不同季节北大西洋上爆发性气旋云微物理特性的分析与比较❋

鄢 珅， 傅 刚， 陈莅佳

(中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象系， 山东 青岛 266100)

温带气旋是中纬度“天气舞台”上最重要的“演员”[1]，在调节地球的能量、水汽平衡中发挥着关键作用。研究发现，中纬度地区有一类能够在短时间内中心气压迅速降低、强度急剧增强的温带气旋，被称为“气象炸弹”。Sanders 和 Gyakum[2]最早明确定义了这类气旋：24 h以内气旋海表面中心气压值下降达24 hPa以上的温带气旋为爆发性气旋(Explosive cyclone)。

国内外学者对爆发性气旋开展了广泛研究，多位学者利用不同的观测资料和手段对北半球爆发性气旋的时空分布特征进行分析，发现在时间上，爆发性气旋多发于冷季[3-4]，其中1月最多[2,5-6]；在空间上，爆发性气旋频发于太平洋和大西洋西部。Fu等[7]对1979—2016年北半球的爆发性气旋进行了深入系统的研究，发现北半球爆发性气旋的初始爆发源地和快速加深区域主要在北大西洋和北太平洋上空呈带状分布，并指出北大西洋区域的爆发性气旋虽爆发时长较短，发展较慢，但强度更强。更有大量学者聚焦于爆发性气旋发展机制的研究，指出爆发性气旋的快速加深发展是由多个因素综合导致的结果[8-9]，如大气斜压性[3,10]、潜热释放[11-12]、正涡度平流[13]和平流层大值位涡的下伸[14]等。

爆发性气旋频繁发生在中高纬度大洋上，常伴随大风、强降水等恶劣天气，由于海上的常规观测资料十分稀少，而卫星观测资料可以提供高时空分辨率的观测数据，因此近年来卫星成为研究海上各种灾害性天气系统的重要手段。CloudSat卫星于2006年4月28日从美国范登堡空军基地发射进入轨道，卫星上搭载的云廓线雷达(Cloud Profile Radar)可以提供全球范围内各种天气系统的云系的垂直结构和云内多种微物理量的探测信息，为研究云系的内部结构和降水等天气现象提供了崭新的视角，对于爆发性气旋的研究具有重要意义。Posselt等[15]利用CloudSat卫星产品分别对温带气旋的冷锋、暖锋及锢囚锋进行了分析，发现其观测结果与经典的挪威气旋模型中的云和降水分布有显著的相似性，而CloudSat卫星产品可揭示更多的关于云的内部结构的细节。Durden等[16]发现CloudSat卫星和A-Train星座中其他卫星得到的飓风云系结构的观测结果与早期飞机观测的结果有很好的一致性，并统计分析了冰云微物理量随高度的变化特征。Matrosov[17]利用CloudSat卫星产品对北大西洋两次飓风过程的云顶高度、冰水路径和降水率进行分析，并把其降水率产品与地基天气雷达得到的产品进行对比，发现具有很好的一致性。柴乾明等[18]利用CloudSat卫星产品分析了热带气旋的眼壁及其螺旋云带，总结了不同强度的热带气旋的云的微观结构特征的差异。孙柏堂等[19]利用CloudSat卫星产品对西北太平洋上一个爆发性气旋的云微物理属性的垂直结构进行分析，初步总结了该个例发展较为迅速时刻云中冰粒子的分布特点。

本文拟选择冬、春、夏、秋不同季节下北大西洋上被CloudSat卫星“捕捉”到的4个爆发性气旋个例，利用CloudSat卫星产品分析其所伴随的云系的微物理特性的垂直结构，拟从云的微物理特性视角对爆发性气旋的空间结构进行探究，旨在提高对爆发性气旋云系分布特征的认识水平，以期为日后爆发性气旋的内部结构分析、强度估计和路径预报提供一定的理论依据。

1 资料

1.1 CloudSat卫星产品(1)CloudSat卫星产品下载地址为：ftp://ftp.cloudsat.cira.colostate.edu/。

CloudSat卫星产品提供了云的分布及降水等物理量的剖面信息，其垂直分辨率为0.5 km，跨轨道分辨率为1.4 km，沿轨道分辨率为2.5 km，垂直探测高度大约为30 km，产品分为标准数据产品和辅助数据产品，本文使用到的产品有：

