北太平洋上一個爆發(fā)性氣旋族的結(jié)構(gòu)分析?

戴 晶, 傅 剛, 張樹欽, 孫雅文

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100; 2.92866部隊水文氣象中心，山東 青島 266000)

北太平洋上一個爆發(fā)性氣旋族的結(jié)構(gòu)分析?

戴 晶1,2, 傅 剛1??, 張樹欽1, 孫雅文1

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100; 2.92866部隊水文氣象中心，山東 青島 266000)

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析格點(diǎn)資料和HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) 模式對2012年1月1—10日發(fā)生在北太平洋的一個爆發(fā)性氣旋族進(jìn)行了研究，并對氣旋族的兩個主要成員Parent Low(氣旋A)和Child Low(氣旋B)的演變過程和時空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)在氣旋A和氣旋B的爆發(fā)性發(fā)展階段，200hPa高空的輻散區(qū)向氣旋輸送正渦度平流，氣旋處于500hPa大槽前部，系統(tǒng)軸線西傾，低層有強(qiáng)冷平流向氣旋中心輸送并與鋒面結(jié)合，溫度梯度較大。氣旋西側(cè)較強(qiáng)北風(fēng)攜帶的冷空氣與冷鋒前來的暖濕空氣相遇，為氣旋的發(fā)展提供有利條件。從形勢場上看，氣旋B爆發(fā)性發(fā)展主要是依靠氣旋A所提供的環(huán)流背景場。氣旋A在高空為氣旋B提供正渦度平流，在低空通過環(huán)流將冷平流輸送到氣旋B內(nèi)部，使氣旋B低層斜壓性增加。在氣旋A和氣旋B的向東移動和“互旋”過程中，兩者之間水汽輸送通道逐步建立。東移過程中，氣旋A不斷向氣旋B進(jìn)行水汽輸運(yùn)，使得氣旋B系統(tǒng)內(nèi)部水汽含量增加，為氣旋的發(fā)展提供能量。利用后向追蹤法對氣旋B中心附近的空氣進(jìn)行追蹤發(fā)現(xiàn)，在1 000m以下，來自氣旋A的空氣占到總數(shù)的一半以上，可以認(rèn)為氣旋A是氣旋B低層水汽來源的主要途徑之一。

北太平洋；爆發(fā)性氣旋；水汽輸送

爆發(fā)性氣旋(Explosive Cyclone)是氣旋中心氣壓在短時間內(nèi)迅速下降的溫帶氣旋，其水平尺度約為2 000～3 000km，生命周期為2～5 d，最大風(fēng)速可達(dá)30m·s-1以上[1]，且常常伴隨狂風(fēng)、暴雨雪等劇烈天氣，衛(wèi)星云圖上可以看到氣旋結(jié)構(gòu)緊密且有明顯的螺旋云系，并常伴有鋒面系統(tǒng)。

早在1950年代，Bergeron[2]在對颶風(fēng)的快速發(fā)展研究中就給出了衡量氣旋加深的標(biāo)準(zhǔn)。Sanders定義迅速加深的溫帶低壓的特征是其中心氣壓在24 h內(nèi)保持至少平均每小時下降1hPa。Jalu[3]和Bottger 等[4]首次明確指出了氣旋在溫帶地區(qū)發(fā)生爆發(fā)性發(fā)展的現(xiàn)象。Yoshida and Asuma[5]對西北太平洋地區(qū)的爆發(fā)性氣旋統(tǒng)計后指出，氣旋爆發(fā)區(qū)域主要集中在120°E～180°E，20°N～60°N之間，而這一地區(qū)大部分面積為海洋。同時將爆發(fā)性氣旋定義中的時間間隔由24 h縮短為12 h，即氣旋中心的海平面氣壓(訂正到60°N/S后) 在12 h內(nèi)下降到1個Bergeron或以上的氣旋便可定義為爆發(fā)性氣旋。本文使用這一定義。

Chen等[6]指出東亞區(qū)域爆發(fā)性氣旋的發(fā)源地主要有兩個：一為亞洲大陸山區(qū)下游；二是中國海東部和日本海。前者同山區(qū)氣旋生成機(jī)制有關(guān)，后者則與亞洲大陸東部沿海附近的氣旋生成帶相關(guān)。

Sanders[7], Gyakum and Danielson[8]分析后發(fā)現(xiàn)，普通氣旋和爆發(fā)性氣旋在動力學(xué)和熱力學(xué)上有許多不同。西北太平洋上爆發(fā)性氣旋爆發(fā)之前，海洋和大氣的背景環(huán)流場經(jīng)常會有明顯的不同。Sanders and Gyakum[9]統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，高空槽與氣旋的爆發(fā)有顯著的聯(lián)系，高空槽位于地面氣旋中心的西南方是有利于氣旋爆發(fā)的天氣形勢配置。

