爆發(fā)性氣旋的前世今生*

傅 剛 陳蒞佳 李鵬遠 龐華基 張樹欽

1 中國海洋大學(xué)海洋氣象學(xué)系,青島 266100 2 青島市氣象局,青島 266003 3 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院,廣東湛江 524088

提 要： 溫帶氣旋是中緯度地區(qū)每日天氣舞臺上最重要的“演員”。在秋冬季節(jié)的中高緯度海洋上有一類快速發(fā)展的溫帶氣旋——“爆發(fā)性氣旋”,尚未受到公眾的廣泛關(guān)注。文章圍繞這一主題,首先回顧了溫帶氣旋研究的歷史,介紹了“爆發(fā)性氣旋”這一術(shù)語產(chǎn)生的淵源,并對多位學(xué)者給出的爆發(fā)性氣旋定義進行了系統(tǒng)梳理,重點介紹了一個考慮風速影響的、修正的爆發(fā)性氣旋定義，還總結(jié)了爆發(fā)性氣旋的研究現(xiàn)狀,最后對其未來數(shù)十年的研究前景進行了闡述展望。

引 言

自20世紀初Bjerknes(1919)提出了極鋒理論/氣旋模型以來, 溫帶氣旋(extratropical cyclone)已經(jīng)受到了一個多世紀的廣泛關(guān)注。2019年,為紀念挪威卑爾根學(xué)派(Bergen School of Meteorology in Norway)創(chuàng)建溫帶氣旋模型100周年，及美國氣象學(xué)會(American Meteorology Society)誕生100周年,英國曼徹斯特大學(xué)的David M. Schultz教授和美國紐約州立大學(xué)阿爾巴尼分校的Lance F. Bosart 教授等11位國際著名學(xué)者,聯(lián)名為慶祝美國氣象學(xué)會百年華誕的專輯(MeteorologicalMonographs)撰寫了文章(Schultz et al,2019),對100多年來人類對溫帶氣旋的研究成果進行了系統(tǒng)回顧與總結(jié)。

地球是人類已知的唯一擁有液態(tài)水的行星,海洋則是人類已知星球上承載的最大水體,其面積約占71%的地球表面積。海洋不但是生命的搖籃,更是風雨的故鄉(xiāng)。2021年世界氣象日的主題是“海洋,我們的氣候和天氣”(The Ocean, Our Climate and Weather),這一主題充分體現(xiàn)了海洋對地球氣候變化和天氣系統(tǒng)影響的重要性。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展, 各個大洋上的物資運輸日趨繁忙, 特別需要對爆發(fā)性氣旋做出精準預(yù)報。因此深入、系統(tǒng)地開展對大洋上爆發(fā)性氣旋發(fā)展機理的研究,對于保障海上活動安全、提高對海上爆發(fā)性氣旋的認識水平具有重要的意義。

本文由以下5部分組成:1.歷史背景;2.爆發(fā)性氣旋的定義;3.研究現(xiàn)狀;4.未來展望;5.結(jié)論與討論。期盼本文能為提高人們對海上爆發(fā)性氣旋這類危險天氣系統(tǒng)的認識水平做出貢獻。

1 歷史背景

1918年10月,不足21歲的Jacob(也被拼寫為Jakob)Bjerknes把論文“On the Structure of Moving Cyclones”投稿到MonthlyWeatherReview(Bjerknes,1919)。1919年2月1日,該刊在第47卷第2期發(fā)表了此文。1918年11月5日,Jacob Bjerknes還把同名論文投到了挪威的GeofysiskePublikasjoner雜志,后刊載于1919年的1卷第2期。為什么同一篇論文同時于1919年在兩個不同期刊上發(fā)表？這是一個謎。按照Schultz et al(2019)的看法,當時Jacob很年輕,很可能是他父親Vilhelm Bjerknes選擇了以上兩個雜志。Vilhelm Bjerknes很清楚地意識到,需要盡快發(fā)表這些新的研究成果。GeofysiskePublikationer是一本新的學(xué)術(shù)期刊,這個新期刊作為突破性研究工具的能力尚未得到證實。Vilhelm Bjerknes認識到MonthlyWeatherReview是最值得信賴的,因為這個雜志相對受第一次世界大戰(zhàn)的影響較小,對德國人和奧地利人而言也可能不具挑釁性。因此,Vilhelm Bjerknes要Jacob把該文投給了MonthlyWeatherReview。

在該文中,Jacob Bjerknes首次提出了鋒面氣旋概念模型(圖1),該氣旋模型被后人廣泛稱為“挪威氣旋模型”(Norwegian cyclone model)。雖然從各個方面來看“挪威氣旋模型”很完美,但這個概念模型存在重大缺陷。Shapiro and Keyser(1990)把現(xiàn)場觀測資料和數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合,提出了一個關(guān)于海洋上溫帶鋒面氣旋的新概念模型(圖2)。該模型是從沿著一個連續(xù)的廣闊鋒區(qū)的“初始旋生”(incipient cyclogenesis)開始(第Ⅰ階段)。在“旋生”作用的初始階段,原先連續(xù)的鋒面發(fā)生了斷裂,不連續(xù)的“冷鋒”和“暖鋒”的溫度梯度發(fā)生收縮(第Ⅱ階段)。“暖鋒”隨后向西發(fā)展,進入低壓后面的北方氣流,Shapiro and Keyser(1990)將其稱為“后彎暖鋒”(bent-back warm front),暖區(qū)(warm sector)變窄,導(dǎo)致明顯的鋒面“T型”(T-bone)結(jié)構(gòu)(第Ⅲ階段)。最終圍繞低壓中心形成了冷空氣和“后彎暖鋒”的“暖核隔離”(warm-core seclusion) (第Ⅳ階段)。這個被修正的氣旋模型也被稱為“Shapiro-Keyser氣旋模型”(Shapiro-Keyser Cyclone Model) (Shapiro and Keyser, 1990)。按照Schultz and Vaughan(2011)的觀點,“Shapiro-Keyser氣旋模型”改寫了“挪威氣旋模型”中冷暖鋒的運動機制,挪威經(jīng)典模型認為鋒面運動是冷鋒追趕暖鋒的過程,最終形成錮囚。而現(xiàn)代研究認為,鋒面錮囚過程不是追趕機制,而是熱波卷裹機制。另外在“挪威氣旋模型”中,錮囚是指氣旋加深階段的結(jié)束,因為暖空氣從低壓中心離開,意味著氣旋不再有可用的儲存在暖區(qū)的勢能。但觀測發(fā)現(xiàn),一些氣旋在錮囚后繼續(xù)加深。