(1)2B-CLD-CLASS是云分类相关的产品，将云分为层云(Stratus, St)、层积云(Stratocumulus, Sc)、积云(Cumulus, Cu)、雨层云(Nimbostratus, Ns)、高积云(Altocumulus, Ac)、高层云(Altostratus, As)、深对流云(Deep Convective, DC)和高云(High, 主要包括卷云Cirrus和卷层云Cirrostratus, 简称Ci)八种类型，不同类型的云受不同的云动力学过程控制并具有不同的微物理性质。

(2)2B-GEOPROF是云的几何廓线产品，本文主要使用了其中表征雷达回波强度的雷达反射率信息。

(3)2B-CWC-RO是通过云廓线雷达的观测信息对云水含量、冰水含量等相关微物理量进行反演估算的产品，本文分析的物理量有表征云中冰粒子尺度分布特征的冰粒子有效半径和冰粒子宽度系数，表征冰粒子个数密集程度的冰粒子数浓度，以及表征冰云中所含冰晶质量大小的冰水含量。

(4)2C-PRECIP-COLUMN是判断地表是否存在降水并量化其强度的降水产品，本文使用了在一定降水条件下的诊断降水率。

(5) ECMWF-AUX是将欧洲中尺度天气预报中心提供的大气基本状态参量数据(如温度、湿度、气压等)插值到云廓线雷达的每一轨观测数据后得到的辅助产品，本文主要使用了该产品中的温度一量。

1.2 MODIS可见光云图(2)MODIS可见光卫星云图下载地址为：https://worldview.earthdata.nasa.gov/。

美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的搭载于Aqua卫星上的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)可见光卫星云图，空间分辨率为0.25 km。

1.3 ERA5再分析资料(3)ERA5再分析资料的下载地址为：https://cds.climate.copernicus.eu/。

欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5再分析格点资料，使用到的物理量为海表面气压、850 hPa温度和10 m高度上的风，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25(°)×0.25(°)。

2 爆发性气旋个例概况

本文研究的爆发性气旋是4个在冬、春、夏、秋不同季节下发生在北大西洋上的爆发性气旋过程。

冬季个例(以下简称EC1)于2007年1月26日00 UTC在北大西洋上(63°W, 38°N)附近生成，随后向东移动后转向北移动，穿越纽芬兰岛后在大西洋西岸(48°W, 53°N)附近消亡(见图1)，其中心气压于27日08 UTC达到最小值951.8 hPa(见图2(a))。CloudSat卫星于1月26日16:34:08 UTC—16:38:52 UTC沿东南-西北方向移动，先经过EC1的暖区并跨过暖锋后到达冷区(见图3(a))，其26日17 UTC其中心气压加深率达到2.38 Bergeron(见图2(a))。从卫星云图(见图4(a))上看，EC1南部为西南-东北走向的云带，顶部不平整附有灰色纹路，北部云系呈亮白色，云体边缘处呈灰白色丝缕状，表明云系上部辐散较强，存在大量卷云。

春季个例(以下简称EC2)于2011年4月1日00 UTC在美国东部沿岸(72°W, 37°N)附近生成，随后一直沿北美沿岸向东北方向移动，在加拿大东部沿岸(53°W, 52°N)附近消亡(见图1)，其中心气压于2日13 UTC达到最小值969.8 hPa(见图2(b))。CloudSat卫星于4月1日17:36:33 UTC至17:41:10 UTC沿东南-西北方向移动，同样先经过EC2的暖区并跨过暖锋后到达冷区(见图3(b))，1日18 UTC其中心气压加深率达到1.30 Bergeron(见图2(b))。从卫星云图(见图4(b))上看，EC2符合“逗点”云系的特征，“逗点”尾部为西南-东北向的灰白色带状云系，顶部附有灰色暗影。接近气旋中心的位置几乎无云，表明此处高空的干冷空气向气旋内部下沉侵入，云系头部则为厚实的亮白色云团。

