2014年1月北大西洋上一爆发性气旋个例分析❋

井苗苗， 傅 刚

(中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象系，山东 青岛 266100)

2014年1月北大西洋上一爆发性气旋个例分析❋

井苗苗， 傅 刚❋❋

(中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象系，山东 青岛 266100)

利用美国国家环境预报中心(NCEP)水平分辨率为1(°)×1(°)的FNL全球格点再分析资料、气象卫星合作研究所(CIMSS)的红外卫星云图资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的海表面温度(SST)资料，对2014年1月3—7日发生在北大西洋上的一爆发性气旋个例进行分析，通过位势涡度(PV)、斜压性指数(BI)、水汽通量等物理量分析了气旋爆发前后的高低空环流形势，并利用多个剖面对气旋内部结构进行了分析。结果表明，高层正的PV大值区在初始阶段已存在于气旋上游，并随着气旋的发展演变为“钩”状；低层的正PV区在初始阶段很弱，爆发前12 h最强，与非绝热加热有关，低层的斜压性指数和水汽通量也在爆发前12 h最强。当地面气旋中心穿过高空急流轴后，气旋爆发性发展。高空PV和急流动量沿锋面下传，低层暖湿空气向气旋上方输送，相互作用促进气旋发展。

爆发性气旋； 天气形势分析； 位势涡度； 斜压性指数

爆发性气旋(Explosive Cyclone)的概念最初由Sanders and Gyakum[1]在1980年提出，他们把中纬度气旋的中心气压值(规范化到60°N/S)在24 h内下降24 hPa以上，即气旋的中心海平面气压降低率(或加深率)大于1 hPa/h(1 Bergeron)的温带气旋称为爆发性气旋。由于使用资料时间分辨率的提高，该定义中的时间间隔由24 h改为12 h，本文的加深率采用Yoshida and Asuma[2]的计算方法，其定义式为：

(1)

其中:P为气旋中心的海平面气压值；t为分析时刻；Pt-6和Pt+6分别为6h前和6h后的气旋中心气压值；φ为气旋中心所在的纬度。

大量的统计结果[3-5]表明，自北美大陆东岸向东北大西洋移动的气旋路径具有较大的密度。有学者[6-8]研究指出，根据上下层准地转强迫对中层垂直运动的相对贡献，大西洋爆发性气旋可分为三类：A类有明显的低层强迫和连续的倾斜；B类有明显的上层强迫，下层强迫随时间增强，倾斜随气旋爆发而减弱；C类有很强的上层强迫(与B类相似的量级)和很弱的下层强迫，倾斜随气旋爆发保持不变或增强。GrayandDacre[9]进一步指出，A类气旋的生成源地在落基山脉的东部；B类气旋的生成源地靠近美国东海岸；C类气旋多发生在海上。

开展对大西洋爆发性气旋的研究对提高爆发性气旋的认识水平、丰富海洋气象学的研究内容具有十分重要的意义。本文研究的个例属于B类气旋，其中心气压最低值为932.8hPa，中心气压最大加深率为3.26hPa/h，且该气旋从生成到衰亡的生命史较长，移动路径自西南向东北横跨北大西洋。本文旨在分析该气旋的演变过程以及气旋爆发前后的高低空环流形势和高低空相互作用，以期加深不同动力学和热力学因子在气旋发展不同阶段的作用的理解。

1 资料与方法

本文使用的资料如下：(1)美国国家环境预报中心NCEP(NationalCentersforEnvironmentalPrediction)提供的FNL(FinalAnalyses) 全球格点资料，水平分辨率为1(°)×1(°)，垂直分为26层, 时间间隔为6h，下载地址：http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/。(2)气象卫星合作研究所CIMSS(CooperativeInstituteforMeteorologicalSatelliteStudies)提供的红外卫星云图资料，西北大西洋的卫星云图时间间隔为3h，东北大西洋的卫星云图时间间隔为6h，下载地址：http://tropic.ssec.wisc.edu/archive/。(3)欧洲中期天气预报中心ECMWF(EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts)提供的海表面温度(SST)资料，水平分辨率为0.25(°)×0.25(°)，时间间隔为24h，下载地址：http://apps.ecmwf.int/。

本文利用位势涡度(PV)、假相当位温、斜压性指数(BI)、水汽通量等物理量对气旋爆发前后的高低空环流形势进行分析，它们的计算方法将在下文详述。同时，还从多个剖面对气旋内部结构进行分析。