對氣旋進(jìn)行觀測研究時發(fā)現(xiàn)，有時會出現(xiàn)多個氣旋在大約1 000km距離上呈波狀分布，此時這些氣旋被稱為“氣旋族”。氣旋多沿著一個大尺度氣旋系統(tǒng)的冷鋒發(fā)展生成，這個大尺度氣旋被稱為“Parent Low”[10]。爆發(fā)性氣旋族是族內(nèi)至少有一個爆發(fā)性氣旋個體的氣旋族,相較于一般由中小尺度氣旋構(gòu)成的氣旋族，爆發(fā)性氣旋族發(fā)展更為迅速，尺度更大，有時可以達(dá)到天氣尺度，同時生命周期更長。前人多從海岸鋒生，高低空急流等方面對氣旋族進(jìn)行分析研究[11]。目前對于爆發(fā)性氣旋族以及其內(nèi)部Parent Low對于Child Low作用的相關(guān)研究較少，本文嘗試對爆發(fā)性氣旋族進(jìn)一步研究。

(將氣旋中心分別標(biāo)記為A, B, C和D，“●”“■”分別代表海平面氣壓場上氣旋A和B的中心位置。 The symbols A, B, C and D represent the locations of 4 cyclones discussed in this paper, respectively. “●” and “■” indicate the centers of cyclones A and B, separately.)

圖1 2012年1月4日18 UTC的海平面氣壓場(實(shí)線，hPa)及MTSAT-1R衛(wèi)星紅外云圖

Fig.1 Infrared image from MTSAT-1R satellite and sea level pressure (solid contours, hPa) at 18 UTC 4 January， 2012

2012年1月1—10日在北太平洋上形成的爆發(fā)性氣旋族，該個例與一般的爆發(fā)性氣旋個例有明顯的不同：

(1)該個例以氣旋族(a family of cyclones)的形式出現(xiàn)，由4個成員A、B、C、D組成(見圖1)。氣旋A首先生成，隨后氣旋B、氣旋C、氣旋D依次分別生成。由于氣旋A最先生成且強(qiáng)度最強(qiáng)，且其他3個氣旋均是從氣旋A中衍生發(fā)展而成的，因此氣旋A為Parent Low，其余3個氣旋為Child Low。由于氣旋B強(qiáng)度較強(qiáng)并經(jīng)歷爆發(fā)性發(fā)展過程，而氣旋C和氣旋D較弱，也沒有經(jīng)歷爆發(fā)性發(fā)展過程，故本文以氣旋A和氣旋B作為主要研究對象。

(2) 該氣旋族空間尺度大，在其成熟階段東西跨度超過60個經(jīng)度，幾乎覆蓋整個北太平洋。

(3)該氣旋族的生命周期長，單一氣旋A的生命史就長達(dá)10 d，中心氣壓加深率達(dá)到2.8 Bergeron，還出現(xiàn)了二次爆發(fā)的現(xiàn)象。

(4)氣旋族中的成員B也出現(xiàn)了爆發(fā)現(xiàn)象，且氣旋A和氣旋B在向東移動過程中其移動路徑有明顯的“互旋”特征。

1 資料和方法

本文采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP和美國國家大氣研究中心(NCAR) 的GDAS (Global Data Assimilation System)全球再分析資料，每天8個時次有資料，水平分辨率為0.5(°)×0.5(°)，垂直方向按照等α面共分55層。以及NCEP的CFSv2(Climate Forecast System Version 2)全球格點(diǎn)資料，水平分辨率為0.5(°)×0.5(°)，垂直方向按等壓面分為37層，每天4個時次有資料。

水汽通量與水汽通量散度，是為了定量地描述水汽輸送的方向、大小以及水汽的源和匯，從而定量了解水汽條件而定義的物理量。水汽輸送可以用整層積分水汽通量(Vertical Integrated Moisture Transport,簡寫VIMT)描述(以下簡稱整層水汽通量,以Q表示)，其定義為：

(1)

緯向與經(jīng)向水汽通量分別為：

(2)

(3)

HYSPLIT_4模式是由美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)下的空氣資源實(shí)驗(yàn)室ARL(Air Resources Laboratory)與澳大利亞墨爾本氣象研究中心共同研發(fā)的一個目的在于計算和分析追蹤氣團(tuán)輸送、擴(kuò)散軌跡的模式。該模式一般用來追蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動路徑，同時也可以實(shí)時預(yù)報風(fēng)場形勢、分析降水、研究氣體移動軌跡等。該模式有兩種運(yùn)行軌跡，為前向軌跡和后向軌跡，其中后向軌跡是指到達(dá)研究點(diǎn)之前的模擬運(yùn)行路徑。本文在HYSPLIT_4模式中使用GDAS資料。

HYSPLIT_4軌跡分析計算方法如下：假定空氣質(zhì)點(diǎn)受風(fēng)場作用而運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)的移動軌跡則可視為是空間和時間上的積分。質(zhì)點(diǎn)位置的速度矢量在時間和空間上是可以線性插值得出的，氣塊的終點(diǎn)位置P(t+Δt)，是由其初始位置P(t)和經(jīng)過時間步長后的位置P′(t+Δt)之間取速度平均計算而得。具體計算公式如下：