(红色为冬季个例EC1，紫色为春季个例EC2，蓝色为夏季个例EC3，绿色为秋季个例EC4，不同颜色的叉号“×”表示每个个例的起止位置，不同颜色的实心圆“●”表示被CloudSat卫星观测到的时刻。Red, violet, blue and green solid lines represent the explosive cyclones EC1, EC2, EC3 and EC4, respectively. The “×” signs of different colors mark the starting and ending location of each cyclone. The solid dots of different colors indicate the time observed by CloudSat.)图1 四个爆发性气旋个例的移动路径Fig.1 The moving trajectories of four explosive cyclones in different seasons

((a)EC1(2007年1月26日00 UTC至28日17 UTC); (b)EC2(2011年4月1日00 UTC至2日23 UTC); (c)EC3(2016年7月6日00 UTC至10日23 UTC); (d)EC4 (2009年10月13日18 UTC至16日11 UTC)。 其中，黑色横虚线为中心气压加深率的0值线，灰色竖虚线代表每个个例被CloudSat卫星观测到的时刻。(a)EC1 (from 00 UTC 26 to 17 UTC 28 January, 2007); (b)EC2 (from 00 UTC 1 to 23 UTC 2 April, 2011); (c)EC3 (from 00 UTC 6 to 23 UTC 10 July, 2016); (d)EC4 (from 18 UTC 13 to 11 UTC 16 October, 2009). The black horizontal dotted lines represent zero value line of deepening rate. The gray vertical dotted lines show the time observed by CloudSat.)图2 四个爆发性气旋个例的海表面中心气压值(蓝色实线，单位: hPa)和中心气压加深率(红色虚线，单位: Bergeron)随时间的变化Fig.2 Time series of central sea level pressure of the four explosive cyclones (blue solid lines, unit: hPa) and their deepening rates (red dotted lines, unit: Bergeron)

夏季个例(以下简称EC3)于2016年7月6日00 UTC在北大西洋(63°W, 39°N)附近生成，随后不断向东北方向移动，横跨大西洋直至欧洲沿岸(6°W, 55°N)附近消亡(见图1)。其中心气压于7日10 UTC达到最小值976.6 hPa(见图2(c))。CloudSat卫星于7月6日16:29:45 UTC至16:33:02 UTC由东南向西北方向移动经过其中心以东，6日17 UTC其中心气压加深率为0.76 Bergeron(见图2(c))。从卫星云图(见图4(c))上看，与其他三个个例相比，EC3云系整体偏小，但结构清晰，初现“逗点”状，尾部云团间存在间隙，头部云系较尾部相比更加紧实亮白。

((a)2007年1月26日17 UTC; (b)2011年4月1日18 UTC; (c)2016年7月6日17 UTC; (d)2009年10月14日17 UTC。加粗蓝线表示后面垂直剖面分析的剖线位置，红色箭头表示卫星沿轨道的前进方向。(a) 17 UTC 26 January, 2007； (b)18 UTC 1 April, 2011； (c)17 UTC 6 July, 2016； (d)17 UTC 14 October, 2009. The bold blue lines represent the locations of vertical-cross sections analyse later. The red arrows indicate the satellite moving direction along its orbit.)图3 四个爆发性气旋个例不同时刻的海表面气压场(黑色实线，间隔4 hPa)、850 hPa假相当位温(填色，间隔5 K)和10 m高度风场(紫色风羽，一长杆为4 m·s-1，一三角杆为20 m·s-1)。Fig.3 Sea level pressure(black solid line, 4 hPa interval), pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa (shaded, 5 K interval) and 10 m horizontal wind (full barb, 4 m·s-1 for a long pole and 20 m·s-1 for a triangular pole) of four explosive cyclones at different time