2 气旋演变过程

首先分析气旋移动路径(见图1)以及气旋中心气压值和气压加深率随时间的变化曲线(见图2)。2014年1月3日00UTC，气旋中心位于美国东部的帕姆利科湾，中心气压值为1 003hPa，此后气旋向东北方向移动并发展，期间加深率有所降低。3日18UTC后，气旋中心气压值迅速下降，4日06UTC，其中心气压加深率达到最大值3.2hPa/h。4日18UTC，气旋中心位于51°N，41°W，气压值降到932hPa，此时气旋强度最大，加深率低于1.0hPa/h。此后加深率为负值，系统东移并缓慢衰退。5日12UTC，气旋中心向东北方向移入冰岛与爱尔兰岛之间的海域，最终在挪威海形成一个稳定的低压系统。值得注意的是，气旋爆发前路径与大陆东部的SST梯度大值带基本一致。其中，SST梯度采用如下计算公式：

图1 2014年1月3日00 UTC至7日12 UTC气旋中心的 移动路径和海表面温度梯度(填色，间隔为1×10-5 K/m)Fig.1 The track of cyclone center and sea surface temperature gradient (shaded，1×10-5 K/m interval) from 00 UTC 3 to 12 UTC 7 January, 2014

(2)

图2 气旋中心气压值(实线，hPa)和加深率 (虚线，hPa/h)随时间的变化曲线Fig.2 Time series of central pressure (solid line, hPa) and deepening rate of central pressure (dashed line, hPa/h)

根据3日00 UTC至5日00 UTC的红外卫星云图特征，气旋的演变过程大体可划分为以下4个阶段：

初始阶段 (3日00 UTC—3日12 UTC) 3日00 UTC (见图3a)，美国东部沿海存在大片云团，整体成团块状，且可见云体中的细微部分，边缘不整齐，较为松散。之后的12 h内，云团向东北方向移动。3日12 UTC(见图3c)，云团南端出现一条东北-西南向的云带，即冷锋云系。

发展阶段 (3日12 UTC—4日06 UTC) 3日18 UTC (见图3d)，云团的北端开始向西北方向弯曲。之后的12 h内，云团北端的气旋式弯曲更明显，云团整体呈逗点状结构。至4日06 UTC (见图3f)，云团覆盖范围扩大，边界清晰，北部呈现明显的螺旋状结构，南部的冷锋云系进一步发展。

成熟阶段 (4日06 UTC—5日00 UTC) 4日12 UTC (见图3g)，云团北部的螺旋状结构进一步发展，螺旋带外围的东南部分成两支：一支为东北-西南向的细长云带，即冷锋云系，另一支为西北-东南向的短宽云带，即暖锋云系。此时地面气旋中心位于螺旋状结构的中心。6 h(见图3 h)后，云团覆盖范围逐渐扩大，螺旋带中心出现“眼”状结构，云团东南部的两支云带继续发展，呈“人”字型。

衰亡阶段 (5日00 UTC—6日06 UTC) 5日00 UTC(见图3i)云团北部的螺旋带开始减弱，结构变得松散。随后的24 h，云团北部的螺旋带缓慢消散，南部云带整体东移至东北大西洋。

((a) 00 UTC3，(b) 06 UTC3，(c) 12 UTC3，(d) 18 UTC3，(e) 00 UTC4，(f) 06 UTC4，(g) 12 UTC4，(h) 18 UTC4，(i) 00 UTC5.)图3 2014年1月3日00 UTC至5日00 UTC的红外卫星云图Fig.3 Satellite cloud images in 3～5 January, 2014

图4为3日00 UTC至4日18 UTC的海平面气压场、气海温差和10 m高度风场的水平分布。3日00 UTC(见图4a)，气旋位于美国东海岸，其东南侧气海温差(下文简称温差)为正值，即空气温度大于海面温度，气旋西北侧为负值。随后的12 h内，气旋向东北方向移动，中心气压值逐渐下降。3日18 UTC(见图4d)，闭合的海平面气压场呈东北-西南走向，冷锋为正负温差的分界线，冷暖锋之间区域恰好为正温差区域，气旋中心东侧的温差明显增大。同时，10 m高度风场风速明显增大，且气旋西南方向冷锋处的气旋性切变显著。气旋爆发前6 h(见图4e)，气旋中心附近正的温差达到最大，可能与低空暖空气的输送有关；而气旋西侧的负温差值也增大，可能与冷锋后冷空气入侵有关。气旋南部风场的气旋性切变显著。加深率最大时刻(见图4f)，气旋中心气压迅速降低，气旋中心附近的正温差减弱，西侧负温差梯度增大，冷暖锋之间的正温差区域呈逗号状，与云图上气旋东侧云的形状相似。气旋爆发后(见图4g、h)，中心气压进一步降低，正温差减弱，气旋范围扩大，南部风场风速显著增大。

