引发东北极端暴雪的黄渤海气旋爆发性发展机制

何立富 齐道日娜 余 文

1)(国家气象中心， 北京 100081) 2)(中国气象局干部培训学院， 北京 100081) 3)(华风气象传媒集团， 北京 100081)

引 言

我国冬季暴风雪主要发生在东北地区和新疆北部，青藏高原和华北地区也较为多见。研究表明：欧美暴风雪多由温带气旋产生，当冬季风暴强烈发展成“气象炸弹”强度时北美地区会出现极端暴风雪事件，而东北亚出现暴风雪天气多与冬季大陆低压入海加强有关[1-4]。由于我国冬季极端暴雪天气出现概率小，对其成因及发展机制的研究多集中于2008年我国南方极端低温雨雪冰冻灾害和2009年11月华北地区极端暴雪过程[5-8]。相对而言，更多研究聚焦于夏季极端暴雨事件[9-12]。此外，华北地区暴雪天气多与冷空气路径以及太行山、燕山地形分布有关，回流冷锋的水汽来源和华北锢囚锋的结构分析是关注重点[13-15]；山东半岛的冷流降雪作为一个独特的地域性天气现象，多由低空冷平流在暖湿海面上经感热交换形成，备受关注[16-19]。此外，还有学者利用不同资料和技术方法研究暴雪过程的观测特征、动力不稳定机制和云微物理过程[20-29]，揭示对称不稳定的产生机理，水汽凝结、冻结和冰粒子碰并等冰相微物理过程对强降雪发生发展的作用。

锋面气旋和东北冷涡是东北地区暴风雪事件的重要影响系统，王庆洪等[30]和张伟等[31]发现冬半年我国东海和黄海温带爆发性气旋具有类似T型结构暖锋后弯的特征, 卫星云图上存在逗点云系和旋转的锢囚锋云带。王达文[32]将具有后弯特征的锋面称为倒暖锋, 其暖平流的输送是由气旋北部的偏东气流完成，暖空气和冷空气同时向气旋中心卷入，导致暖核产生。熊秋芬等[33]对东北气旋的结构和水汽源地进行研究，认为带状强降雪区由弱对称稳定条件下锋生强迫作用产生，且出现在气旋系统逗点云系的头部。蔡丽娜等[34]对东北地区一次暴雪过程的研究表明：冬季温带气旋强烈发展导致大范围暴风雪天气，高低空急流耦合及辐合区和垂直运动的有利配置构成有利于气旋发展的次级环流。刘宁微等[35]对辽宁极端暴雪过程进行统计，指出北上低涡发展是产生暴雪天气的主要系统，低空急流水汽输送和低层上升运动为强降雪提供了有利条件。赵宇等[36]利用云雷达资料研究温带气旋风暴头部带状降雪的微物理特征，认为暴雪过程既有稳定性降水也有积云对流性降水，强降雪带多位于锢囚锋中的钩状云区。此外，有些学者还从斜压系统发展、位涡理论等对气旋风暴系统发生发展机制进行研究，如王东海等[37]研究一次温带气旋暴雪过程的多尺度相互作用及其形成机理，指出涡度平流和温度平流对锋前上升运动起重要作用。吴国雄等[38]提出倾斜涡度发展理论，证明位涡守恒条件下，拉格朗日质点沿等熵面下滑时垂直涡度的发展。寿绍文[39]系统评述位涡理论的发展及应用研究，有助于更好地理解高层位涡下传对中低层气旋式涡旋发展的重要性。黄立文等[40]研究发现气旋的爆发性增长与湿位涡的垂直分布及变化有关。郑永骏等[41]从非绝热加热、位涡分布和静力稳定度方面研究低涡系统垂直涡度发展的机制，认为热力作用是垂直涡度发展的主导因子，位涡水平分量的作用次之。