秋季个例 (以下简称EC4)于2009年10月13日18 UTC在美国东北部沿岸(68°W, 42°N)附近生成，随后不断向东移动后转向东北移动，在格陵兰岛南部(47°W, 61°N)附近消亡。其中心气压于15日07 UTC达到最小值960.3 hPa(见图1)。CloudSat卫星于10月14日16:38:16 UTC至16:42:40 UTC由东南向西北方向移动先经过EC4的冷锋前的暖区并穿过冷锋到达中心，随后跨过暖锋后到达冷区(见图3(d))，其14日17 UTC中心气压加深率为1.27 Bergeron(见图2(d))。从卫星云图(见图4(d))上看，整体为紧凑的螺旋云系，其尾部中心亮白，东部外围出现西北-东南方向的纤维结构，头部云系无间隙，但顶部附有灰色阴影，凹口部与头部围成一个无云的涡旋中心，出现“眼状”结构。

以下分别沿轨道AB、CD、EF、GH对爆发性气旋EC1、EC2、EC3和EC4的云的类型、雷达反射率、冰粒子有效半径、冰粒子宽度系数、冰粒子数浓度和冰水含量做垂直剖面分析，以了解不同季节下爆发性气旋个例云的微物理特性。

3 云微物理属性垂直结构的分析与比较

沿轨道AB段对EC1的云微物理特性进行垂直剖面分析，该剖面距离气旋中心约600 km，由南向北恰经过该气旋的暖锋，图5(a)展示的是云的类型，发现共有7种云的存在：雨层云、深对流云、高层云、层积云、高积云、积云和卷云。位温在约10 km以上呈南低北高。由于在气旋南部存在较强的对流，潜热释放的加热作用使得此处8 km以下等位温线下凹，使得位温在对流层中低层呈南高北低。等位温线在对流层低层存在一条由气旋中心向北倾斜的密集带，在此处表现为一个典型的暖锋结构。沿轨道前进方向，暖锋前0 ℃等温线从约3.8 km平缓下降到约3 km的高度，随后在锋面处迅速下降并接地。南北两侧主要分为两组云系。暖锋后为大面积的深对流云，且在10 km高度出现少量卷云。该对流的南侧8 km以下伴有雨层云及少许高积云，对流的北侧为高层云从2 km高度延展到10 km以上。在地面锋线附近南侧2 km以下有少许层积云。在地面锋线的北侧，暖锋上主要以雨层云为主，北部则从2 km以上开始伴有高层云，顶部附有少量卷云，与Bjerknes(1919)提出的经典的挪威气旋模型中暖锋上的云系组成相似[20]。

图5(b)～(f)分别给出了雷达反射率、冰粒子有效半径、冰粒子宽度系数、冰粒子数浓度和冰水含量的垂直剖面。综合来看，暖锋后，云系最高可发展到12 km以上，深对流云内部雷达反射率最大值接近20 dBZ，对应地面区域出现连续的降水，降水率最大约为9 mm·h-1。7 km以下冰粒子尺度较大，有效半径在100 μm以上，宽度系数在0.50以上，深对流云内部的冰粒子有效半径最大值约为171 μm。但冰粒子分布不够集中，数浓度普遍低于250 L-1，整个云系的冰水含量均小于800 mg·m-3。暖锋上，云系最大高度可达9 km，内部雷达回波普遍大于10 dBZ， 出现多个雷达反射率大于15 dBZ的狭窄的雷达反射率大值区。雨层云内部冰粒子尺度较大，有效半径最大可达约164 μm，宽度系数最大值约为 0.62。暖锋上较强的上升运动可以将冰粒子带到更高的高度，在约7 km的高度冰粒子有效半径仍可超过150 μm，同时，冰粒子个数在5～9 km的高度较为集中，出现一个狭窄的数浓度大值区(>400 L-1)，同一区域的冰水含量大于1 000 mg·m-3，对应地面出现强降水，降水率约为20 mm·h-1。此区域内，数浓度最大值在约7.4 km高度处可达495.5 L-1，冰水含量最大值在约5.5 km的高度可达1 961 mg·m-3。整体来看，对于EC1个例而言，虽然暖锋后的云系整体发展高度更高，但暖锋上的大尺度冰粒子更为集中，导致冰水含量及地面降水率大于暖锋后的区域。

