爆发性气旋的前世今生*

傅 刚 陈莅佳 李鹏远 庞华基 张树钦

1 中国海洋大学海洋气象学系,青岛 266100 2 青岛市气象局,青岛 266003 3 广东海洋大学海洋与气象学院,广东湛江 524088

提 要： 温带气旋是中纬度地区每日天气舞台上最重要的“演员”。在秋冬季节的中高纬度海洋上有一类快速发展的温带气旋——“爆发性气旋”,尚未受到公众的广泛关注。文章围绕这一主题,首先回顾了温带气旋研究的历史,介绍了“爆发性气旋”这一术语产生的渊源,并对多位学者给出的爆发性气旋定义进行了系统梳理,重点介绍了一个考虑风速影响的、修正的爆发性气旋定义，还总结了爆发性气旋的研究现状,最后对其未来数十年的研究前景进行了阐述展望。

引 言

自20世纪初Bjerknes(1919)提出了极锋理论/气旋模型以来, 温带气旋(extratropical cyclone)已经受到了一个多世纪的广泛关注。2019年,为纪念挪威卑尔根学派(Bergen School of Meteorology in Norway)创建温带气旋模型100周年，及美国气象学会(American Meteorology Society)诞生100周年,英国曼彻斯特大学的David M. Schultz教授和美国纽约州立大学阿尔巴尼分校的Lance F. Bosart 教授等11位国际著名学者,联名为庆祝美国气象学会百年华诞的专辑(MeteorologicalMonographs)撰写了文章(Schultz et al,2019),对100多年来人类对温带气旋的研究成果进行了系统回顾与总结。

地球是人类已知的唯一拥有液态水的行星,海洋则是人类已知星球上承载的最大水体,其面积约占71%的地球表面积。海洋不但是生命的摇篮,更是风雨的故乡。2021年世界气象日的主题是“海洋,我们的气候和天气”(The Ocean, Our Climate and Weather),这一主题充分体现了海洋对地球气候变化和天气系统影响的重要性。

随着我国经济的高速发展, 各个大洋上的物资运输日趋繁忙, 特别需要对爆发性气旋做出精准预报。因此深入、系统地开展对大洋上爆发性气旋发展机理的研究,对于保障海上活动安全、提高对海上爆发性气旋的认识水平具有重要的意义。

本文由以下5部分组成:1.历史背景;2.爆发性气旋的定义;3.研究现状;4.未来展望;5.结论与讨论。期盼本文能为提高人们对海上爆发性气旋这类危险天气系统的认识水平做出贡献。

1 历史背景

1918年10月,不足21岁的Jacob(也被拼写为Jakob)Bjerknes把论文“On the Structure of Moving Cyclones”投稿到MonthlyWeatherReview(Bjerknes,1919)。1919年2月1日,该刊在第47卷第2期发表了此文。1918年11月5日,Jacob Bjerknes还把同名论文投到了挪威的GeofysiskePublikasjoner杂志,后刊载于1919年的1卷第2期。为什么同一篇论文同时于1919年在两个不同期刊上发表？这是一个谜。按照Schultz et al(2019)的看法,当时Jacob很年轻,很可能是他父亲Vilhelm Bjerknes选择了以上两个杂志。Vilhelm Bjerknes很清楚地意识到,需要尽快发表这些新的研究成果。GeofysiskePublikationer是一本新的学术期刊,这个新期刊作为突破性研究工具的能力尚未得到证实。Vilhelm Bjerknes认识到MonthlyWeatherReview是最值得信赖的,因为这个杂志相对受第一次世界大战的影响较小,对德国人和奥地利人而言也可能不具挑衅性。因此,Vilhelm Bjerknes要Jacob把该文投给了MonthlyWeatherReview。