P' (t+Δt) =P(t) +V(P,t) Δt，

(4)

P(t+Δt) =P(t) + 0.5[V(P,t) +

V(P',t+Δt)]·Δt。

(5)

其中Δt為時間步長, 要求Δt小于0.75倍格距與最大風(fēng)速之比，也就是說單個時間步長內(nèi)氣團(tuán)的移動不能超過0.75倍格距。以下各時間步長依次累加，這樣，氣塊的軌跡就為氣塊在空間和時間上的位置矢量的積分。

1 2 演變過程分析

2.1 Parent Low (氣旋A)演變過程分析

圖2(a)為氣旋A和氣旋B的移動路徑。氣旋中心位置由CFSv2資料的海平面氣壓最小值確定。2012年1月1日Parent Low(即氣旋A)在日本海東南洋面上生成，隨后逐漸向東北方向移動，然后南下并穿越日本島后再次入海，隨后向東北方向移動并開始爆發(fā)性發(fā)展，至2012年1月10日在太平洋東北部減弱衰亡。1日00 UTC氣旋A生成于160°E, 40°N附近，基本維持東北向移動。氣旋A在3日00 UTC到6日00 UTC 移動路徑出現(xiàn)明顯變化。氣旋A在150°E, 45°N 附近以逆時針方向打轉(zhuǎn)的移動路徑出現(xiàn)，隨后直至7日12 UTC氣旋A重新回到向東的移動路徑。在8日00 UTC，在忽然南折之后，氣旋A第二次爆發(fā)性發(fā)展，移動方向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北向，并一直維持到10日00 UTC氣旋A在北太平洋面上173 °W, 48 °N附近衰弱消亡。

((a)中連線和符號“●”和“■”分別表示氣旋的移動路徑和根據(jù)CFSv2海平面氣壓資料確定的氣旋A和B的中心位置，“01/00”表示1日00 UTC，其余類推。Lines and marks “●” and “■”represent the moving tracks and the central positions of cyclones A and B determined by the CFSv2 sea level pressure data in (a), respectively. “01/00” means 00 UTC 01, and so on.)

圖2 2012年1月1—10日氣旋A和氣旋B的移動路徑(a)，氣旋A和氣旋B的中心氣壓(b)和中心氣壓加深率((c)，Bergeron)隨時間變化

Fig.2 Trajectory of cyclone A and B from 00 UTC 1 to 00 UTC 10 January 2012(a), time series of central pressure (b) and deepening rate (c) of cyclone A and B

圖2(b)，2(c)為氣旋中心的海平面氣壓以及氣旋中心氣壓加深率隨時間變化曲線。在2012年1月1日00 UTC起氣旋A中心氣壓值緩慢降低。從2日00 UTC到3日00 UTC，氣旋A的中心氣壓開始迅速下降，平均中心氣壓加深率保持在2 Bergeron以上，最大值約為2.8 Bergeron。3日06 UTC氣壓達(dá)最低值957hPa。隨后氣旋A開始填塞，中心氣壓開始緩慢上升。在8日00 UTC氣旋中心氣壓加深率為1.49 Bergeron，氣旋開始第二次發(fā)展，中心氣壓明顯加速下降，這一過程截止到8日12 UTC。在9日06 UTC氣旋中心氣壓在第二次爆發(fā)階段達(dá)到最低966hPa后，氣旋緩慢填塞消散。

本文主要關(guān)心氣旋A和氣旋B的爆發(fā)過程以及氣旋A對氣旋B的作用，因此分別選取氣旋A的初始爆發(fā)時刻(2日00 UTC)、最大中心氣壓加深率時刻(2日12 UTC)、中心氣壓最低時刻(3日06 UTC)，氣旋A對氣旋B作用的代表時刻(5日06 UTC)，氣旋A第二次初始爆發(fā)時刻，同時也是最大中心氣壓加深率時刻(8日00 UTC)，第二次氣壓最低時刻(9日06 UTC)，共6個時刻做分析。

2日00 UTC，氣旋A剛剛生成，整體發(fā)展較為緩慢，在200hPa圖上，氣旋A從北側(cè)慢慢進(jìn)入平直的高空西風(fēng)急流中。500hPa圖上，氣旋A的上游有一槽不斷加深，氣旋A的整個系統(tǒng)西傾，有利于氣旋發(fā)展。分析850hPa等溫線發(fā)現(xiàn)，在氣旋A東側(cè)對應(yīng)著明顯的暖舌和較大的溫度梯度，地面鋒面存在。在日本東部有一槽線，使得北方的冷空氣沿槽的西側(cè)向南輸運(yùn)，槽的東部則是來自東南部海洋的暖濕空氣向北部輸送。海平面氣壓場圖上，通過風(fēng)向的切變以及850hPa等溫線的分布情況可以判斷，鋒面逐漸入侵到氣旋A的中心。在氣旋A東側(cè)存在一個高壓系統(tǒng)，使得氣旋A東側(cè)的氣壓梯度增大。

