2006年6月北大西洋上热带风暴Alberto变性后爆发性发展机理分析*

倪 晶， 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)

引言

爆发性气旋(Explosive Extratropical Cyclone, 简称EC)是指中纬度地区快速发展的温带气旋。Sanders和Gyakum[1]首次给出爆发性气旋的定义，他们把海表面中心气压值在24 h内降低24 hPa以上，即气旋中心气压加深率大于1 hPa/h(定义为1 Bergeron)的快速发展的温带气旋称为“爆发性气旋”，其定义式为：

气旋中心气压加深率：

式中：P为气旋海表面中心气压值(单位为hPa)；t为分析时刻，下标t-12和t+12分别表示分析时刻12 h前、后的变量；φ为地面气旋中心所处纬度。后有学者对该定义式进行了修正，Yoshida和Asuma[2]将定义式中的24 小时间隔修改为12 小时间隔，Gyakum等[3]将气旋中心气压变化地转调整到45°N。根据前人的研究，本文对爆发性气旋的定义如下：若气旋海表面中心气压(地转调整到45°N)12 h内下降超过12 hPa，即为爆发性气旋。

爆发性气旋具有中心气压快速下降且强度急剧增大的特点，Jula[4]和Böttger等[5]称之为“气旋快速生成”(Rapid cyclogensis)现象。其地面风速在极短时间内可达到30 m/s以上[6]，受其影响地区通常会伴随出现大风、强降水等恶劣天气现象。

为了深入了解并准确预报这类危险天气系统，众多学者对爆发性气旋的气候特征、空间结构特征、发展机制及环境背景场等方面进行了系统研究。前人研究指出，对爆发性气旋发生发展有贡献的环境背景场主要包括：高空槽及涡度场[1]、海洋暖流及强的海表面温度(Sea Surface Temperature, 简称SST)梯度[1]、高空急流[7]、大气的斜压性[2]等。众多学者对爆发性气旋的发生发展机制开展了系统研究，主要有：对流层顶折叠机制[8]、SST或SST梯度机制[1]、平流层高位涡气团入侵机制[9]、动力不稳定或斜压不稳定机制[10]、正涡度平流机制[7]、潜热释放机制[11]、动力强迫机制[12]等理论。另有学者认为爆发性气旋的快速加深并非单一因子作用的结果，而是受多种热力及动力因子的综合影响[13]。

北大西洋是爆发性气旋频繁发生的地区之一。Gyakum[14]分析了1978年9月9日12 UTC～11日00 UTC的QueenElizabethⅡ气旋，发现该气旋在海上移动时24 h内加深了60 hPa，9月10日12 UTC海表面最低气压为945 hPa，导致QueenElizabethⅡ邮轮损坏严重，且渔船CaptainCosmo失踪，因此该气旋被命名为QueenElizabethⅡ气旋。Bosart[15]研究了1979年2月18～19日发生在大西洋中部的Presidents’ Day风暴，该风暴造成了大西洋的中部地区破纪录的降雪。气旋Klaus是2009年1月发生在北大西洋副热带地区、亚速尔群岛以西的气旋，持续时间为2009年1月22日00 UTC～27日15 UTC，最低海表面平均气压为966.0 hPa，被认为是自1999年12月下旬发生毁灭性风暴Martin以来影响伊比利亚北部和法国南部地区的最具破坏力的风暴[16]。

Sanders和Gyakum[1]对1976年9月～1979年5月发生在北半球的爆发性气旋进行了统计分析，发现大西洋地区(80oW以东)气旋爆发频率最大的月份是2月。丁治英等[17]统计了北半球1980—1989年间共10年的爆发性气旋，发现气旋在冬季的爆发频率最大(1月是高峰月)，夏季爆发频率最低(7、8月无爆发性气旋发生)。由于受大气环流的影响，爆发性气旋在夏季的平均强度最弱、平均个数最少，因此发生在夏季且具有较大加深率的爆发性气旋具有深入分析的价值。

本文以2006年6月14日12 UTC～20日10 UTC发生在北大西洋上的一个爆发性气旋个例为研究对象，该气旋由2006年大西洋飓风季的第一个热带风暴阿尔贝托(Tropical Storm Alberto)变性(Extratropical Transition, ET)后发展而来，其中心最低气压为974.4 hPa，中心气压最大加深率为1.85 Bergeron。孙雅文[18]使用ERA-Interim再分析数据统计了2000年10月—2016年9月发生在北大西洋的1 082个EC个例，经计算该气旋是2000—2016年的17个夏季(6、7和8月)发生在北大西洋的爆发性气旋中中心气压加深率最大的个例。此外，该气旋自西南向东北移动时横跨了整个北大西洋，这对北大西洋航线上的船舶航运安全产生了极大的威胁。对该气旋快速发展的原因进行诊断分析，不仅可以提高对爆发性气旋的认识水平，而且有利于保障航线安全性，具有重要的学术价值和实际应用价值。

