2003年3月北大西洋上两个爆发性气旋的“吞并”过程及发展机制分析❋

2022-02-24张雪贝孙柏堂陈莅佳

中国海洋大学学报（自然科学版） 2022年3期

傅刚，张雪贝，孙柏堂，鄢珅，陈莅佳

(1. 中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象学系，山东青岛 266100； 2. 莱西市气象局，山东青岛 266622)

爆发性气旋(Explosive Extratropical Cyclone,EEC)是指快速发展的温带气旋。1979年 Rice[1]使用了“爆发性发展”(Explosive Development)一词来描述1979年8月在大西洋上一个气旋的快速发展。1980年, Sanders和Gyakum[2]首次给出了爆发性气旋的定义，他们把在24 h内气旋中心气压下降24 hPa以上，即气压加深率达到1 hPa·h-1(定义为1 Bergeron)及其以上的温带气旋称为“爆发性气旋”。从卫星云图上看，爆发性气旋多伴有“螺旋”状云系。由于爆发性气旋多形成于中高纬度洋面上，发展速度快，常常会伴有狂风、暴雨和降雪，严重威胁人类活动、交通运输和工农业生产的安全[3]，因此被认为是最危险的天气系统之一。由于海上观测资料相对少，所以准确预报爆发性气旋的难度很大[4]。北大西洋是船舶航行密集的区域，开展爆发性气旋的研究具有重要价值。

温带气旋具有“千姿百态”的形状特征，有的呈“孤立”(Isolated)形态，成熟时卫星云图上有清晰的“眼”状结构[5]；有的呈“气旋对”(Pair)形态[6]；有的以“气旋族”(Family)形式存在[7]；有时，还存在着气旋的吞并/合并现象。已有前人针对热带气旋的吞并/合并现象开展了深入探究。

Kuo等[8]研究了两个热带气旋Zeb和Alex的合并过程。Leidner等[9]指出，热带气旋Yates和Zane之间有明显的相互作用。在它们向东移动的过程中，较强的热带气旋Zane于1996年10月2日00 UTC追赶上较弱的热带气旋Yates并将其吞并。

概括而言，前人对气旋吞并/合并的判定方法主要有以下几种：

(1)卫星云图上云系的合并。Kuo等[8]利用日本地球同步气象卫星(GMS)的红外图像显示，合并前气旋Zeb和Alex都呈现有组织的云团结构。在合并过程中，气旋Alex的云团结构被Zeb扰动发生形变。随着两气旋演变，Alex逐渐围绕在Zeb周围，两气旋合并后逐渐变形为螺旋带。

(2)“涡旋柱”的合并。Kieu和Zhang[10]指出，由绝对涡度值大于4×10-5s-1的等值线围成两个不同的直立旋转的“涡旋柱”，相互靠近，4×10-5s-1的等值线把两“涡旋柱”连接起来，“涡旋柱”由两个合并为一个，表示两气旋的合并。

(3)两气旋连线垂直剖面的法向风速零线相连接[10]。气旋未合并前风速零线为两条相互独立的线，表示两个气旋的存在。之后随着气旋的合并，风速零线连接为一条。

相对于热带气旋合并现象的研究而言，研究爆发性气旋的吞并/合并问题的论文较少。2003年3月5—10日北大西洋上发生了一个较强的爆发性气旋(后文分析中简称为气旋B)“吞并”另一个较弱的爆发性气旋(后文分析中简称为气旋A)后继续爆发性发展的个例。气旋B和气旋A的移动路径都较长，穿越了整个北大西洋。气旋B的中心气压最大加深率达到3.27 hPa·h-1，有两个时刻的中心气压加深率超过2.5 hPa·h-1，属于超强(Super)爆发性气旋[11]。本文拟利用欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim 再分析资料和WRF数值模拟结果等多种资料，对以上个例进行分析。

1 资料和方法

本文使用的资料如下：

(1) 欧洲中期天气预报中心提供的ERA-Interim 再分析资料, 时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.125(°)×0.125(°)，包括位势高度、气温、风度等物理量，主要用于分析天气形势和驱动WRF模式，数据下载地址为：http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=pl/。

(2) 美国国家航空航天局(NASA)提供的MODIS可见光云图，主要用于分析气旋的演变过程，下载地址为：https://worldview.earthdata.nasa.gov/。