(线CiDi (i=1,…,4)用于剖面分析。 Lines CiDi (i=1,…,4) are used to analyze the vertical section.)图4 (a) 2014年1月3日00 UTC, (b) 3日06 UTC, (c) 3日12 UTC, (d) 3日18 UTC, (e) 4日00 UTC, (f) 4日06 UTC, (g) 4日12 UTC 和 (h) 4日18 UTC的海平面气压场(实线，间隔6 hPa)、气海温差(填色，间隔3 K)和10 m高度风场(箭头，大于20 m/s)Fig.4 The fields of sea level pressure (solid lines, 6 hPa interval), air-sea temperature differences (shaded, 3 K interval) and 10 m-wind (arrows with values greater than 20 m/s) at (a) 00 UTC 3, (b) 06 UTC 3, (c) 12 UTC 3, (d) 18 UTC 3, (e) 00 UTC 4, (f) 06 UTC 4, (g) 12 UTC 4 and (h) 18 UTC 4 January，2014

3 高空形势分析

首先分析300 hPa层上PV的分布特征。PV是用来诊断气旋快速发展过程的重要工具[10]，其定义式为：

(3)

气旋生成时，其上游高空已经有PV大值区存在，此时气旋中心(海平面气压场气压最低值中心)距PV大值区距离较远。3日06 UTC(见图5a)，PV大值舌伸至地面气旋的西北部，与气旋中心距离缩短，且相对湿度低于20%。300 hPa急流位于PV大值区南侧且强度较强，地面气旋中心位于急流的南侧。12 h后(见图5b)，PV舌呈“钩”状，且与20%相对湿度等值线形状吻合。前人[11-12]研究表明，爆发性气旋经常在上层有钩状的PV异常。David等[13]进一步指出，由爆发性气旋引起的大型降水中，61%的事件与上层钩状PV异常有关。此时急流位于钩状结构的南侧，地面气旋中心向急流轴靠近。24 h后(见图5c)，加深率最大，地面气旋中心穿过急流轴，PV钩到达地面气旋上空。4日18 UTC(见图5d)，PV钩状结构消失，大值区完全覆盖气旋上空，此时地面气旋中心完全穿过急流并位于其北侧。

4 低层形势分析

首先分析850 hPa层上风场、位温和PV的水平分布。3日06 UTC (见图6a)，根据等位温线密集程度可以看出气旋西南侧冷锋较强，东北侧暖锋相对较弱。12 h后(见图6b)，气旋中心东北侧的等位温线密集，暖锋增强，且PV值增大，沿暖锋呈带状分布，气旋东南侧的暖平流向气旋东部输送暖空气。18(见图6c)和24 h(见图6d)后，PV值逐渐降低，气旋东南侧的暖平流持续输送暖空气，这一点可从气海温差场(见图4e)中看出，气旋东部的正温差值达到最大，而SST在发展过程中几乎不变，说明暖空气输送至气旋东部。

下面分析850 hPa层上斜压性指数(BI)和水汽通量的水平分布。斜压性指数是用于分析爆发性气旋的环境参数[14-15]，通常定义在850 hPa，其定义式为

(4)

图6 (a) 2014年1月3日06 UTC, (b) 3日18 UTC, (c) 4日00 UTC和(d) 4日06 UTC 的 850 hPa风场(箭头，大于30 m/s)，位温(实线，间隔4 K)和PV(填色，间隔为0.5 PVU)Fig.6 The fields of 850 hPa wind (arrows with values greater than 30 m/s), potential temperature (solid, 4 K interval) and PV (shaded, 0.5 PVU interval) at (a) 06 UTC 3, (b) 18 UTC 3, (c) 00 UTC 4 and (d) 06 UTC 4 January，2014

