一次黃海入海氣旋爆發(fā)性發(fā)展的診斷分析

史得道，吳振玲

一次黃海入海氣旋爆發(fā)性發(fā)展的診斷分析

史得道，吳振玲

（天津市氣象臺，天津300074）

對2013年11月一次黃海入海氣旋的爆發(fā)性發(fā)展過程進(jìn)行了診斷分析，結(jié)果顯示：此次氣旋入海發(fā)展過程中始終位于500 hPa高空槽前，槽前正渦度平流和強(qiáng)烈暖平流是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要原因。對流層高層有明顯正位渦下傳至低層，引起地面氣旋性渦度發(fā)展，對氣旋爆發(fā)性發(fā)展有重要作用；氣旋發(fā)展過程中始終位于高空急流出口區(qū)左側(cè)，高空輻散、低空輻合以及強(qiáng)上升運(yùn)動提供了氣旋發(fā)展的動力條件；除了低空急流輸送，海洋和大氣之間耦合作用為氣旋爆發(fā)性發(fā)展提供了必要的熱量輸送。

溫帶氣旋；爆發(fā)性發(fā)展；渦度平流；位渦；暖平流；上升運(yùn)動

1 引言

溫帶氣旋是影響我國東部海域的重要天氣系統(tǒng)之一，具有生成突然、發(fā)展迅速、影響范圍廣等特點(diǎn)，黃渤海地處中緯度，易受東移發(fā)展的溫帶氣旋影響。其地面中心氣壓短時間內(nèi)急劇下降，氣旋中心風(fēng)力猛增，容易引發(fā)強(qiáng)烈大風(fēng)天氣。從而對海上交通運(yùn)輸、漁業(yè)養(yǎng)殖、石油平臺作業(yè)等帶來比較大的影響，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。尹盡勇等[1]針對2007年3月造成黃渤海地區(qū)嚴(yán)重海洋災(zāi)害的一次入海氣旋發(fā)生與發(fā)展過程進(jìn)行診斷研究，分析了低層鋒區(qū)和斜壓性、高低層渦度平流差異、南北西風(fēng)槽合并對氣旋發(fā)展的影響。黃彬等[2]重點(diǎn)分析了干侵入在一次引發(fā)渤海強(qiáng)風(fēng)暴潮的黃河氣旋發(fā)展過程中的特征和作用。朱營禮等[3]利用擴(kuò)展Zwack-Okossi方程分析了潛熱釋放、暖平流、渦度平流等在黃渤海入海氣旋快速發(fā)展不同階段的作用。黃彬等[4]通過分析一次渤海入海的黃河氣旋的發(fā)生、發(fā)展過程，認(rèn)為氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展與溫度平流、高空槽前渦度平流、大氣斜壓性、高低空急流耦合等因素有關(guān)。

2013年11月24—25日，受一次黃海入海氣旋強(qiáng)烈發(fā)展影響，渤海出現(xiàn)7級大風(fēng)，渤海海峽和黃海出現(xiàn)8—9級大風(fēng)。該氣旋由長江下游地區(qū)地面倒槽發(fā)展而來，在發(fā)展過程中向東北方向移動，從江蘇北部沿海地區(qū)進(jìn)入黃海，在黃海上空爆發(fā)性發(fā)展，造成比較惡劣的大風(fēng)天氣（見圖1a）。本文通過天氣尺度分析和物理量診斷方法分析了此次入海氣旋爆發(fā)性發(fā)展的原因，為以后強(qiáng)烈發(fā)展的黃渤海入海氣旋的分析、預(yù)報(bào)提供一定參考依據(jù)。

2 資料

本文所用資料包括地面和高空常規(guī)觀測資料、FY-2E衛(wèi)星水汽圖像資料、NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析資料，其中FY-2E衛(wèi)星資料時間分辨率為30 min，NCEP再分析資料時間分辨率為6 h，水平空間分辨率為1°× 1°。文中用到的診斷物理量有渦度平流、溫度平流、位勢渦度、水汽通量散度以及垂直速度、渦度、散度等，主要分析這些物理量在氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程中的表現(xiàn)形式以及對氣旋爆發(fā)性發(fā)展的作用。