本文旨在分析该气旋的演变过程以及气旋在不同阶段的云系特点，分析气旋爆发前后的高低空环流形势和高低空相互作用，进而分析气旋演变过程中的空间结构特征及具有较大加深率的可能原因，从而深入理解不同热力学和动力学因子在气旋演变过程中的作用，以期为海上灾害性天气的研究和预报提供有价值的参考建议。

1 资料

本文使用的资料有：

(1) 欧洲中期天气预报中心ECMWF提供的ERA5客观再分析资料(0.25o×0.25o，1小时间隔)，海表面资料的下载地址为https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=form，高空资料的下载地址为https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels?tab=form，访问时间为2019年10月28日。本文使用的物理量主要包括海表面温度、海表面气压、位势高度、气温、经向和纬向风速、垂直速度、散度、相对涡度、位势涡度、比湿和相对湿度，主要用于分析天气形势和物理量场演变特征。

(2) 气象卫星合作研究所CIMSS提供的地球同步运行环境卫星(Geostationary Operational Environment Satellite-EAST, GOES-EAST)的红外卫星云图资料(6小时间隔，逐日四个时次分别为：02:45 UTC、08:45 UTC、14:45 UTC、20:45 UTC)，下载地址为http://tropic.ssec.wisc. edu/archive/，访问时间为2019年1月8日。该资料主要用于分析云的结构、形态、分布及演变，可直观反映气旋演变过程。

2 气旋演变过程分析

2.1 气旋移动路径及强度变化分析

2006年6月10日06 UTC，北大西洋上的第一号热带低气压在(85.6°W, 19.4°N)附近形成，海表面中心气压为1 006.5 hPa。11日00 UTC，增强为热带风暴，并被美国国家飓风中心命名为阿尔贝托(Alberto)。14日06 UTC，热带风暴Alberto减弱成热带低气压，之后受西风槽及入侵冷空气影响很快失去热带天气系统特征。根据Demirci等[19]给出的定义，500 hPa位势高度场以20 gpm为间隔，最后一条闭合等值线消失的时刻为热带气旋完成变性的时刻，判定Alberto的残留体于14日12 UTC变性为温带气旋，这与美国国家飓风中心给出的变性时刻一致。

6月14日晚，温带气旋系统加速朝东北前进并进入大西洋。15日气旋系统在广阔海域上再度强化并沿海岸线移动，中心气压急剧降低，其移动路径与SST梯度大值区基本一致(见图1)，气旋在经过SST梯度大值区时爆发性发展，爆发时刻为14日23 UTC，其中心气压加深率为1.02 Bergeron(见图2)，爆发地点位于北美东海岸近海(75.3°W, 36°N)附近，中心气压加深率于15日09 UTC达到最大值1.85 Bergeron，海表面中心气压于15日18 UTC达到最小值974.4 hPa。此后中心气压逐渐升高，气旋中心气压加深率由正转负，气旋逐渐减弱。16日气旋从纽芬兰岛的阿瓦隆半岛穿过，接下来气旋路径转向东北偏东且移动迅速，最终于20日11 UTC在不列颠群岛附近消亡。

图1 2006年6月10日06 UTC～20日10 UTC气旋(其中心由ECMWF海表面气压场确定)的移动路径和平均海表面温度梯度(填色，间隔为0.8×10-5 K/m)Fig.1 The moving track of cyclone (its center is determined by ECMWF mean sea level pressure data) and mean sea surface temperature gradient (shaded, 0.8×10-5 K/m interval) from 06 UTC 10 to 10 UTC 20 June，2006

图2 气旋的中心气压值(黑色实线，hPa)和中心气压加深率(黑色虚线，Bergeron)随时间的变化曲线Fig.2 Time series of cyclone central sea level pressure (solid black line, hPa) and its deepening rate (dashed black line, Bergeron)

2.2 红外卫星云图特征分析

6月14日20:45 UTC(见图3(a))，北美东海岸附近有团块状的白色密闭云区，云团结构较为松散且边缘不整齐，呈“逗号”状结构。15日02:45 UTC～14:45 UTC(见图3(b)、3(c)、3(d))，随着气旋快速发展，云团结构更加紧密，轮廓愈加清晰。暖锋云带向北突起，云团南侧有一条东北-西南向的冷锋云带，锋面云系呈“人”字形分布。有云区和无云区之间的边界逐渐清晰，其西侧干舌(黑色无云区)范围扩大且向气旋中心突起，表明有干冷空气从气旋后部侵入到斜压云带的西部，云带后界整齐光滑。随着气旋发展，积云对流强烈，云团北侧的气旋式弯曲更加明显，云系逆时针旋转并发展为“螺旋”状(见图3(d))，气旋中心出现“眼”状结构。