((a)云的类型；(b)雷达反射率(单位:dBZ)；(c)冰粒子有效半径(单位: μm)；(d)冰粒子宽度系数；(e)冰粒子数浓度(单位: L-1)；(f)冰水含量(单位: mg·m-3)；黑色箭头为CloudSat卫星沿轨道的前进方向；图(a)和(b)中叠加了等位温线(红色实线，单位: K)；蓝色实线为0 ℃等温线；黑色加粗实线表示一锋面；正下方为CloudSat卫星所估算的降水率(单位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. The positions of the front are marked with a heavy black line. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b). )图5 EC1沿AB段云的各微物理量垂直剖面图Fig.5 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line AB of EC1

((a)云的类型；(b)雷达反射率(单位:dBZ)；(c)冰粒子有效半径(单位: μm)；(d)冰粒子宽度系数；(e)冰粒子数浓度(单位: L-1)；(f)冰水含量(单位: mg·m-3)；黑色箭头为CloudSat卫星沿轨道的前进方向；图(a)和(b)中叠加了等位温线(红色实线，单位: K)；蓝色实线为0 ℃等温线；黑色加粗实线表示一锋面；正下方为CloudSat卫星所估算的降水率(单位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. The positions of the front are marked with a heavy black line. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b). )图6 EC2沿CD段云的各微物理量垂直剖面图Fig.6 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line CD of EC2

对于春季个例EC2，沿轨道CD段的剖面同样经过其暖锋，但较EC1更为接近气旋中心(距中心约200 km)，共有6种云的存在：雨层云、高层云、卷云、积云、高积云和层积云(见图6(a))。等位温线在约10 km以上的高度平缓而紧密，10 km以下位温南高北低，北部4 km以下的等位温线变得密集并在气旋中心附近接地，对应该气旋的暖锋锋区。0 ℃等温线从约3.3 km平缓下降到约3 km的高度，在锋区迅速下降至近地面，随后缓慢升高。EC2暖锋后的云系主要以雨层云和高层云为主，顶部附有卷云，与EC1相比，未出现深对流云。该区域云系整体云顶高度保持在约11 km的高度，雨层云南部5 km以下伴有少量的层云和高积云，北部2 km附近开始出现高层云，且高层云的云底高度向北不断升至约7 km。暖锋上的云系与EC1暖锋云系结构相似，同样由雨层云、高层云和卷云组成，但EC2暖锋云系可发展到更高的高度，云顶高度最大值约10 km。

综合图6(b)～(f)分别给出的各云微物理物理量的垂直分布图来看，暖锋后雨层云内约3 km附近出现浅层对流，雷达反射率超过15 dBZ，地面最大降水率约为7 mm·h-1，其南侧低层伴有的积云同样伴有较强的雷达回波，对应地面最大降水率约为18 mm·h-1，高层云内部9 km以下雷达反射率在0～15 dBZ。雨层云内冰粒子尺度随高度的增加而减小，6 km以下冰粒子有效半径几乎保持在100 μm以上，其最大值约为164 μm，但冰粒子数浓度整体小于300 L-1，冰水含量小于600 mg·m-3。暖锋上以雨层云为主的云系的云顶高度稍低于暖锋后云系的云顶高度，但该区域的雨层云内部出现大面积雷达反射率大于15 dBZ的回波大值区，集中在2～6 km的高度，其中最大值约20 dBZ出现在3.5 km附近。地面暖锋锋线以北出现连续降水，最大降水率约为12 mm·h-1。暖锋上雨层云内冰粒子有效半径最大值出现在约1 km高度的0 °C等温线上，可达161 μm。与EC1相似，暖锋上较强的上升运动使得EC2暖锋上雨层云内部约7 km高度上的冰粒子有效半径大于100 μm，同时其内部数浓度随高度的增加而增大，在6～10 km附近其内部出现一数浓度大值区(>350 L-1)，并由内部大值区向水平两侧递减，最大值410 L-1出现在7.7 km附近，该大值区可能与暖输送带上充足的水汽与较强的上升运动有关。冰水含量大值区(>1 000 mg·m-3)的高度相较于冰粒子浓度大值区的高度有所下降，集中在雨层云内部3～7 km的高度，在约4.9 km附近达到最大值1 481 mg·m-3，同时冰水含量由内部大值区向云体的南北两侧及顶部和底部边缘递减。暖锋上云系的冰粒子数浓度与冰水含量值整体远高于暖锋后云系。