2021年11月6—9日华北北部和东部、东北地区等地出现大范围强降雪天气，内蒙古东南部和辽宁中北部等地出现历史罕见暴雪天气，极端强降雪和大风降温给交通运输、设施农业、城市运行和人民生产生活等造成严重影响。中央气象台对此次极端暴雪落区和强度预报与实况相比存在明显偏差，预报检验显示仅24 h预报与实况较接近，48 h时效以上预报误差较大，降雪落区明显偏西、强度偏弱，对辽宁中北部暴雪预报误差更大,对导致本次极端暴雪的温带气旋系统发生及爆发性发展的认识存在明显不足。本次过程是强冷空气入侵背景下由高空冷涡诱发地面气旋异常发展产生，其热动力结构演变伴随的影响因子、爆发性发展的动力学机制等问题需要深入研究。本文利用多种观测资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料ERA5对本次极端暴雪过程锋面气旋结构演变和发生发展机制深入分析，揭示其动力学成因，为改进温带气旋业务预报提供参考。

1 暴雪过程实况及影响系统配置

1.1 资 料

本文所用观测资料包括2021年11月6—9日地面逐3 h常规观测、区域自动气象站逐小时观测和人工加密积雪观测、FY-4A气象卫星逐小时高分辨率水汽图像。本文所用格点资料是ECMWF提供的第5套(ERA5)逐小时再分析资料[42]，所用数据时段为1979—2021年11月6—9日，气象要素包括海平面气压、位势高度、温度、水平风场、垂直速度、相对湿度，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向由1000 hPa至200 hPa共19层。文中气候场为1979—2020年的多年平均，距平场为要素原始场与要素气候场的差值。

本文插图中所涉及的中国国界基于审图号为GS(2019)3082号标准地图制作，底图无修改。

1.2 过程实况

2021年11月6日08:00—9日08:00(北京时间，下同)华北大部和东北地区出现持续性降雪或雨转雪天气，其中河北中部、山东北部为大到暴雪，内蒙古东南部、辽宁中北部和吉林西部出现罕见大暴雪并伴有6～8级大风、局地阵风11级。此次极端暴雪过程特点如下： ①过程降水量极端性强。内蒙古东南部和辽宁中北部地区最大累积降水量达50～70 mm，其中通辽为86.8 mm，鞍山为79.7 mm，均超过历史同期过程降水量极值。②日降水量破历史同期极值的国家级气象站达151个。11月7日和8日通辽站降水量分别为39.1 mm和42.2 mm，连续两天均超历史极值，鞍山站日最大降水量达63 mm(图1a)。③过程持续时间长，通辽降雪持续时间长达66 h。此外，部分地区降水相态复杂，沈阳、长春、哈尔滨还伴有冻雨。人工积雪观测(图1b)显示,9日08：00华北北部和东部、内蒙古中东部、东北地区中西部等地新增积雪深度为10～30 cm；内蒙古东南部、吉林西部、辽宁中北部部分地区积雪深度达到40～50 cm，内蒙古通辽市库伦最大积雪深度达68 cm。

图1 2021年11月6日08:00—9日08:00累积降水量(填色)(a)及11月9日08:00积雪深度(填色)(b)(黑色圆点为通辽站,下同)Fig.1 The accumulative precipitation from 0800 BT 6 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021(the shaded)(a),the snowfall depth at 0800 BT 9 Nov 2021(the shaded)(b)(the black dot denotes the location of Tongliao Station,the same hereinafter)

