西北太平洋一个超强爆发性气旋的分析❋

高 力, 傅 刚, 张树钦, 孙雅文

(中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)



西北太平洋一个超强爆发性气旋的分析❋

高 力, 傅 刚❋❋, 张树钦, 孙雅文

(中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)

利用NCEP (National Centers for Environmental Prediction)提供的CFSv2 (Climate Forecast System Version 2)资料和日本高知大学提供的MTSAT-1R (Multi-functional Transport Satellites-1R)卫星红外波段反照率资料，对2013年1月发生在西北太平洋上的一个超强爆发性气旋进行了研究，利用天气分析和诊断分析等方法，详细分析了该爆发性气旋的结构特征。发现该气旋在爆发性发展的后期位于高空急流的北侧，高空的强辐散有利于气旋的发展。气旋上空500 hPa的低压槽在14日12 UTC显著加深，槽前的正涡度平流有利于海平面气压降低。与气旋伴随的冷锋存在鼻状结构，在800 hPa以下，假相当位温随高度降低，低层大气呈对流性不稳定状态。利用涡度方程对气旋进行诊断分析，发现平流项和拉伸项为气旋涡度变化的主要贡献项。设计了围绕气旋中心15(°)×15(°)的区域，发现不同时刻的沿区域四边积分的环流、区域内面积平均的非绝热加热、水汽通量散度和垂直速度4个物理量存在正反馈过程，即气旋爆发性发展的前期存在类似CISK的正反馈机制。

西北太平洋；爆发性气旋；空间结构； 物理机制

爆发性气旋(Explosive Cyclone)是在短时间内快速发展、有很强破坏力、风速可以达到30 m/s以上的温带气旋系统，其水平尺度大约在2000～3000km，生命周期为2～5 d。爆发性气旋的云系特征区别于一般的温带气旋，通常具有紧密的螺旋状结构，有时甚至有类似台风的“眼”状结构。

Sanders and Gyakum[1]首次给出了爆发性气旋的定义：一个气旋中心的海平面气压在24 h之内降低24 hPa，即中心气压加深率大于1 hPa/h(定义为1 Bergeron)则称此气旋为爆发性气旋(Explosive Cyclone)。同时，他们还对1976年9月—1979年5月北半球的爆发性气旋进行了统计，指出爆发性气旋一般在冷季出现在海洋上，在西北太平洋以及美国东海岸发生最为频繁。爆发性气旋经常伴随着500 hPa的高空槽和SST梯度较大的区域。

Sanders[2]对48个爆发性气旋统计发现，在爆发性气旋发展之前，高空正涡度区出现。并且根据强度对爆发性气旋进行了分类：加深率大于1.8 Bergeron为强爆发性气旋，1.3～1.8 Bergeron为中等爆发性气旋，1.0～1.2 Bergeron为弱爆发性气旋。

Yoshida and Asuma[3]采用时间分辨率6 h的数据，重新定义了爆发性气旋。他们根据气旋生成和发展位置以及移动路径，将西北太平洋爆发性气旋分为三类：鄂霍次克海-日本海型、太平洋-陆地型以及太平洋-海洋型，并利用三类爆发性气旋的空间特征建立了相应的模型。

Chen等[4]对1958—1987年东亚沿岸的爆发性气旋进行了统计，发现有两个区域是爆发性气旋频繁发生海域：一是日本海东南部，二是日本东南边西北太平洋黑潮区域。统计还发现了爆发性气旋的发生频数与厄尔尼诺现象有正相关关系，但对二者有何联系并没有给出具体结论。国内外学者的大量研究指出，影响爆发性气旋发展的因素有很多，主要有以下几点：潜热释放[5-6]，大气的斜压性[7-8]，急流[9]，位势涡度[10]。