在该文中,Jacob Bjerknes首次提出了锋面气旋概念模型(图1),该气旋模型被后人广泛称为“挪威气旋模型”(Norwegian cyclone model)。虽然从各个方面来看“挪威气旋模型”很完美,但这个概念模型存在重大缺陷。Shapiro and Keyser(1990)把现场观测资料和数值模拟结果相结合,提出了一个关于海洋上温带锋面气旋的新概念模型(图2)。该模型是从沿着一个连续的广阔锋区的“初始旋生”(incipient cyclogenesis)开始(第Ⅰ阶段)。在“旋生”作用的初始阶段,原先连续的锋面发生了断裂,不连续的“冷锋”和“暖锋”的温度梯度发生收缩(第Ⅱ阶段)。“暖锋”随后向西发展,进入低压后面的北方气流,Shapiro and Keyser(1990)将其称为“后弯暖锋”(bent-back warm front),暖区(warm sector)变窄,导致明显的锋面“T型”(T-bone)结构(第Ⅲ阶段)。最终围绕低压中心形成了冷空气和“后弯暖锋”的“暖核隔离”(warm-core seclusion) (第Ⅳ阶段)。这个被修正的气旋模型也被称为“Shapiro-Keyser气旋模型”(Shapiro-Keyser Cyclone Model) (Shapiro and Keyser, 1990)。按照Schultz and Vaughan(2011)的观点,“Shapiro-Keyser气旋模型”改写了“挪威气旋模型”中冷暖锋的运动机制,挪威经典模型认为锋面运动是冷锋追赶暖锋的过程,最终形成锢囚。而现代研究认为,锋面锢囚过程不是追赶机制,而是热波卷裹机制。另外在“挪威气旋模型”中,锢囚是指气旋加深阶段的结束,因为暖空气从低压中心离开,意味着气旋不再有可用的储存在暖区的势能。但观测发现,一些气旋在锢囚后继续加深。

图1 Jacob Bjerknes于1919年首次提出的温带气旋概念模型[本图引自Bjerknes(1919)，陈莅佳重绘]Fig.1 Extratropical cyclone model firstly put forward by Jacob Bjerknes in 1919[from Bjerknes(1919), redrawn by Chen L J]

图2 Shapiro and Keyser(1990)提出的海洋上温带锋面气旋模型,初始锋面气旋(第Ⅰ阶段)，锋面收缩(第Ⅱ阶段)，后弯暖锋(第Ⅲ阶段)，暖核隔离(第Ⅳ阶段)(a)海平面气压(实线)、锋面(粗线)，(b)气温(实线)、冷暖气流(实线和虚线箭头)[本图引自Schultz et al(2019),陈莅佳重绘]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]

有关锋面气旋概念模型发展的历史,可参阅陶祖钰和闻新宇(2016)。

在各种温带气旋中,有一类气旋在其快速发展过程中会带来不亚于热带气旋的破坏效果。1979年8月10—13日,英国皇家海洋竞赛俱乐部举办了第28届Fastnet帆船赛(图3)，12—13日的比赛遇到了该海域历史上最严重的风暴(图4),这个“致命的风暴”导致18人死亡(15名帆船选手和3名救援人员),造成了巨大的人员和财产损失。在出发的303艘帆船中,只有85艘(也有媒体报道是86艘)完成了全程比赛。其余的帆船中有194艘退出比赛,24艘被遗弃,至少有75艘帆船倾覆,5艘没有留下任何痕迹。大约4 000人参与了营救,救援行动甚至动用了英国皇家海军的军舰、救生艇、直升机(图5),以及荷兰皇家海军的驱逐舰等救援力量,共搜救出80艘帆船和136名水手,成为和平时期最大的救援行动。2019年10月,“1979年法斯特奈特事件爱尔兰幸存者联盟”还在爱尔兰举行40周年纪念仪式(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日访问).,悼念不幸死去的人。由此可见该风暴对国际帆船运动的影响有多么深远。

图3 1979年8月英国皇家海洋竞赛俱乐部帆船赛比赛路线图(红线)[出发点是英格兰的考斯(▲),帆船向西行驶到爱尔兰南部的法斯特奈特岩石(Fastnet Rock)(●)后向东折返,比赛终点是英格兰的普利茅斯(╋)]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 (╋)]

图4 (a)1979年8月风暴Fastnet移动路径,(b)1979年8月13日15:37 UTC的NOAA-5卫星红外云图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

图5 英国皇家海军的直升飞机在救助遇险的帆船比赛选手[照片来自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日访问)]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)

在悲剧发生不到两个月后,1979年10月,Rice(1979)在国际帆船运动的专业杂志Sail上(图6)发表了一篇只有两页的论文。在这篇论文中他不经意使用了单词“explosive”,为后来Sanders and Gyakum (1980)创造的一个著名的气象术语“气象炸弹”创造了机会(图7),因为只有“炸弹”才会具有“explosive”的特性。“法斯特奈特风暴”事件不但在国际帆船比赛历史上留下了“浓彩重笔”,而且也促使国际气象界开启了研究“爆发性气旋”之进程。

图6 1979年10月Robert B. Rice在国际帆船运动的专业杂志Sail上发表了两页论文Tracking a Killer Storm全文(图中框线标识为“truly explosive development”的出处)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”)

图7 美国麻省理工学院Sanders and Gyakum(1980)在Monthly Weather Review上发表的论文首页(图中框线标识为“example of the meteorological ‘bomb’”的出处)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’”)