1.3 地面气旋与降雪区配置

图2是11月7—8日500 hPa位势高度场、海平面气压场和12 h累积降水量的分布。11月7日20:00亚洲中纬度地区500 hPa上空为两脊一槽，长江以北地区受深厚冷涡低槽控制，槽前西南气流呈明显疏散结构，高空冷涡位于华北中北部上空，冷涡中心强度接近540 dagpm。温度槽落后于高度场，高空槽后及冷涡后部和槽区附近存在明显冷平流，槽前为暖平流，有利于高空冷涡低槽的加深发展(图略)。500 hPa斜压过程有利于地面气旋发展，此时位于黄海北部的地面气旋处于发展加强阶段，并表现出锋面气旋波动特征，其中心气压为1012 hPa。对应地面12 h强降水区(不小于5 mm)位于气旋西侧，主要分布在内蒙古东南部、东北西部、华北东部至山东、苏皖一带，降水大值区(15～25 mm)位于辽宁西部、山东东部等地，在40°N地区降水相态为降雪，其余大部分地区为雨转雨夹雪或雪。11月8日08:00 500 hPa高空冷涡位于渤海湾北部沿海，其强度急剧加强，冷涡中心强度接近530 dagpm，且冷涡东侧高压脊强烈发展，并沿冷涡北侧向西伸展。对应冷中心位于冷涡后部，冷涡前部附近仍存在较明显冷平流；冷涡前部暖脊区明显增强，温度场的配置(图略)显示冷涡系统仍将进一步发展加强。此时地面气旋位于辽宁和吉林交界处东部，冷暖锋结构完整，正处于爆发性发展阶段，气旋中心强度急剧下降至998 hPa，12 h下降幅度达14 hPa。对应地面12 h强降雪区(不小于5 mm)仍位于气旋西侧，降雪强度明显加强，强降雪区主要位于辽宁中东部、内蒙古通辽地区和吉林西部等，中心最大强度达到30～50 mm。11月8日20:00 500 hPa高空冷涡位于辽宁东北部，庞大的高空冷涡系统几乎控制整个东北地区，冷涡中心强度下降至524 dagpm。温度槽超前导致冷涡东南侧为明显冷平流，同时冷涡北侧暖脊加强西伸导致暖平流西侧进入冷涡内部，预示冷涡系统将进入缓慢减弱阶段(图略)。对应地面气旋进入缓慢锢囚阶段，锋面结构发生明显变化，出现冷锋断裂脱离，暖锋向北推进并沿着气旋北侧向气旋中心卷入，逐渐形成锢囚锋。此时12 h降雪区强度明显减弱，位于气旋后部和北侧，强降雪区(10～25 mm)位于通辽地区、吉林西部和东北部、黑龙江中部。11月9日08：00 500 hPa高空冷涡结构松散，中心气压梯度明显减弱，对应暖平流侵入，导致强度减弱，同时移速加快，冷涡中心接近地面气旋中心区；冷涡斜压结构的减弱导致地面气旋强度减弱，其中心气压上升至1001 hPa。对应12 h降雪区位于东北地区西部和北部，降水量一般不足10 mm。

由此可见，本次极端暴雪过程发生在高空冷涡斜压发展的背景下，地面气旋在北上过程中快速发展加强， 随着高空冷涡北侧暖平流持续加强并向西推进，形成缓慢减弱的锢囚过程。地面降雪区主要分布在气旋西侧，且降雪强度与地面气旋的发生发展和锢囚减弱阶段密切相关。11月7日夜间是地面气旋爆发性发展阶段，对应此次极端暴雪过程最强时段。

图2 2021年11月7—8日500 hPa位势高度场(实线，单位：dagpm)，海平面气压场(虚线，单位：hPa)及对应时次12 h累积降水量(填色)Fig.2 500 hPa geopotential height(the solid line,unit:dagpm),sea level pressure(the dashed line，unit:hPa)and corresponding 12 h accumulative precipitation(the shaded) from 7 Nov to 8 Nov in 2021