本文选取2013年1月中旬发生在西北太平洋的一个超强爆发性气旋，分析其演变过程中的结构变化及可能的发展机制。本文研究的个例与一般的爆发性气旋个例有明显的不同：

(1)该气旋于2013年1月13日00 UTC在西北太平洋上生成，移动路径大致呈西南-东北走向，最终于20日18 UTC消失。中心气压最大加深率为3.94 Bergeron，中心最低气压为936.8 hPa，该气旋的中心气压加深率为最近15年爆发性气旋中最大的一个*根据张树钦(2016)的统计分析，该气旋的中心气压加深率为2001年至2015年整个北太平洋共783个爆发性气旋中最大的一个。，值得关注。

(2)该气旋在最大加深率阶段云系呈逗点状分布，且冷锋云带很长，达3000 km左右。

(3)该气旋的爆发性发展时间较长，达36h。

1 资料与方法

本文使用的资料如下：

(1)日本高知大学提供的时间分辨率为1h的MTSAT-1R (Multi-functional Transport Satellites- 1R)卫星红外波段反照率资料，下载地址：http://weather.is.kochi-u.ac.jp/archive-e.html。

(2) 美国国家环境预报中心NECP(National Centers for Environmental Prediction)提供的水平分辨率为0.5(°)×0.5(°)的CFSv2全球格点资料，要素场包括海平面气压、位势高度、经向风和纬向风等48个变量，垂直分层为37层，每天4个时次00、06、12和18 UTC有资料，下载地址：http://rda.ucar.edu/datasets/ds094.0/。

2 天气形势分析

2.1 演变过程

2013年1月13日00 UTC，气旋在菲律宾以东的太平洋洋面(125°E,17°N)附近生成。图1为气旋的移动路径图，气旋中心位置由CFSv2资料海平面气压的最小值确定，13日00 UTC至13日12 UTC，气旋往东北偏北方向移动。图2为气旋的中心气压及中心气压加深率随时间的变化图，可以看出，13日12 UTC，气旋的中心气压加深率第一次大于1 Bergeron，根据Sanders and Gyakum[1]的爆发性气旋定义，此时气旋开始爆发性发展。从13日12 UTC到15日00 UTC，气旋的中心气压加深率均大于1 Bergeron，这个时间段应为气旋的爆发性发展阶段。气旋的中心气压在15日06 UTC达到最低值936.8 hPa。从15日12 UTC开始，气旋的中心气压开始升高，气旋开始逐渐减弱直至消亡。气旋的中心气压很低，开始减弱后结构变得松散，空间尺度很大，如图3(c)所示，且15日06 UTC气旋仍处于200 hPa高空急流出口区的左侧。气旋减弱缓慢，衰亡过程持续了7d左右，直到22日消失。

(黑色圆点表示基于CFSv2海平面气压资料确定的气旋中心位置。“00/13”表示13日00 UTC，其余类推。Black dot indicates the cyclone center as determined by the CFSv2 sea level pressure data. “00/13” indicates 00 UTC 13, and so on.)

图1 2013年1月13日00 UTC至21日18 UTC气旋的移动路径和2013年1月14日SST(填色，℃)分布

Fig.1 Moving track of cyclone from 00 UTC 13 to 18 UTC 21 January 2013 (solid line) and SST (shaded, ℃) at 14 January 2013

图2 气旋中心的海平面气压和加深率随时间变化曲线

2.2 环流形势

综合分析气旋的移动路径、本文中心气压、中心气压加深率和卫星云图特征，本文把气旋的生命史划分为Ⅰ(初始)阶段、Ⅱ(发展)阶段、Ⅲ(成熟)阶段和IV(衰亡)阶段。Ⅰ(初始)阶段(2013年1月13日00 UTC至13日06 UTC)：在13日00 UTC(图略)，气旋刚刚形成。此时在200 hPa图上，气旋位于中纬度西风带南面。500 hPa图上华南地区有一低压槽，此时气旋中心离此槽较远，随着气旋的移动，逐渐进入此槽的影响范围。850 hPa图上气旋附近有一闭合等高线，气旋式环流有利于锋生。海平面气压场上，气旋中心位于 (125°E，17°N)附近。Ⅱ(发展)阶段(2013年1月13日12 UTC至15日00 UTC)：气旋于13日12 UTC进入爆发性发展阶段, 此时气旋中心气压为1002.2 hPa，中心气压加深率为1.31 Bergeron。如图4所示，200 hPa图上气旋进入中纬度西风带，距急流中心大约10个纬度距离。500 hPa图上槽前正涡度平流有利于气旋的发展。850 hPa图上气旋式环流加强，暖舌已伸入气旋中心，气旋西南侧和东南侧分别出现冷平流和暖平流。海平面气压图上气旋中心位于(128.5°E，24.5°N)附近。气旋东西两侧风速加大，有利于锋区的加强和水汽的输运。

(黑点表示气旋中心位置。Black dot indicates the location of the cyclone center.)