也还是从这篇小论文里, 美国麻省理工学院气象系教授erick Sanders和他的博士研究生 J. R. Gyakum敏锐地认识到这种天气系统的危险性,把它命名为“气象炸弹”或“爆发性气旋”。Sanders and Gyakum(1980)发表了论文“Synoptic-Dynamic Climatology of the ‘Bomb’”。至此之后,国际气象界对这种快速发展的气旋系统进行了广泛深入的研究，每年发表的论文呈“雪崩”式增长。 这篇具有里程碑意义的论文, 也彰显了erick Sanders教授洞察海洋上危险天气现象的敏锐眼光及其学术功力。

2 爆发性气旋的定义

Bergeron(1954)注意到了气旋的快速发展现象，他在文中不仅讨论了热带气旋的“快速发展”,还专门探讨了夏季和秋季波罗的海、斯堪的纳维亚南部地区、荷兰和德国北部地区发生的5个飓风的“快速加深”现象,即:1882年7月10—11日的“波罗的海夏季飓风”;1912年10月1—2日“波罗的海副热带飓风”;1921年10月22—23日“斯堪的纳维亚南部副热带飓风”;1929年7月7—8日的“波罗的海夏季飓风”；1950年7月25—30日“斯堪的纳维亚低压”。他在讨论1921年10月23日在斯堪的纳维亚南部的一个气旋时,提到了中心气压每小时下降 1 hPa的现象。Bergeron(1954)虽然发现了气旋的爆发现象,但他并没有明确给出爆发性气旋的定义。

Sanders and Gyakum(1980)首次明确给出了爆发性气旋的定义:若气旋中心海面气压在24 h内经过地转调整到60°N后下降到24 hPa以上,即气旋中心气压加深率大于1 hPa·h-1,该气旋就被称为爆发性气旋。取60°N是因为挪威学派所在的卑尔根市纬度大约是60°N。 该定义考虑了气旋中心所处地理位置纬度的差异。由于进行了地转调整,因此在纬度高的地球两极附近，气旋中心气压24 h需下降28 hPa以上才能被称为爆发性气旋；而在纬度较低的25°S/°N附近只要达到12 hPa以上就可被定义为爆发性气旋(Sanders and Gyakum,1980)。

2.1 地转调整纬度的修正

Sanders and Gyakum(1980)对北半球1976—1979年冷季(9月至次年5月)发生的爆发性气旋进行了统计,发现北半球的爆发性气旋多位于60°N以南,集中分布于30°～50°N,只有2例发生于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)的爆发性气旋定义,对不同区域的爆发性气旋开展了统计分析,结果均显示爆发性气旋多发生于中纬度地区(30°～60°N)。由此可见,Sanders and Gyakum(1980)将爆发性气旋的中心降压值地转调整到60°N与爆发性气旋的频发纬度存在偏差。因此,在Sanders and Gyakum(1980)的定义基础上,一些学者对其爆发性气旋定义中的地转调整纬度进行了修正。

Roebber(1984)把地转调整纬度选在42.5°N,气旋的中心气压加深率R为:

(1)

式中：P为气旋的中心气压,φ为气旋中心的纬度,下标t-12和t+12分别表示12 h前后变量。

而Gyakum et al(1989)把地转调整纬度选为45°N，气旋的中心气压加深率R为:

(2)

相对于Sanders and Gyakum(1980),Roebber(1984)和Gyakum et al(1989)选择了较低的地转调整纬度,即气旋中心的24 h降压值要大于Sanders and Gyakum(1980)定义中的值,才能符合爆发性气旋的定义。在Roebber(1984)和Gyakum et al(1989)定义的1 Bergeron大约与Sanders and Gyakum(1980)定义的1.2 Bergeron相当。

2.2 降压时间间隔的修正

由于过去一些资料的时间间隔多为12 h,故学者们多采用24 h时间间隔来定义爆发性气旋(Sanders and Gyakum,1980;Roebber,1984;Chen et al,1992;Wang and Rogers,2001)。随着资料时间分辨率由12 h提高到6 h,一些学者对Sanders and Gyakum(1980)的爆发性气旋定义中的时间间隔进行了修正。

为了能够刻画一些发展迅速的气旋，Yoshida and Asuma(2004)计算12 h内气旋中心气压的变化, 但地转调整纬度仍然为60°N,气旋中心气压加深率R为:

(3)