2 温带气旋发展演变和结构特征

2.1 气旋路径和强度变化

由2021年11月7—9日气旋路径和强度变化(图3)可知，黄渤海气旋在黄海北部近海生成后，沿东北地区东部东移北上，先后经历了气旋波动形成、加强发展和锢囚减弱过程。在黄渤海气旋生成阶段(7日14:00—20:00)：地面倒槽入海后在山东半岛南部近海出现闭合低压，其中心气压为1015 hPa。7日20:00低压波动进入黄海北部发展加强形成锋面气旋，中心气压降为1012 hPa；此后黄渤海气旋东移北上，8日02:00在辽东东南部登陆， 沿东北地区东部北上。由气旋中心海平面气压变化可见，7日20:00—8日17:00为黄渤海气旋发展加强阶段，21 h内气旋中心强度从1012 hPa降至995 hPa，降幅达17 hPa，其中7日20:00—8日08:00气旋中心气压下降14 hPa，达到爆发性发展的强度标准(-12 hPa·(12 h)-1)。8日17:00—9日08:00为锢囚减弱阶段：气旋沿吉林东北部进入黑龙江东北部，强度缓慢减弱。伴随地面生成发展、爆发性加强以及锢囚减弱，地面6 h最大降雪中心的位置始终位于地面气旋西侧，并随着气旋东移北上从山东半岛经辽宁东南部进入吉林西部，随后抵达黑龙江东北部；6 h 最大降水量在气旋发生阶段约为30 mm；7日夜间气旋爆发性发展阶段暴雪过程同步加强为最强时段，6 h最大降水量高达50 mm；气旋缓慢锢囚减弱阶段，强降雪过程也呈现缓慢减弱趋势，6 h最大降水量从20 mm缓慢减小至10 mm以下。

图3 2021年11月7日14:00—9日08:00温带气旋路径和逐6 h最大降水量站点位置(a)以及气旋中心海平面气压和逐6 h最大降水量(b)Fig.3 Path of extratropical cyclone and stations with 6 h accumulative maximum precipitation(a) and sea level pressure in cyclone center and 6 h maximum precipitation(b) from 1400 BT 7 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021

2.2 气旋结构

2.2.1 水平结构

由时间分辨率为30 min的FY-4A气象卫星水汽图像逐6 h演变可以清晰看到此次黄渤海气旋在生成、发展和减弱阶段水汽云系结构的演变特征(图4)。2021年11月7日14:00—20:00为气旋形成阶段，气旋具有庞大的斜压叶状云系，冷暖输送带结构清晰。暖输送带呈东北—西南走向，位于辽宁南部至黄淮一线，其后部干侵入不断加强；冷输送带为东西走向，位于东北地区—内蒙古东部且略北抬。此后气旋进入发展加强阶段：8日02:00气旋干侵入加强，驱动暖输送带呈现南北走向并快速向东推进，气旋水汽云系表现出明显T型结构；气旋北部的冷输送带逐渐北抬并进入50°N以北地区，并不断向气旋中心的西部和西南部弯曲。8日14:00覆盖在东北地区的叶状云系逐渐转化为钩状云系。8日20:00—9日08:00为气旋减弱锢囚阶段，由水汽图像可以看到气旋结构再次由钩状云系演变为螺旋状云带和涡旋云系。9日20:00受后部干侵入驱动，暖输送带向东推进过程中由南北向逐步演变为西北—东南走向，并出现断裂，表明后部冷锋也出现断裂；冷输送带进一步西伸北抬，在向气旋中心后弯卷入过程中出现包卷现象。同时，在北抬过程中冷输送带也由准东西向转变为西北—东南走向，气旋涡旋云系结构逐步清晰。另外，由FY-4A气象卫星观测的水汽图像(图4)可见， 11月7—9日通辽地区上空持续受地面气旋影响，7日08:00暖输送带抵达通辽，水汽云系亮温(TBB)低于-52℃，受暖湿气流锋面动力抬升影响降雪过程开始。8日08:00冷输送带北抬并向西推进至通辽西部，暖锋沿通辽西北侧后弯和包卷，最低TBB升至-42～-30℃，边界层冷空气入侵，导致暖空气沿冷空气垫强迫爬升，导致冷输送带降雪阶段产生。

图4 2021年11月7日14:00—9日08:00 FY-4A气象卫星观测的黄渤海气旋云顶亮温(填色)Fig.4 TBB(the shaded) of the Yellow Sea and Bohai Sea cyclone observed by FY-4A from 1400 BT 7 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021

黄渤海气旋在生成、爆发性发展和锢囚阶段的水汽图像由叶状云系演变为钩状逗点云系和涡旋云系，并先后出现T型结构、冷锋断裂和暖锋后弯包卷现象，通辽强降雪持续时间长达66 h，这与暖输送带和冷输送带先后接力控制通辽地区并驱使暖空气沿冷空气垫强迫爬升有关。