圖1 Jacob Bjerknes于1919年首次提出的溫帶氣旋概念模型[本圖引自Bjerknes(1919)，陳蒞佳重繪]Fig.1 Extratropical cyclone model firstly put forward by Jacob Bjerknes in 1919[from Bjerknes(1919), redrawn by Chen L J]

圖2 Shapiro and Keyser(1990)提出的海洋上溫帶鋒面氣旋模型,初始鋒面氣旋(第Ⅰ階段)，鋒面收縮(第Ⅱ階段)，后彎暖鋒(第Ⅲ階段)，暖核隔離(第Ⅳ階段)(a)海平面氣壓(實線)、鋒面(粗線)，(b)氣溫(實線)、冷暖氣流(實線和虛線箭頭)[本圖引自Schultz et al(2019),陳蒞佳重繪]Fig.2 The life cycle of the marine extratropical frontal cyclone following the Shapiro-Keyser cyclone model: incipient frontal cyclone (label Ⅰ), frontal fracture (label Ⅱ), bent-back warm front and frontal T-bone (label Ⅲ), and warm-core seclusion (label Ⅳ) (a) sea level pressure (solid lines), fronts (thick lines); (b) temperature (solid lines), and cold and warm air currents (solid and dashed arrows, respectively)[from Schultz et al (2019), redrawn by Chen L J]

有關(guān)鋒面氣旋概念模型發(fā)展的歷史,可參閱陶祖鈺和聞新宇(2016)。

在各種溫帶氣旋中,有一類氣旋在其快速發(fā)展過程中會帶來不亞于熱帶氣旋的破壞效果。1979年8月10—13日,英國皇家海洋競賽俱樂部舉辦了第28屆Fastnet帆船賽(圖3)，12—13日的比賽遇到了該海域歷史上最嚴重的風暴(圖4),這個“致命的風暴”導(dǎo)致18人死亡(15名帆船選手和3名救援人員),造成了巨大的人員和財產(chǎn)損失。在出發(fā)的303艘帆船中,只有85艘(也有媒體報道是86艘)完成了全程比賽。其余的帆船中有194艘退出比賽,24艘被遺棄,至少有75艘帆船傾覆,5艘沒有留下任何痕跡。大約4 000人參與了營救,救援行動甚至動用了英國皇家海軍的軍艦、救生艇、直升機(圖5),以及荷蘭皇家海軍的驅(qū)逐艦等救援力量,共搜救出80艘帆船和136名水手,成為和平時期最大的救援行動。2019年10月,“1979年法斯特奈特事件愛爾蘭幸存者聯(lián)盟”還在愛爾蘭舉行40周年紀念儀式(2)https:∥afloat.ie/sail/events/fastnet-race/item/44323-fastnet-1979-irish-survivors-reunion-remembers-those-who-died-pays-tribute-to-rescue-agencies (2021年2月1日訪問).,悼念不幸死去的人。由此可見該風暴對國際帆船運動的影響有多么深遠。

圖3 1979年8月英國皇家海洋競賽俱樂部帆船賽比賽路線圖(紅線)[出發(fā)點是英格蘭的考斯(▲),帆船向西行駛到愛爾蘭南部的法斯特奈特巖石(Fastnet Rock)(●)后向東折返,比賽終點是英格蘭的普利茅斯(╋)]Fig.3 The route map of the Yacht Race (red line) held by Royal Ocean Racing Club in August 1979[The starting point is Cowes of England (▲); the sailboat went westward to the Fastnet Rock (●) in south of Ireland and then turned back eastward; the finish end of the Yacht Race is Plymouth of England (╋)]

圖4 (a)1979年8月風暴Fastnet移動路徑,(b)1979年8月13日15:37 UTC的NOAA-5衛(wèi)星紅外云圖Fig.4 (a) The moving track of the Fastnet Storm during the International Fastnet Yacht Race in August 1979, (b) NOAA-5 satellite infrared image at 15:37 UTC 13 August 1979

圖5 英國皇家海軍的直升飛機在救助遇險的帆船比賽選手[照片來自https:∥keyassets.timeincuk.net/inspirewp/live/wp-content/uploads/sites/21/2019/07/fastnet-race-1979-camargue-helicopter-rescue-credit-ppl-royal-navy.jpg(2021年2月1日訪問)]Fig.5 A Royal Navy helicopter rescued the crew after the disastrous Yacht Race(This photo was got on 1 February 2021 from https:∥keyassets.timeincuk.net/inspirewp/live/wp-content/uploads/sites/21/2019/07/fastnet-race-1979-camargue-helicopter-rescue-credit-ppl-royal-navy.jpg)

在悲劇發(fā)生不到兩個月后,1979年10月,Rice(1979)在國際帆船運動的專業(yè)雜志Sail上(圖6)發(fā)表了一篇只有兩頁的論文。在這篇論文中他不經(jīng)意使用了單詞“explosive”,為后來Sanders and Gyakum (1980)創(chuàng)造的一個著名的氣象術(shù)語“氣象炸彈”創(chuàng)造了機會(圖7),因為只有“炸彈”才會具有“explosive”的特性?！胺ㄋ固啬翁仫L暴”事件不但在國際帆船比賽歷史上留下了“濃彩重筆”,而且也促使國際氣象界開啟了研究“爆發(fā)性氣旋”之進程。

