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影响东北的两个罕见气旋发展机制对比

高松影 赵婷婷 宋丽丽 孟鑫 李瑞晗 罗箭宇 张旭 潘晓

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影响东北的两个罕见气旋发展机制对比

Comparison of Development Mechanisms of Two Cyclones Affecting Northeast China

  • 摘要: 2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个气旋(简称C304和C502)在江淮流域生成后,以相似路径影响东北地区,但发展强度不同。利用常规观测资料和NCEP FNL分析资料,通过对涡度平流、温度平流、湿位势涡度及锋生函数等物理量进行诊断并结合高、低空环流形势对两个气旋发展动力机制进行对比分析,结果表明:C304低空温度平流在气旋发展初期起主要作用,高空正涡度平流为地面气旋发展提供高空辐散场,地面气旋中心上空垂直上升运动增强,对流层低层斜压性明显,气旋性涡度增加主要在对流层下层,低空斜压强迫是主要发展机制;C502低空温度平流弱,斜压性不明显,高空正涡度平流促使高空闭合环流发展,对流层上层有高湿位涡舌发展下垂并与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通,垂直上升运动分布在地面气旋中心两侧,高空位涡下传是主要发展机制。两个气旋发生发展在对流层上层两支急流共存、急流非纬向性反气旋性弯曲环流形势下,对流层低层为气旋式环流背景。
  • 图 1  气旋移动路径

    (加粗部分为C304强烈发展时段和C502爆发性发展时段)

    Fig.1  The diagram of cyclone movement path

    (tracks of C304 in the strong development period and C502 in the explosive development period are highlighted in bold)

    图 2  2007年3月3—4日C304和2016年5月2—3日C502气旋中心海平面气压时序图

    (粗线为气旋在海上时段)

    Fig.2  Time series of cyclone center sea-level pressure of C304 from 3 Mar to 4 Mar in 2007 and C502 from 2 May to 3 May in 2016

    (the part in bold is the period of cyclone over sea)

    图 3  2007年3月3—4日C304 200 hPa正涡度平流(填色)、925 hPa温度平流(红色等值线为暖平流不小于10,绿色等值线为冷平流不大于-10,单位:10-5K·s-1)和200 hPa位势高度(黑色等值线,单位:dagpm)(棕色实线为槽线,黑色圆点为地面气旋中心)

    (a)3日18:00,(b)4日06:00,(c)4日18:00

    Fig.3  200 hPa positive vortic advection(the shaded), 925 hPa temperature advection(the red contour is warm advection no less than 10, the green contour is cold advection no more than -10, unit:10-5 K·s-1) and 200 hPa potential height(the black contour, unit:dagpm) of C304 from 3 Mar to 4 Mar in 2007 (the brown solid line is slot line, the black dot indicates the cyclone center location)

    (a)1800 UTC 3 Mar, (b)0600 UTC 4 Mar, (c)1800 UTC 4 Mar

    图 4  2016年5月2—3日C502 300 hPa正涡度平流(填色)、925 hPa温度平流(红色等值线为暖平流不小于10,绿色等值线为冷平流不大于-10,单位:10-5 K·s-1)和300 hPa位势高度(黑色等值线,单位:dagpm)(棕色实线为槽线,黑色圆点为地面气旋中心,D表示低压中心)

    (a)2日06:00,(b)2日18:00,(c)3日06:00

    Fig.4  300 hPa positive vortic advection(the shaded), 925 hPa temperature advection(the red contour is warm advection no less than 10, the green contour is cold advection no more than -10, unit:10-5 K·s-1) and 300 hPa potential height(the black contour, unit:dagpm) of C502 from 2 May to 3 May in 2016 (the brown solid line is slot line, the black dot indicates the cyclone center location, D indicates low pressure center)

    (a)0600 UTC 2 May, (b)1800 UTC 2 May, (c)0600 UTC 3 May

    图 5  沿C304和C502气旋中心锋生函数(黑线,单位:10-10 K·m-1·s-1)和垂直速度(填色)纬向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

    (a)2007年3月3日18:00 C304,(b)2007年3月4日06:00 C304,(c)2007年3月4日18:00 C304,(d)2016年5月2日06:00 C502,(e)2016年5月2日18:00 C502,(f)2016年5月3日06:00 C502

    Fig.5  The zonal section of frontal function(the black line, unit:10-10 K·m-1·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

    (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007, (b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007, (c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007, (d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016, (e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016, (f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