(3)气象卫星合作研究所(CIMSS)提供的GOES-EAST (Geostationary Operational Environment Satellite-EAST)的红外卫星云图，时间间隔为3 h，主要用于分析气旋的吞并过程，下载地址为：http://tropic.ssec.wisc.edu/archive。

本文使用Yoshida和Asuma[12]给出的爆发性气旋的定义，即把Sanders和Gyakum[2]给出的爆发性气旋的定义公式中的时间间隔由24 h调整为12 h。

2 气旋的演变过程

2.1 气旋A的演变过程

图1为根据ERA-Interim 再分析资料确定的气旋A、B和C的移动路径。3月5日06 UTC，气旋A生成于美国东部(82°W，35°N)附近，然后快速向东北方向移动。7日12 UTC，气旋A在(40°W，51°N)附近的路径发生回旋，持续了约18 h，气旋A在8日06 UTC 在北大西洋中部(40°W，49°N)附近被气旋B吞并后形成气旋C。

图1 2003年3月5日06 UTC至10日18 UTC气旋A、B和C的移动路径和海表面温度梯度(填色，间隔0.8×10-4 K·m-1)

图2为气旋A、B和C的海平面中心气压和气旋中心气压加深率随时间变化曲线。3月5日06 UTC，气旋A的中心气压为1 014 hPa，随后其中心气压缓慢降低，6日18 UTC之前，气旋A的中心气压加深率在1.3 hPa·h-1左右(见图2(b))。6日18 UTC至7日12 UTC气旋A的中心气压加深率逐渐减小且由正转负，气旋A中心气压于7日06 UTC上升(见图2(a))，此时气旋A减弱，加深率小于1 hPa·h-1，已达不到爆发性气旋强度。7日12 UTC，气旋A中心气压再次下降，其中心气压加深率开始增大，气旋A开始第二次迅速发展阶段，且于8日00 UTC其中心气压加深率达到最大值2.88 hPa·h-1。

图2 气旋A、B和C的 (a) 海平面中心气压(实线，hPa)及(b)中心气压变化率(实线，hPa·h-1)随时间变化曲线

图3为2003年3月5—10日10 m高度风场与海平面气压场叠加Terra卫星所提供的MODIS可见光云图。从图中可以看出，初始阶段气旋A所伴随的云系边界模糊 (见图3(a))。随着时间推移，云系逐渐拉长，变成细长的“带状”云系，边界逐渐清晰分明(见图3(b))，随后气旋B追上气旋A，气旋A云系被气旋B干扰发生变化。7日12 UTC之后，气旋A附近的环流进一步变形，并向气旋B以北移动。气旋A有被气旋B“吞并”的趋势(见图3(c)～(d)，图4(a)～(d))。Fujiwhara[13]曾指出，两个具有相同旋转方向的涡旋在一定的范围内有相互靠近的倾向，且大涡旋可以“吞并”多个具有相同旋转方向的小涡旋，卫星云图上所呈现的云系变化与Fujiwhara[13]的理论相吻合。

((a)2003年3月5日12 UTC (Terra卫星过气旋A中心时间约为15:40 UTC)；(b)3月6日12 UTC (Terra卫星过气旋A中心时间约为14:43 UTC，过气旋B中心时间约为16:22 UTC)；(c)3月7日12 UTC (Terra卫星过气旋A中心时间约为13:45 UTC，过气旋B中心时间约为13:48 UTC)；(d)3月8日12 UTC (Terra卫星过气旋C中心时间约为14:28 UTC)；(e)3月9日12 UTC (Terra卫星过气旋C中心时间约为13:32 UTC)；(f)3月10日12 UTC (Terra卫星过气旋C中心时间约为12:35 UTC)。蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。(a)2003-03-05 12 UTC; (b)2003-03-06 12 UTC; (c)2003-03-07 12 UTC; (d)2003-03-08 12 UTC; (e)2003-03-09 12 UTC; (f)2003-03-10 12 UTC. Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

(蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

2.2 气旋B和气旋C的演变过程

气旋C为气旋B在其发展过程中吞并气旋A后所形成，结合三者的移动路径、中心气压以及中心气压加深率随时间的变化和卫星云图特征，可将其演变过程大致划分成四个阶段：a.初始阶段(6日00 UTC—17 UTC)；b.爆发性发展阶段(6日18 UTC—7日17 UTC)；c.成熟阶段(7日18 UTC—8日11 UTC)；d.衰亡阶段(8日12 UTC—10日18 UTC)。其中7日18 UTC 为气旋B中心气压加深率最大时刻，8日12 UTC 为气旋C中心气压最低时刻。

a.初始阶段(6日00 UTC—17 UTC)：气旋B于3月6日00 UTC生成于美国东海岸(90°W, 35°N)附近，气旋中心气压值为1 007.0 hPa，中心气压加深率为0.36 hPa·h-1。随后气旋B向东北方向移动，12 h后由东北方向转向东移动，且移动速度比气旋A更快。卫星云图显示，气旋B初始生成时为无组织的云系。

b.发展阶段(6日18 UTC—7日17 UTC)：6日18 UTC，气旋B再次向东北方向移动，且移动方向逐渐向北方向偏移，气旋B在该时刻爆发性发展，其中心气压加深率为1.25 hPa·h-1。6 h后，气旋B的中心气压加深率由1.61 hPa·h-1下降到1.43 hPa·h-1，随后继续上升，于7日18 UTC达到最大值3.27 hPa·h-1(见图2(b))。卫星云图上(见图3(c))，3月7日气旋B上空的云团呈现阿拉伯数字“7字”形状，云系边界逐渐清晰。从7日12 UTC开始，气旋B西侧的对流变弱(见图4(b))。在此阶段气旋A和气旋B呈现“二元旋转”态势，距离从2 500 km减少到700 km。

c.成熟阶段(7日18 UTC—8日11 UTC)：气旋B中心气压值逐渐降低，8日00 UTC达到949 hPa。8日06 UTC于北大西洋中部地区(40°W，49°N)附近, 气旋B把气旋A“吞并”后中心气压继续降低。8日12 UTC气旋中心气压降至最小值938 hPa。气旋B中心气压加深率从3.27 hPa·h-1降至1.0 hPa·h-1。卫星云图上(见图4(d))，到8日00 UTC，气旋B已变形为螺旋云带，已不能根据清晰边界来区分与气旋A相伴随的云系。在气旋演变过程中云团边界逐渐清晰，云系呈清晰的“T状”结构(见图3(d))。结果表明，强度较弱的气旋A几乎被完全瓦解，最终形成的气旋C的云系结构以强度较强的气旋B为主。

d.衰亡阶段(8日12 UTC—10日18 UTC)：气旋B“吞并”气旋A后形成气旋C继续向东北方向移动，移动速度明显变慢。8日12 UTC，气旋C中心气压加深率由正转负，中心气压缓慢增加。于10日18 UTC在大西洋东北部(16°W，58°N)附近衰亡。

本文重点关注气旋B吞并气旋A的过程，选取爆发性发展阶段以及成熟阶段7日06 UTC、7日18 UTC、8日06 UTC共3个时刻进行分析。

图5为2003年3月7日06 UTC的高空和地面天气图。气旋A位于上空300 hPa天气图(见图5(a))的槽前，下游为一脊，且气旋A位于东北—西南向高空急流(1)本文定义高空急流在对流层上层，急流中心最大风速大于50 m·s-1。出口左侧区域，散度约为3×10-5s-1。气旋B的上空是高空急流轴，最大风速约为100 m·s-1，所以气旋B在该时刻移动速度快，逐渐追上气旋A。气旋A位于500 hPa(见图5(b))天气图的槽上，地面低压与高空槽相遇，正涡度平流非常弱。气旋B上空的正涡度平流约为1×10-8s-2。此时温度槽与位势高度槽基本重合。气旋A位于850 hPa(见图5(c))等位势高度线闭合曲线内，冷平流非常弱。气旋B上空附近的冷平流也同样较弱，根据等温线密集程度确定锋面位置，气旋B中心北侧等位温线相对更为密集，说明气旋西侧有较弱冷锋，东侧有相对较弱的暖锋。海平面气压场(见图5(d))上，气旋A中心气压为967.7 hPa，气旋B中心气压为986.3 hPa。气旋B位于SST梯度大值区域附近，受气旋式风切变影响，海表面风将来自北部暖洋面的暖空气向气旋中心输运。综上分析，在该时刻气旋A和B附近的高层散度场、中层涡度平流场、低层温度平流场、海表面温度梯度都较弱，对应该时刻气旋A和B的中心气压加深率都有所下降 (见图2(b))。