圖6 1979年10月Robert B. Rice在國際帆船運動的專業(yè)雜志Sail上發(fā)表了兩頁論文Tracking a Killer Storm全文(圖中框線標識為“truly explosive development”的出處)Fig.6 In October 1979, Robert B. Rice published a two-page paper named as “Tracking a Killer Storm” in Sail, a professional international sailing journal (The line in the figure highlights the source of “truly explosive development”)

圖7 美國麻省理工學(xué)院Sanders and Gyakum(1980)在Monthly Weather Review上發(fā)表的論文首頁(圖中框線標識為“example of the meteorological ‘bomb’”的出處)Fig.7 The first page of “Synoptic-Dynamic Climatology of the “bomb” (Sanders and Gyakum, 1980)(The line in the figure highlights the source of “example of the meteorological ‘bomb’”)

也還是從這篇小論文里, 美國麻省理工學(xué)院氣象系教授erick Sanders和他的博士研究生 J. R. Gyakum敏銳地認識到這種天氣系統(tǒng)的危險性,把它命名為“氣象炸彈”或“爆發(fā)性氣旋”。Sanders and Gyakum(1980)發(fā)表了論文“Synoptic-Dynamic Climatology of the ‘Bomb’”。至此之后,國際氣象界對這種快速發(fā)展的氣旋系統(tǒng)進行了廣泛深入的研究，每年發(fā)表的論文呈“雪崩”式增長。 這篇具有里程碑意義的論文, 也彰顯了erick Sanders教授洞察海洋上危險天氣現(xiàn)象的敏銳眼光及其學(xué)術(shù)功力。

2 爆發(fā)性氣旋的定義

Bergeron(1954)注意到了氣旋的快速發(fā)展現(xiàn)象，他在文中不僅討論了熱帶氣旋的“快速發(fā)展”,還專門探討了夏季和秋季波羅的海、斯堪的納維亞南部地區(qū)、荷蘭和德國北部地區(qū)發(fā)生的5個颶風的“快速加深”現(xiàn)象,即:1882年7月10—11日的“波羅的海夏季颶風”;1912年10月1—2日“波羅的海副熱帶颶風”;1921年10月22—23日“斯堪的納維亞南部副熱帶颶風”;1929年7月7—8日的“波羅的海夏季颶風”；1950年7月25—30日“斯堪的納維亞低壓”。他在討論1921年10月23日在斯堪的納維亞南部的一個氣旋時,提到了中心氣壓每小時下降 1 hPa的現(xiàn)象。Bergeron(1954)雖然發(fā)現(xiàn)了氣旋的爆發(fā)現(xiàn)象,但他并沒有明確給出爆發(fā)性氣旋的定義。

Sanders and Gyakum(1980)首次明確給出了爆發(fā)性氣旋的定義:若氣旋中心海面氣壓在24 h內(nèi)經(jīng)過地轉(zhuǎn)調(diào)整到60°N后下降到24 hPa以上,即氣旋中心氣壓加深率大于1 hPa·h-1,該氣旋就被稱為爆發(fā)性氣旋。取60°N是因為挪威學(xué)派所在的卑爾根市緯度大約是60°N。 該定義考慮了氣旋中心所處地理位置緯度的差異。由于進行了地轉(zhuǎn)調(diào)整,因此在緯度高的地球兩極附近，氣旋中心氣壓24 h需下降28 hPa以上才能被稱為爆發(fā)性氣旋；而在緯度較低的25°S/°N附近只要達到12 hPa以上就可被定義為爆發(fā)性氣旋(Sanders and Gyakum,1980)。

2.1 地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度的修正

Sanders and Gyakum(1980)對北半球1976—1979年冷季(9月至次年5月)發(fā)生的爆發(fā)性氣旋進行了統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)北半球的爆發(fā)性氣旋多位于60°N以南,集中分布于30°～50°N,只有2例發(fā)生于60°N以北。Roebber(1984)、Gyakum et al(1989)、Chen et al(1992)、Wang and Rogers(2001)和Yoshida and Asuma(2004)采用Sanders and Gyakum(1980)的爆發(fā)性氣旋定義,對不同區(qū)域的爆發(fā)性氣旋開展了統(tǒng)計分析,結(jié)果均顯示爆發(fā)性氣旋多發(fā)生于中緯度地區(qū)(30°～60°N)。由此可見,Sanders and Gyakum(1980)將爆發(fā)性氣旋的中心降壓值地轉(zhuǎn)調(diào)整到60°N與爆發(fā)性氣旋的頻發(fā)緯度存在偏差。因此,在Sanders and Gyakum(1980)的定義基礎(chǔ)上,一些學(xué)者對其爆發(fā)性氣旋定義中的地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度進行了修正。

Roebber(1984)把地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度選在42.5°N,氣旋的中心氣壓加深率R為:

(1)

式中：P為氣旋的中心氣壓,φ為氣旋中心的緯度,下標t-12和t+12分別表示12 h前后變量。

而Gyakum et al(1989)把地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度選為45°N，氣旋的中心氣壓加深率R為:

(2)

相對于Sanders and Gyakum(1980),Roebber(1984)和Gyakum et al(1989)選擇了較低的地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度,即氣旋中心的24 h降壓值要大于Sanders and Gyakum(1980)定義中的值,才能符合爆發(fā)性氣旋的定義。在Roebber(1984)和Gyakum et al(1989)定義的1 Bergeron大約與Sanders and Gyakum(1980)定義的1.2 Bergeron相當。