图7为沿轨道EF段对夏季爆发性气旋EC3的云微物理特性的垂直剖面分析，该剖面虽然距中心仅有400 km，但由于EC3整体尺度与其他个例相比较小，因此该剖面扫到了气旋东部靠外围的位置。在该剖面中共有七种云的存在：深对流云、高层云、卷云、雨层云、积云、高积云和层积云(见图7(a))。与其他三个个例相比，等位温线整体较为平整，未见明显的锋面结构。沿轨道前进方向，0 °C等温线从4.6 km平缓下降到约3 km的高度。轨道前半部分大约对应EC3云系尾部，主要为不规则的高层云和卷云，沿轨道前进方向南侧卷云和高层云均保持在约5 km以上，云顶高度由约13 km逐渐下降，靠近轨道中心附近，云系云顶高度在10 km以下，但在约12 km附近出现零星的卷云，云系中还夹杂着极少量深对流云、雨层云、积云、高积云和层积云。轨道后半部分则对应云系亮白的头部位置，与尾部云系相比，头部云系云的类型相对单一，以大面积的深对流云为主，从约0.3 km延展到最高超过13 km，其下垫面较大的海表面温度梯度(未在图中给出)可能是造成此区域大面积对流产生的原因之一。同时，深对流云顶部伴有少量卷云，两侧10 km以下则伴有雨层云和高层云。

对于EC3云系的微物理属性(见图7(b)～(f))进行分析，其尾部云系中，除夹杂的深对流云和雨层云中出现雷达反射率大于10 dBZ的狭窄对流带，对应地面出现降水，但降水率小于2 mm·h-1，在夹杂的积云和高积云处也出现少量降水，降水率小于1 mm·h-1，其余区域雷达反射率均小于10 dBZ。尾部云系中仅在夹杂的深对流云内部4～8 km附近出现少量有效半径大于140 μm的冰粒子，最大值约为144 μm，其余区域的冰粒子有效半径均小于140 μm，宽度系数整体在0.29～0.60之间。冰粒子数浓度整体小于300 L-1，未出现大范围的冰粒子集中区域，数浓度最大值仅约275 L-1，冰水含量整体小于800 mg·m-3，最大值约为770 mg·m-3，尾部云系中冰粒子集中程度小于头部云系。头部云系中，深对流云内部约2～8 km附近出现雷达反射率大于10 dBZ的大值区，且沿0 °C等温线，在约3～4 km的高度上，雷达反射率接近20 dBZ，对应地面出现大范围降水，最大降水率约为5 mm·h-1。其南部伴随的雨层云中同样出现大于10 dBZ的大值区，对应地面降水率小于2 mm·h-1，而高层云中雷达反射率小于5 dBZ。深对流云中8 km以下冰粒子有效半径大于100 μm，最大值约为167 μm，宽度系数最大值约为0.62，两者最大值均出现在约3.5 km附近。深对流云8 km以上的部分，冰粒子数浓度普遍大于200 L-1，并在约10 km高度达到最大，最大值约为336 L-1。但由于上层冰粒子尺度较小，冰水含量整体小于700 mg·m-3，在约6.6 km附近出现最大值约622 mg·m-3。与其他三个个例相比，EC3云系中深对流云发展高度最高，但云内大尺度冰粒子的数浓度较小，冰水含量整体较低，对应地面降水强度较小。

((a)云的类型；(b)雷达反射率(单位:dBZ)；(c)冰粒子有效半径(单位: μm)；(d)冰粒子宽度系数；(e)冰粒子数浓度(单位: L-1)；(f)冰水含量(单位: mg·m-3)；黑色箭头为CloudSat卫星沿轨道的前进方向；图(a)和(b)中叠加了等位温线(红色实线，单位: K)；蓝色实线为0 ℃等温线；正下方为CloudSat卫星所估算的降水率(单位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b). )图7 EC3沿EF段云的各微物理量垂直剖面图Fig.7 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line EF of EC3