由11月7日20:00 850 hPa风场和温度场(图5)可见，一条东北—西南向的强温度锋区(宽约600～800 km)位于辽吉西部到江苏近海，风场上在锋区东侧渤海东部出现气旋式涡旋环流，850 hPa低涡中心附近呈现明显东北—西南走向的冷暖锋区结构；7日20：00海平面气压场显示，山东半岛最东端低压加强形成气旋，中心气压为1012 hPa，地面气旋也出现明显的冷锋和暖锋。8日08:00 850 hPa 低涡北上过程中气旋式环流明显加强，低涡东侧偏南风急流明显加大。低涡中心位于辽宁东南部，冷锋锋区继续东移向暖区推进，冷锋锋区移速较慢，而暖锋锋区加强向西北方向推进，强冷暖锋区呈现T型直立架构。对应8日08：00海平面气旋强度爆发性发展加强，中心气压降至998 hPa，气旋中心附近冷锋锋面减弱北收，暖锋锋区则北抬西推，向东移动的冷锋与后弯的暖锋近乎垂直。至8日20:00 850 hPa低涡空间尺度增大，其北侧偏东急流明显加强向西推进，暖切变加强导致暖锋锋区向低涡西侧发展；850 hPa冷锋锋区进一步东移减弱，连续锋区出现断裂，其南段已经抵达日本南部。低涡北侧后弯的暖锋锋区和高纬度冷空气气旋式旋转包围低涡中心。此时地面气旋进入锢囚阶段，强度开始减弱(图3b)。由8日20：00海平面气压场可见，冷暖锋面出现分离，暖锋向地面气旋中心的西侧后弯形成锢囚锋面。主冷锋减弱东移断裂的同时，地面气旋中心有副冷锋生成；由于暖锋锋区进一步后弯，并与来自高纬度地区的冷空气交汇，导致在地面气旋西侧形成另一个副低压中心，被暖锋包围形成干暖核。以上分析可见，此次过程黄渤海气旋结构与Shapiro-Keyser海洋锋面气旋概念模型相似，不同之处在于尽管黄渤海气旋在海面形成，但长时间在东北地区的陆地发展，其结构演变展现独特的副冷锋以及副中心新生的现象。

图5 2021年11月7日20:00—8日20:00 850 hPa风场(矢量)与温度场(虚线，单位：℃)，海平面气压场(实线，单位：hPa)(黑色粗线为锋面)Fig.5 850 hPa wind(the vector) and temperature(the dashed line,unit:℃)，sea level pressure(the solid line,unit:hPa) from 2000 BT 7 Nov to 2000 BT 8 Nov in 2021(the thick black line denotes the front)

2.2.2 垂直结构

黄渤海气旋在东移北上过程中，不仅水平结构经历了波动生成、锋面气旋加强和爆发性发展以及缓慢锢囚减弱的阶段性变化，其垂直结构特征也发生了显著变化。由11月7—9日地面气旋上空涡度和垂直速度沿850 hPa低涡中心的垂直剖面(图6)可以看到，7日20:00气旋系统处于发展加强阶段，上空为明显倾斜的正涡柱，水平范围约8个经度。正涡度区位于115°～124°E，正涡度大值中心位于500 hPa至300 hPa高度，涡度强度约为2×10-4s-1～2.5×10-4s-1；低涡中心附近及其东侧400 km 范围存在明显上升运动区，与850 hPa至地面的涡度大值区对应；由8日08:00黄渤海气旋爆发性发展阶段涡度垂直分布可见，气旋系统上空的正涡度柱急剧加强且随高度略向西倾斜，正涡度区位于120°～124°E，400 hPa高度以下涡度强度为2.5×10-4s-1～4×10-4s-1，最大正涡度中心位于边界层内，垂直上升运动区(-2×10-2～-1×10-2Pa·s-1)与正涡柱对应；8日20:00地面气旋进入锢囚阶段，上空正涡度大值区位于123°～130°E，正涡柱覆盖范围扩大，低涡上空正涡度区低层分离，中高层强度增强呈直立结构，近地面最大正涡度中心进一步增大到4×10-4s-1～6×10-4s-1，上升运动区位于地面气旋的东西两侧；9日08:00地面气旋处于明显减弱阶段，气旋上空垂直涡柱水平范围进一步扩大，上升运动明显减弱，700 hPa以下高度正涡度明显减弱，大值中心位于对流层中层。