((a) 300 hPa 位势高度场(实线，间隔 100 gpm)，散度场(虚线，间隔10-5 s-1)和风速(箭头，m·s-1，大于 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa 位势高度场(实线，间隔 80 gpm) ，温度场(虚线，间隔 3 ℃)和涡度平流场(填色，间隔0.6×10-8 s-2); (c) 850 hPa 位势高度场 (实线，间隔 80 gpm) ，温度场(虚线，间隔 3 ℃) 和温度平流场(填色，间隔0.2×10-3 ℃·s-1); (d) 海平面气压场 (实线，间隔6 hPa)，海平面温度梯度(填色，间隔0.8×10-4 K·m-1)和10 m高度风场 (箭头，m·s-1 )。蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。(a) 300 hPa geopotential height (solid, 100 gpm interval), divergence of horizontal wind (dashed, 10-5 s-1 interval) and wind vector (arrows, m·s-1 , greater than 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval) , air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of vorticity (shaded, 0.6×10-8 s-2 interval); (c) 850 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval), air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of temperature (shaded, 0.2×10-3 ℃·s-1 interval); (d) sea level pressure (solid, 6 hPa interval): gradient of sea surface temperature (shaded, 0.8×10-4 K·m-1 interval) and 10 m height wind (arrows, m·s-1 ). Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

7日18 UTC，气旋A和气旋B均位于300 hPa的槽前(见图6(a))，且位于东—西向高空急流出口左侧，对应的散度值分别为3×10-5s-1和2×10-5s-1。这一天气形势有利于温带气旋的快速发展[14]。500 hPa上(见图6(b))，气旋B附近的正涡度平流加强，约为1.2×10-8s-2。后槽追上前槽且两槽合并，槽进一步加深，温度槽落后于位势高度槽，大气斜压性强。850 hPa上(见图6(c))，冷平流和气旋B西南侧的冷锋均进一步加强，气旋A的南侧出现冷锋，东北侧出现向东延伸的暖锋。海平面气压场(见图6(d))上，气旋A和气旋B的中心气压分别为969.9和965.3 hPa。气旋B开始有“吞并”气旋A的趋势, 从而导致随后的气旋快速发展。综上分析，在该时刻气旋A和气旋B几乎处于相同的环流背景下，高空槽追上地面气旋中心，不仅中低层系统强盛，高层系统进一步发展，气旋B在此时刻中心气压加深率达到最大值3.27 hPa·h-1，气旋A的中心气压加深率也升至1 hPa·h-1。

8日06 UTC，气旋B在北大西洋中部地区(40°W，49°N)附近把气旋A“吞并”后形成气旋C。在300 hPa(见图7(a))上，气旋C远离高空急流出口区，高空辐散减弱。500 hPa(见图7(b))上槽减弱。850 hPa(见图7(c))上，“T-型”的锋面结构进一步发展，冷锋向东移动，此时锋面形态与云团形态类似，呈明显的“T-型”结构。海平面气压场(见图7(d))上，气旋C中心气压降至939.0 hPa, 移动速度明显变慢，进入成熟阶段。

8日12 UTC(图略)，300 hPa天气图上高空槽下游的等高线相对稀疏，急流减弱。500 hPa天气图上的正涡度平流减弱，850 hPa图上“T-型”锋面结构开始瓦解，冷锋进一步向东移动。海平面气压场上，气旋C中心气压降至最低值938.3 hPa后开始逐渐回升。

图8为气旋A和气旋B从2003年3月6日18 UTC—8日00 UTC的相互气旋式旋转轨迹。在此阶段，气旋A和B的距离从2 500 km减少到650 km。气旋A比气旋B的强度更弱。作者使用相对于对称中心的轨迹(见图8(a))和相对于气旋B的轨迹(见图8(b))来表示两个气旋的二元旋转。很明显，气旋A是绕着气旋B旋转的，在7日12 UTC之后，随着气旋A移动到离气旋B约1 500 km范围内，旋转速度变得更快。虽然存在两个强度不同的涡旋系统，但最终的吞并距离与Wang和Holland[15]的斜压模式计算结果一致。

( (a)相对于对称中心的轨迹，(b)相对于气旋B的轨迹。(a) The trajectory relative to centroid, (b) The trajectory relative to cyclone B.)