2日12 UTC(見圖3)，氣旋A的地面中心此時位于200hPa槽前(見圖3a)，急流軸在150 °E附近斷裂，使得氣旋位于斷裂急流軸出口區(qū)左側(cè)高空輻散區(qū)，大于12×10-9s-2的正渦度平流輸入氣旋A中心。500hPa圖上(見圖3b)，上游的大槽繼續(xù)加深，氣旋位于槽前，槽后有冷平流輸入，對應(yīng)氣旋上空維持強(qiáng)的上升運(yùn)動。850hPa圖上(見圖3c)，暖舌與氣旋一同扭轉(zhuǎn)，原來的鋒區(qū)發(fā)生了彎折。此時等溫線與等位勢高度線在氣旋的西南部和東南部幾乎垂直，冷平流在氣旋A的中心附近達(dá)到了5×10-4K·s-1，而且等溫線變得更為緊密，溫度梯度進(jìn)一步增大，大氣斜壓性也進(jìn)一步增強(qiáng)。此時氣旋軸由西傾結(jié)構(gòu)演變?yōu)殂U直狀態(tài)。海平面氣壓場圖上(見圖3d)，最外一條閉合等壓線是1 010hPa，氣旋整體呈長軸為西北-東南走向的橢圓形分布，長軸長約為3 500km，鋒面對應(yīng)著明顯的冷鋒式風(fēng)切變，冷鋒前是強(qiáng)東南風(fēng)，向氣旋輸送暖濕空氣，氣旋的西側(cè)則是大面積來自干冷陸地的西北風(fēng)。

(“●”代表氣旋A的中心。(a)200hPa位勢高度場(實(shí)線，gpm)，渦度平流場(填色，10-9s-2，大于2×10-9s-2)，水平風(fēng)速場(虛線，m·s-1，大于30m·s-1)和急流軸(箭頭，m·s-1，大于70m·s-1；(b)500hPa位勢高度場(實(shí)線，gpm) 和溫度場(虛線，°C)；850hPa位勢高度場(實(shí)線，gpm)，溫度場(虛線，°C)和溫度平流場(填色，10-4K·s-1，小于-1×10-4K·s-1)；(d) 海平面氣壓場(實(shí)線，hPa)，水平風(fēng)場(風(fēng)速大于5級，全風(fēng)羽為4m·s-1)。 The central locations of the cyclone A is indicated by the “●”. (a) Geopotential height (solid, gpm), vorticity advection (shaded, 10-9s-2, greater than 2×10-9s-2), horizontal wind speed (dashed,m·s-1, greater than 30m·s-1) and axis of jet stream(arrows,m·s-1, greater than 70m·s-1) at 200hPa; (b) Geopotential height (solid, gpm) and temperature (dashed, °C) at 500hPa; (c) Geopotential height (solid, gpm), temperature (dashed, °C) and temperature advection(shaded, 10-4K·s-1, less than -1×10-4K·s-1) at 850hPa; (d) Sea level pressure (solid,hPa), wind field(full barb equated to 4m·s-1, greater than 8m·s-1) .)

圖3 2012年1月2日12 UTC天氣圖

Fig.3 Weather maps at 12 UTC 2 January 2012

3日06 UTC，200hPa高空的急流迅速減弱。500hPa圖上，氣旋A具有閉合等位勢高度線，氣旋A得到進(jìn)一步發(fā)展。850hPa圖上，鋒區(qū)持續(xù)存在，等溫線與等位勢高度線在氣旋西南和東南側(cè)仍保持幾乎垂直結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)冷平流的范圍基本覆蓋了氣旋A的中心區(qū)域。等溫線的梯度明顯增大，大氣斜壓性也隨之增強(qiáng)。海平面氣壓場圖上，氣旋A結(jié)構(gòu)更為緊湊，并有明顯的冷鋒式切變。

氣旋A在8日00 UTC再次爆發(fā)，在200hPa圖上，氣旋A位于急流軸左側(cè)的高空急流中，其上下游以平直西風(fēng)氣流為主。500hPa圖上，在氣旋A的上游有短波槽出現(xiàn)，有利于氣旋的發(fā)展。850hPa圖上，氣旋A上游有槽存在，在氣旋A中心的西南側(cè)有冷平流向氣旋中心輸運(yùn)。在氣旋A的東南部，有一東北-西南向的冷鋒鋒面。海平面氣壓場圖上，在氣旋A的中心附近形成了多個小低壓中心。隨著氣旋A的發(fā)展，這些小低壓中心被氣旋A重新整合，再次發(fā)展成結(jié)構(gòu)緊密的天氣系統(tǒng)。