15日20:45 UTC(见图3(e))，云系发展旺盛，呈“螺旋”状结构，“眼”状结构的范围有所扩大。至16日02:45 UTC(见图3(f))，云团尾部结构逐渐松散。16日08:45 UTC(见图3(g))，随着气旋逐渐减弱，螺旋云系的旋转强度也明显减弱，云团结构整体变得松散，“眼”状区域的边缘逐渐模糊。至16日14:45 UTC(见图3(h))，云团的头尾部发生断裂，西南部的云团缓慢消散，东北部云团整体东移至北大西洋。

本文重点关注温带气旋的快速发展过程，因此需对气旋演变过程划分阶段。综合分析气旋海表面中心气压、气旋中心气压加深率及红外卫星云图特征，可将该气旋的演变过程划分为以下四个阶段：

初始阶段(14日12 UTC至14日22 UTC)：气旋中心气压缓慢降低，气旋中心气压加深率小于1 Bergeron，云团结构较为松散呈“逗号”状结构。

发展阶段(14日23 UTC至15日15 UTC)：气旋中心气压迅速降低，气旋中心气压加深率大于1 Bergeron，云系逆时针旋转为“螺旋”状，锋面云系呈“人”字形分布，气旋中心呈“眼”状结构。

成熟阶段(15日16 UTC至15日23 UTC)：气旋中心气压变化较小，气旋中心气压加深率小于1 Bergeron且迅速减小，并于15日20 UTC由正转负，云系发展旺盛呈“螺旋”状。

衰亡阶段(16日00 UTC至20日10 UTC)：气旋中心气压先迅速升高，气旋中心气压加深率在-0.8 Bergeron左右，之后气旋中心气压基本无变化，云团结构整体变得松散，“眼”状区域逐渐模糊，云团的头尾部发生断裂。

(红色实心圆点代表地面气旋中心位置。Red solid dots represent the center of the surface cyclone.)

3 天气形势分析

分析温带气旋演变过程中的天气形势选取以下四个时刻：6月14日12 UTC为温带气旋生成时刻，15日09 UTC为气旋中心气压加深率最大时刻，15日18 UTC为气旋中心气压最低时刻，17日06 UTC为气旋衰亡阶段代表时刻。

3.1 海表面分析

6月14日12 UTC(图略)， 气旋附近的等压线和等温线分布稀疏，风速较小，气旋强度较弱，其东北部海域气-海温差为负值。15日09 UTC(见图4(a))及18 UTC(见图5(a))，气旋附近的风场呈明显的气旋式弯曲且风速较大(大于10 m/s)，等压线密集，其中心西南侧和东北侧的等温线密集，与冷暖锋区对应。美国东海岸附近有条带状的气-海温差负值区，其位置与冷锋位置吻合，这与冷锋后冷空气入侵有关，也与墨西哥湾流将低纬度的暖水输送至中高纬度地区有关。气旋中心及其东侧存在范围宽阔的气-海温差正值区，与暖锋位置吻合，由于气旋发展过程中SST几乎不变，说明正值区与低空偏南风对暖空气的输送有关，该处的气-海温差于15日18 UTC(见图5(a))达到最大值5.5 K。

图4 2006年6月15日09 UTC的(a)海表面气压场(黑色实线，间隔4 hPa)、2 m高度气温场(红色实线，间隔3 ℃)、10 m高度风场(黑色箭头，大于10 m/s)和气-海温差(填色，间隔1.5 K，其值等于2 m高度气温减去海表面温度)，(黑色实心圆点代表地面气旋中心位置(下同)，线A1B1和C1D1用于剖面分析)；(b)850 hPa位势高度场(黑色实线，间隔30 gpm)、风场(红色箭头，大于12 m/s)和比湿(填色，间隔2 g/kg)；(c)500 hPa位势高度场(黑色实线，间隔50 gpm)、温度场(红色虚线，间隔2 ℃)和风场(蓝色箭头，大于25 m/s)，(棕色实线代表槽线)；(d)200 hPa位势高度场(黑色实线，间隔60 gpm)、温度场(红色虚线，间隔2 ℃)、风场(蓝色风羽，大于40 m/s，全风羽为4 m/s)和水平散度(填色，间隔2×10-5 s-1)

图5 同图4，但时间为2006年6月15日18 UTCFig.5 Same as in Fig. 4, but for 18 UTC 15 June，2006

17日06 UTC(图略)，气旋已处于衰亡阶段，其附近的等压线较为稀疏，风场的气旋式切变减弱，东南侧存在较弱的气-海温差正值区。

3.2 850 hPa分析

6月14日12 UTC(图略)，地面气旋中心位于西南低空急流的左侧，低空急流向气旋中心输送暖湿空气，可为气旋发展提供充足的动量、热量和水汽，气旋中心附近的比湿大值区呈“逗号”状。此外，当暖湿空气被输送至中高纬度较干冷空气的下方时可产生对流性不稳定，配合低空急流左侧上升运动的触发作用易产生对流性天气。