    图 6  沿C304和C502气旋中心的湿位涡(实线为正湿位涡,虚线为负湿位涡,单位:PVU)纬向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

    (a)2007年3月3日18:00 C304,(b)2007年3月4日06:00 C304,(c)2007年3月4日18:00 C304,(d)2016年5月2日06:00 C502,(e)2016年5月2日18:00 C502,(f)2016年5月3日06:00 C502

    Fig.6  The zonal section of moist potential vorticity(the solid line for positive moist potential vorticity, the dotted line for negative moist potential vorticity, unit:PVU)) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

    (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007, (b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007, (c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007, (d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016, (e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016, (f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

    图 7  沿C304和C502气旋中心的湿位涡(实线为正湿位涡,虚线为负湿位涡,单位:PVU)经向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

    (a)2007年3月3日18:00 C304,(b)2007年3月4日06:00 C304,(c)2007年3月4日18:00 C304,(d)2016年5月2日06:00 C502,(e)2016年5月2日18:00 C502,(f)2016年5月3日06:00 C502

    Fig.7  The meridional section of moist potential vorticity(the solid line for positive moist potential vorticity, the dotted line for negative moist potential vorticity, unit:PVU)) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

    (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007, (b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007, (c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007, (d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016, (e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016, (f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

    图 8  200 hPa风速(实线,单位:m·s-1)、风矢量和正散度(填色) (实线箭头线是200 hPa急流轴,黑色圆点为地面气旋中心)

    (a)2007年3月3日18:00 C304,(b)2007年3月4日06:00 C304,(c)2007年3月4日18:00 C304,(d)2016年5月2日06:00 C502,(e)2016年5月2日18:00 C502,(f)2016年5月3日06:00 C502

    Fig.8  200 hPa wind speed(the solid line, unit:m·s-1), wind vector(unit:m·s-1)and positive divergence(the shaded) (the solid arrow line is jet stream at 200 hPa, the black dot indicates the cyclone center location)

    (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007, (b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007, (c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007, (d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016, (e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016, (f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

    图 9  C304和C502气旋中心纬向风(实线表示西风,虚线表示东风,单位:m·s-1)和垂直速度(填色)纬向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

    (a)2007年3月3日18:00 C304,(b)2007年3月4日00:00 C304,(c)2007年3月4日18:00 C304,(d)2016年5月2日06:00 C502,(e)2016年5月3日00:00 C502,(f)2016年5月3日06:00 C502

    Fig.9  The zonal section of zonal wind(the solid line for west wind, the dotted line for east wind, unit:m·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502(the black triangle indicates the cyclone center location)

    (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007, (b)C304 at 0000 UTC 4 Mar 2007, (c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007, (d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016, (e)C502 at 0000 UTC 3 May 2016, (f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

    图 10  C304和C502气旋中心纬向风(实线表示西风,虚线表示东风,单位:m·s-1)和垂直速度(填色)经向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

    (a)2007年3月3日18:00 C304,(b)2007年3月4日00:00 C304,(c)2007年3月4日18:00 C304,(d)2016年5月2日06:00 C502,(e)2016年5月3日00:00 C502,(f)2016年5月3日06:00 C502

    Fig.10  The meridional section of zonal wind(the solid line for west wind, the dotted line for east wind, unit:m·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

    (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007, (b)C304 at 0000 UTC 4 Mar 2007, (c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007, (d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016, (e)C502 at 0000 UTC 3 May 2016, (f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-09
  • 修回日期:  2020-04-20
  • 刊出日期:  2020-09-30

影响东北的两个罕见气旋发展机制对比

  • 1. 辽宁省丹东气象台, 丹东 118000
  • 2. 辽宁省辽阳气象台, 辽阳 111000
  • 3. 中国气象局沈阳大气环境研究所, 沈阳 110166

摘要: 2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个气旋(简称C304和C502)在江淮流域生成后,以相似路径影响东北地区,但发展强度不同。利用常规观测资料和NCEP FNL分析资料,通过对涡度平流、温度平流、湿位势涡度及锋生函数等物理量进行诊断并结合高、低空环流形势对两个气旋发展动力机制进行对比分析,结果表明:C304低空温度平流在气旋发展初期起主要作用,高空正涡度平流为地面气旋发展提供高空辐散场,地面气旋中心上空垂直上升运动增强,对流层低层斜压性明显,气旋性涡度增加主要在对流层下层,低空斜压强迫是主要发展机制;C502低空温度平流弱,斜压性不明显,高空正涡度平流促使高空闭合环流发展,对流层上层有高湿位涡舌发展下垂并与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通,垂直上升运动分布在地面气旋中心两侧,高空位涡下传是主要发展机制。两个气旋发生发展在对流层上层两支急流共存、急流非纬向性反气旋性弯曲环流形势下,对流层低层为气旋式环流背景。