9日06 UTC，氣旋A的中心偏離出200hPa高空急流軸，移動到急流出口區(qū)的左側(cè)，上游有淺槽，有利于高空的輻散，加強(qiáng)氣旋上升運(yùn)動，有利于氣旋A發(fā)展。500hPa圖上，氣旋A有閉合的等位勢高度線，系統(tǒng)厚度較以前加強(qiáng)，氣旋A中心與槽位置重合。850hPa圖上，此時鋒區(qū)存在但強(qiáng)度相較上一階段明顯減弱，氣旋A的西南側(cè)有冷平流持續(xù)向氣旋中心輸送，但冷平流強(qiáng)度與8日00 UTC相比明顯減弱。海平面氣壓場圖上，氣旋A水平尺度達(dá)到2 000km，并且在其東南部還伴有明顯的冷鋒式切變。

2.2 Child Low (氣旋B)演變過程分析

從圖2(a)中可以看出，2012年1月3日Child Low(即氣旋B)在日本海的東南洋面上生成于135 °E，47 °N附近，逐漸向東移動發(fā)展，穿過日本島后進(jìn)入太平洋海域，4日18 UTC開始迅速發(fā)展并向東北方向移動。至2012年1月9日在北美登陸后減弱。從圖2(b)和圖2(c)上可以看到氣旋B中心的海平面氣壓以及中心氣壓加深率隨時間變化曲線。2012年1月3日12 UTC氣旋B生成，中心氣壓緩慢下降。從4日18 UTC到5日12 UTC為止，中心氣壓開始迅速下降，同時中心氣壓加深率達(dá)到了1.79 Bergeron。7日06 UTC氣壓達(dá)到最低值959hPa，7日18 UTC氣旋中心氣壓開始上升，氣旋B填塞然后緩慢消散。

本文主要關(guān)心氣旋B的快速降壓過程，故選取氣旋B的生成時刻(3日12 UTC)，初始爆發(fā)時刻(4日18 UTC)、中心氣壓加深率最大時刻(5日06 UTC)、中心氣壓最低時刻(7日06 UTC)做分析。

3日12 UTC時，850hPa上受到氣旋A的環(huán)流影響，在日本東南部出現(xiàn)較強(qiáng)冷平流，此時在海平面對應(yīng)位置上，受到氣旋A西側(cè)兩股輻合氣流形成的水平氣旋式切變影響，氣旋B生成，中心附近的風(fēng)場出現(xiàn)了完整氣旋式環(huán)流。

4日18 UTC時，200hPa高空西風(fēng)氣流加強(qiáng)，急流得以建立，此時急流軸受氣旋A的影響，急流隨著等位勢高度線出現(xiàn)了氣旋式的彎曲，雖然此時氣旋B不在急流出口區(qū)左側(cè)的輻散區(qū)，但它的附近仍然是輻散區(qū)，伴有強(qiáng)正渦度平流。500hPa圖上，氣旋B處于氣旋A的下游，因氣旋A是一較深厚的系統(tǒng)，受其影響，在氣旋B的上游的高空槽是氣旋B進(jìn)一步發(fā)展的有利條件之一。850hPa圖上，氣旋A提供的背景場不斷向氣旋B輸送較強(qiáng)的冷平流。海平面氣壓場圖上，氣旋B和氣旋A閉合等壓線同時存在，此時氣旋B較弱，整體環(huán)流形勢由氣旋A控制。因此受氣旋A影響南下的西北氣流和西南洋面黑潮附近的暖濕空氣交匯在氣旋B處。7日06 UTC，氣旋B的中心氣壓達(dá)到最低。在此階段，氣旋B中心遠(yuǎn)離200 hPa高空急流軸，移動到急流出口區(qū)的左側(cè)，直至氣旋B減弱消亡，氣旋B中心附近有較強(qiáng)的高空輻散區(qū)。500hPa，在氣旋B中心的北側(cè)，高空也有氣旋B的閉合等位勢高度線，此時氣旋B達(dá)到最成熟。850hPa，在氣旋B的中心有明顯的暖舌，等溫線的鋒區(qū)由豎直變得彎曲，在氣旋B的西側(cè)有強(qiáng)的溫度平流輸入，使得氣旋B的斜壓性進(jìn)一步增強(qiáng)。海平面氣壓場圖上，氣旋B的水平尺度達(dá)到3500km以上，氣旋的東側(cè)有著強(qiáng)的南風(fēng)，使得暖空氣不斷輸入系統(tǒng)。但當(dāng)氣旋B逐漸靠近陸地時，迅速減弱隨后消亡。