随着气旋的发展，这支西南低空急流在东移过程中增强且范围增大。15日09 UTC(见图4(b))及18 UTC(见图5(b))，风速大值中心、比湿大值区及低涡相配置，气旋中心附近的高湿区呈“螺旋”状分布，与对应时刻的螺旋云系形状吻合，部分地区比湿可达12.8 g/kg。此外，低空急流的左、右两侧分别存在辐合上升及辐散下沉运动，而地面气旋中心恰好位于其左侧的上升运动区，有利于气旋式涡度中心的加强。

17日06 UTC(图略)，低空急流转为偏西，水汽水平输送减弱，气旋上空比湿较小(小于7 g/kg)，水汽条件不足可能是气旋的消亡原因之一。

3.3 500 hPa分析

6月14日12 UTC(图略)，北大西洋区受北美大槽控制，槽线呈东北-西南向，地面气旋中心位于槽的底部且其附近风速较小。

15日09 UTC(见图4(c))及18 UTC(见图5(c))，北美大槽振幅增大并演化为南北两个槽，北部的槽位于加拿大东部沿海地区，南部的槽位于北美东海岸附近，南部槽前的暖平流及槽后的冷平流增强，大气斜压结构明显。15日18 UTC(见图5(c))气旋中心附近的等高线和等温线近乎垂直，温度平流达到最强。地面气旋中心位于高空槽前，槽前存在正涡度平流引起气流辐散，在低层产生补偿性的上升运动，从而有利于地面气旋的发展。该阶段气旋上空出现闭合中心，说明气旋和冷涡融合形成了自地面至500 hPa乃至更深厚的涡旋系统，地面气旋中心位于闭合环流的东南部。

17日06 UTC(图略)，50°N附近等高线较为平直，高空风速减小且无闭合中心，气旋系统逐渐填塞减弱。

3.4 200 hPa分析

6月14日12 UTC(图略)，高空急流轴位于41°N附近，最大风速为60.7 m/s，地面气旋中心位于高空急流右后方，低空对应辐合上升运动，使得地面减压从而有利于气旋发展。

15日09 UTC(见图4(d))及18 UTC(见图5(d))，高空急流演变为南北两支，两个急流大风核随时间向东传播，槽前的北支高空急流轴位于46°N左右，中心风速可达63.8 m/s，槽底的南支高空急流轴约位于36°N，中心风速为56 m/s。地面气旋中心逐渐北移并位于北支高空急流入口区右侧的气流辐散区，根据大气质量连续性原理，这会促进中层的上升运动及低层空气辐合，为气旋发展提供了充足的动力条件。

17日06 UTC(图略)之后，高空急流逐渐发展为平直的准西风急流，不利于高层辐散场的形成及大气斜压性的增强，在一定程度上加速了气旋的衰亡。地面气旋中心已越过急流轴并到达高空急流的左侧，强的气旋式切变涡度造成高空气流辐合会阻碍地面气旋的发展，此后气旋逐渐脱离高空急流的影响。

4 物理因子分析

4.1 大气环境场分析

斜压大气有利于温带气旋的发展，大气斜压性指数(Baroclinic Index, BI)可度量大气斜压性，也可度量大气环境促进气旋系统发展的能力，其计算公式[20]为：

6月14日12 UTC(见图6(a))，气旋附近的等高线和等温线分布均较稀疏，大气斜压性较弱，冷暖锋区不明显。15日09 UTC(见图6(b))及18 UTC(见图6(c))，气旋附近等压线密集，其西南侧和东北侧等温线密集分别对应冷锋和暖锋，冷锋处有较强的冷平流，暖锋处有较强的暖平流持续向气旋东部输送暖空气，从图4(a)及5(a)中也可看出其东部的气-海温差正值区逐渐增强。锋区附近的热成风及大气斜压性均较强，尤其暖锋一侧斜压性极强，大气斜压性指数大值区沿着暖锋呈“叶”状分布。17日06 UTC(见图6(d))，气旋附近的等高线和等温线逐渐稀疏，温度平流及大气斜压性也明显减弱。