2.3 气旋B吞并气旋A的过程

下面在水平方向上分析气旋B吞并气旋A的过程。图9为900 hPa的相对涡度、10 m高度风场和海平面气压场分布图。气旋A和气旋B相对涡度场形态演变过程与卫星云图上的云系形态演变过程相当吻合。7日06 UTC(见图9(a))，气旋A上空的云团和相对涡度场均呈现阿拉伯数字“7”字形状，6 h后，气旋A的相对涡度场因气旋B的干扰演变为长条状(见图9(b))。7日18 UTC(见图9(c))，长条状相对涡度场进一步延伸。到8日00 UTC(见图9(d))，气旋A和气旋B涡度场均呈气旋式弯曲。气旋B吞并气旋A后形成气旋C的涡度场呈现清晰的“T”状结构(见图9(e)、图9(f))，与“T-型”的锋面结构相对应。

(线AiBi(i=1,…,6)用于分析垂直剖面，蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。Lines AiBi(i=1,…,6) are used for the vertical cross section analyses later. Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

图10为相对涡度和法向风速的垂直剖面图。7日06 UTC，气旋A和B对应的相对涡度大值中心均位于950 hPa附近，气旋A的相对涡度约为5.5×10-4s-1，气旋B的相对涡度约为4.2×10-4s-1，对应气旋A和气旋B的法向风速零线分别位于900和800 hPa以下。7日12 UTC，气旋B的“涡旋柱”大值中心位于950 hPa附近，其值为6.5×10-4s-1，气旋A的涡度中心值为2.3×10-4s-1，但环流逐渐抬升至对流层中层，7日06 UTC至12 UTC(见图10(a)，(b))，气旋A和气旋B呈现为两个“涡旋柱”，它们的相对涡度具有相当的量级，但气旋B的尺度较大。7日18 UTC(见图10(c))，气旋B相对涡度大值中心抬升至850 hPa附近，气旋A和气旋B相互靠近，气旋A和气旋B涡度均减小，但两“涡旋柱”尚未连接。8日00 UTC(见图10(d))，气旋A和B的风速零线相接，0.7×10-4s-1涡度等值线把两“涡旋柱”连接起来，气旋B开始吞并气旋A，气旋B相对涡度中心值约为8×10-4s-1，气旋B的低层环流在吞并过程中向上发展。8日06 UTC(见图10(e))，此时在海平面气压场上气旋A的中心已无法被追踪，气旋C中心移动至高空急流出口区左侧，风速零线抬升并直立。以原气旋B为主体形成的气旋C有一个深厚的“涡旋柱”，气旋A有部分环流残留，8日12 UTC(见图10(f))，气旋A残留的环流被进一步吞并进气旋C内，吞并过程结束。

(图中正相对涡度值用填色表示，绿色等值线为相对涡度值为0.7×10-4 s-1 线，红色等值线为垂直于剖面的风速0线，蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。Relative vorticity greater than zero are shaded. Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

气旋B吞并气旋A的过程大致可分为以下三个阶段：

A.前期阶段 (6日12 UTC—7日23 UTC) 气旋A和气旋B呈现为两个独立的“涡旋柱”，它们的高度和相对涡度有大体相当的量级，气旋A和气旋B相互靠近，各自的涡度值均减小。

B.吞并阶段 (8日00 UTC—8日05 UTC) 当气旋A与气旋B之间的距离缩至650 km以内时，8日00 UTC，从中低层开始，气旋B逐渐吞并A，气旋A和气旋B的风速零线相接，两“涡旋柱”开始连接。

C.完成阶段 (8日06 UTC—8日12 UTC) 气旋A的海平面气压中心于8日07 UTC后就无法被追踪。风速零线直立，以原气旋B的环流为主体形成的气旋C有一个深厚的“涡旋柱”，气旋A残留的环流被进一步吞并进气旋C内。