为了分析研究时间尺度更短的快速发展的气旋, Petty and Miller (1995)甚至把6 h内中心气压降低10 hPa的气旋就定义为爆发性气旋。

2.3 考虑风速影响的修正

Sanders and Gyakum(1980)、Roebber(1984)、Gyakum et al(1989)、Yoshida and Asuma(2004)等学者对“爆发性气旋”的定义中都强调气旋中心气压的快速下降,然而这些定义都没有考虑风速的影响。为了更深刻、清晰地理解“爆发性气旋”的定义,Fu et al(2020) 通过对大量的爆发性气旋个例分析,总结出爆发性气旋有以下四个主要特征:(1)中心气压快速下降,(2)快速气旋生成,(3)强风,(4)暴雨/雪。以上特征通常不是孤立的，而是相互关联的,在这些特征中,强风是伴随气旋爆发性发展最重要的因素,它会像热带气旋一样造成严重的破坏。因此应该与热带气旋的定义类似,风速作为一个重要因素在爆发性气旋的定义中应予以考虑。Fu et al(2020)利用北半球1979—2016年ERA-Interim资料,对海面10 m高度上温带气旋风速进行了详细分析,结果表明,虽然部分温带气旋的中心气压加深速率大于1 Bergeron,但有时风速很弱,有的最大风速甚至只有8.2 m·s-1。

由于海上爆发性气旋对船舶航行安全最大威胁是强风,世界气象组织也建议,当蒲氏风力大于8级(17.2 m·s-1)时应发布海上大风预警,因此修正后的爆发性气旋定义中选择17.2 m·s-1风速作为阈值是合理的。修正后的爆发性气旋定义,不仅应考虑气旋中心海表面气压要在24 h内下降达到24 hPa以上,而且海面10 m高度上的最大风速要大于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资料分析发现,共有6 392个温带气旋满足“爆发性气旋”的定义,但其中有1 112个气旋的最大风速小于17.2 m·s-1,应该被剔除。

3 研究现状

众多国内外学者已对爆发性气旋开展了广泛而深入的研究,如傅刚等(2017)。以下结合2017年后的有关论文,系统总结爆发性气旋的研究现状。

3.1 分 类

研究发现,不同强度、不同区域的爆发性气旋的移动路径、生命史等特征及其爆发机制有明显差异, 因此需要在强度上和区域上对爆发性气旋进行分类，以便更加深入、细致地研究爆发性气旋。

3.1.1 强度分类

Sanders(1986)根据爆发性气旋中心气压最大加深率的大小，把1981年1月至1984年11月发生在北大西洋中西部的爆发性气旋分为三类,分别为“强气旋”(>1.8 Bergeron)、“中等气旋”(1.3～1.8 Bergeron)、“弱气旋”(1.0～1.2 Bergeron)。Wang and Rogers(2001)统计分析了1985年1月至1996年3月发生在北半球(15°～90°N)的爆发性气旋, 依据爆发性气旋中心气压最大加深率的大小将其划分为三类, 分别为“强气旋”(≥1.80 Bergeron)、“中等气旋”(1.40～1.79 Bergeron)和“弱气旋”(1.00～1.39 Bergeron)。Wang and Rogers(2001)与Sanders(1986)的分类标准没有显著差异, 但在“中等气旋”和“弱气旋”的分界上有微小差别。另外十分遗憾，他们都没有给出三类气旋划分的理由和依据。

Zhang et al(2017)利用美国国家环境预报中心的再分析资料(FNL),分析了北太平洋2000—2015年期间每年10月至次年4月的爆发性气旋,指出把爆发性气旋分为四类更为合理,即：“弱气旋”(1.00～1.29 Bergeron)、“中等气旋”(1.30～1.69 Bergeron)、“强气旋”(1.70～2.29 Bergeron)、“超强气旋”(≥ 2.30 Bergeron)。孙雅文等(2018)利用FNL资料，对2000—2015年冷季(10月至次年4月)北大西洋上的爆发性气旋进行了分析，发现按中心气压加深率可将其分为四类, 即：“弱气旋”(1.00～1.44 Bergeron)、“中等气旋”(1.45～1.74 Bergeron)、“强气旋”(1.75～2.14 Bergeron)、“超强气旋”(≥2.15 Bergeron)。