对于秋季个例EC4，卫星沿轨道GH经过其地面冷锋后，到达气旋中心，随后与EC1、EC2相同，近乎垂直穿过地面暖锋锋线处，在4个个例中剖面距离气旋中心最近(约100 km)。对EC4云微物理属性的垂直分布进行分析，发现共有7种云的存在：雨层云、高层云、深对流云、卷云、层积云、积云和高积云(见图8(a))。等位温线在约12 km以上变得愈发紧密，12 km以下则相对稀疏，同时在10 km以上等位温线呈南高北低，10 km以下为北高南低，出现明显锋面。沿轨道前进方向，冷锋前0 °C等温线约从3.8 km的高度处缓慢下降到约3 km处，在接近中心的位置先下降到约2.2 km后再次升高至约3 km的高度，最后在垂直穿越暖锋时迅速降低，并保持在约0.6 km的高度。地面气旋中心以南的云系相对复杂，冷锋前，由于暖空气层结不稳定及锋面的抬升，形成两部分深对流云，其中偏南的深对流云可达到约12 km，偏北的深对流云可达到约13 km，两部分深对流云之间及两侧6 km以上的高度环绕有大量高层云及卷云，南侧深对流云南侧底部6 km以下伴有少量积云、高层云和高积云，北侧深对流云的北侧则在5 km以下伴有少量雨层云和层积云。接近气旋中心的位置由于干冷空气的入侵，近乎无云，仅在约3 km以下出现少量不连续的层积云。暖锋上云系结构同EC1和EC2相似，为大量雨层云，北部与高层云相接，顶部附有少量卷云，云系顶部参差不齐，云顶高度在6～10 km。

((a)云的类型；(b)雷达反射率(单位:dBZ)；(c)冰粒子有效半径(单位: μm)；(d)冰粒子宽度系数；(e)冰粒子数浓度(单位: L-1)；(f)冰水含量(单位: mg·m-3)；黑色箭头为CloudSat卫星沿轨道的前进方向；图(a)和(b)中叠加了等位温线(红色实线，单位: K)；蓝色实线为0 ℃等温线；黑色加粗实线表示一锋面；正下方为CloudSat卫星所估算的降水率(单位: mm·h-1)。(a) Cloud classification; (b) Radar reflectivity (dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle width parameter; (e) Ice particle number concentration (unit: L-1); (f) Ice water content (unit: mg·m-3). The black arrow represents the moving direction of CloudSat satellite along its orbit. (a) and (b) is overlaid with potential temperature (solid red lines, unit: K). The blue line represents 0 ℃ isotherm. The positions of the front are marked with a heavy black line. CloudSat estimated precipitation rate (unit: mm·h-1) is depicted at the bottom of (a) and (b).)图8 EC4沿GH段云的各微物理量垂直剖面图Fig.8 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line GH of EC4

图8(b)～(f)给出了不同云微物理量的垂直分布，综合来看，南部云系中，深对流云内部出现狭窄的雷达反射率大值区，雷达反射率大于15 dBZ，最大值约为22 dBZ，出现在约6.3 km的高度上，对应地面最大降水率接近10 mm·h-1。雨层云内部雷达反射率在10～15 dBZ，虽未见显著的雷达回波大值区，但对应地面出现大范围降水，降水率最大值同样接近10 mm·h-1。深对流云中部3～8 km的冰粒子尺度明显高于其他区域，内部大范围的冰粒子有效半径大于140 μm，大尺度冰粒子最高可到达约8 km附近，有效半径最大值可达168 μm，宽度系数最大值可达0.62，出现在约3.4 km的高度。在偏北侧的深对流云上部8～12 km出现两个数浓度大值区(>400 L-1)，其垂直距离分别约为4和5 km，数浓度最大可达约634 L-1，出现在约11.5 km的高度上。尽管上部冰粒子尺度较小，但在其内部约6 km以上出现两条狭窄的冰水含量大值区(大于1 000 mg·m-3)，垂直距离分别约6和4 km，最大可达1 985 mg·m-3，出现在约6.5 km附近。暖锋上雨层云南部出现两条狭窄的对流带，雷达反射率大于15 dBZ，最大值在4.5 km附近，约18 dBZ，虽不及中心以南深对流云内部的强度，但其对应的地面降水率最大可达20 mm·h-1。雨层云北部的高层云中整体雷达反射率小于10 dBZ。雨层云内部6 km以下的冰粒子尺度较大，出现大量有效半径大于130 μm的冰粒子，最大值出现在约0.8 km的高度，可达约170 μm，在相同位置出现宽度系数最大值0.62。暖锋上冰粒子的集中程度小于中心以南的云系，冰粒子数浓度整体小于400 L-1，最大值为393 L-1，出现在雨层云南部5 km附近，相同位置出现冰水含量大值区(>1 000 mg·m-3)，虽与中心以南云系冰水含量大值区相比，范围较小，最大值也远小于中心以南的最大值，为1 392 mg·m-3，但对应地面处出现较强降水，降水率最大可达20 mm·h-1。与EC1、EC2相同的是，EC4暖锋后云系较暖锋上云系相比，可以发展到更高的高度，但EC4冷锋前的云系内对流运动更强，云内冰粒子数浓度和冰水含量的最大值明显高于暖锋上的云系。