3 WRF模拟结果分析

本文使用的大气数值模式WRF-3.5的主要参数设置见表1, 模式积分区域中心位置为(40°W, 50°N)，网格水平分辨率为20 km×20 km，垂直方向为不等间距的28 层。大气边界层方案为YSU方案[16]，积云参数化方案为Kain-Fritsch方案[17]，大气长波辐射方案为RRTM方案[18]，短波辐射方案为Dudhia方案[19]，微物理方案为Lin方案[20]。WRF模式积分的侧边界条件和初始场由ERA-Interim资料提供，积分的初始时刻为2003年3月6日06 UTC, 共积分了60 h。

表1 WRF 模式的主要参数设置表

图11为ERA-Interim资料分析结果与WRF模式模拟结果的对比分析图，可以发现气旋移动路径基本一致(见图11(a))，气旋中心气压随时间变化趋势也相似(见图11(b))，过气旋A和气旋B中心连线的相对涡度和法向风速的垂直剖面图(见图12)来看，气旋B吞并气旋A的过程也基本相似。综上所述，WRF模式模拟结果与ERA-Interim资料分析结果在以上三方面分析中吻合得较好，虽然WRF模式模拟结果分析得到的气旋B吞并A的时间比ERA-Interim资料分析得到的结果提前4 h，但能够较准确地描绘北大西洋上气旋B吞并A后的爆发性发展过程。下面我们将利用WRF模式模拟结果对气旋的发展机制进行分析。

图11 (a) WRF模式模拟结果(虚线)和ERA-Interim 资料(实线)的气旋中心移动路径(每两个相邻点的时间间隔为6 h)及(b) 海平面中心气压随时间变化对比图(实线为 ERA-Interim 资料分析结果，虚线为 WRF 模式模拟结果

((a)、(b)、(c)为WRF 模式模拟结果；(d)、(e)、(f)为ERA-Interim 资料。正相对涡度值用填色表示，绿色等值线为相对涡度值为0.7×10-4 s-1线，红色等值线为垂直于剖面的风速0线，蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。WRF modeling result: (a), (b), (c). ERA-Interim data: (d), (e), (f). Relative vorticity values greater than 0 are shaded. Blue dots indicate the positions of cyclone A center, purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone B center. Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

3.1 水汽输送通道

(1)

气旋A与气旋B之间的水汽输送通道的建立过程可以通过分析整层水汽通量散度的变化进行研究[7]。本文选取7日18 UTC、7日20 UTC、7日22 UTC、8日00 UTC四个时刻进行分析。

(图中带箭头的实线为水汽通道，蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。Solid lines with arrows are water vapor channel. Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

3.2 潜热释放

气旋B吞并气旋A的过程发生在水汽充足的北大西洋海域，潜热释放的作用重要。Yanai等[21]通过研究计算视水汽汇(Apparent moisture sink)，用物理量Q表征潜热[3]，公式如下：

(2)

图14为900 hPa的视水汽汇Q、风场和位势高度场分布图。7日12 UTC(见图14(a))，气旋B附近的视水汽汇Q呈西南-东北向带状分布，且气旋B中心附近Q值约为2.6 J·kg-1·s-1，而气旋A附近的视水汽汇Q几乎为0，潜热释放作用很弱。气旋A和气旋B的南侧均有低空急流存在，最大风速约为40 m·s-1。7日18 UTC至—20 UTC(见图14(b)，(c))，气旋B南侧附近的视水汽汇Q带状分布逐渐“转竖”，气旋B附近的视水汽汇Q减弱至1.6 J·kg-1·s-1。

(线GiHi(i=1,…,8)用于分析垂直剖面，蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。Lines GiHi(i=1,…,8) are used for vertical cross section analyses later. Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

之后的4 h内(见图14(d)，(e))，气旋A中心附近的视水汽汇Q很小，潜热释放作用很弱，而气旋B南侧视水汽汇Q逐渐加强至2.2 J·kg-1·s-1，潜热释放作用加强，带状分布进一步拉长，为气旋发展提供充足的水汽条件。气旋A和气旋B进一步互旋，低空急流位于气旋对的南部，强度变大。8日02 UTC(见图14(f))，气旋B吞并气旋A，Q的分布与“T状”卫星云图分布相呼应，表明该气旋的爆发性发展与潜热释放作用有密切联系。8日06 UTC至12 UTC(见图14(g)，(h))，随着爆发性气旋演变至成熟阶段，视水汽汇Q场逐渐减弱至0.6 J·kg-1·s-1。