3.1.2 区域分布

Wang and Rogers(2001)分析了北大西洋爆发性气旋最大加深率时刻气旋中心位置的空间分布, 发现有三个高频中心，根据其分布位置可将其划分为三类：NWA(the northwest Atlantic)、NCA(the north-central Atlantic)和NEA(the extreme northeast Atlantic)类爆发性气旋。Yoshida and Asuma(2004)统计分析了西北太平洋上的爆发性气旋，根据其生成和爆发地点的地理分布可划分成三类,第一类是在大陆上生成、在鄂霍次克海-日本海发展的爆发性气旋(the Okhotsk-Japan Sea type, OJ cyclone)；第二类是在大陆上生成、在太平洋发展的爆发性气旋(the Pacific Ocean-land type, PO-L cyclone)；第三类是在太平洋西部生成、中部发展的爆发性气旋(the Pacific Ocean-ocean type, PO-O cyclone)。Wang and Rogers(2001)是依据爆发性气旋最大加深点的空间分布,对北大西洋的爆发性气旋进行分类,而Yoshida and Asuma(2004)是根据爆发性气旋生成和爆发地点位置,对西北太平洋爆发性气旋进行分类。虽然他们的分类依据存在一定的差异,但都将爆发地点作为分类的重要依据。

Zhang et al(2017)研究指出,根据爆发性气旋中心气压最大加深率位置的空间分布,可以把整个北太平洋爆发性气旋划分成五类,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)、中东太平洋(the east-central Pacific,ECP)、东北太平洋(the northeastern Pacific,NEP)类爆发性气旋。

孙雅文等(2018)分析发现, 北大西洋爆发性气旋主要发生在4个区域，即：北美大陆区、西北大西洋区、北大西洋中央区和东北大西洋区。整个北大西洋区爆发性气旋个数随海表面中心气压最大加深率增大而减少，自西向东气旋强度增强，气旋移动路径呈西南—东北向。

3.2 气候学特征

3.2.1 区域分布特征

Sanders and Gyakum(1980)分析了1977—1979年冷季北半球爆发性气旋的气候学特征,指出爆发性气旋多发生在太平洋和大西洋的西北部。Roebber(1984)和Rogers and Bosart(1986)统计分析也指出，西北太平洋和西北大西洋是爆发性气旋的频繁发生地。Lim and Simmonds(2002)指出,西北太平洋是全球爆发性气旋发生最密集的海域之一。

由于西北太平洋是重要的海上运输航道,多位学者对西北太平洋爆发性气旋开展了深入的研究。李长青和丁一汇(1989)统计分析了1984年8月至1985年8月发生在西北太平洋的爆发性气旋,发现大部分爆发性气旋集中发生在35°～55°N、140°～165°E的海域。Chen et al(1992)分析指出，东亚地区有两个爆发性气旋的主要生成地,一是亚洲大陆山区下游,二是东中国海和日本海。Yoshida and Asuma(2004)分析认为,西北太平洋地区爆发性气旋的发生区域主要集中在20°～60°N、120°～180°E的洋面上。虽然学者们使用的资料和研究区域有所不同, 爆发性气旋的空间分布特征存在一定差异，但都指出西北太平洋是爆发性气旋频繁发生的海域。

3.2.2 季节变化特征

科学家们发现爆发性气旋主要在冷季发生(Sanders and Gyakum,1980;Carleton,1981;Physick,1981;Roebber,1984;Gyakum et al,1989;Chen et al,1992;Yoshida and Asuma,2004),冷季爆发性气旋发生频率远大于暖季(Roebber,1984;Chen et al,1992)。Chen et al(1992)统计分析了1958—1987年东亚地区发生的爆发性气旋,发现363例爆发性气旋中只有13例发生在暖季,其余的350例均发生在冷季。同时还发现，冷季爆发性气旋的发生频数有明显的月际变化特征。

Sanders and Gyakum(1980)发现,北半球冷季爆发性气旋发生频数的峰值在1月,平均每3天就会有2例爆发性气旋,且11月、12月和2月均有较多的爆发性气旋发生,但9月、10月、3月和4月爆发性气旋的个例较少。Chen et al(1992)分析了东亚地区爆发性气旋发生频数的季节变化特征,发现其发生频数的峰值分别在1月和3月,爆发性气旋主要发生在12月至次年3月,其他月份个例较少。Yoshida and Asuma(2004)分析了西北太平洋三类爆发性气旋发生频数的季节变化特征,发现其季节变化特征有明显差异,OJ型爆发性气旋发生频数的峰值在11月，PO-L型爆发性气旋发生频数的峰值在12月和2月，PO-O型爆发性气旋发生频数的峰值在1月。