English Abstract

    • 2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个发展很深的气旋(简称C304和C502)在江淮流域生成后, 北上到达东北地区,其中C304致使辽宁、吉林、黑龙江等地出现1951年有气象记录以来历史同期最强的暴风雪(雨)天气[1-2],渤海及山东半岛北部沿岸地区遭受历史上罕见强风暴潮袭击[3];C502造成辽宁、吉林、黑龙江等地出现暴雨和7级以上瞬时大风[4]。C304和C502两个气旋路径相似,但发展强度不同:C304发展强烈,C502达到爆发性气旋标准[5]。由于爆发性气旋发展迅速,危害性大,不少学者对爆发性气旋的发展机制进行了研究。张永刚等[6]发现爆发性气旋发展机制不同于普通气旋,气旋爆发性发展伴随着对流层顶上空有强的涡度平流作用。丁治英等[7]指出强爆发性气旋的形成与高空急流的非纬向性以及反气旋性弯曲密切相关,当气旋西部位涡的大值区与北部位涡的大值区叠加下沉时,有利于气旋爆发性发展。李长青等[8]研究表明:大气层结的不稳定、高空急流出口区的辐散、副热带高压西侧的强暖平流及中低层的强斜压区等均是气旋急剧发展的有利因素。吕筱英等[9]指出高空大值位涡空气的下伸是气旋爆发性发展的一个重要条件。由于北半球爆发性气旋发生的最大频率区分别位于大西洋西海岸和日本以东洋面[10],因此,以上研究多针对发生在130°E以东洋面的爆发性气旋。我国地处东亚大陆,温带气旋是影响我国的重要天气系统之一,130°E以西的东亚大陆邻近海域爆发性气旋平均每年只有1个[11]。对于强烈发展气旋,文献[12-14]揭示了大气斜压性对气旋发展的重要作用。C304和C502均导致严重气象灾害,二者发展路径相似,但加深程度不同,目前已有研究关注这类气旋[15-16],本文对二者进行对比,以期为灾害性天气预报、预警提供参考。

    • 图 1是C304逐6 h和C502逐3 h气旋中心移动路径(由于山东半岛到朝鲜半岛资料受海区所限,该时段气旋中心定位不准确),图 2是C304和C502气旋中心海平面气压变化,可以看到,两个气旋江淮地区生成后向东北方向移动过程中,气旋中心海平面气压持续下降。

      图  1  气旋移动路径

      Figure 1.  The diagram of cyclone movement path

      图  2  2007年3月3—4日C304和2016年5月2—3日C502气旋中心海平面气压时序图

      Figure 2.  Time series of cyclone center sea-level pressure of C304 from 3 Mar to 4 Mar in 2007 and C502 from 2 May to 3 May in 2016

      爆发性气旋是指气旋中心海平面气压24 h下降达到或超过阈值24×(sinφ/sin60°) hPa的温带气旋,φ为气旋中心所在纬度,取24 h内平均值,气旋中心海平面气压取实测值;纬度不同,阈值不同,在标准纬度(60°N)上,该阈值为24 hPa[17]。C304中心平均纬度为38°N,在该纬度达到爆发性气旋的阈值为17.1 hPa,2007年3月3日18:00(世界时,下同)—4日18:00 C304中心海平面气压24 h下降12.6 hPa,虽然发展强烈,但未达到阈值17.1 hPa,即未达到爆发性气旋标准。C502中心平均纬度为39°N,在该纬度达到爆发性气旋的阈值为17.4 hPa,2016年5月2日09:00—3日09:00 C502中心海平面气压24 h下降22.9 hPa,超过阈值17.4 hPa,达到爆发性气旋标准。C304中心海平面最低气压为991.9 hPa,C502气旋中心海平面最低气压为975.7 hPa。由图 2可以看到,两个气旋入海后中心海平面气压下降幅度大,且C502爆发性发展时段主要在海上,这与海上摩擦力影响比陆地小[18]有关。