3.3 ω方程诊断分析

下面利用ω方程，分析涡度平流、温度平流、非绝热加热等各项因子对气旋发展的贡献。

p坐标系下的ω方程为：

(3)

图15给出了涡度平流和垂直速度的垂直剖面图，可以看出，7日12 UTC(见图15(a))，气旋B附近的上升运动速度最大值超过6×10-1m·s-1，其中心附近下沉气流很弱。地面气旋B上空的负涡度平流位于西南侧，正涡度平流位于东北侧，涡度平流的垂直分布与垂直运动速度相对应，上升运动速度中心对应的涡度平流约为7×10-8s-2。结合高空环流形势，此时气旋B 受到高空急流出口区左侧强辐散的影响。地面气旋A中心上方的垂直运动很弱，由于气旋A在高空远离高空急流出口区左侧的强辐散区域，因此涡度平流的作用并不明显，对应此时气旋A中心气压明显下降，加深率小于1 hPa·h-1。7日18 UTC(见图15(b))，气旋B附近上升运动速度超过8×10-1m·s-1，上升气流基本延伸至整个对流层，上升运动速度中心位于800 hPa附近，但涡度平流作用很弱，猜想该时刻气旋 B 的爆发性发展来源于其它因素。气旋A的上升运动速度也增大至2×10-1m·s-1，涡度平流作用增强。对应气旋A的第二次爆发，中心气压加深率达到2.88 hPa·h-1。7日20 UTC(见图15(c))，虽然气旋B的上升运动减弱至2.5×10-1m·s-1，但是上升运动速度中心抬升至600 hPa附近，气旋A的上升运动增大至2.5×10-1m·s-1，此时气旋A和B的垂直速度相近。气旋B的涡度平流作用略有增强，涡度平流的作用突显出来，而气旋A的涡度平流作用减弱。之后的4 h内(见图15(d)，(e))，气旋B的上升运动速度中心演变为2个，分别位于 750和550 hPa 附近。在500 hPa上出现等位势高度线闭合中心，此时涡度平流的作用仍然存在，但强度明显减弱，气旋A的上升运动和涡度平流作用均减弱。气旋B吞并A后(见图15(f))，上升运动速度减小，气旋C的涡度平流作用明显减弱。

温度平流的垂直分布图见图16。7日12 UTC(见图16(a))，在对流层低层，气旋B中心西南侧为冷平流，气旋B的上方为暖平流，气旋B上升运动大值中心对应暖平流作用。7日18 UTC(见图16(b))，气旋B中心西北侧为冷平流，可能与来自西南方向的冷输送带有关。此时气旋 B 对应的上升运动速度超过8×10-1m·s-1。而从温度平流的垂直分布图上可以看出，这一时刻对流层内气旋 B 的上空对应暖平流，暖平流中心位于 700 hPa附近，与上升运动速度的中心有较好的对应关系，因而可以推断出，此时上升运动速度的增强与暖平流作用密切相关。之后的8 h内(见图16(c)～(f))，气旋B以及气旋B吞并A后形成的气旋C的上升运动速度的中心都与暖平流中心有较好的对应关系。

潜热释放的垂直分布图见图17。分析发现，7日12 UTC(见图17(a))，气旋B的的潜热释放大值区位于800 hPa 附近，而气旋A的潜热释放大值区位于700 hPa 附近，7日18 UTC(见图17(b))，气旋B的上升运动速度增强至8×10-1m·s-1，气旋B上空至 600 hPa，均为潜热释放的正值区，且潜热释放大值区对应上升运动的大值中心基本位于 800 hPa附近。此时气旋B比气旋A的上升运动速度更大。之后的8 h内(见图16(c)～(f))，气旋B以及气旋B吞并A后形成的气旋C的上升运动速度的中心均有潜热释放，但潜热释放作用很弱。当气旋的垂直运动减弱，潜热释放作用也随之减弱，表明气旋的爆发性发展与潜热释放密不可分。

(蓝色圆点表示气旋B的中心位置，紫色矩形点表示气旋A的中心位置，黑色圆点表示气旋C的中心位置。Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