图6 2021年11月7—9日涡度(填色)和垂直速度(虚线，单位：Pa·s-1)沿850 hPa低涡中心垂直剖面(∆表示850 hPa低涡中心所在经度位置,下同)Fig.6 Cross-section of vorticity(the shaded) and vertical velocity(the dotted line,unit:Pa·s-1) along 850 hPa vortex center from 7 Nov to 9 Nov in 2021(∆ denotes the longitude of 850 hPa vortex center，the same hereinafter)

图7为11月7—9日气旋上空温度和相对湿度沿850 hPa低涡中心的垂直剖面，可以更直观地看到温带气旋在发展演变过程中存在锋区断裂及低层干暖核被隔离现象。7日20:00气旋系统处于发展加强阶段，气旋位于低涡东南侧，其上空相对湿度大于70%，中高层几乎饱和；低涡附近中低层西侧冷槽东侧暖脊，锋区具有倾斜结构，随高度变宽；8日08:00低层冷槽侵入低涡，高低层温度锋区在700 hPa 至600 hPa出现断裂，低层锋区变陡，高层锋区移速较快且变窄。气旋周围为大范围湿区，高层湿度大值区东移至气旋东部，气旋系统西侧的湿区在500 hPa高度以下；8日20:00地面气旋开始减弱，随着冷槽过境温度锋区推进至130°E附近，气旋上空低层为温度槽中高层暖脊。上空湿度大值区进一步东移远离，气旋附近上空湿层变薄；气旋西侧湿区加强，相对湿度接近100%，湿层高度上升至350 hPa。湿区西侧120°E附近, 700 hPa以下由于绝热下沉的增温效应出现干暖中心，暖核西侧也为湿区，与水汽图像暖核被隔离十分吻合，在其西侧700 hPa以下存在相对湿度大于90%的区域，即湿度分布与低空向西的冷湿输送带密切联系。9日08:00地面气旋上空低层为温度槽中高层为暖脊的结构更为明显，暖脊被抬升至500 hPa高度以上，中性锢囚锋锋区形成，可见温带气旋处在明显锢囚阶段。气旋附近上空仍为湿区，但东侧湿层高度下降；气旋西侧120°E附近暖脊进一步变干，干暖核结构特征更为明显。

图7 2021年11月7—9日温度(虚线，单位:℃)和相对湿度(灰色)沿850 hPa低涡中心垂直剖面(黑色粗线为温度槽线和脊线)Fig.7 Cross-section of temperature(the dashed line,unit:℃) and relative humility(the gray) along 850 hPa vortex center from 7 Nov to 9 Nov in 2021(black bold lines denote trough and ridge of temperature contours)

3 气旋爆发性发展机制

3.1 500 hPa高空冷涡的强烈发展

早期研究表明，斜压系统发展主要受涡度因子、热力因子和非绝热加热影响。涡度因子主要使低层系统发展，热力因子有利于高层系统加强，对低层系统的发展仅起间接作用。可见，500 hPa冷涡系统快速发展带来的涡度因子加强对地面气旋系统的爆发性增强起主导作用。

本文利用Takaya等[43-44]推导的波作用通量描述准定常Rossby波的能量频散特征，该通量在Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似假定下与波位相无关且与定常Rossby 波列的局地群速度方向一致。