3.2.3 有利于气旋快速发展的环境要素

(1) 大气斜压性

爆发性气旋是中高纬度地区快速发展的温带气旋,该地区中低层大气的斜压性较强,为爆发性气旋的快速发展提供了有利的环境背景场。有研究表明,爆发性气旋的急剧发展是由大气的斜压性所驱动(Sanders,1986;Manobianco,1989;Wash et al,1992)。李长青和丁一汇(1989)分析指出,大气中低层的斜压性是西北太平洋爆发性气旋爆急剧发展的有利因素。Yoshida and Asuma(2004)合成分析了西北太平洋三类爆发性气旋,发现欧亚大陆冷空气的入侵有利于爆发性气旋的生成和发展,在爆发性气旋的中低层存在较强的斜压区。Iwao et al(2012)分析了冬季西北太平洋上30年的爆发性气旋的发展过程,发现爆发性气旋发生频率的增加是由于低层大气斜压性增强所致。

(2) 高空槽及涡度场

Sanders and Gyakum(1980)发现,北半球爆发性气旋发展的有利天气形势有以下三种:高空槽追上地面气旋中心、地面低涡与高空槽相遇、极地低压与高空槽相遇, 表明高空槽与爆发性气旋发生发展有显著的联系, 地面气旋中心位于高空槽的下游是有利的高低空天气形势配置。Sanders(1986)对爆发性气旋的涡度场进行分析发现，正涡度中心从气旋中心的东部快速移近气旋中心促进了爆发性气旋的快速发展,上层的气旋式涡度平流强度与其爆发性发展强度呈现正相关的关系。

(3) 高空急流

Sanders and Gyakum(1980)分析发现,爆发性气旋易发生在西风带上或其北部。Wash et al(1988)认为，高空急流出口区的正涡度切变与地面气旋中心的叠加有利于爆发性气旋快速发展。李长青和丁一汇(1989)发现，高空急流出口区的北侧适宜于爆发性气旋的快速发展。大量研究(Uccellini and Kocin,1987;Wash et al，1988;Cammas and Ramond,1989;Nakamura,1993)表明,高空急流出口区左侧存在的强辐散场、正涡度平流场和上升运动场为爆发性气旋的快速发展提供了高层动力强迫。Yoshida and Asuma(2004)指出，三类爆发性气旋的高空均存在较强的急流区。

(4) 海洋暖流和强海表面温度(SST)梯度区

分析发现,西北太平洋爆发性气旋多发生于黑潮暖流区附近(Sanders and Gyakum,1980;Roebber,1984;Gyakum et al,1989;Chen et al,1992;Yoshida and Asuma,2004)。Sanders and Gyakum(1980)发现,海上爆发性气旋发生地的SST分布范围比较大,但更容易发生在强SST梯度区附近。Sanders(1986)研究表明,强爆发性气旋在经过暖流区时的移动距离比“弱气旋”和“中等气旋”的移动距离长。Hanson and Long(1985)和Sanders(1987)发现,爆发性气旋的快速发展与气旋横穿强SST梯度区有显著的统计相关性。Chen et al(1992)分析发现,爆发性气旋随着其强度的增加逐渐集中于黑潮及黑潮延伸体区域。Ueda et al(2011)指出,SST在爆发性气旋快速发展的过程中对大气垂直运动有重要影响。Liberato et al(2013)在分析强风暴Xynthia时发现,副热带海域SST对风暴Xynthia爆发性发展有显著贡献。Davis and Emanuel(1988)、Kuwano-Yoshida and Asuma(2008)、Kuwano-Yoshida and Enomoto(2013)指出,爆发性气旋在经过温暖的洋流区时,暖洋面既为大气输送了感热和潜热,又降低了低层大气的稳定性,可促进气旋的快速发展。

3.3 发展机制

3.3.1 斜压不稳定

Anthes et al(1983)诊断分析了1978年的Queen Elizabeth-Ⅱ爆发性气旋指出,低层大气斜压性是导致其爆发性发展的重要因子。Roebber(1984)、Rogers and Bosart(1986)、仪清菊和丁一汇(1992)均指出，大气斜压性对爆发性气旋的快速发展有重要作用。赵其庚等(1994)对西北太平洋上一个强爆发性气旋的发展过程进行了诊断分析,指出斜压不稳定在气旋的爆发性加深过程中起重要作用。黄立文等(1999)利用广义Z-O(Zwack-Okossi)发展方程对发生在西北太平洋上的两个温带爆发性气旋进行诊断分析发现，温度平流、积云对流和湍流加热等反映大气斜压性的热力强迫共同作用使地转相对涡度迅速增长时,气旋便会出现中心气压剧烈下降的现象。Kouroutzoglou et al(2013)对多个影响气旋发展的参数进行了分析，指出较强的大气斜压性在爆发性旋生期间起决定作用。