4.2 涡度分析

4.2.1 500 hPa涡度分析 6月14日12 UTC(图略)，地面气旋中心位于涡度平流几乎为零的北美大槽槽线附近，正负涡度平流总体较小，高层动力强迫较弱。15日09 UTC(见图7(a))及18 UTC(见图7(b))，气旋中心位于槽前的正涡度平流区，15日18 UTC正涡度平流可达6×10-8s-2，高层动力强迫明显增强。高层气流辐散，在动力强迫作用下低层产生补偿性的上升运动，地面减压，有利于气旋系统快速发展。17日06 UTC(图略)，相对涡度平流有所减弱，气旋中心逐渐远离涡度平流大值区，系统趋于衰亡。

图6 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)15日09 UTC，(c)15日18 UTC和(d)17日06 UTC的850 hPa位势高度场(黑色实线，间隔30 gpm)、温度场(红色实/虚线，间隔2 ℃)和大气斜压性指数(填色，间隔0.5×10-5 s-1)Fig.6 Geopotential height (solid black lines, 30 gpm interval), air temperature (solid/dashed red lines, 2 ℃ interval) and baroclinic index (shaded, 0.5×10-5 s-1 interval) at 850 hPa at (a)12 UTC 14, (b)09 UTC 15, (c)18 UTC 15 and (d)06 UTC 17 June，2006

图7 (a)2006年6月15日09 UTC和(b)15日18 UTC的500 hPa位势高度场(黑色实线，间隔40 gpm)、温度场(红色虚线，间隔2 ℃)和相对涡度平流(填色，间隔0.4×10-8 s-2)；(c)15日09 UTC和(d)15日18 UTC相对涡度(填色，间隔10×10-5 s-1)、垂直速度(黑色实/虚线，间隔0.6 Pa/s)和水平风场(蓝色风羽，全风羽为4 m/s)沿线AiBi(i=1,2)的垂直剖面Fig.7 Geopotential height (solid black lines, 40 gpm interval), air temperature (dashed red lines, 2 ℃ interval) and advection of relative vorticity (shaded, 0.4×10-8 s-2 interval) at 500 hPa at (a)09 UTC 15 and (b)18 UTC 15 June 2006. The vertical cross section analyses of relative vorticity (shaded, 10×10-5 s-1 interval), vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) and horizontal wind (blue barb, full barb is 4 m/s) alone the lines AiBi (i=1,2) at (c)09 UTC 15 and (d)18 UTC 15 June，2006

4.2.2 涡度垂直剖面分析 从相对涡度的垂直剖面来看，在气旋的发展阶段及成熟阶段，气旋附近整个对流层受较强的正涡度控制。6月15日09 UTC(见图7(c))，气旋上空1 000～200 hPa存在高涡度柱，相对涡度大值中心位于1 000 hPa左右，最大值为1.12×10-3s-1，气旋附近的正涡度(即气旋式涡度)区对应气旋性(逆时针)流场，从图中也可看出气旋西侧为偏北风而东侧为偏南风。15日18 UTC(见图7(d))，涡度柱包含两个涡度大值中心，对流层中下层的大值中心位于950 hPa附近，中心值为1.09×10-3s-1，对流层上层的大值中心位于400 hPa左右且强度较小，高低层强涡度因子的叠加代表气旋已发展至成熟状态。

4.3 位涡分析

位势涡度(Potential Vorticity, PV)是综合表征大气热力学和动力学性质的一个重要物理量[21]，是诊断气旋演变的有效工具，其单位为PVU(1 PVU=10-6K·kg-1·m2·s-1)，计算公式为：

式中：g为重力加速度；f为科氏参数；ζ为相对涡度；θ为位温；P为气压。

4.3.1 200 hPa的PV分析 6月14日12 UTC(见图8(a))，气旋的高层(200 hPa)上游已有与极地“PV库”(PV Reservoir)相连的PV大值区存在，其边缘与20%相对湿度等值线基本吻合，高空急流位于PV大值区的南侧，地面气旋中心位于高空急流南侧。

随着气旋的发展，PV大值区出现明显的气旋式扭转，高位涡区向低位涡区深入，“拱”形的低PV舌(小于1 PVU)将极地高PV库向北推进。Posselt和Martin[22]指出，爆发性气旋发展过程中经常在对流层上部出现“钩”(Hook)状的PV正异常。15日09 UTC(见图8(b))及18 UTC(见图8(c))，中纬度PV大值区呈“钩”状形态，由于高PV库位于极地平流层，因此中纬度对流层上部“钩”状高PV舌的出现是气旋上空对流层顶折叠引起平流层空气入侵的结果[23]，PV大值区内的相对湿度小于20%，地面气旋中心逐渐北移穿过急流轴并位于“钩”状结构的尖端。