2.2 降壓時間間隔的修正

由于過去一些資料的時間間隔多為12 h,故學(xué)者們多采用24 h時間間隔來定義爆發(fā)性氣旋(Sanders and Gyakum,1980;Roebber,1984;Chen et al,1992;Wang and Rogers,2001)。隨著資料時間分辨率由12 h提高到6 h,一些學(xué)者對Sanders and Gyakum(1980)的爆發(fā)性氣旋定義中的時間間隔進行了修正。

為了能夠刻畫一些發(fā)展迅速的氣旋，Yoshida and Asuma(2004)計算12 h內(nèi)氣旋中心氣壓的變化, 但地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度仍然為60°N,氣旋中心氣壓加深率R為:

(3)

為了分析研究時間尺度更短的快速發(fā)展的氣旋, Petty and Miller (1995)甚至把6 h內(nèi)中心氣壓降低10 hPa的氣旋就定義為爆發(fā)性氣旋。

2.3 考慮風速影響的修正

Sanders and Gyakum(1980)、Roebber(1984)、Gyakum et al(1989)、Yoshida and Asuma(2004)等學(xué)者對“爆發(fā)性氣旋”的定義中都強調(diào)氣旋中心氣壓的快速下降,然而這些定義都沒有考慮風速的影響。為了更深刻、清晰地理解“爆發(fā)性氣旋”的定義,Fu et al(2020) 通過對大量的爆發(fā)性氣旋個例分析,總結(jié)出爆發(fā)性氣旋有以下四個主要特征:(1)中心氣壓快速下降,(2)快速氣旋生成,(3)強風,(4)暴雨/雪。以上特征通常不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)的,在這些特征中,強風是伴隨氣旋爆發(fā)性發(fā)展最重要的因素,它會像熱帶氣旋一樣造成嚴重的破壞。因此應(yīng)該與熱帶氣旋的定義類似,風速作為一個重要因素在爆發(fā)性氣旋的定義中應(yīng)予以考慮。Fu et al(2020)利用北半球1979—2016年ERA-Interim資料,對海面10 m高度上溫帶氣旋風速進行了詳細分析,結(jié)果表明,雖然部分溫帶氣旋的中心氣壓加深速率大于1 Bergeron,但有時風速很弱,有的最大風速甚至只有8.2 m·s-1。

由于海上爆發(fā)性氣旋對船舶航行安全最大威脅是強風,世界氣象組織也建議,當蒲氏風力大于8級(17.2 m·s-1)時應(yīng)發(fā)布海上大風預(yù)警,因此修正后的爆發(fā)性氣旋定義中選擇17.2 m·s-1風速作為閾值是合理的。修正后的爆發(fā)性氣旋定義,不僅應(yīng)考慮氣旋中心海表面氣壓要在24 h內(nèi)下降達到24 hPa以上,而且海面10 m高度上的最大風速要大于17.2 m·s-1。Fu et al(2020)的研究指出,利用1979年1月到2016年12月的ERA-Interim資料分析發(fā)現(xiàn),共有6 392個溫帶氣旋滿足“爆發(fā)性氣旋”的定義,但其中有1 112個氣旋的最大風速小于17.2 m·s-1,應(yīng)該被剔除。

3 研究現(xiàn)狀

眾多國內(nèi)外學(xué)者已對爆發(fā)性氣旋開展了廣泛而深入的研究,如傅剛等(2017)。以下結(jié)合2017年后的有關(guān)論文,系統(tǒng)總結(jié)爆發(fā)性氣旋的研究現(xiàn)狀。

3.1 分 類

研究發(fā)現(xiàn),不同強度、不同區(qū)域的爆發(fā)性氣旋的移動路徑、生命史等特征及其爆發(fā)機制有明顯差異, 因此需要在強度上和區(qū)域上對爆發(fā)性氣旋進行分類，以便更加深入、細致地研究爆發(fā)性氣旋。

3.1.1 強度分類

Sanders(1986)根據(jù)爆發(fā)性氣旋中心氣壓最大加深率的大小，把1981年1月至1984年11月發(fā)生在北大西洋中西部的爆發(fā)性氣旋分為三類,分別為“強氣旋”(>1.8 Bergeron)、“中等氣旋”(1.3～1.8 Bergeron)、“弱氣旋”(1.0～1.2 Bergeron)。Wang and Rogers(2001)統(tǒng)計分析了1985年1月至1996年3月發(fā)生在北半球(15°～90°N)的爆發(fā)性氣旋, 依據(jù)爆發(fā)性氣旋中心氣壓最大加深率的大小將其劃分為三類, 分別為“強氣旋”(≥1.80 Bergeron)、“中等氣旋”(1.40～1.79 Bergeron)和“弱氣旋”(1.00～1.39 Bergeron)。Wang and Rogers(2001)與Sanders(1986)的分類標準沒有顯著差異, 但在“中等氣旋”和“弱氣旋”的分界上有微小差別。另外十分遺憾，他們都沒有給出三類氣旋劃分的理由和依據(jù)。

Zhang et al(2017)利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心的再分析資料(FNL),分析了北太平洋2000—2015年期間每年10月至次年4月的爆發(fā)性氣旋,指出把爆發(fā)性氣旋分為四類更為合理,即：“弱氣旋”(1.00～1.29 Bergeron)、“中等氣旋”(1.30～1.69 Bergeron)、“強氣旋”(1.70～2.29 Bergeron)、“超強氣旋”(≥ 2.30 Bergeron)。孫雅文等(2018)利用FNL資料，對2000—2015年冷季(10月至次年4月)北大西洋上的爆發(fā)性氣旋進行了分析，發(fā)現(xiàn)按中心氣壓加深率可將其分為四類, 即：“弱氣旋”(1.00～1.44 Bergeron)、“中等氣旋”(1.45～1.74 Bergeron)、“強氣旋”(1.75～2.14 Bergeron)、“超強氣旋”(≥2.15 Bergeron)。