5日06 UTC(見圖4)，200 hPa圖上(見圖4a)，氣旋B中心位于高空急流的出口區(qū)左側(cè)，輻散區(qū)對于低層空氣有抽吸的作用，有利于氣旋的維持。500hPa圖上(見圖4b)，隨著氣旋B加深，在其中心附近也出現(xiàn)了小槽，槽后冷平流促使小槽加深，進(jìn)而有利于氣旋B的發(fā)展。850hPa圖上(見圖4c)，此時氣旋A和B處于同一閉合1 260 gpm等位勢高度線內(nèi)，氣旋B南側(cè)的等溫線北伸，暖舌進(jìn)入了氣旋B的中心，氣旋B發(fā)展為進(jìn)入錮囚階段的溫帶氣旋。海平面氣壓場圖上(見圖3d)，在氣旋B的東南側(cè)出現(xiàn)了明顯的冷鋒式風(fēng)切變，與鋒面相配合。此時氣旋A的強(qiáng)度逐漸減弱，氣旋B成為氣旋族中的主體。

3 Parent Low (氣旋A)對Child Low (氣旋B)的作用

2012年1月3日12 UTC至6日06 UTC，Parent Low (氣旋A)和Child Low (氣旋B)在向東移動過程中移動路徑有明顯的“互旋”態(tài)勢，其中氣旋A的移動路徑旋轉(zhuǎn)明顯，3日18 UTC至6日06 UTC氣旋A的移動路徑旋轉(zhuǎn)形成一閉合圓形，同時氣旋B的移動路徑呈現(xiàn)“弧形”，環(huán)繞氣旋A做逆時針旋轉(zhuǎn)。2個氣旋中心連線可近似看作是沿著某一點(diǎn)在做逆時針旋轉(zhuǎn)。

在氣旋A和氣旋B移動路徑“互旋”過程中，除了有明顯的“旋轉(zhuǎn)路徑”特點(diǎn)外，2個氣旋的強(qiáng)度以“此消彼長”的方式變化，隨著時間推移，氣旋A的強(qiáng)度迅速減弱，而氣旋B的強(qiáng)度則迅速加強(qiáng)，進(jìn)入爆發(fā)性發(fā)展階段。隨著“互旋”進(jìn)程的結(jié)束，氣旋B也不再發(fā)展。我們猜想兩個氣旋的“互旋路徑”是否是氣旋B爆發(fā)性發(fā)展的促進(jìn)因素？

在2個氣旋“互旋”過程中，選取3個代表時刻即：2012年1月4日18 UTC，5日06 UTC，5日18 UTC進(jìn)行分析。由于水汽是影響氣旋強(qiáng)度變化的重要要素之一，而整層水汽通量可以較好地表征水汽的輸運(yùn)過程。

(“●”和“■”分別代表氣旋A和B的中心，其余同圖3。 As in Fig.3 Except for that the central locations of the cyclone A and B are indicated by “●” and “■”, respectively.)

圖4 同圖3，但時間為2012年1月5日06 UTC

Fig.4 As in Fig. 3, except for 03 UTC 15 January 2012

在2012年1月4日18 UTC(見圖5a)，從整層水汽通量的水平分布來看，氣旋A和氣旋B還是2個孤立系統(tǒng)。氣旋A附近整層水汽通量以近似閉合的逆時針路徑向其中心輸送。氣旋B的水汽主要來自西南，整層水汽通量的大值區(qū)位于氣旋B中心西南側(cè)。2012年1月5日06 UTC時(見圖5b)，氣旋A的整層水汽通量中心開始減弱，而氣旋B東南側(cè)的整層水汽通量大值區(qū)達(dá)到了1 400kg·s-1·m-1。氣旋A和氣旋B在開始共用上游的一條水汽輸運(yùn)通道，水汽從氣旋A的西側(cè)分出兩個分支，一支繼續(xù)環(huán)繞氣旋A中心，但是已經(jīng)不能形成完整的氣旋式環(huán)流，另一支則不斷向氣旋B輸運(yùn)水汽。在氣旋A和氣旋B中心連線的西南側(cè)，有自氣旋A向氣旋B的整層水汽輸運(yùn)通道，但在連線的東北側(cè)大值區(qū)不存在。在2012年1月5日18 UTC(見圖5c)，發(fā)現(xiàn)水汽的輸運(yùn)路徑已經(jīng)演化為同時環(huán)繞氣旋A和氣旋B兩個中心，氣旋B水汽通量大值區(qū)移動到了氣旋東側(cè)。同時，由氣旋A向氣旋B輸運(yùn)的通道隨著氣旋的移動出現(xiàn)在了兩個氣旋中心連線南側(cè)，而在北側(cè)并沒有明顯的水汽輸運(yùn)過程。

(黑色箭頭指示整層水汽輸送通道。“●”和“■”表示氣旋A和B的中心位置。整層水汽通量方向(箭頭，kg·hPa-1·m-2·s-1)；整層水汽通量大小(實(shí)線，kg·hPa-1·m-2·s-1)。Black arrow lines indicate the peripheral vertically integrated moisture flux. “●” and “■” indicate the center position respectively. Moisture flux integrated from 1 000 to 1hPa (arrow, kg·hPa-1·m-2·s-1) and magnitude of the moisture flux(solid, kg·hPa-1·m-2·s-1).)