圖1 2013年11月24日02時—25日20時地面氣旋中心移動路徑和氣旋中心氣壓變化

3 實(shí)況

2013年11月24日02時（北京時，下同），長江下游地區(qū)存在一倒槽，倒槽西側(cè)受冷空氣影響，冷高壓位于青海、甘肅交界處。24日08時，地面倒槽向東北方向移動，形成閉合低壓中心，中心氣壓1 015 hPa。之后低壓進(jìn)入黃海并發(fā)展，中心氣壓不斷降低（見圖1b）。24日20時氣旋中心氣壓為997.5 hPa。隨后氣旋穿過朝鮮半島進(jìn)入日本海（見圖1a），25日08時中心最低氣壓為985.5 hPa。在氣旋向東北方向移動發(fā)展過程中，西側(cè)不斷受冷空氣侵襲，入海氣旋與冷空氣共同影響造成黃渤海大風(fēng)天氣。Sanders等[5]在研究北太平洋和北大西洋溫帶氣旋時對爆發(fā)性氣旋給出定義：24 h或12 h內(nèi)氣旋中心最低氣壓降低率大于等于1個貝吉龍時定義該氣旋為爆發(fā)性氣旋。24 h內(nèi)1貝吉龍=24 hPa/24h×（sinθ/ sin60°），12 h內(nèi)1貝吉龍=24 hPa/24h×（sinθ/sin45°）（θ表示24 h或12 h內(nèi)氣旋中心所在緯度的平均值）。按此定義，11月24日08—20時氣旋中心氣壓下降17.5 hPa，下降率為1.46 hPa/h，1貝吉龍約為0.83 hPa/h；11月24日08時—25日08時氣旋中心氣壓下降22.5 hPa，下降率為0.93 hPa/h，1貝吉龍約為0.87 hPa/h，因此這次氣旋屬于爆發(fā)性發(fā)展。

4 環(huán)流形勢

此次入海氣旋發(fā)展前期北半球極渦穩(wěn)定存在，極渦后部不斷有冷空氣分裂南下經(jīng)西伯利亞地區(qū)影響我國。2013年11月23日20時（圖略），東亞大陸上空500 hPa存在南北兩支高空槽，北支槽位于貝加爾湖西側(cè)，南支槽從甘肅寧夏交界向南延伸至孟加拉灣，我國中東部地區(qū)大部位于槽前。24日08時兩槽緩慢東移（圖略），南支槽超前北支槽形成階梯槽形勢，地面氣旋開始生成，位于南支槽前西南氣流中，且位于高空急流軸出口區(qū)左側(cè)，隨著急流軸東移而東移（見圖2c），與急流軸相對位置基本不變。200 hPa高空急流最大風(fēng)速超過68 m/s，其出口區(qū)左側(cè)向南的非地轉(zhuǎn)風(fēng)偏差分量使上空有較強(qiáng)的高空輻散[1]，對氣旋迅速發(fā)展極為有利。24日20時（見圖2a）高空槽東移，南支槽移到渤海上空，地面氣旋位于山東半島東部海域且爆發(fā)性發(fā)展，850 hPa（見圖2b）黃海上空在地面氣旋中心附近形成低渦中心。低渦前部偏南風(fēng)增大到28 m/s，后部西北風(fēng)也加強(qiáng)到20 m/s。這種渦后較強(qiáng)冷空氣與渦前偏南氣流的相互作用，導(dǎo)致氣旋突發(fā)性發(fā)展，且低空急流建立的水汽通道也為氣旋爆發(fā)性發(fā)展輸送大量的水汽。地面氣壓場上（見圖2c）氣旋中心西部形成較強(qiáng)氣壓梯度，引起黃渤海大風(fēng)。水汽圖像顯示（見圖2d）氣旋中心東側(cè)向上伸展較高的濕區(qū)與氣旋中心西側(cè)代表干冷空氣的干區(qū)相互卷入，干濕纏繞，形成“6、9”型結(jié)構(gòu)，類似于熱帶氣旋高層的外流螺旋云帶結(jié)構(gòu)，是氣旋中心附近干侵入和濕氣流的理想概念模型[2]，對氣旋發(fā)展有重要作用。25日08時地面氣旋東移到日本海上空且繼續(xù)發(fā)展（圖略），700 hPa也形成閉合低渦中心，由于大氣斜壓性，與地面氣旋中心略有偏移位于其西北方向，地面氣旋中心始終位于500 hPa高空槽前。