(a)200 hPa 位势高度场(实线，间隔 100 gpm)和等风速线(虚线，间隔20 m/s);(b) 500 hPa 位势高度(实线，间隔40 gpm) 和气温场(虚线，间隔4 ℃); (c) 850 hPa 位势高度(实线，间隔40 gpm) 和气温场(虚线，4 ℃); (d) 海平面气压(实线，间隔5 hPa)和水平风场。实心圆点表示地面气旋中心位置。 (a)200 hPa geopotential height (solid, in 10 gpm, 100 gpm interval) and isotach(dashed, m/s, 20 m/s interval); (b) 500 hPa geopotential height (solid, in 10 gpm, 40 gpm interval) and air temperature (dashed,℃, 4 ℃ interval); (c) 850 hPa geopotential height (solid, in 10 gpm, 40 gpm interval) and air temperature (dashed,℃, 4 ℃ interval); (d)Sea level pressure (solid, hPa,5 hPa interval) and surface wind. Black dot indicates the location of the cyclone center.

图4 2013年1月13日12 UTC天气图

Fig.4 Weather maps at 12 UTC13 January, 2013

14日12 UTC为气旋的最大加深率时刻，气旋中心气压为965.5 hPa，中心气压加深率为3.94 Bergeron。如图5所示，气旋中心位于500 hPa低压槽的槽前，且同时位于200 hPa高空急流入口区的右侧，因此气旋中心上空涡度平流较大，有利于气旋的快速发展。850 hPa图上低涡周围出现5条闭合线。冷锋和暖锋分别位于气旋的南部和东部，暖舌结构更加明显，12℃等温线已经伸入气旋中心，海平面锢囚锋形成。气旋东南侧低空急流与暖舌重合，暖湿气流将会为气旋提供充足的水汽条件。Ⅲ(成熟)阶段(2013年1月15日06 UTC至17日05 UTC)：15日06 UTC气旋的中心气压降低至整个生命史最低，为936.8 hPa，此时气旋位于日本以东洋面上(159°E，40.5°N)附近(图略)。200 hPa图上气旋中心位于急流出口区的左侧。500 hPa图上高度场出现闭合曲线，涡度平流对气旋的影响大幅减弱。850 hPa图上低涡较14日12 UTC又有所加强，暖舌的位置向东移动，对应云图上气旋东北部云团的断裂。海平面气压场上，气旋中心附近结构更加紧凑，接近圆形，南面冷锋处的等压线凸起基本消失，气旋北部结构较为松散，使得气旋整体上为椭圆形，长轴为南北向分布。IV(衰亡)阶段(2013年1月17日06 UTC至19日06 UTC)：气旋的衰亡阶段持续了较长时间。17日06 UTC，在日本以东出现了另一个气旋，记为气旋B(本文所讨论的气旋在此部分用气旋A表示)。气旋A和气旋B在17日06 UTC至19日06 UTC的48h内做逆时针互旋运动。从地面图上可以观察到，伴随着气旋B直径的增加气旋A直径逐渐减小，直到衰亡。

3 空间结构及机制分析

3.1 气旋的空间结构

(蓝线为地面冷锋的位置;红线为海平面图上暖锋的位置。 Blue line indicates the location of cold front; Red line indicates the location of warm front.)

图5 与图4相同，时间为2013年1月14日12 UTC

Fig.5 Same as in Fig.4, but for 12 UTC14 January, 2013

图6 2013年1月海平面气压场(黑色实线，间隔2.5 hPa)

(实心圆点代表气旋中心位置。Black dot indicates the location of cyclone center.)