圖5 2012年1月4日18 UTC(a)，5日06 UTC(b)和5日18 UTC(c)整層水汽通量水平分布圖

Fig.5 Horizontal distribution maps of moisture flux integrated from 1000 to 1hPa at 18 UTC 4(a);06 UTC 5(b);18 UTC 5(c) January 2012

整層水汽通量能夠較完整地表征整層大氣水汽輸運(yùn)的情況，但水汽主要存在于大氣低層內(nèi)。因此，對于積分到不同高度的水汽通量做面積平均，然后比較確定水汽通量主要存在的高度。所選面積平均的范圍如圖6所示，自145°E～175°E，30°N～50°N的矩形EFGH作為面積平均的范圍，這個范圍一方面基本包括了氣旋A和氣旋B的主體，另一方面避開了其他天氣系統(tǒng)的影響。通過計算積分到不同高度的水汽通量占整層水汽通量的百分比后，發(fā)現(xiàn)水汽的輸運(yùn)主要集中在700hPa以下。表1指出，在700hPa以下的水汽輸送占到整層空氣水汽輸送的75%以上。

表1 對所選區(qū)域不同層水通量送積分的面積平均及比例

(“●”和“■”表示氣旋A和B的中心位置及海平面氣壓場(實(shí)線，hPa)。EFGH封閉區(qū)域?yàn)檫M(jìn)行水汽輸送面積平均的計算邊界，E'F'G'H'封閉區(qū)域內(nèi)的空氣進(jìn)行后向追蹤。Symbol “●”and “■”indicate the center position respectively and sea level pressure(solid, hPa). The square EFGH shows the domain used for vertically integrated moisture flux related calculation. The square E'F'G'H' shows the domain used for HYSPLIT_4.)

圖6 計算區(qū)域示意圖

Fig.6 The geographic map of the domain for calculation

為了對氣旋B中心附近的空氣來源進(jìn)行追蹤，首先在氣旋B的中心附近確定一個合適的范圍，這個區(qū)域既包含了氣旋B發(fā)展最旺盛的中心附近，同時盡量不包括氣旋A，依照這一原則選擇追蹤的范圍如圖6顯示的矩形E′F′G′H′，對于矩形框內(nèi)的空氣來源追蹤其24 h之前的位置，選取點(diǎn)的初始高度為從10～1800m。同時定義來自于氣旋A最外側(cè)閉合等壓線內(nèi)的空氣(即圖7橢圓范圍)是來自于氣旋A的空氣。對于計算出來的路徑進(jìn)行聚類分析，得出氣塊移動的主要運(yùn)動軌跡。結(jié)合HYSPLIT模式模擬結(jié)果(見圖7)，對來自氣旋A的空氣占總體的比例進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

表2 不同高度上來自氣旋A的空氣路徑占到總軌跡的百分比

對低層不同高度的氣團(tuán)的軌跡追蹤，結(jié)合圖7和表2，發(fā)現(xiàn)氣旋B中心附近的空氣大致來自西南側(cè)，在800m以下的氣旋移動路徑又可以從中細(xì)化成兩支通道，一支是來自氣旋A的主體中，由于氣旋A的旋轉(zhuǎn)流向氣旋B，另一支則來自日本東南暖洋面上。隨著高度的升高，這兩支通道在1 200m以上逐漸匯合成為一個通道，由氣旋A內(nèi)空氣運(yùn)動至氣旋B的中心附近的比例在不斷下降，在1 000m(大約900hPa)以下，有一半以上的空氣來自于氣旋A，但在達(dá)到1 800m(大約850hPa)時，這個比例下降了接近30%。水汽大多集中在低層，因此氣旋A向氣旋B輸送的空氣高度不太高，但是仍能為氣旋B持續(xù)提供水汽。

(黑色虛線為海平面氣壓(hPa)；紅點(diǎn)是氣旋B 的中心位置；紅圈為氣旋A的主體范圍。Sea level pressure(dashed, hPa); Red points show the center of cyclone B; Red circles indicate themain body of cyclone A.)

圖7 自2012年1月4日18 UTC 計算區(qū)域內(nèi)空氣在1 400 (a), 1 000 (b), 600 (c) 和 200m (d)24 h后向追蹤聚類分析路徑(實(shí)線)圖

Fig.7 The result of the cluster analysis of 24 h HYSPLIT Backward trajectory simulation (solid)in 1 400(a)， 1 000(b)， 600(c) and 200 m(d) at 18 UTC 5 January， 2012

4 結(jié)論與討論

本文利用全球再分析資料以及后向追蹤模擬對2012年1月1—10日發(fā)生在北太平洋上的一個超大尺度的氣旋族的演變過程和空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析了該氣旋族2個主要成員多次爆發(fā)性發(fā)展的原因。本文的主要結(jié)論如下：