3.3.2 潜热释放

有学者认为,潜热释放在爆发性气旋发展的初期起到了重要作用(Gyakum,1983;Kuo et al,1991)。丁一汇和朱彤(1993)认为,潜热释放导致气旋式环流加速会引发气旋中心气压的急剧降低。周毅等(1998)研究发现,凝结潜热释放对气旋爆发阶段对低层气旋式环流增强有重要影响。多位学者(Kuo et al,1990;Bosart and Lackmann,1995;Gyakum and Danielson,2000)研究认为,SST的升高会使得感热通量和潜热释放增加，促进气旋的爆发性发展。

3.3.3 正涡度平流

李长青和丁一汇(1989)、Wash et al(1988)指出北半球高空急流出口区左侧的正涡度平流场为爆发性气旋的快速发展提供了有利条件。王劲松等(1999)利用MM4模式模拟结果,对1981年12月20—21日发生在西北太平洋上的一个爆发性气旋进行数值试验和Z-O方程诊断分析发现，正涡度平流对气旋发展贡献最大。Yoshida and Asuma(2004)认为, 涡度平流、温度平流和湿度平流等是影响气旋爆发性发展的主要因子。

3.3.4 高层位涡下传

Bosart and Lin(1984)、Uccellini et al(1985)、Zehnder and Keyser(1991)、Reader and Moore(1995)、吕筱英和孙淑清(1996)认为,具有较大位涡数值的平流层空气下伸是气旋快速发展的一个重要条件。寿绍文和李耀辉(2001)、吴海英和寿绍文(2002)认为,具有较大湿位涡数值的高层冷空气在沿着等熵面快速下降过程中绝对涡度的增加可导致气旋的发展加强。尹尽勇等(2011)认为高层位涡下传激发的气旋性环流导致了地面气旋的爆发性发展。Cordeira and Bosart(2011)发现，温带气旋的爆发性加深是气旋的低层位涡异常与高层位涡扰动耦合引发的。赵兵科等(2008)认为,高低层大值位涡通过垂直平流耦合在一起会促使气旋迅速发展。

3.3.5 对流层顶折叠

Bleck(1974)、Uccellini et al(1985；1987)、Hoskins et al(1985)、Lupo et al(1992)认为,气旋上空动力对流层顶折叠(dynamic tropopause folding)和高空急流动量下传为主的上层强迫对气旋的爆发性发展起到重要作用。

3.3.6 动力强迫

Uccellini and Johnson(1979)指出,在高空急流出口区左侧非地转风产生的质量调整有利于该区域下方气旋的发展。吕梅等(1998)认为,高空动量的下传加强了低层气旋性涡度切变,使得气旋在中低层得以爆发性加深。Rivière et al(2010)在对1999年12月24—26日的冬季风暴Lothar进行数值模式敏感性试验中发现，该气旋的突然爆发阶段发生在地面气旋穿越高空急流区的时候,高空急流动力强迫对其迅速发展有重要促进作用。

3.3.7 综合多因子

有学者认为,气旋的爆发性发展是多因子综合作用的结果。Rausch and Smith(1996)认为,爆发性气旋的发展是对流层中高层的涡度平流、暖平流、非绝热加热、低层静力稳定度、SST梯度、地面涡度和能量通量等多因子共同作用的结果。仪清菊和丁一汇(1996)对黄、渤海海域的爆发性气旋进行了诊断分析,认为温度平流、涡度平流、沿岸锋生和高空急流的动力作用对气旋爆发性发展有重要贡献。谢甲子等(2009)认为气旋的爆发性发展是高低空急流的耦合作用、涡度平流和凝结潜热等因子共同作用的结果。Nesterov(2010)统计分析了东北大西洋1986—1999年的爆发性气旋认为，爆发性旋生与北大西洋涛动指数、东大西洋涛动指数、气温、海温、显热和潜热通量等多个因素有关。

4 未来展望

虽然挪威卑尔根学派提出的温带气旋模型已经过去一百多年了,但人们一刻也没有停止对温带气旋这种地球大气中最常见的天气系统探究的步伐。未来数十年,预期关于爆发性气旋的研究将在以下三个方面取得重要进展。