圖2 2013年11月24日20時形勢場、地面氣壓場、急流和水汽云圖（圖中黑色實(shí)心圓點(diǎn)代表氣旋中心位置）

5 氣旋發(fā)展分析

5.1 渦度平流

溫帶氣旋發(fā)生、發(fā)展是多種動力學(xué)、熱力學(xué)因子共同作用的結(jié)果[4]。2013年11月23日夜間，高空槽前山東半島附近有明顯正渦度平流，氣旋性渦度增加，在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，在氣旋性流場中有氣流向外輻散，輻散的結(jié)果，使得地面減壓[6-7]，誘發(fā)地面氣旋生成（見圖3a）。同時在接近高空槽底部的區(qū)域有渦度平流大值中心。24日白天（見圖3b），高空槽東移，槽前正渦度平流中心也東移至黃海上空且有所加強(qiáng)，超過2.5×10-8/s2，有利于地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展[8]。25日08時（見圖3c），高空槽前正渦度平流中心仍有2×10-8/s2。在此次地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程中，其上方及前方對應(yīng)500 hPa渦度平流大值區(qū)，正渦度平流有利于造成局地渦度增大，強(qiáng)迫產(chǎn)生垂直次級環(huán)流，從而在地面造成輻合和渦度的增加[3]。渦度平流剖面顯示氣旋上空正渦度平流從對流層上層一直延伸到中下層，中心區(qū)位于500 hPa，從500 hPa往下逐漸減弱，對流層低層800 hPa以下則為負(fù)渦度平流，這種渦度平流差異對氣旋快速發(fā)展也有重要作用[9]。

5.2 溫度平流

溫度平流是斜壓擾動強(qiáng)力發(fā)展的最基本的動力條件，能造成高空槽脊的發(fā)展，而高空槽脊發(fā)展伴隨的強(qiáng)渦度平流可引起地面氣旋或反氣旋發(fā)展[10]。黃彬等[4]指出，暖平流的存在有利于地面氣旋發(fā)展。此次氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程中，從氣旋中心所在緯度進(jìn)行溫度平流緯向剖面（見圖4）來看，氣旋前部伴隨明顯暖平流，后部有冷空氣侵入，冷暖交匯劇烈，表明對流層下層存在西冷東暖的斜壓結(jié)構(gòu)，使氣旋中心地轉(zhuǎn)渦度加強(qiáng)，促使氣旋發(fā)展[1]。2013年11月24日08時（見圖4a）氣旋剛生成時，氣旋上空都為暖平流占據(jù)，最強(qiáng)暖平流位于氣旋前部3個緯距處900 hPa高度上，超過35×10-5K/s，氣旋后部冷空氣在氣旋中心西側(cè)3個緯距處，逐漸向氣旋中心靠近。24日14時，氣旋前部暖平流中心值加強(qiáng)到80× 10-5K/s，氣旋后部出現(xiàn)由高空下傳下來的冷平流，冷平流強(qiáng)度比暖平流強(qiáng)度弱一些。24日20時（見圖4b），氣旋前部暖平流繼續(xù)加強(qiáng)到110×10-5K/s，氣旋后部冷平流也加強(qiáng)，氣旋中心位于冷暖空氣交匯處。冷平流降溫和暖平流增溫匯合加大了氣旋發(fā)展區(qū)域的斜壓性，致使該區(qū)域?qū)咏Y(jié)的斜壓不穩(wěn)定增長[8]，這種斜壓不穩(wěn)定引起的上升運(yùn)動對氣旋發(fā)展有利。25日08時（見圖4c），氣旋前部暖平流比24日20時有所減弱，后部冷平流也減弱，氣旋發(fā)展速度減緩。

5.3 位勢渦度

位渦是反映流場特征的渦度與反映溫度場特征的層結(jié)穩(wěn)定度的組合量，能綜合反映大氣運(yùn)動狀態(tài)和熱力狀態(tài)特征[11]。Uccellini等[12]在對爆發(fā)性氣旋的研究中指出，當(dāng)平流層的高值位渦下傳到對流層，且上下層位渦高值區(qū)連通時，最有利于氣旋的爆發(fā)性發(fā)展。Hoskins等[13]也利用位渦理論論證了對流層上部的位渦擾動下傳可引起對流層下部及地面氣旋發(fā)展。在等壓坐標(biāo)系下，絕熱和無摩擦條件下，位渦（Potential Vorticity，PV）可表示為：

