冰水含量整體較低，對應地面降水強度較小。

((a)云的類型；(b)雷達反射率(單位:dBZ)；(c)冰粒子有效半徑(單位: μm)；(d)冰粒子寬度系數(shù)；(e)冰粒子數(shù)濃度(單位: L-1)；(f)冰水含量(單位: mg·m-3)；黑色箭頭為CloudSat衛(wèi)星沿軌道的前進方向；圖(a)和(b)中疊加了等位溫線(紅色實線，單位: K)；藍色實線為0 ℃等溫線；正下方為CloudSat衛(wèi)星所估算的降水率(單位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b). )圖7 EC3沿EF段云的各微物理量垂直剖面圖Fig.7 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line EF of EC3

對于秋季個例EC4，衛(wèi)星沿軌道GH經(jīng)過其地面冷鋒后，到達氣旋中心，隨后與EC1、EC2相同，近乎垂直穿過地面暖鋒鋒線處，在4個個例中剖面距離氣旋中心最近(約100 km)。對EC4云微物理屬性的垂直分布進行分析，發(fā)現(xiàn)共有7種云的存在：雨層云、高層云、深對流云、卷云、層積云、積云和高積云(見圖8(a))。等位溫線在約12 km以上變得愈發(fā)緊密，12 km以下則相對稀疏，同時在10 km以上等位溫線呈南高北低，10 km以下為北高南低，出現(xiàn)明顯鋒面。沿軌道前進方向，冷鋒前0 °C等溫線約從3.8 km的高度處緩慢下降到約3 km處，在接近中心的位置先下降到約2.2 km后再次升高至約3 km的高度，最后在垂直穿越暖鋒時迅速降低，并保持在約0.6 km的高度。地面氣旋中心以南的云系相對復雜，冷鋒前，由于暖空氣層結(jié)不穩(wěn)定及鋒面的抬升，形成兩部分深對流云，其中偏南的深對流云可達到約12 km，偏北的深對流云可達到約13 km，兩部分深對流云之間及兩側(cè)6 km以上的高度環(huán)繞有大量高層云及卷云，南側(cè)深對流云南側(cè)底部6 km以下伴有少量積云、高層云和高積云，北側(cè)深對流云的北側(cè)則在5 km以下伴有少量雨層云和層積云。接近氣旋中心的位置由于干冷空氣的入侵，近乎無云，僅在約3 km以下出現(xiàn)少量不連續(xù)的層積云。暖鋒上云系結(jié)構(gòu)同EC1和EC2相似，為大量雨層云，北部與高層云相接，頂部附有少量卷云，云系頂部參差不齊，云頂高度在6～10 km。

((a)云的類型；(b)雷達反射率(單位:dBZ)；(c)冰粒子有效半徑(單位: μm)；(d)冰粒子寬度系數(shù)；(e)冰粒子數(shù)濃度(單位: L-1)；(f)冰水含量(單位: mg·m-3)；黑色箭頭為CloudSat衛(wèi)星沿軌道的前進方向；圖(a)和(b)中疊加了等位溫線(紅色實線，單位: K)；藍色實線為0 ℃等溫線；黑色加粗實線表示一鋒面；正下方為CloudSat衛(wèi)星所估算的降水率(單位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. The positions of the front are marked with a heavy black line. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b).)圖8 EC4沿GH段云的各微物理量垂直剖面圖Fig.8 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line GH of EC4

圖8(b)～(f)給出了不同云微物理量的垂直分布，綜合來看，南部云系中，深對流云內(nèi)部出現(xiàn)狹窄的雷達反射率大值區(qū)，雷達反射率大于15 dBZ，最大值約為22 dBZ，出現(xiàn)在約6.3 km的高度上，對應地面最大降水率接近10 mm·h-1。雨層云內(nèi)部雷達反射率在10～15 dBZ，雖未見顯著的雷達回波大值區(qū)，但對應地面出現(xiàn)大范圍降水，降水率最大值同樣接近10 mm·h-1。深對流云中部3～8 km的冰粒子尺度明顯高于其他區(qū)域，內(nèi)部大范圍的冰粒子有效半徑大于140 μm，大尺度冰粒子最高可到達約8 km附近，有效半徑最大值可達168 μm，寬度系數(shù)最大值可達0.62，出現(xiàn)在約3.4 km的高度。在偏北側(cè)的深對流云上部8～12 km出現(xiàn)兩個數(shù)濃度大值區(qū)(>400 L-1)，其垂直距離分別約為4和5 km，數(shù)濃度最大可達約634 L-1，出現(xiàn)在約11.5 km的高度上。盡管上部冰粒子尺度較小，但在其內(nèi)部約6 km以上出現(xiàn)兩條狹窄的冰水含量大值區(qū)(大于1 000 mg·m-3)，垂直距離分別約6和4 km，最大可達1 985 mg·m-3，出現(xiàn)在約6.5 km附近。暖鋒上雨層云南部出現(xiàn)兩條狹窄的對流帶，雷達反射率大于15 dBZ，最大值在4.5 km附近，約18 dBZ，雖不及中心以南深對流云內(nèi)部的強度，但其對應的地面降水率最大可達20 mm·h-1。雨層云北部的高層云中整體雷達反射率小于10 dBZ。雨層云內(nèi)部6 km以下的冰粒子尺度較大，出現(xiàn)大量有效半徑大于130 μm的冰粒子，最大值出現(xiàn)在約0.8 km的高度，可達約170 μm，在相同位置出現(xiàn)寬度系數(shù)最大值0.62。暖鋒上冰粒子的集中程度小于中心以南的云系，冰粒子數(shù)濃度整體小于400 L-1，最大值為393 L-1，出現(xiàn)在雨層云南部5 km附近，相同位置出現(xiàn)冰水含量大值區(qū)(>1 000 mg·m-3)，雖與中心以南云系冰水含量大值區(qū)相比，范圍較小，最大值也遠小于中心以南的最大值，為1 392 mg·m-3，但對應地面處出現(xiàn)較強降水，降水率最大可達20 mm·h-1。與EC1、EC2相同的是，EC4暖鋒后云系較暖鋒上云系相比，可以發(fā)展到更高的高度，但EC4冷鋒前的云系內(nèi)對流運動更強，云內(nèi)冰粒子數(shù)濃度和冰水含量的最大值明顯高于暖鋒上的云系。