3.1.2 區(qū)域分布

Wang and Rogers(2001)分析了北大西洋爆發(fā)性氣旋最大加深率時刻氣旋中心位置的空間分布, 發(fā)現(xiàn)有三個高頻中心，根據(jù)其分布位置可將其劃分為三類：NWA(the northwest Atlantic)、NCA(the north-central Atlantic)和NEA(the extreme northeast Atlantic)類爆發(fā)性氣旋。Yoshida and Asuma(2004)統(tǒng)計分析了西北太平洋上的爆發(fā)性氣旋，根據(jù)其生成和爆發(fā)地點的地理分布可劃分成三類,第一類是在大陸上生成、在鄂霍次克海-日本海發(fā)展的爆發(fā)性氣旋(the Okhotsk-Japan Sea type, OJ cyclone)；第二類是在大陸上生成、在太平洋發(fā)展的爆發(fā)性氣旋(the Pacific Ocean-land type, PO-L cyclone)；第三類是在太平洋西部生成、中部發(fā)展的爆發(fā)性氣旋(the Pacific Ocean-ocean type, PO-O cyclone)。Wang and Rogers(2001)是依據(jù)爆發(fā)性氣旋最大加深點的空間分布,對北大西洋的爆發(fā)性氣旋進行分類,而Yoshida and Asuma(2004)是根據(jù)爆發(fā)性氣旋生成和爆發(fā)地點位置,對西北太平洋爆發(fā)性氣旋進行分類。雖然他們的分類依據(jù)存在一定的差異,但都將爆發(fā)地點作為分類的重要依據(jù)。

Zhang et al(2017)研究指出,根據(jù)爆發(fā)性氣旋中心氣壓最大加深率位置的空間分布,可以把整個北太平洋爆發(fā)性氣旋劃分成五類,即:日本-鄂霍次克海(the Japan-Okhotsk Sea,JOS)、西北太平洋(the northwestern Pacific,NWP)、中西太平洋(the west-central Pacific,WCP)、中東太平洋(the east-central Pacific,ECP)、東北太平洋(the northeastern Pacific,NEP)類爆發(fā)性氣旋。

孫雅文等(2018)分析發(fā)現(xiàn), 北大西洋爆發(fā)性氣旋主要發(fā)生在4個區(qū)域，即：北美大陸區(qū)、西北大西洋區(qū)、北大西洋中央?yún)^(qū)和東北大西洋區(qū)。整個北大西洋區(qū)爆發(fā)性氣旋個數(shù)隨海表面中心氣壓最大加深率增大而減少，自西向東氣旋強度增強，氣旋移動路徑呈西南—東北向。

3.2 氣候?qū)W特征

3.2.1 區(qū)域分布特征

Sanders and Gyakum(1980)分析了1977—1979年冷季北半球爆發(fā)性氣旋的氣候?qū)W特征,指出爆發(fā)性氣旋多發(fā)生在太平洋和大西洋的西北部。Roebber(1984)和Rogers and Bosart(1986)統(tǒng)計分析也指出，西北太平洋和西北大西洋是爆發(fā)性氣旋的頻繁發(fā)生地。Lim and Simmonds(2002)指出,西北太平洋是全球爆發(fā)性氣旋發(fā)生最密集的海域之一。

由于西北太平洋是重要的海上運輸航道,多位學(xué)者對西北太平洋爆發(fā)性氣旋開展了深入的研究。李長青和丁一匯(1989)統(tǒng)計分析了1984年8月至1985年8月發(fā)生在西北太平洋的爆發(fā)性氣旋,發(fā)現(xiàn)大部分爆發(fā)性氣旋集中發(fā)生在35°～55°N、140°～165°E的海域。Chen et al(1992)分析指出，東亞地區(qū)有兩個爆發(fā)性氣旋的主要生成地,一是亞洲大陸山區(qū)下游,二是東中國海和日本海。Yoshida and Asuma(2004)分析認為,西北太平洋地區(qū)爆發(fā)性氣旋的發(fā)生區(qū)域主要集中在20°～60°N、120°～180°E的洋面上。雖然學(xué)者們使用的資料和研究區(qū)域有所不同, 爆發(fā)性氣旋的空間分布特征存在一定差異，但都指出西北太平洋是爆發(fā)性氣旋頻繁發(fā)生的海域。

3.2.2 季節(jié)變化特征

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)爆發(fā)性氣旋主要在冷季發(fā)生(Sanders and Gyakum,1980;Carleton,1981;Physick,1981;Roebber,1984;Gyakum et al,1989;Chen et al,1992;Yoshida and Asuma,2004),冷季爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻率遠大于暖季(Roebber,1984;Chen et al,1992)。Chen et al(1992)統(tǒng)計分析了1958—1987年東亞地區(qū)發(fā)生的爆發(fā)性氣旋,發(fā)現(xiàn)363例爆發(fā)性氣旋中只有13例發(fā)生在暖季,其余的350例均發(fā)生在冷季。同時還發(fā)現(xiàn)，冷季爆發(fā)性氣旋的發(fā)生頻數(shù)有明顯的月際變化特征。

Sanders and Gyakum(1980)發(fā)現(xiàn),北半球冷季爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)的峰值在1月,平均每3天就會有2例爆發(fā)性氣旋,且11月、12月和2月均有較多的爆發(fā)性氣旋發(fā)生,但9月、10月、3月和4月爆發(fā)性氣旋的個例較少。Chen et al(1992)分析了東亞地區(qū)爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)的季節(jié)變化特征,發(fā)現(xiàn)其發(fā)生頻數(shù)的峰值分別在1月和3月,爆發(fā)性氣旋主要發(fā)生在12月至次年3月,其他月份個例較少。Yoshida and Asuma(2004)分析了西北太平洋三類爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)的季節(jié)變化特征,發(fā)現(xiàn)其季節(jié)變化特征有明顯差異,OJ型爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)的峰值在11月，PO-L型爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)的峰值在12月和2月，PO-O型爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)的峰值在1月。