圖3 2013年11月24日不同時刻500 hPa高度場（等值線）和渦度平流（陰影，單位:1×10-8/s2）

圖4 2013年11月24日、25日不同時刻沿氣旋中心溫度平流（單位:1×10-5K/s）緯向剖面

式（1）—（3）中：PV1為正壓項(xiàng)，與大氣穩(wěn)定度有關(guān)；PV2為斜壓項(xiàng)，包含風(fēng)速垂直切變與位溫的水平梯度；?為絕對渦度；f為柯氏參數(shù)；θ為位溫；g為重力加速度9.8；u為緯向風(fēng)，v為經(jīng)向風(fēng)；p為氣壓。

位渦理論已多次應(yīng)用在氣旋發(fā)展研究中[1-2，14-15]。2013年11月24日08時，地面氣旋西側(cè)對流層上層有大范圍的正位渦區(qū)并向下伸展（見圖5a），450 hPa附近有一正位渦中心，最大位渦值超過3.6 PVU，大于0.9 PVU的位渦區(qū)已向下伸展至800 hPa附近。24日14時對流層中高層正位渦區(qū)下傳至對流層低層，地面氣旋上空出現(xiàn)明顯正位渦柱與高空正位渦區(qū)聯(lián)成一片，中心位渦值最大為1.5 PUV。24日20時（見圖5b），高層正位渦繼續(xù)下傳，氣旋上空位渦強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)，最大位渦值為1.8 PVU。25日08時（見圖5c）氣旋上空位渦強(qiáng)度減弱，但大于0.9 PUV位渦區(qū)范圍擴(kuò)大。這種情況下，高層正位渦不斷下傳至對流層低層，使低層大氣斜壓性增大，對流穩(wěn)定度減小，導(dǎo)致地面氣旋性渦度加強(qiáng)[2]，氣旋爆發(fā)性發(fā)展。

圖5 2013年11月24日、25日不同時刻沿氣旋中心位勢渦度（單位：1 PVU，1PVU=10-6m2·K/（s·kg））緯向剖面

圖6 2013年11月24日、25日不同時刻沿氣旋中心渦度（陰影，單位：1×10-5）和散度（等值線，單位：1×10-5）緯向剖面

5.4 上升運(yùn)動

2013年11月24日08時，地面氣旋上空對流層中低層500 hPa以下有明顯的正渦度（見圖6），但渦度值較小，同時看到在氣旋西側(cè)500 hPa附近有渦度大值區(qū)向低層輸送正渦度，使得氣旋附近上空渦度在24日14時加強(qiáng)到15×10-5以上，24日20時加強(qiáng)到20×10-5以上。并且由于中高層不斷的渦度下傳，到25日08時氣旋上空大于15×10-5渦度范圍仍可向上擴(kuò)展至250 hPa。同時氣旋中心上空對流層中上層存在明顯的正散度，從24日08時至20時不斷加強(qiáng)，之后到25日08時又有所減弱，但這種低空輻合、高空輻散的配置，有利于氣旋內(nèi)部上升運(yùn)動的發(fā)展。從橫穿氣旋中心的垂直運(yùn)動剖面圖（見圖7）可以看出，氣旋附近上升運(yùn)動可從地面一直向上延伸至200 hPa，24日08時上升運(yùn)動中心在氣旋上空850 hPa附近為1.5 pa/s，之后不斷加強(qiáng)，到24日20時最強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)抬升至500 hPa附近，上升運(yùn)動中心為2.5 pa/s，上升運(yùn)動的加強(qiáng)加劇了地面輻合，促使地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展。同時看到在氣旋上空700 hPa以下存在明顯的水汽輻合，水汽輻合之后在上升運(yùn)動作用下冷卻凝結(jié)釋放潛熱，釋放的潛熱可使得對流層中、上層不斷增暖，高層氣壓升高，產(chǎn)生輻散[6]。高層輻散又促使低層產(chǎn)生輻合，進(jìn)一步加強(qiáng)上升運(yùn)動，從而使氣旋發(fā)展加強(qiáng)。