4 總結(jié)與討論

本文利用CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品對冬、春、夏、秋4個不同季節(jié)北大西洋上的4個爆發(fā)性氣旋個例的云微物理屬性的垂直結(jié)構(gòu)進行分析，同時，綜合對比4個個例的云頂高度、雷達反射率、冰粒子有效半徑、寬度系數(shù)、數(shù)濃度及冰水含量最大值和所在高度等特征(見表1)，得到的主要結(jié)論如下：

表1 四個爆發(fā)性氣旋個例云的微物理特性比較Table 1 Comparison of micro-physical characteristics of four explosive cyclones over the Northern Atlantic

(1)爆發(fā)性氣旋所伴隨的云系最大高度可達12 km以上，以雨層云、深對流云和高層云為主。由EC1、EC2和EC4可以看出，地面暖鋒上空云系由雨層云、高層云和卷云組成，氣旋暖鋒后云系較暖鋒上的云系相比通?？梢园l(fā)展到更高的高度，且常出現(xiàn)深對流云(EC1和EC4)。

(2)深對流云和雨層云中大氣對流運動較強，易出現(xiàn)雷達回波大值區(qū)。冬季(EC1)、春季(EC2)、秋季(EC4)雷達反射率最大值均可超過20.0 dBZ，夏季(EC3)雖出現(xiàn)大片深對流云，但其雷達反射率最大值僅17.4 dBZ。

(3)云內(nèi)冰粒子沿0 °C等溫線開始出現(xiàn)，冰粒子尺度隨高度的增加而降低，大尺度冰粒子聚集在云系底部。冬季個例(EC1)和秋季個例(EC4)冰粒子有效半徑最大值分別為170.5和170.2 μm，明顯大于春季個例(EC2)的164.3 μm和夏季個例(EC3)的166.9 μm。相比之下，4個個例冰粒子寬度系數(shù)最大值相差較小，均在0.616 0～0.620 0之間。

(4)冰粒子主要集中在深對流云和雨層云中，其內(nèi)部冰粒子數(shù)濃度隨高度的升高而增加，在水汽充足且上升運動較強的區(qū)域，常出現(xiàn)冰粒子數(shù)濃度大值區(qū)。秋季個例(EC4)冰粒子數(shù)濃度最大值約為634 L-1，遠大于其他個例，冬季(EC1)和春季(EC2)最大值約為496和410 L-1，夏季(EC3)僅為336 L-1。

(5)深對流云和雨層云中，大尺度的冰粒子數(shù)濃度更大，易出現(xiàn)冰水含量大值區(qū)，對應地面出現(xiàn)降水。四個個例間冰水含量的差距也較大，秋季(EC4)和冬季(EC1)冰水含量最大值分別為1 985和1 961 mg·m-3，春季(EC2)次之，為1 481 mg·m-3，夏季(EC3)最大值僅為770 mg·m-3。

本文僅挑選不同季節(jié)下的4個個例初步分析和比較了爆發(fā)性氣旋云微物理屬性的垂直分布特征，至于各季節(jié)下普遍存在的變化特征，還有待針對大量個例開展進一步研究。

致謝：本文所使用的CloudSat數(shù)據(jù)由CloudSat數(shù)據(jù)處理中心(CloudSat Data Processing Center)提供，所使用的MODIS可見光云圖由美國國家航空航天局提供，所使用的ERA5再分析數(shù)據(jù)由歐洲中期天氣預報中心提供，在此謹表感謝！