4.1 发现更多事实

由于搭载许多新型探测仪器的多个观测卫星的相继发射,使得从空中“观测”爆发性气旋、发现更多观测事实成为可能。这必将使人们获得更多的、更丰富多彩的关于温带气旋多物理量及化学成分水平分布和垂直结构的知识。如欧洲的Metop (Meteorological Operational Satellite)(3)https:∥www.eumetsat.int/our-satellites/metop-series，https:∥www.eumetsat.int/metop(2021年2月1日访问此两个网站).卫星、美国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日访问).卫星和VIIRS(5)https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/missions-and-measurements/viirs/(2021年2月1日访问).观测数据、中国的风云系列FY-4A卫星(6)“风云四号”卫星(FY-4，2016年12月11日发射)主要探测仪器为10通道二维扫描成像仪、干涉型大气垂直探测器、闪电成像仪、CCD相机和地球辐射收支仪,地球圆盘图成像时间为15 min.、 云海二号卫星(2018年12月29日发射)、高分十三号卫星(2020年10月12日发射)等,加之以前就有的CALIPSO和CloudSat资料。

4.2 提高认识水平

高时空分辨率资料与强大功能绘图软件(Rautenhaus,2015;Rautenhaus et al,2015)的相结合可大大提高人们对温带气旋等各种天气系统的认识水平,发现新现象,甚至更新温带气旋模型概念的可能性也被提高。由于气象资料时空分辨率的迅速提升,如ERA5资料(7)ERA5资料是ECMWF提供的全球范围的关于大气、陆地和海洋变量的逐小时再分析资料,其水平分辨率为0.125°×0.125°,垂直方向从地表到高空80 km分为137个层.详细说明可访问https:∥www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5 (2021年2月1日访问).，以及计算机绘图软件,如Met.3D软件(8)Met.3D绘图软件是一款可高效率分析中尺度天气系统的三维绘图软件,详细功能可访问网站: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日访问).,使得三维绘图功能的日益强大,人们可借助计算机更加形象地、便利地理解温带气旋的三维空间结构和时间演变特征,因此发现新现象的可能性被大大提高,温带气旋的概念模型被更新的可能性也被提高,甚至有可能产生所谓的“New Synoptic Meteorology”。国际上研究爆发性气旋的著名学者、美国威斯康星大学麦迪逊分校大气和海洋科学系的Jonathan E. Martin教授(9)Jonathan E. Martin教授的邮箱 jon@meteor.wisc.edu.非常赞成笔者的以上观点(2019年10月3日在德国巴伐利亚州 Kloster Seeon举办的19 Cyclone Workshop上两人私人交流)。

4.3 评估变化趋势

有数值模拟研究结果表明(Sun et al,2017),在全球变暖的影响下,热带气旋将变得更强、更大、更具破坏性。同理,在全球气候变化的大背景下,爆发性气旋的强度、数量、移动路径将呈现怎样的变化趋势是一个悬而未决的问题。未来研究人员不但会利用考虑了各种物理过程和物理方案的大气数值模式以及快速更新循环的四维变分同化(4DVar)技术,大大提高对温带气旋数值模拟和预报的精度,而且还会利用各种气候模式以及各种海-陆-气-冰耦合模式,研究全球气候变暖背景下爆发性气旋的变化趋势与海面温度升高趋势之间的关系。在爆发性气旋变化趋势研究方面,可借鉴关于热带气旋的研究方法和研究手段,有望获得重要进展。

5 结论与讨论

本文首先回顾了温带气旋研究的历史背景,介绍了“爆发性气旋”这一术语产生的过程,并对Sanders and Gyakum(1980)、Roebber(1984)、Gyakum et al(1989)、Yoshida and Asuma(2004)、Fu et al(2020)等给出的爆发性气旋定义进行了系统分析。指出,修正后的爆发性气旋定义,不仅应考虑气旋中心海表面气压要在24 h内下降达到24 hPa以上,而且海表面10 m高度上的最大风速要大于17.2 m·s-1。另外还系统总结了爆发性气旋的研究现状,对学者们在从强度和区域上对爆发性气旋的分类进行了回顾。还对爆发性气旋发展提供有利环境要素的诸物理因子,如大气斜压性、正涡度平流、高空急流、海洋暖流等逐一进行了分析,并对爆发性气旋发展机制进行了概括: 斜压不稳定、潜热释放、正涡度平流、高层位涡下传、对流层顶折叠、上层动力强迫、综合多因子等。最后对未来数十年爆发性气旋的研究从观测事实、认识水平、预报精度三个方面进行了展望。

最后,把本文作者之一傅刚在2019年7月13日完成的“爆发性气旋”小诗稍作修正摘录于此,用以结束“爆发性气旋的前世今生”的故事。

爆发性气旋

纤柔低涡立槽前,

冲天一吼似爆弹。

疾风狂扫千尺雪,

惊涛怒卷万仞澜。

源源平流输涡度,

湍湍加热送温暖。

上下反馈传能量,

摧枯拉朽震宇寰。