由2021年11月7日14:00—8日08:00 500 hPa波作用通量和位势高度距平的演变过程 (图8)可以看到，在黄渤海气旋初生阶段(7日14:00)，存在由西伯利亚高压脊、华北地区高空槽和东北地区高压脊3个位势高度异常中心构成的Rossby大气长波波列。来自上游西伯利亚地区500 hPa高压脊向东南方向的波作用通量持续向华北地区西部的高空槽区域频散，导致华北槽加深发展，槽区附近存在显著向东南方向频散的波作用通量，通量大值区(150～450 m2·s-2)显示高空槽将加深发展；槽前波通量向位于东北地区的高压脊传播。7日20:00随着西伯利亚高压脊缓慢东移，其波能量不断向下游频散，华北高空槽加深发展形成高空冷涡，冷涡中心位势高度约为538 dagpm；冷涡西北象限波作用通量加强，东南象限波通量转为东南向，表明冷涡系统将向东北方向移动和发展，黄渤海气旋进入爆发性增强阶段；由8日02:00波能量频散特征分布可以看到，随着西伯利亚高压脊进一步向东发展以及能量向下游地区频散，华北冷涡中心后部存在明显西北方向的波作用通量，通量强度加强至150～200 m2·s-2，冷涡距平异常区明显增强；8日08:00冷涡后部波作用通量进一步加大，最大达到250 m2·s-2，来自上游地区强大的波能量频散导致高空冷涡强度快速加强，冷涡中心位势高度从538 dagpm快速下降至533 dagpm，同时由于冷涡向东频散的波能量进一步加强，东北地区高压脊同步加强西伸。由此可见，西伯利亚上游地区异常中心的波能量频散的不断加强，500 hPa华北冷涡快速加强，使得位于冷涡前部地面气旋上空正涡度平流急剧加大，高空涡度因子的快速加强有利于驱动黄渤海气旋的爆发性发展。

图8 2021年11月7日14:00—8日08:00 500 hPa位势高度(实线，单位：dagpm)、距平(填色)和波作用通量(矢量)Fig.8 500 hPa geopotential height(the solid line，unit:dagpm) with its anomaly(the shaded) and wave-activity fluxes(the vector) from 1400 BT 7 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021

3.2 高层位涡沿等熵面下传与地面气旋发展

以上分析表明:对流层上层高空槽先于中低层系统发展，随着高层系统的逐渐逼近并叠加在中低层系统之上，高低空系统耦合使得地面气旋上空的倾斜涡柱演变为近乎垂直的深厚气旋系统。下面进一步分析高层位涡下传过程对本次黄渤海气旋发生发展的作用。

气旋发生发展生成阶段(11月7日白天)，随着一股强冷空气从华北地区南下，来自华北北部冷空气前锋抵达黄淮地区。伴随地面冷空气的不断东移南下，在黄淮东部形成的地面倒槽也逐渐加强。7日14:00 850 hPa风场出现闭合气旋式涡旋，并逐渐表现出明显冷式切变和暖湿切变，地面气旋波动开始生成。气旋波动的发生、500 hPa低涡、槽前的疏散结构、涡度平流加强以及200 hPa西风槽进入华北并加深，均有利于高层出现辐散。由位涡演变的垂直分布(图9)可见，7日08:00—14:00随着对流层高层西风槽加深开始不断向南伸展，引导高纬度地区平流层位涡高值区沿等熵面缓慢向低层运动。7日14:00—20:00强度不小于1 PVU(1 PVU=10-6m2·K·s-1·kg-1)的位涡区向下层快速发展；强度不小于1 PVU的位涡由500 hPa迅速向下伸展至850 hPa低涡东侧，诱发地面气旋波动发展加强。气旋爆发性发展阶段(7日夜间)，7日20:00 高层位涡高值区进一步向低层快速发展，强度不小于1 PVU的位涡最低高度迅速向下延伸至低涡东侧的海平面。8日08:00 850 hPa低涡及其东南侧地面气旋上空的位涡柱上下贯通，850 hPa至地面的位涡急剧加大到6 PVU，导致低涡前侧垂直上升运动显著增强，后侧为下沉运动区。低层位涡区的显著加强引发地面气旋出现爆发性发展，对应地面气旋中心强度在12 h内急剧下降14 hPa。气旋缓慢锢囚阶段(8日白天和夜间)，8日08:00随着平流层位涡高值区继续向近地面下传，高层位涡大值区进一步与低层位涡区打通，至8日20:00地面位涡达到10 PVU以上，地面气旋达到最低值995 hPa；8日夜间开始，随着对流层高层400 hPa以上高值位涡区逐步移出低层低涡区的上空， 850 hPa至地面的位涡强度缓慢减弱。至9日02:00，低层位涡明显减弱并与中高层位涡区分离，导致地面气旋在东移北上过程中强度缓慢减弱，气旋波动表现为缓慢锢囚过程。