3日06 UTC(见图7a)，气旋附近斜压性较弱，水汽自西南方向向气旋中心输送。12 h后(见图7b)，即气旋最大加深时刻前12 h，气旋附近斜压性增强，尤其是暖锋的斜压性最强，此时来自西南方向的水汽输送也在气旋东侧达到最大值。18 h后(见图7c)，斜压性和水汽通量逐渐开始减弱。4日06 UTC(见图7d)，即气旋加深率最大时刻，气旋附近斜压性进一步减弱，水汽通量大值区与正的气海温差区(见图4f)以及暖舌(见图6d)的形状相吻合，表明气旋的爆发性发展与其东南侧暖湿空气的输送有关。

图7 同图6，850 hPa的斜压指数(填色，间隔为1×10-5 s-1)和水汽通量(实线, 间隔1 kg/(cm·hPa·s))Fig.7 As in Fig.6, but for baroclinic index(shaded, 1×10-5 s-1 interval) and vapour flux (solid lines, 1 kg/(cm·hPa·s) interval) at 850 hPa

5 高低空相互作用

分析3日18 UTC时PV和非绝热加热率沿线A1B1的垂直分布，Yanai[16]在研究热带云团性质时提出了视热源的概念，其定义如下：

(5)

Q1/cp的空间分布可以视为大气非绝热加热率的空间分布[17]。3日18 UTC(见图8a)，PV自300 hPa向低层延伸，形成一条细长的PV舌。低层850 hPa附近有一PV大值中心，强度达4 PVU，与非绝热加热率大值中心相对应，说明低层PV主要由于非绝热加热产生，其热源可能与气旋西部的负温差区下垫面的暖水汽，遇到低层冷空气凝结释放潜热有关(见图4d)。低层的正PV区向上空延伸，与高层PV通过2 PVU等值线连接，形成PV塔，并自地面向高空西倾。

分析3日18 UTC时PV、水平风速和假相当位温沿线E1F1的垂直分布，从图8 b中可以看出，700 hPa以下假相当位温线密集，锋区较强。高空的正PV大值区沿锋面下伸，低层850 hPa锋区附近有一较强的正PV值中心，PV值达4 PVU，高低层的正PV区通过1 PVU 等值线连接，在锋区呈细长的带状。锋区上空200～300 hPa有一水平风速大于80 m/s的急流中心，等风速线自高空至地面呈漏斗状分布。同时，800 hPa锋前有一假相当位温低值中心，∂θse/∂z<0，表明低层大气呈不稳定状态。源自对流层高层的冷空气，表现为正的PV大值区存在于等熵面高层，由于等熵面陡峭，高层PV大值和急流风速大值区沿等熵面迅速下滑到低层，动量下传，使低层系统发展增强，动量增加。

图9为沿线CiDi(i=1,…,4)的垂直剖面，其中C1D1和C3D3为沿气旋路径方向的直线。3日18 UTC，沿线C2D2(见图9a)，气旋西北侧等温线水平梯度大，为较强冷空气，东南侧上空有一湿舌上伸至400 hPa，气旋上空有一干舌自西北向东南入侵。气旋上空200～400 hPa有一水平风速大于80 m/s的急流中心，等风速线自高空向地面漏斗状延伸，急流动量在气旋上空急剧下传。沿线C1D1(见图9b)，气旋中心较暖较湿，东北侧有暖舌湿舌向气旋中心输送暖湿空气。4日06 UTC，即加深率最大时刻，沿线C4D4(见图9c)，气旋东南侧上空的湿舌上伸减弱，风速大于80 m/s的范围扩大，并下伸至500 hPa，等风速线水平梯度增大，急流动量进一步下传。沿线C3D3(见图9d)，气旋西南侧的冷舌自高空伸向地面，东北侧900 hPa处有一暖湿中心。

(圆点表示地面气旋中心位置。 The round dot expresses the position of cyclone center.)图8 (a) 沿线 A1B1的PV(填色，间隔 1 PVU)和非绝热加热率(实线，大于0.8 K/h，间隔0.4 K/h)的垂直剖面； (b) 沿线 E1F1的PV(粗实线，间隔1 PVU)，风速(虚线，间隔20 m/s)和假相当位温(细实线，间隔4 K)Fig.8 The vertical section of (a) potential vorticity(shaded, 1 PVU interval) and diabatic heating rate (solid lines with values greater than 0.8 K/h, 0.4 K/h interval) along line A1B1; (b) potential vorticity (bold solid lines, 1 PVU interval), wind velocity (dashed lines, 20 m/s interval) and equivalent potential temperature (thin solid lines, 4 K interval) at 18 UTC 3 January，2014