3.2.3 有利于氣旋快速發(fā)展的環(huán)境要素

(1) 大氣斜壓性

爆發(fā)性氣旋是中高緯度地區(qū)快速發(fā)展的溫帶氣旋,該地區(qū)中低層大氣的斜壓性較強,為爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展提供了有利的環(huán)境背景場。有研究表明,爆發(fā)性氣旋的急劇發(fā)展是由大氣的斜壓性所驅(qū)動(Sanders,1986;Manobianco,1989;Wash et al,1992)。李長青和丁一匯(1989)分析指出,大氣中低層的斜壓性是西北太平洋爆發(fā)性氣旋爆急劇發(fā)展的有利因素。Yoshida and Asuma(2004)合成分析了西北太平洋三類爆發(fā)性氣旋,發(fā)現(xiàn)歐亞大陸冷空氣的入侵有利于爆發(fā)性氣旋的生成和發(fā)展,在爆發(fā)性氣旋的中低層存在較強的斜壓區(qū)。Iwao et al(2012)分析了冬季西北太平洋上30年的爆發(fā)性氣旋的發(fā)展過程,發(fā)現(xiàn)爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻率的增加是由于低層大氣斜壓性增強所致。

(2) 高空槽及渦度場

Sanders and Gyakum(1980)發(fā)現(xiàn),北半球爆發(fā)性氣旋發(fā)展的有利天氣形勢有以下三種:高空槽追上地面氣旋中心、地面低渦與高空槽相遇、極地低壓與高空槽相遇, 表明高空槽與爆發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展有顯著的聯(lián)系, 地面氣旋中心位于高空槽的下游是有利的高低空天氣形勢配置。Sanders(1986)對爆發(fā)性氣旋的渦度場進行分析發(fā)現(xiàn)，正渦度中心從氣旋中心的東部快速移近氣旋中心促進了爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展,上層的氣旋式渦度平流強度與其爆發(fā)性發(fā)展強度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。

(3) 高空急流

Sanders and Gyakum(1980)分析發(fā)現(xiàn),爆發(fā)性氣旋易發(fā)生在西風帶上或其北部。Wash et al(1988)認為，高空急流出口區(qū)的正渦度切變與地面氣旋中心的疊加有利于爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展。李長青和丁一匯(1989)發(fā)現(xiàn)，高空急流出口區(qū)的北側(cè)適宜于爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展。大量研究(Uccellini and Kocin,1987;Wash et al，1988;Cammas and Ramond,1989;Nakamura,1993)表明,高空急流出口區(qū)左側(cè)存在的強輻散場、正渦度平流場和上升運動場為爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展提供了高層動力強迫。Yoshida and Asuma(2004)指出，三類爆發(fā)性氣旋的高空均存在較強的急流區(qū)。

(4) 海洋暖流和強海表面溫度(SST)梯度區(qū)

分析發(fā)現(xiàn),西北太平洋爆發(fā)性氣旋多發(fā)生于黑潮暖流區(qū)附近(Sanders and Gyakum,1980;Roebber,1984;Gyakum et al,1989;Chen et al,1992;Yoshida and Asuma,2004)。Sanders and Gyakum(1980)發(fā)現(xiàn),海上爆發(fā)性氣旋發(fā)生地的SST分布范圍比較大,但更容易發(fā)生在強SST梯度區(qū)附近。Sanders(1986)研究表明,強爆發(fā)性氣旋在經(jīng)過暖流區(qū)時的移動距離比“弱氣旋”和“中等氣旋”的移動距離長。Hanson and Long(1985)和Sanders(1987)發(fā)現(xiàn),爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展與氣旋橫穿強SST梯度區(qū)有顯著的統(tǒng)計相關(guān)性。Chen et al(1992)分析發(fā)現(xiàn),爆發(fā)性氣旋隨著其強度的增加逐漸集中于黑潮及黑潮延伸體區(qū)域。Ueda et al(2011)指出,SST在爆發(fā)性氣旋快速發(fā)展的過程中對大氣垂直運動有重要影響。Liberato et al(2013)在分析強風暴Xynthia時發(fā)現(xiàn),副熱帶海域SST對風暴Xynthia爆發(fā)性發(fā)展有顯著貢獻。Davis and Emanuel(1988)、Kuwano-Yoshida and Asuma(2008)、Kuwano-Yoshida and Enomoto(2013)指出,爆發(fā)性氣旋在經(jīng)過溫暖的洋流區(qū)時,暖洋面既為大氣輸送了感熱和潛熱,又降低了低層大氣的穩(wěn)定性,可促進氣旋的快速發(fā)展。

3.3 發(fā)展機制

3.3.1 斜壓不穩(wěn)定

Anthes et al(1983)診斷分析了1978年的Queen Elizabeth-Ⅱ爆發(fā)性氣旋指出,低層大氣斜壓性是導(dǎo)致其爆發(fā)性發(fā)展的重要因子。Roebber(1984)、Rogers and Bosart(1986)、儀清菊和丁一匯(1992)均指出，大氣斜壓性對爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展有重要作用。趙其庚等(1994)對西北太平洋上一個強爆發(fā)性氣旋的發(fā)展過程進行了診斷分析,指出斜壓不穩(wěn)定在氣旋的爆發(fā)性加深過程中起重要作用。黃立文等(1999)利用廣義Z-O(Zwack-Okossi)發(fā)展方程對發(fā)生在西北太平洋上的兩個溫帶爆發(fā)性氣旋進行診斷分析發(fā)現(xiàn)，溫度平流、積云對流和湍流加熱等反映大氣斜壓性的熱力強迫共同作用使地轉(zhuǎn)相對渦度迅速增長時,氣旋便會出現(xiàn)中心氣壓劇烈下降的現(xiàn)象。Kouroutzoglou et al(2013)對多個影響氣旋發(fā)展的參數(shù)進行了分析，指出較強的大氣斜壓性在爆發(fā)性旋生期間起決定作用。