图8为穿越气旋中心南北向剖面垂直风速和比湿分布图。在14日18 UTC图8(a)的C1D1剖面上，气旋两侧均有垂直速度超过-2 Pa/s的上升运动区，北侧上升区在距离气旋中心2个纬度的位置，而南侧上升区距离气旋中心更远一些，大约在8个纬度距离处。在这两个上升区域所在的地方等比湿线同样向上突起，呈现一个“双峰结构”。气旋南侧的比湿最大超过了14 g/kg，在北侧比湿达到12和10 g/kg等值线将“双峰”连在一起。在14日18 UTC，图8(b)的C2D2剖面上，气旋中心两侧的上升运动区仍然存在，且强度仍然保持在 -2 Pa/s。但是气旋南侧的上升运动区有所缩小，-2 Pa/s等值线由之前的600 hPa高度降至700 hPa。等比湿线相比于之前有所下降，8 g/kg等值线在双峰之间(30°N～34°N)已经不连续，但最大值仍然保持在14 g/kg。在15日00 UTC，图8(c)的C3D3，气旋两侧上升运动区仍然保持在12 Pa/s。但两侧的双峰结构有明显减弱的趋势，气旋北侧的的等比湿线变得松散，且8 g/kg等值线已经在900 hPa以下。在15日06 UTC图8(d)的C4D4剖面上，气旋南侧的上升运动区基本消失，北侧还有-2 Pa/s的上升区。从等比湿线上来看，气旋南侧仍然保持着850 hPa以下12 g/kg的比湿，而气旋北侧的“峰”状结构已经主线趋于平缓，降至8 g/kg。

从垂直速度和比湿的分布上来看，气旋中心垂直速度较弱，四周垂直运动较强，在上升运动区等比湿线向上突起，在过气旋中心的东西和南北剖面上均呈现“双峰结构”，此结构自15日00 UTC开始减弱。

(实心圆点代表气旋中心位置。Black dot indicates the location of cyclone center.)

3.2 锋面的“鼻”状结构

图9为海平面气压场和850 hPa气温的分布，图中EiFi(i=1,2,3,4)为所选取的垂直于冷锋的剖面。为了更好地探讨锋面的热力学性质，考虑湿度对大气的影响，使用假相当位温θse来研究锋面的性质。

3.3 涡度分析

如图11(a)所示，在950 hPa高度上，气旋中心附近涡度的最大值在14日12 UTC达到最大，在925、900和850 hPa高度上，均在14日18 UTC达到最大。也就是说，气旋中心附近涡度的最大值在气旋加深率最大时刻附近达到最大。为了解气旋发展过程中涡度的变化，本文选取涡度变化最大的850 hPa对涡度方程中的每项都做分析。涡度方程如下：

每个正常成年人都能运用自己的母语进行交际以满足生活的各种需要，虽然绝大多数人未必能完整地了解母语的结构和各种要素，学界将这种现象称之为“语感”，即人们对母语所拥有的语言直觉。教师尤其是语文教师需要把握语感的一般知识，才能更好地开展语文教学。根据王荣生等学者的研究，语感具有如下特性：

(1)

(实心圆点为气旋中心位置。Black dot indicates the location of cyclone center.)

图10 沿线EiFi(i=1,2,3,4)的剖面分析图、假相当位温(蓝色虚线，间隔4 K)和位温(红色实线，间隔10 K)

量级分析发现，第一项平流项和第三项拉伸项对涡度变化的贡献最大，达到4×10-4s-2，第二项对流项和第四项扭转项较小，最大约为1×10-4s-2。

在13日18 UTC气旋周围开始出现大于2×10-4s-2的涡度局地变化率。如图11(b)所示，在14日12 UTC涡度局地变化率增大，达到4×10-4s-2，正值区域主要位于气旋中心的东北侧。随着时间的推移，正值区域逐渐扩大，强度逐渐增加，到15日06 UTC，正值区基本已经包围了气旋中心。