图9 2021年11月7—9日位涡沿850 hPa低涡中心的垂直剖面(填色)Fig.9 Cross-section of potential vorticity along 850 hPa vortex center from 7 Nov to 9 Nov in 2021(the shaded)

上述地面气旋新生加强、爆发性发展和锢囚减弱阶段，以及正涡度柱由倾斜结构演变为近乎直立结构等特征，可以利用等熵位涡理论解释。当高纬度对流层上部的位涡异常区向南、向下发展，逐渐与低空低值区北侧的锋区和地面气旋北侧的等高线密集区叠加，诱生出气旋性环流，在黄海西部引发新生气旋。高层位涡的不断下传进一步促进地面气旋加强发展，与中低层涡旋锋区的共同作用造成气旋东南侧的暖平流迅速增强，强烈发展的暖平流不仅造成低空气旋性环流的快速发展，还驱使气旋向东北方向移动；高层位涡下传的动力学过程反过来又促进高层的气旋性环流加强，造成300 hPa至200 hPa高度上正涡度柱在东移过程中不断增强，形成正反馈。直至高低层位涡异常区的轴线在同一垂直线上，即由倾斜涡柱演变为垂直涡柱，地面气旋进入缓慢减弱锢囚阶段。

4 结 论

本文分析2021年11月7—9日东北极端暴雪过程的锋面气旋系统的结构和发生发展机制，得到以下主要结论：

1) 极端暴雪过程发生在高空冷涡和地面气旋背景下，地面气旋在黄海形成后出现爆发性快速加强并在东北地区东部北上，随着高空冷涡北侧暖平流持续加强并向西推进，形成缓慢减弱的锢囚过程。地面降雪区主要分布在气旋西侧，且降雪强度与地面气旋的发生发展密切相关，地面气旋爆发性发展阶段对应此次极端暴雪过程最强时段。

2) 黄渤海气旋由地面倒槽入海后波动加强生成，随后是爆发性发展加强以及缓慢减弱锢囚，其结构特征与Shapiro-Keyser气旋概念模型较为相似。在水汽图像上黄渤海气旋表现为由叶状云系演变为钩状逗点云系和涡旋云系，并先后出现T型结构、冷锋断裂和暖锋后弯包卷现象。低层锋区演变显示冷锋锋区东移、减弱、断裂，暖锋锋区北抬加强并持续向西推进，地面气旋在锢囚阶段出现独特的副冷锋以及气旋副中心新生现象。对气旋垂直结构的分析也证实高空锋区断裂、干暖核出现和中性锢囚锋区形成以及由倾斜上升涡柱演变为深厚低值系统的过程。

3) 波能量频散分析显示：500 hPa位势高度场上西伯利亚高压脊、华北地区高空槽和东北地区高压脊3个异常中心构成Rossby波列，西伯利亚上游地区高度异常中心东移发展及波能量向下游地区频散不断加强，有利于波作用通量快速增强并向东传播，导致华北冷涡快速加强和东北地区东部脊区加强西伸，地面气旋上空涡度因子急剧加强是黄渤海气旋爆发性发展的有利动力因子。

4) 本次黄渤海气旋新生加强、爆发性发展和锢囚减弱阶段，以及正涡度柱由倾斜结构演变为近乎直立等特征，可以利用等熵位涡理论解释。等压面位涡计算表明：随着平流层位涡高值区沿等熵面不断向南发展和向下传播，正位涡异常区叠加在中低层系统之上，向下伸展的高层位涡逐渐与低空低值区北侧的锋区和地面气旋等高线密集区叠加，诱发地面气旋爆发性发展加强。位涡持续下传和缓慢东移与地面气旋锢囚阶段的长时间维持密切相关。