3.3.2 潛熱釋放

有學(xué)者認為,潛熱釋放在爆發(fā)性氣旋發(fā)展的初期起到了重要作用(Gyakum,1983;Kuo et al,1991)。丁一匯和朱彤(1993)認為,潛熱釋放導(dǎo)致氣旋式環(huán)流加速會引發(fā)氣旋中心氣壓的急劇降低。周毅等(1998)研究發(fā)現(xiàn),凝結(jié)潛熱釋放對氣旋爆發(fā)階段對低層氣旋式環(huán)流增強有重要影響。多位學(xué)者(Kuo et al,1990;Bosart and Lackmann,1995;Gyakum and Danielson,2000)研究認為,SST的升高會使得感熱通量和潛熱釋放增加，促進氣旋的爆發(fā)性發(fā)展。

3.3.3 正渦度平流

李長青和丁一匯(1989)、Wash et al(1988)指出北半球高空急流出口區(qū)左側(cè)的正渦度平流場為爆發(fā)性氣旋的快速發(fā)展提供了有利條件。王勁松等(1999)利用MM4模式模擬結(jié)果,對1981年12月20—21日發(fā)生在西北太平洋上的一個爆發(fā)性氣旋進行數(shù)值試驗和Z-O方程診斷分析發(fā)現(xiàn)，正渦度平流對氣旋發(fā)展貢獻最大。Yoshida and Asuma(2004)認為, 渦度平流、溫度平流和濕度平流等是影響氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要因子。

3.3.4 高層位渦下傳

Bosart and Lin(1984)、Uccellini et al(1985)、Zehnder and Keyser(1991)、Reader and Moore(1995)、呂筱英和孫淑清(1996)認為,具有較大位渦數(shù)值的平流層空氣下伸是氣旋快速發(fā)展的一個重要條件。壽紹文和李耀輝(2001)、吳海英和壽紹文(2002)認為,具有較大濕位渦數(shù)值的高層冷空氣在沿著等熵面快速下降過程中絕對渦度的增加可導(dǎo)致氣旋的發(fā)展加強。尹盡勇等(2011)認為高層位渦下傳激發(fā)的氣旋性環(huán)流導(dǎo)致了地面氣旋的爆發(fā)性發(fā)展。Cordeira and Bosart(2011)發(fā)現(xiàn)，溫帶氣旋的爆發(fā)性加深是氣旋的低層位渦異常與高層位渦擾動耦合引發(fā)的。趙兵科等(2008)認為,高低層大值位渦通過垂直平流耦合在一起會促使氣旋迅速發(fā)展。

3.3.5 對流層頂折疊

Bleck(1974)、Uccellini et al(1985；1987)、Hoskins et al(1985)、Lupo et al(1992)認為,氣旋上空動力對流層頂折疊(dynamic tropopause folding)和高空急流動量下傳為主的上層強迫對氣旋的爆發(fā)性發(fā)展起到重要作用。

3.3.6 動力強迫

Uccellini and Johnson(1979)指出,在高空急流出口區(qū)左側(cè)非地轉(zhuǎn)風產(chǎn)生的質(zhì)量調(diào)整有利于該區(qū)域下方氣旋的發(fā)展。呂梅等(1998)認為,高空動量的下傳加強了低層氣旋性渦度切變,使得氣旋在中低層得以爆發(fā)性加深。Rivière et al(2010)在對1999年12月24—26日的冬季風暴Lothar進行數(shù)值模式敏感性試驗中發(fā)現(xiàn)，該氣旋的突然爆發(fā)階段發(fā)生在地面氣旋穿越高空急流區(qū)的時候,高空急流動力強迫對其迅速發(fā)展有重要促進作用。

3.3.7 綜合多因子

有學(xué)者認為,氣旋的爆發(fā)性發(fā)展是多因子綜合作用的結(jié)果。Rausch and Smith(1996)認為,爆發(fā)性氣旋的發(fā)展是對流層中高層的渦度平流、暖平流、非絕熱加熱、低層靜力穩(wěn)定度、SST梯度、地面渦度和能量通量等多因子共同作用的結(jié)果。儀清菊和丁一匯(1996)對黃、渤海海域的爆發(fā)性氣旋進行了診斷分析,認為溫度平流、渦度平流、沿岸鋒生和高空急流的動力作用對氣旋爆發(fā)性發(fā)展有重要貢獻。謝甲子等(2009)認為氣旋的爆發(fā)性發(fā)展是高低空急流的耦合作用、渦度平流和凝結(jié)潛熱等因子共同作用的結(jié)果。Nesterov(2010)統(tǒng)計分析了東北大西洋1986—1999年的爆發(fā)性氣旋認為，爆發(fā)性旋生與北大西洋濤動指數(shù)、東大西洋濤動指數(shù)、氣溫、海溫、顯熱和潛熱通量等多個因素有關(guān)。

4 未來展望

雖然挪威卑爾根學(xué)派提出的溫帶氣旋模型已經(jīng)過去一百多年了,但人們一刻也沒有停止對溫帶氣旋這種地球大氣中最常見的天氣系統(tǒng)探究的步伐。未來數(shù)十年,預(yù)期關(guān)于爆發(fā)性氣旋的研究將在以下三個方面取得重要進展。