如图11(c)所示，平流项的正值区域主要集中在气旋的西南侧，最大达到4×10-4s-2，在气旋东侧也有变化率超过2×10-4s-2区域，而负值区主要位于气旋的东北侧以及西南侧正值区的西侧。如图11(d)850 hPa拉伸项的正值区主要位于气旋中心的北侧，且数值较大，足以抵消平流项在此区域的负值。因此，平流项主要作用于气旋的西侧，拉伸项主要作用于气旋的北侧，整体来看，气旋的涡度局地涡度变化率正值区位于气旋的西侧和北侧。

图11 (a)气旋中心海平面气压(浅蓝线，hPa)和各高度层上涡度最大值(单位:10-4s-1)随时间的变化，(b)涡度局地变化项(10-4s-2)，(c) 涡度平流项(10-4s-2)及(d) 拉伸项(10-4s-2)分布

3.4 类似CISK机制分析

对于台风的发展，Charney and Ellassen[13]提出了CISK(Conditional Instability of the Second Kind)机制，即热带洋面上有一个初始扰动，通过大气边界层的摩擦效应使得洋面上的潮湿空气辐合上升，使积云对流发展。对流的发展使水汽上升，释放凝结潜热。这个过程释放的潜热会使高空大气气温升高，体积膨胀，辐散流出，低空气压下降，地面辐合增强。如此循环形成一个正反馈机制。这样的一个正反馈机制可以很好地解释台风的发展过程。

猜想在此爆发性气旋发展的某一阶段，可能存在类似于CISK的正反馈机制，使得此气旋快速发展。为了检验这个类似于CISK的正反馈机制是否存在，本文设计了一个以气旋中心为中心点的有限面积水平区域，用于诊断不同时刻区域面积平均的水汽通量散度、垂直速度、环流和非绝热加热这4个物理量之间是否存在正反馈过程？借以检验在此气旋的爆发性发展过程中是否存在如上所述的正反馈机制？

所选的分析区域以气旋中心为中心点。由于该爆发性气旋在发展过程中水平尺度逐渐扩大，我们需要确定一个大小适中的区域进行分析。如图12所示，确定的区域大小为15°×15°，与气旋中心气压加深率最大时刻(14日12 UTC)的气旋水平尺度基本一致。

图12 2013年14日12 UTC海平面气压场(黑色实线，间隔2.5 hPa)

在此需要说明的是，环流的计算是沿图12中所选区域的4个边界来计算大气运动速度的线积分:

(2)

本文利用Hidetaka Hirata et al[14]的公式来计算非绝热加热：

(3)

从图13(a)中看出，沿15(°)×15(°)区域边界计算的水平环流是随着气旋中心气压的降低而逐渐增大。从图13(b)中可以看出，非绝热加热项也随时间不断增大。图13(c)中，从13日18 UTC至14日06 UTC，低空水汽辐合逐渐增大，到14日12 UTC开始逐渐减小。图13(d)中可以看出，垂直速度的变化与水汽通量散度基本一致，也是在13日18 UTC至14日06 UTC增大，14日12 UTC开始减小。因此，从13日18 UTC至14日06 UTC时间段内，环流、非绝热加热、水汽通量散度和垂直速度这4个物理量都随时间逐渐增大，而气旋中心的气压值逐渐降低。

基于以上分析认为，在气旋爆发性发展的前期存在类-CISK的正反馈机制，即：潜热释放使得高层大气辐散、低层辐合，产生上升运动，从而使得气旋环流加强，进一步导致潜热释放。CISK机制是解释台风发展的理论，而台风是一个热带的正压系统，而本文研究的爆发性气旋是温带的斜压系统，与台风有本质区别，所以在此我们称促进爆发性气旋发展的正反馈机制为类-CISK机制。从14日12 UTC开始，区域面积平均的低层水汽辐合和垂直速度均逐渐减小，而环流和非绝热加热仍然在增大，气旋中心气压也在持续降低。因此，有理由认为随着气旋的发展，锋面逐渐增强，气旋的斜压性结构在气旋的发展中逐渐取代正反馈机制占据主导地位。