17日06 UTC(见图8(d))，地面气旋中心北移至高空急流的北侧，高PV区覆盖在气旋系统的上空但“钩”状结构已消失。

图8 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)15日09 UTC，(c)15日18 UTC和(d)17日06 UTC的200 hPa位势涡度场(填色，间隔1 PVU)、风场(红色箭头，大于30 m/s)和相对湿度(蓝色虚线，20%相对湿度等值线)Fig.8 Potential vorticity (shaded, 1 PVU interval), wind (red arrows with values greater than 30 m/s) and relative humidity (dashed blue lines, contoured for 20%) at 200 hPa at (a)12 UTC 14, (b)09 UTC 15, (c)18 UTC 15 and (d)06 UTC 17 June，2006

4.3.2 PV垂直剖面分析 6月15日09 UTC(见图9(a))，2 PVU等位涡线作为动力对流层顶[24]维持在350 hPa以上，从图中可看出对流层顶发生折叠，致使高位涡空气从平流层延伸至对流层中高层，高层PV大值区的出现与加强可促进气旋的爆发性发展。

Pang和Fu[23]研究指出温带气旋发展过程中通常存在三种PV正异常，即对流层上部、对流层下部及近地面PV正异常。当气旋发展至成熟阶段，这三种PV正异常通常垂直排列并形成“PV塔”(PV Tower)，表明具有异常高PV值的空气形成了一个贯穿对流层的气柱，能够产生从地面至对流层的强气旋式环流，对气旋的发展具有重要影响。15日18 UTC(见图9(b))，对流层上部260 hPa附近的PV大值中心达11.2 PVU，对流层低层800 hPa存在一个强度达7 PVU的PV大值中心，近地面930 hPa也存在向上延伸的PV大值区(中心值为13.8 PVU)。高低层的PV大值区通过1 PVU等值线连接形成垂直发展的“PV柱”，在气旋上空形成PV塔(大于1 PVU)，PV塔中具有很强的风速水平梯度，高层异常位涡能量和动量的下传促使低层系统发展增强。Uccellini等[25]指出，当平流层的高位涡空气向下延伸至对流层并形成PV塔时，对气旋的爆发性发展有极大的促进作用。

图9 (a)2006年6月15日09 UTC和(b)15日18 UTC位势涡度场(填色，间隔1 PVU；红色实线，1 PVU等位涡线；蓝色实线，2 PVU等位涡线)和风速(黑色实线，间隔4 m/s)沿线AiBi(i=1,2)的垂直剖面Fig.9 The vertical cross section analyses of potential vorticity (shaded, 1 PVU interval; solid red lines, contoured for 1 PVU; solid blue lines, contoured for 2 PVU) and wind velocity (solid black lines, 4 m/s interval) alone the lines AiBi (i=1,2) at (a)09 UTC 15 and (b)18 UTC 15 June，2006

4.4 潜热分析

6月15日09 UTC，气旋中心东侧1 000～650 hPa存在向上伸展的湿舌(见图10(b))，近地面比湿可达15.6 g/kg，西侧比湿相对较小，这与850 hPa水汽通量散度的分布特征(见图10(a))吻合，即气旋中心的东北侧存在水汽通量散度负值区而西南侧存在正值区，说明水汽被辐合到气旋的东北部。高湿区配合上升运动可产生凝结潜热维持高空温度，不仅使得气旋中心附近的等位温线下凹形成暖心结构，还可避免高空降压过快，有利于高空辐散场持续稳定存在，从而使得气旋加深发展。

Hsu和Li[26]研究表明，天气尺度的视热源Q1和视水汽汇Q2加热(冷却)异常与气旋(反气旋)涡度扰动是同位相的。Yanai等[27]指出，Q1代表总的非绝热加热(包括辐射、潜热和表面热通量)以及次网格尺度的热通量辐合，Q2代表由于冷凝或蒸发过程产生的潜热以及次网格尺度的水汽通量辐合。从Q1/CP的垂直剖面(见图10(c))来看，气旋上空东侧存在强度可达101.4 K/d的视热源正值区，大值中心位于600 hPa左右，可见对流层低层的非绝热加热强度小于对流层中高层，根据位势倾向方程，位势倾向与非绝热加热强度随高度的变化成反比，由于最大加热层次(600 hPa)以下非绝热加热强度随高度增加，因此等压面高度随时间降低，对气旋发展有利。Q2/CP可表征潜热释放[28]，王坚红等[29]指出气旋中释放的凝结潜热对暖季气旋的发展起重要作用，在气旋发展过程中潜热释放垂向上主要位于对流层的中低层(见图10(d))，强度可达210.6 K/d。另外，本文在第5部分利用Zwack-Okossi方程对非绝热加热进行了更加详细的诊断分析。