Parent low(氣旋A)在兩次爆發(fā)性發(fā)展階段，其中心處于高空急流出口區(qū)的左側(cè)輻散區(qū)，高空強(qiáng)輻散對于低層空氣的抽吸作用，有利于氣旋中心快速降壓。氣旋A地面中心始終處于500hPa高空槽前，整個系統(tǒng)軸線西傾。850hPa上，氣旋A冷鋒后位置上始終維持較強(qiáng)的冷平流，結(jié)合地面鋒面系統(tǒng)，氣旋西側(cè)是大范圍的強(qiáng)北風(fēng)，向氣旋中心輸送干冷空氣，而冷鋒前是偏南風(fēng)向氣旋中心輸送自低緯暖洋面上的空氣。

Child low(氣旋B)爆發(fā)性發(fā)展的主要原因是受到氣旋A所提供的背景場影響。氣旋A西側(cè)的氣旋式切變?yōu)闅庑鼴的生成提供了初始條件。氣旋B在爆發(fā)性發(fā)展時，氣旋A是洋面上強(qiáng)大且較為深厚的系統(tǒng)。氣旋A使得200hPa高空急流軸發(fā)生了彎折，因此氣旋B在高空上處于輻散區(qū)，有強(qiáng)正渦度平流向氣旋B輸送。在500hPa上氣旋A具有閉合等位勢高度線，在其南側(cè)形成低槽，槽前的正渦度平流作用于處于下游的氣旋B；在低層大氣，氣旋A所形成的強(qiáng)氣旋式環(huán)流，將強(qiáng)冷平流的輸運(yùn)到氣旋B內(nèi)部，為氣旋B的發(fā)展提供有利條件。

在氣旋A和氣旋B“互旋”的過程中，兩者之間水汽輸送通道逐步建立。整個過程中，氣旋A不斷向氣旋B進(jìn)行水汽輸運(yùn)，使得氣旋B系統(tǒng)內(nèi)部水汽含量增加，為其發(fā)展提供能量。利用后向追蹤法對氣旋B中心附近低層空氣進(jìn)行追蹤發(fā)現(xiàn)，在1 000m以下，由氣旋A而來的空氣占到總數(shù)的一半以上，可以認(rèn)為是氣旋B低層水汽來源的主要途徑。

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責(zé)任編輯 龐 旻

Analyses of a Family of Explosive Eyclones over the Northern Pacific

DAI Jing1, 2, FU Gang1, ZHANG Shu-Qin1, SUN Ya-Wen1

(1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.Hydrologic Meteorological Center of 92866 Troops of PLA, Qingdao 266000, China)

By using grid data provided by NCEP (National Centers for Environmental Prediction) and the HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) model, we investigated a family of explosive cyclones occurred over the Northern Pacific from 1 to 10 January， 2012. Also detailed analyses are performed on the evolutionary process and the spatial-temporal structure of two major members (cyclones A and B) of this family of explosive cyclones. During the rapid developing stages of cyclones A and B, they were located beneath the 200hPa divergence area receiving positive vorticity advection. They are in front of the 500hPa trough. As the trough axis tilted westward, and with the low-level cold advection moving towards the central area of the cyclones combing with the fronts, the cyclones may be promoted to rapid development. In the western side of the cyclone, northerly wind conveyed the cold air from the continent meets with the warm air coming from the southerly wind in front of the cold front, providing the favorable condition for cyclogenesis. The circulation field provided by cyclone A played a significant role for the development of cyclone B. Affected by cyclone A, there is a strong positive vorticity advection in the 200hPa divergence area where cyclone B located. Also due to the impact of circulation of cyclone A on lower atmosphere, dry-cold air was conveyed continuously into cyclone B, increasing the low-level atmospheric baroclinicity around cyclone B. During their eastward moving processes of cyclones A and B with twisting moving paths, we found that a moisture transport channel between them had been gradually established. During that process, the continuous moisture transport from cyclone A to cyclone B caused the moisture increasing for cyclone B. With the help of backward trajectory simulation, it is found that below 1 000m, more than half of the total air around the center of cyclone B came from cyclone A. Thus, it supplied some reasons to believe that cyclone A was the main approach for the lower-level moisture transport of cyclone B.

Northern Pacific; explosive extratropical cyclone; vertically integrated moisture flux

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275049)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (41275049)

2016-04-10;

2016-06-02

戴 晶(1989-)，女，碩士生。E-mail: daijingouc@163.com

?? 通訊作者：E-mail: fugangouc@qq.com

P434+.5

A

1672-5174(2017)01-017-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160173

戴晶, 傅剛, 張樹欽， 等. 北太平洋上一個爆發(fā)性氣旋族的結(jié)構(gòu)分析[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017, 47(1): 17-25.

DAI Jing, FU Gang, ZHANG Su-Qin， et al. Analyses of a family of explosive eyclones over the Northern Pacific[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1): 17-25.