4 结论

本文对2013年1月发生在西北太平洋的一次超强爆发性气旋进行了较为详尽的分析。主要结论如下：

(1) 爆发性气旋在1月13日00 UTC于菲律宾以东的洋面上生成，13日12 UTC开始爆发性发展，14日12 UTC加深率达到最大，15日06 UTC中心气压降至最低，至22日00 UTC，气旋完全消失。

图13 (a) 沿15(°)×15(°)区域计算的水平环流(106m2·s-1，间隔6h)随高度变化，(b) 15(°)×15(°)区域内面积平均非绝热加热(单位 W/m2，间隔6 h)随高度变化, (c)15(°)×15(°)区域内面积平均水汽通量散度(10-6 kgkg-1s-1，间隔6h)随高度的变化及(d)15(°)×15(°)区域内面积平均垂直速度(Pa/s，间隔6h)随高度的变化

(2) 利用CFSv2的资料对气旋的空间结构进行了分析, 发现气旋的东侧存在低空急流，使得气旋的锋面快速形成。气旋从14日18 UTC开始位于300 hPa高空急流出口区的左侧，高空的强辐散有利于气旋的发展。

(3) 分析了气旋爆发阶段的空间结构，在气旋中心正上空有较弱的下沉运动，周围上升运动剧烈，潜热释放对气旋的爆发性发展起到了非常重要的作用。

(4) 对于气旋相伴随的锋面分析发现，冷锋存在“鼻”状结构。在850 hPa以下，假相当位温随高度降低，低层大气呈对流不稳定状态。

(5) 利用涡度方程对气旋进行诊断分析，发现平流项和拉伸项为涡度变化的主要贡献项。

(6)通过对环流、非绝热加热、水汽通量散度和垂直速度这四个物理量分析发现,气旋爆发性发展的前期存在类CISK的正反馈机制。在气旋爆发性发展的后期，斜压性继续促进气旋发展降压。

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责任编辑 庞 旻

Analyses of a Super Explosive Cyclone over the Northwestern Pacific

GAO Li， FU Gang， ZHANG Shu-Qin， SUN Ya-Wen

(College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China. )

The structure of a super explosive cyclone which occurred over the Northwestern Pacific in January, 2013 was investigated by using CFSv2 (Climate Forecast System Version 2) data supplied by NCEP (National Centers for Environmental Prediction), and MTSAT-1R(Multi-functional Transport Satellites-1R) data provided by Kochi University of Japan. It was found that the cyclone was located in the north of the 300 hPa jet stream during the later developing stage. The upper-level divergence provided favorable condition for development of explosive cyclone. A trough at 500 hPa developed at 12 UTC 14 January, 2013, and the vorticity advection there would intensify this explosive cyclone. There was nose structure in cold front accompanied with this explosive cyclone. The pseudo-equivalent potential temperature dropped with height, which suggested that the air was in convectively instable state. By analyzing the vorticity equation, it was found that advection term and stretching term were the major contribution terms for vorticity change of this cyclone. We built a 15(°)×15(° )domain around the cyclone center, and analyzed the horizontal circulation along the four sides of this domain, area-mean diabatic heating, area-mean vertical velocity, area-mean horizontal convergence of moisture flux within this 15(°)×15(°) domain, and found that there was a positive feedback mechanism which was similar to CISK (Conditional Instability of the Second Kind) in earlier development stage of this explosive cyclone.

Northwestern Pacific; explosive cyclone; diagnosis analysis; physical mechanism

国家自然科学基金项目(41275049)资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(41275049)

2016-04-09；

2016-05-29

高 力(1990-)，男，硕士生。E-mail: gaoli703@qq.com

❋❋ 通讯作者：E-mail: fugangouc@qq.com

P434+.5

A

1672-5174(2016)12-009-12

10.16441/j.cnki.hdxb.20160171

高力, 傅刚, 张树钦. 西北太平洋一个超强爆发性气旋的分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(12)： 9-20.

GAO Li， FU Gang， ZHANG Shu-Qin， SUN Ya-Wen. Analyses of a super explosive cyclone over the northwestern Pacific[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(12)： 9-20.