对气旋的快速发展起促进作用的因子包括涡度平流、温度平流和潜热释放项。本文对ω方程(公式3)右端三项进行了定量计算发现，右端第二项(温度平流)的量级为10-13，而第一项(涡度平流项)和第三项(潜热释放项)的量级均为10-14, 即温度平流项比涡度平流项和潜热释放项均大1个量级，表明在气旋B吞并气旋A后形成的气旋C的快速发展主要是由于暖平流作用。

3.4 概念模型

通过对气旋A和气旋B演变过程的分析，我们建立了气旋B吞并气旋A形成气旋C后快速发展的概念模型如下(见图18)。

((a)前期阶段，(b)吞并阶段，(c)完成阶段，(d)吞并全过程。(a) Pre-swallowing stage, (b) Swallowing stage, (c) Final-swallowing stage, (d) The whole process of cyclone B swallowing cyclone A.)

在吞并前阶段，气旋B位于气旋A的西南方向，气旋A和气旋B有各自的锋面系统，气旋A与气旋B之间的水汽输送通道尚未建立。300 hPa图上，气旋B位于高空急流轴处，气旋A位于高空急流出口区左侧。垂直方向上，气旋 B 的潜热释放大值区位于 800 hPa 附近，对应上升运动的大值中心，而气旋A的潜热释放大值区位于700 hPa 附近。在吞并初始阶段，气旋B位于气旋A的东南方向，气旋A和气旋B的锋面合并，东移的冷锋与增强的暖锋呈垂直“T-型”状态。低空急流在气旋B和气旋A之间建立水汽输送通道，水汽从气旋A向气旋B输送(见图13(a))。300 hPa上，气旋A远离高空急流出口区左侧，气旋B位于槽前，且位于东—西向高空急流出口左侧区域，温度槽落后于位势高度槽。垂直方向上，气旋B上空至 600 hPa 均为潜热释放的大值区，且对应上升运动的大值中心，此阶段气旋B潜热释放作用仍然明显。在吞并完成阶段，海平面气压场上只能追踪到气旋C，“T-型”锋面结构依然存在。300 hPa上，气旋C远离高空急流出口区左侧。

综合以上分析，可以总结出气旋B吞并A后形成气旋C快速发展的机制。在气旋B吞并气旋A的过程中，气旋A是绕着气旋B旋转的，随着气旋A移动到离气旋B 越近，旋转速度变得更快。低空东移的冷锋与增强的暖锋呈垂直“T-型”形态。高空气旋A和气旋B均位于槽前，且位于东—西向高空急流出口左侧区域，温度槽落后于位势高度槽。在气旋A和气旋B之间建立水汽输运通道，水汽从气旋A向气旋B输送。在吞并后气旋C的发展过程中，温度平流的贡献起主要作用。

4 结论

本文利用红外卫星云图、天气图资料、WRF模式模拟结果对2003年3月北大西洋上气旋B吞并A的过程及发展机制进行了分析，得到的主要结论如下：

(1) 气旋A生成于美国东海岸，向东北方向移动，路径发生回旋。气旋B生成于美国东部，比气旋A向东北方向移动得更快，达到最大加深率3.27 hPa·h-1。气旋A云系被气旋B干扰后发生形变，气旋A有被卷入气旋B的趋势，云系呈现为“T”状结构。气旋B在北大西洋中部地区将气旋A吞并后继续向东北方向移动，吞并后的气旋C在6 h后气旋中心气压降至最低值。

(2) 气旋A和气旋B均位于高空槽前，且位于东—西向高空急流出口左侧区域。在低层，低空急流从气旋A向气旋B中心输送暖湿气流，为气旋B的快速发展提供充足水汽条件。垂直方向上，气旋A和气旋B的水汽聚集在对流层中低层。低空急流在气旋B和气旋A之间建立的水汽输送通道有利于气旋B的发展。

(3) 气旋A绕着气旋B旋转，随着气旋A移动到气旋B的距离在1 500 km以内，旋转速度变得更快。气旋B吞并A过程经历三个阶段：前期阶段、吞并阶段、完成阶段。吞并后形成的气旋C以原气旋B为主体形成一个深厚的“涡旋柱”。

(4) 通过对方程的定量分析可知温度平流是气旋C快速发展的主要因子。低层暖平流为气旋C的发展提供了充足的水汽条件，且易形成对称不稳定，中高层冷平流则造成了斜压不稳定，二者促进了气旋C的爆发性发展。