4 总结与讨论

本文利用CloudSat卫星产品对冬、春、夏、秋4个不同季节北大西洋上的4个爆发性气旋个例的云微物理属性的垂直结构进行分析，同时，综合对比4个个例的云顶高度、雷达反射率、冰粒子有效半径、宽度系数、数浓度及冰水含量最大值和所在高度等特征(见表1)，得到的主要结论如下：

表1 四个爆发性气旋个例云的微物理特性比较Table 1 Comparison of micro-physical characteristics of four explosive cyclones over the Northern Atlantic

(1)爆发性气旋所伴随的云系最大高度可达12 km以上，以雨层云、深对流云和高层云为主。由EC1、EC2和EC4可以看出，地面暖锋上空云系由雨层云、高层云和卷云组成，气旋暖锋后云系较暖锋上的云系相比通常可以发展到更高的高度，且常出现深对流云(EC1和EC4)。

(2)深对流云和雨层云中大气对流运动较强，易出现雷达回波大值区。冬季(EC1)、春季(EC2)、秋季(EC4)雷达反射率最大值均可超过20.0 dBZ，夏季(EC3)虽出现大片深对流云，但其雷达反射率最大值仅17.4 dBZ。

(3)云内冰粒子沿0 °C等温线开始出现，冰粒子尺度随高度的增加而降低，大尺度冰粒子聚集在云系底部。冬季个例(EC1)和秋季个例(EC4)冰粒子有效半径最大值分别为170.5和170.2 μm，明显大于春季个例(EC2)的164.3 μm和夏季个例(EC3)的166.9 μm。相比之下，4个个例冰粒子宽度系数最大值相差较小，均在0.616 0～0.620 0之间。

(4)冰粒子主要集中在深对流云和雨层云中，其内部冰粒子数浓度随高度的升高而增加，在水汽充足且上升运动较强的区域，常出现冰粒子数浓度大值区。秋季个例(EC4)冰粒子数浓度最大值约为634 L-1，远大于其他个例，冬季(EC1)和春季(EC2)最大值约为496和410 L-1，夏季(EC3)仅为336 L-1。

(5)深对流云和雨层云中，大尺度的冰粒子数浓度更大，易出现冰水含量大值区，对应地面出现降水。四个个例间冰水含量的差距也较大，秋季(EC4)和冬季(EC1)冰水含量最大值分别为1 985和1 961 mg·m-3，春季(EC2)次之，为1 481 mg·m-3，夏季(EC3)最大值仅为770 mg·m-3。

本文仅挑选不同季节下的4个个例初步分析和比较了爆发性气旋云微物理属性的垂直分布特征，至于各季节下普遍存在的变化特征，还有待针对大量个例开展进一步研究。

致谢：本文所使用的CloudSat数据由CloudSat数据处理中心(CloudSat Data Processing Center)提供，所使用的MODIS可见光云图由美国国家航空航天局提供，所使用的ERA5再分析数据由欧洲中期天气预报中心提供，在此谨表感谢！