4.1 發(fā)現(xiàn)更多事實

由于搭載許多新型探測儀器的多個觀測衛(wèi)星的相繼發(fā)射,使得從空中“觀測”爆發(fā)性氣旋、發(fā)現(xiàn)更多觀測事實成為可能。這必將使人們獲得更多的、更豐富多彩的關(guān)于溫帶氣旋多物理量及化學(xué)成分水平分布和垂直結(jié)構(gòu)的知識。如歐洲的Metop (Meteorological Operational Satellite)(3)https:∥www.eumetsat.int/our-satellites/metop-series，https:∥www.eumetsat.int/metop(2021年2月1日訪問此兩個網(wǎng)站).衛(wèi)星、美國NASA的NPP(National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project)(4)http:∥nppcm.gsfc.nasa.gov/ccr/npp(2021年2月1日訪問).衛(wèi)星和VIIRS(5)https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/missions-and-measurements/viirs/(2021年2月1日訪問).觀測數(shù)據(jù)、中國的風云系列FY-4A衛(wèi)星(6)“風云四號”衛(wèi)星(FY-4，2016年12月11日發(fā)射)主要探測儀器為10通道二維掃描成像儀、干涉型大氣垂直探測器、閃電成像儀、CCD相機和地球輻射收支儀,地球圓盤圖成像時間為15 min.、 云海二號衛(wèi)星(2018年12月29日發(fā)射)、高分十三號衛(wèi)星(2020年10月12日發(fā)射)等,加之以前就有的CALIPSO和CloudSat資料。

4.2 提高認識水平

高時空分辨率資料與強大功能繪圖軟件(Rautenhaus,2015;Rautenhaus et al,2015)的相結(jié)合可大大提高人們對溫帶氣旋等各種天氣系統(tǒng)的認識水平,發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,甚至更新溫帶氣旋模型概念的可能性也被提高。由于氣象資料時空分辨率的迅速提升,如ERA5資料(7)ERA5資料是ECMWF提供的全球范圍的關(guān)于大氣、陸地和海洋變量的逐小時再分析資料,其水平分辨率為0.125°×0.125°,垂直方向從地表到高空80 km分為137個層.詳細說明可訪問https:∥www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5 (2021年2月1日訪問).，以及計算機繪圖軟件,如Met.3D軟件(8)Met.3D繪圖軟件是一款可高效率分析中尺度天氣系統(tǒng)的三維繪圖軟件,詳細功能可訪問網(wǎng)站:https:∥www.rrz.uni-hamburg.de/ueber-uns/personen/3-mcc/rautenhaus.html或https:∥met3d.wavestoweather.de/met-3d.html (2021年2月1日訪問).,使得三維繪圖功能的日益強大,人們可借助計算機更加形象地、便利地理解溫帶氣旋的三維空間結(jié)構(gòu)和時間演變特征,因此發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的可能性被大大提高,溫帶氣旋的概念模型被更新的可能性也被提高,甚至有可能產(chǎn)生所謂的“New Synoptic Meteorology”。國際上研究爆發(fā)性氣旋的著名學(xué)者、美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校大氣和海洋科學(xué)系的Jonathan E. Martin教授(9)Jonathan E. Martin教授的郵箱 jon@meteor.wisc.edu.非常贊成筆者的以上觀點(2019年10月3日在德國巴伐利亞州 Kloster Seeon舉辦的19 Cyclone Workshop上兩人私人交流)。

4.3 評估變化趨勢

有數(shù)值模擬研究結(jié)果表明(Sun et al,2017),在全球變暖的影響下,熱帶氣旋將變得更強、更大、更具破壞性。同理,在全球氣候變化的大背景下,爆發(fā)性氣旋的強度、數(shù)量、移動路徑將呈現(xiàn)怎樣的變化趨勢是一個懸而未決的問題。未來研究人員不但會利用考慮了各種物理過程和物理方案的大氣數(shù)值模式以及快速更新循環(huán)的四維變分同化(4DVar)技術(shù),大大提高對溫帶氣旋數(shù)值模擬和預(yù)報的精度,而且還會利用各種氣候模式以及各種海-陸-氣-冰耦合模式,研究全球氣候變暖背景下爆發(fā)性氣旋的變化趨勢與海面溫度升高趨勢之間的關(guān)系。在爆發(fā)性氣旋變化趨勢研究方面,可借鑒關(guān)于熱帶氣旋的研究方法和研究手段,有望獲得重要進展。

5 結(jié)論與討論

本文首先回顧了溫帶氣旋研究的歷史背景,介紹了“爆發(fā)性氣旋”這一術(shù)語產(chǎn)生的過程,并對Sanders and Gyakum(1980)、Roebber(1984)、Gyakum et al(1989)、Yoshida and Asuma(2004)、Fu et al(2020)等給出的爆發(fā)性氣旋定義進行了系統(tǒng)分析。指出,修正后的爆發(fā)性氣旋定義,不僅應(yīng)考慮氣旋中心海表面氣壓要在24 h內(nèi)下降達到24 hPa以上,而且海表面10 m高度上的最大風速要大于17.2 m·s-1。另外還系統(tǒng)總結(jié)了爆發(fā)性氣旋的研究現(xiàn)狀,對學(xué)者們在從強度和區(qū)域上對爆發(fā)性氣旋的分類進行了回顧。還對爆發(fā)性氣旋發(fā)展提供有利環(huán)境要素的諸物理因子,如大氣斜壓性、正渦度平流、高空急流、海洋暖流等逐一進行了分析,并對爆發(fā)性氣旋發(fā)展機制進行了概括: 斜壓不穩(wěn)定、潛熱釋放、正渦度平流、高層位渦下傳、對流層頂折疊、上層動力強迫、綜合多因子等。最后對未來數(shù)十年爆發(fā)性氣旋的研究從觀測事實、認識水平、預(yù)報精度三個方面進行了展望。

最后,把本文作者之一傅剛在2019年7月13日完成的“爆發(fā)性氣旋”小詩稍作修正摘錄于此,用以結(jié)束“爆發(fā)性氣旋的前世今生”的故事。

爆發(fā)性氣旋

纖柔低渦立槽前,

沖天一吼似爆彈。

疾風狂掃千尺雪,

驚濤怒卷萬仞瀾。

源源平流輸渦度,

湍湍加熱送溫暖。

上下反饋傳能量,

摧枯拉朽震宇寰。