图10 2006年6月15日09 UTC的(a)850 hPa位势高度场(黑色实线，间隔30 gpm)、风场(蓝色箭头，大于12 m/s)和水汽通量散度(填色，间隔2×10-8 g/(s·hPa·cm2))；(b)比湿(填色，间隔2 g/kg)、位温(红色实线，间隔5 K)和垂直速度(黑色实/虚线，间隔0.6 Pa/s)沿线A1B1的垂直剖面；(c)Q1/CP(填色，间隔20 K/d)、垂直速度(黑色实/虚线，间隔0.6 Pa/s)和温度(红色实/虚线，间隔5℃)沿线A1B1的垂直剖面；(d)Q2/CP(填色，间隔20 K/d)、垂直速度(黑色实/虚线，间隔0.6 Pa/s)和温度(红色实/虚线，间隔5℃)沿线A1B1的垂直剖面Fig.10 (a) Geopotential height (solid black lines, 30 gpm interval), wind (blue arrows with values greater than 12 m/s) and water vapor flux divergence (shaded, 2×10-8 g/(s·hPa·cm2) interval) at 850 hPa; (b) The vertical cross section analyses of specific humidity (shaded, 2 g/kg interval), potential temperature (solid red lines, 5 K interval) and vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) alone the lines A1B1; (c) The vertical cross section analyses of Q1/CP (shaded, 20 K/d interval), vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) and air temperature (solid/dashed red lines, 5℃ interval) alone the lines A1B1; (d) The vertical cross section analyses of Q2/CP (shaded, 20 K/d interval), vertical velocity (solid/dashed black lines, 0.6 Pa/s interval) and air temperature (solid/dashed red lines, 5℃ interval) alone the lines A1B1 at 09 UTC 15 June, 2006

5 Zwack-Okossi方程诊断分析

为定量分析各物理量对气旋发展的贡献，选取6月14日12 UTC(温带气旋生成时刻)、14日23 UTC(初始爆发时刻)、15日09 UTC(气旋中心气压加深率最大时刻)和15日18 UTC(气旋中心气压最低时刻)四个时刻利用Zwack-Okossi方程进行诊断分析。Zwack和Okossi[30]给出了Zwack-Okossi方程的准地转形式，本文使用Lupo等[31]提出的广义形式的Zwack-Okossi方程：

图11 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)14日23 UTC，(c)15日09 UTC和(d)15日18 UTC的950 hPa地转涡度倾向(黑色实/虚线，间隔1×10-9 s-2)、Zwack-Okossi方程右边九项之和(填色，间隔1×10-9 s-2)Fig.11 Geostrophic vorticity tendencies at 950 hPa (solid/dashed black lines, 1×10-9 s-2 interval) and the sum of the nine terms on the right hand side of Zwack-Okossi equation (shaded, 1×10-9 s-2 interval) at (a)12 UTC 14, (b)23 UTC 14, (c)09 UTC 15 and (d)18 UTC 15 June,2006

从图11可以看出，Zwack-Okossi方程右边九个强迫项所产生的950 hPa地转涡度倾向与950 hPa地转涡度局地变化的水平分布相似、数量级相当，二者变化趋势也较为一致，因此用该方程诊断各强迫项对近地面地转涡度局地变化的贡献是可行的。6月14日12 UTC(见图11(a))，气旋中心的东北部存在强度较弱的地转涡度倾向正值区，最大值仅为2.8×10-9s-2，其西北侧负值区的范围和强度均较小；气旋初始爆发时刻(见图11(b))，地转涡度倾向正值区的范围和强度都增大，气旋西部负值区增强至-3.4×10-9s-2；15日09 UTC(见图11(c))，正地转涡度倾向的中心值增大为1.09×10-8s-2，负地转涡度倾向的中心值达-7.5×10-9s-2，气旋中心靠近地转涡度倾向正值区，此时气旋中心气压加深率达最大；当气旋中心气压降至最低时(见图11(d))，地转涡度倾向正值区略微增强(中心值为1.12×10-8s-2)，而负值区强度稍减弱(中心值为-6.9×10-9s-2)，此后气旋中心气压开始上升，气旋强度逐渐减弱。另外也可看出，近地面地转涡度倾向与气旋强度的变化较为一致，表明可用Zwack-Okossi方程计算得出的950 hPa地转涡度倾向度量气旋强度变化。