(圆点表示地面气旋中心位置。 The round dots indicate the position of cyclone center.)图9 (a) 2014年1月3日18 UTC, (b) 3日18 UTC, (c) 4日06 UTC, (d) 4日06 UTC温度(细实线，间隔4 K)， 比湿(虚线，间隔 1 g·kg-1)，风速(粗实线，间隔20 m/s)沿线CiDi (i=1,…,4)的垂直剖面Fig.9 The vertical section along lines CiDi (i=1,…,4) of temperature(bold solid lines, 4 K interval), specific humidity (dashed lines, 1 g·kg-1 interval) and wind velocity (thin solid lines, 20 m/s interval) at (a) 18 UTC 3, (b) 18 UTC 3, (c) 06 UTC 4 and (d) 06 UTC 4 January，2014

6 总结与讨论

本文对2014年1月3—7日发生在北大西洋上的一爆发性气旋个例进行了分析，得到以下主要结论：

(1)气旋生成于美国东海岸，上游有高空正的PV大值区存在，随着气旋的发展演变为“钩”状；850 hPa的正PV大值区在初始阶段较弱，沿暖锋发展为细长的带状，在气旋加深率最大时刻前12 h(3日18 UTC)发展到最大，与非绝热加热有关。低层PV向上延伸与向下入侵的高层PV在锋区形成显著的PV塔。

(2)850 hPa的斜压性指数和水汽输送在初始阶段也较弱，在气旋加深率最大时刻前12 h(3日18 UTC)发展到最大。斜压性指数在暖锋处较大，水汽通量大值区与正气海温差区以及暖舌的形状相吻合，表明气旋的爆发性发展与其东南侧暖湿空气的输送有关。

(3)气旋生成时位于高空急流南侧，在发展过程中逐渐接近急流轴，高空急流动量在锋区急剧下传，低层暖湿水汽不断输送至气旋上空，在加深率最大时刻，低层约900 hPa有暖湿中心，当气旋穿过急流轴后爆发性发展结束。

本文利用尽可能多的观测资料对2014年1月3—7日发生在北大西洋上的一爆发性气旋个例进行了分析，但涉及该气旋个例爆发性发展物理机制的许多问题，如非绝热加热、高低空相互作用等，值得进一步探究，计划今后利用高分辨率数值模拟的结果进行分析。

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责任编辑 庞 旻

Analyses of an Explosive Cyclone over the Northern Atlantic in January， 2014

JING Miao-Miao, FU Gang

(Department of Marine Meteorology, College of Oceanic and Atmospheric Science，Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on 1(°)×1(°) reanalysis data from National Centers for Environmental Prediction (NCEP), satellite cloud images from Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) and sea surface temperature (SST) data from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), we performed analyses on an explosive extratropical cyclone occurred over the Northern Atlantic during 3～7 January， 2014. Some important physical variables, such as Potential vorticity (PV), baroclinic index (BI) and vapor flux, have been applied to analyze upper- and low-level circulation situation. The interaction between upper and low levels was examined with the aid of various vertical section analyses. The results show that the cyclone was generated downstream an upper-level preexisting PV anomaly, which evolved into the “PV hook” with time. No significant low-level PV could be identified during the initial phase, which strengthened up to 12 hours earlier the most deepening time, as well as baroclinic index and vapor flux. Especially, diabatic heating was responsible for development of low-level PV. The cyclone reached the most deepening time while its center passed through the axis of upper-level jet. Eventually, the upper-level PV and momentum produced by jet intruded downward along frontal surface while warm and moist bulk from low levels was transported upward, causing explosive intensification.

explosive extratropical cyclones; synoptic analyses; potential vorticity; baroclinic index

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

2016-09-19；

2016-10-25

井苗苗(1993-)，女，硕士生。E-mail: jingmiaomiao0507@qq.com

❋❋ 通讯作者：E-mail: fugang@ouc.edu.cn

P458.2

A

1672-5174(2017)07-001-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160327

井苗苗， 傅刚. 2014年1月北大西洋上一爆发性气旋个例分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(7)： 1-9.

JING Miao-Miao, FU Gang. Analyses of an explosive cyclone over the Northern Atlantic in January 2014 [J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(7)： 1-9.