圖7 2013年11月24日、25日不同時刻沿氣旋中心水汽通量散度（陰影）和垂直速度（等值線，單位：pa/s）

圖8 2013年11月24日不同時刻海表面潛熱通量

5.5 海洋熱輸送

在氣旋入海發(fā)展過程中，海洋的作用也不可忽視。海上水汽供應(yīng)充足，且黃渤海海氣界面存在明顯正的潛熱通量（見圖8），11月24日08—20時氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程中海洋向大氣的潛熱輸送加強(qiáng)，山東半島南部氣旋中心經(jīng)過海域潛熱通量由24日08時的70 W/m2增大到20時的120 W/m2以上，部分海域超過200 W/m2。感熱通量要弱于潛熱通量（圖略），不到其二分之一，也是從海洋指向大氣，同樣在黃海中部海域存在感熱輸送的大值區(qū)，由24日08時10 W/m2增大到20時的40 W/m2以上，氣旋入海發(fā)展過程基本是在熱通量大值區(qū)進(jìn)行的。海洋向大氣的熱輸送加大了低層大氣不穩(wěn)定性[16-17]，對氣旋入海初期階段能有效促進(jìn)氣旋發(fā)展[17-18]。氣旋本身從海洋獲得熱供應(yīng)，海洋熱輸送又因氣旋存在而加強(qiáng)，這種情況不斷往復(fù)循環(huán)加劇了海氣之間耦合作用，從而加強(qiáng)海洋對氣旋發(fā)展的影響[18]。另外氣旋爆發(fā)性發(fā)展伴隨大量凝結(jié)潛熱釋放，海-氣之間的潛熱輸送與低空急流輸送共同給氣旋發(fā)展提供了足夠的水汽。

6 小結(jié)

通過對2013年11月24日一次爆發(fā)性發(fā)展的入海氣旋進(jìn)行天氣學(xué)動力診斷分析，得出以下結(jié)論：

（1）這次入海氣旋發(fā)展過程中始終位于高空槽前，槽前存在明顯正渦度平流，是地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要因素；

（2）氣旋前部暖平流強(qiáng)盛，后部冷平流明顯，冷暖匯合引起的斜壓不穩(wěn)定增長是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的另一主要因素；

（3）對流層高空明顯正位渦下傳至低層，引起對流層低層和地面氣旋性渦度發(fā)展。另外氣旋發(fā)展過程中始終位于高空急流出口區(qū)左側(cè)，伴隨明顯高空輻散，高空抽吸作用引起的強(qiáng)烈上升運(yùn)動也有利于地面輻合減壓，氣旋發(fā)展；

（4）海洋與大氣之間的耦合作用為氣旋發(fā)展提供了必要的熱量輸送；

（5）通過分析，以后可以從以下幾個方面來對爆發(fā)性氣旋進(jìn)行預(yù)報(bào)，比較深厚的高空槽，槽前后冷暖平流明顯；氣旋附近高空輻散，低空輻合，上升運(yùn)動強(qiáng)烈；氣旋上空存在較強(qiáng)正渦度平流；氣旋上空有較強(qiáng)正位渦下傳至對流層低層或地面。這些都是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的有利因子，在進(jìn)行預(yù)報(bào)時要著重考慮。

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Diagnostic analysis of an explosive developing extratropical cyclone over the Yellow Sea

SHI De-dao，WU Zhen-ling
（Tianjin Meteorological Observatory,Tianjin 300074 China）

An explosive developing extratropical cyclone over the Yellow Sea on November 2013 is diagnostically analyzed.The results show that the development process of explosive cyclone occurred in front of 500hPa.The positive vorticity advection and strong warm advection were the main reasons for the development of explosive cyclone.There was an obvious positive potential vorticity on the top of troposphere transferring to the bottom of troposphere,and triggering the development of surface cyclone vorticity which was important for the explosive cyclone.The explosive cyclone always located at the left side of the exit of upper jet stream,and the upper level divergence,low level convergence and strong ascending motion provided dynamical conditions for the development of cyclone.Besides the low jet stream,the interaction between ocean and atmospheric provided essential heat transfer for the development.

extratropical cyclone;explosive developing;vorticity advection;potentical vorticity;warm advection;ascending movement

P443

：A

：1003-0239（2016）06-0032-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.06.004

2016-02-03

天津市科技興海項(xiàng)目（KJXH2014-20）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（15ZCZDSF00210）。

史得道（1985-），男，工程師，碩士，主要從事海洋氣象預(yù)報(bào)與研究。E-mail：sdd0928@163.com