经计算表明，Zwack-Okossi方程右边的后五项(FRIC、AGEO、VORV、TILT和VDIV)数量级约为10-11s-2，而前四项(VADV、TADV、DIAB和ADIA)的数量级大致为10-9s-2或10-10s-2，即后五项比前四项在数值上小一或两个数量级，因此仅讨论前四项对地转涡度倾向的贡献。6月14日12 UTC(见图12(a))，热带低压刚变性为温带气旋，绝对涡度平流项、温度平流项和非绝热项对气旋发展有正贡献，但涡度平流和温度平流的强度很小，因此该阶段主要是非绝热加热过程促进了气旋发展，而绝热项不利于气旋发展。14日23 UTC(见图12(b))，绝对涡度平流项增强(由6.2×10-11s-2增大到4.56×10-10s-2)，非绝热项略有减弱(由9.91×10-10s-2减小到7.72×10-10s-2)， 二者对气旋发展有正贡献，而温度平流项和绝热项对气旋发展起阻碍作用。15日09 UTC(见图12(c))，绝对涡度平流项和非绝热项迅速增强，进一步促进了气旋的爆发性发展，且非绝热项的贡献最大，温度平流项和绝热项对气旋发展的负贡献也加强，说明气旋快速发展的主要影响因子是正涡度平流和非绝热加热的增强。15日18 UTC(见图12(d))，绝对涡度平流项、非绝热项和绝热项均减弱，温度平流项有所增强，温度平流项和绝热项依然不利于气旋发展，此时绝对涡度平流项和非绝热项对气旋发展的正贡献大小相当(分别为4.22×10-10s-2和4.99×10-10s-2)。

图12 (a)2006年6月14日12 UTC，(b)14日23 UTC，(c)15日09 UTC和(d)15日18 UTC围绕气旋中心区域平均(10°×10°)的绝对涡度平流项(VADV)、温度平流项(TADV)、非绝热项(DIAB)、绝热项(ADIA)以及Zwack-Okossi方程右边九项之和(Total)Fig.12 Four individual terms (VADV, TADV, DIAB, and ADIA) and the sum of the nine terms on the right hand side of Zwack-Okossi equation (Total) within an area-mean (10°×10°) regarding to cyclone center at (a)12 UTC 14, (b)23 UTC 14, (c)09 UTC 15 and (d)18 UTC 15 June,2006

综合以上分析可知，绝对涡度平流项和非绝热项始终对气旋发展有正贡献，且非绝热加热对气旋快速发展的贡献最大，这与前文得出的结论一致，即高空槽前的正涡度平流及气旋上空的潜热释放均有利于气旋发展。另外，热带低压刚变性为温带气旋时，温度平流项的贡献为正，此后贡献一直为负，而绝热项始终不利于该气旋的发展，二者相比，对气旋发展起阻碍作用的主要是绝热项。

6 总结与讨论

本文对2006年6月14日12 UTC～20日10 UTC发生在北大西洋上的一个爆发性气旋进行了分析，该气旋由热带风暴Alberto变性后发展而来。热带风暴Alberto北移登陆后因水汽供应减少、下垫面摩擦增大等因素减弱成热带低气压，之后由于冷空气入侵及中高纬天气系统的影响变性为温带气旋，而温带气旋东移入海后水汽条件充沛，非绝热加热过程使得气旋再度加强直至爆发，该温带气旋的演变过程可划分为初始、发展、成熟和衰亡共四个阶段。

从天气形势来看，在气旋的发展阶段，气旋经过SST梯度大值区时爆发性发展，850 hPa西南低空急流向气旋中心输送暖湿空气，为气旋发展提供动量、热量和水汽；500 hPa高空槽前的正涡度平流引起气流辐散，低空产生补偿性的辐合上升运动促进气旋系统增强；200 hPa高空急流入口区右侧的气流辐散区为气旋发展提供了充足的动力条件。

研究影响气旋发展的物理因子发现，低层大气强烈的温度平流导致的大气斜压性对气旋发展有利，BI大值区沿着暖锋呈“叶”状分布；500 hPa槽前的正涡度平流可使地面减压，高低层强涡度因子的叠加代表气旋已发展至成熟状态；对流层顶折叠过程致使高位涡空气从平流层延伸至对流层中高层，200 hPa出现“钩”状的PV正异常，垂向上对流层高低层的PV大值区连通形成PV塔，异常位涡能量的下传促使低层系统发展增强；气旋东北部的高湿区配合上升运动可释放凝结潜热促使气旋加深，且潜热释放(Q2/CP)垂向上主要位于对流层中低层。

利用Zwack-Okossi方程进行诊断分析发现，在该气旋发展过程中绝对涡度平流项和非绝热项的贡献始终为正，且非绝热加热对气旋快速发展的贡献最大，而温度平流项和绝热项对气旋发展起阻碍作用。已有不少学者利用Zwack-Okossi方程对不同的爆发性气旋进行诊断研究，例如王劲松等[32]对1981年12月20～21日发生在西北太平洋的一次爆发性气旋进行诊断，发现涡度平流对该气旋发展的贡献最大，而非绝热加热影响较小；黄立文等[33]考察了1982年3月1日00时～3日00时以及1983年1月3日00时～5日00时这两个西北太平洋爆发性气旋，指出热力强迫对气旋发展起主要控制作用，涡度平流的动力作用较小。可见气旋爆发性发展的主要影响因子存在个例上的差异，至于温带气旋爆发性发展的影响因子是否存在季节规律、空间规律或其他规律，还需进行更加深入的研究。