    • 本文所用资料包括2007年3月3日18:00—4日18:00和2016年5月2日09:00(06:00缺测)—3日09:00 MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System,气象信息综合分析处理系统)海平面气压,美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(National Centersfor Environmental Prediction/National Centersfor Atmospheric Research, NCEP/NCAR)提供的每日4个时次(00:00,06:00,12:00,18:00)、水平分辨率为1°×1°的全球分析资料(Final Operational Global Analysis, FNL),该资料被广泛用于数值模式及天气、气候的诊断分析研究[19]

    • 制约气旋发展的物理因子主要有涡度平流、温度平流、凝结潜热等[6]。涡度平流随高度增加,高层正涡度平流区可为地面气旋发展提供必需的高空辐散场;在对流层自由大气中温度平流随高度减弱。根据公式[20]计算C304和C502不同时次、大气不同层结涡度平流,发现与一般500 hPa槽前正涡度平流较强不同,C304涡度平流在200 hPa最强,C502在300 hPa最强;根据公式[20]计算C304和C502不同时次大气低层温度平流,发现低空975 hPa冷、暖平流与气旋发展移动对应关系较好。图 3图 4分别为C304强烈发展和C502爆发性发展过程中高空涡度平流、低空温度平流发展演变情况。

      图  3  2007年3月3—4日C304 200 hPa正涡度平流(填色)、925 hPa温度平流(红色等值线为暖平流不小于10,绿色等值线为冷平流不大于-10,单位:10-5K·s-1)和200 hPa位势高度(黑色等值线,单位:dagpm)(棕色实线为槽线,黑色圆点为地面气旋中心)

      Figure 3.  200 hPa positive vortic advection(the shaded), 925 hPa temperature advection(the red contour is warm advection no less than 10, the green contour is cold advection no more than -10, unit:10-5 K·s-1) and 200 hPa potential height(the black contour, unit:dagpm) of C304 from 3 Mar to 4 Mar in 2007 (the brown solid line is slot line, the black dot indicates the cyclone center location)

      图  4  2016年5月2—3日C502 300 hPa正涡度平流(填色)、925 hPa温度平流(红色等值线为暖平流不小于10,绿色等值线为冷平流不大于-10,单位:10-5 K·s-1)和300 hPa位势高度(黑色等值线,单位:dagpm)(棕色实线为槽线,黑色圆点为地面气旋中心,D表示低压中心)

      Figure 4.  300 hPa positive vortic advection(the shaded), 925 hPa temperature advection(the red contour is warm advection no less than 10, the green contour is cold advection no more than -10, unit:10-5 K·s-1) and 300 hPa potential height(the black contour, unit:dagpm) of C502 from 2 May to 3 May in 2016 (the brown solid line is slot line, the black dot indicates the cyclone center location, D indicates low pressure center)

      2007年3月3日18:00(图 3a)C304强烈发展初期,200 hPa槽较浅,槽前南侧和槽前脊后有正涡度平流发展,地面气旋位于正涡度平流区下方;3月4日06:00(图 3b)高空槽继续东移,槽前正涡度平流加强,为气旋强烈发展提供高空辐散场,自此地面气旋中心海平面气压开始持续下降;3月4日18:00(图 3c)地面气旋进入强烈发展后期,仍处在正涡度平流区下方,并与高空槽水平距离进一步减小。

      在C502强烈发展初期(图 4a),300 hPa槽区窄而深, 并分为南、北两支,槽前有很强的带状正涡度平流区,从33°N向东北方向延伸至50°N;随着高空槽东移,正涡度平流带减弱分离成南、北两支,南支槽前正涡度平流仍较强(图 4b),在局地涡度加强的情况下发展加深,从西风带中分离出来形成闭合性气旋环流(图 4c)。C502在300 hPa高空槽迅速加深发展成闭合气旋性环流过程中爆发性发展,且地面气旋中心与高空低压中心在垂直方向对应。因此,C502高空正涡度平流主要促使高空气旋性环流的发展,对地面气旋发展提供辐散场的作用没有C304显著。

      低空温度平流在两个气旋发展过程中的强度不同。C304强烈发展初期(图 3a),地面气旋前部925 hPa强暖平流,后部强冷平流,地面气旋处于二者之间的锋区内,冷暖平流强迫出垂直上升运动有利于气旋发展[8],在之后的强烈发展过程中(图 3b~图 3c),冷平流范围加大,暖平流强度范围有所减弱,但地面气旋一直处于冷、暖平流之间。C502爆发性发展初期(图 4a),地面气旋前后无明显的温度平流,爆发性发展时(图 4b~图 4c)在气旋后部和前部有冷、暖平流发展,其中冷平流强度逐渐加强。综合看,在C304和C502发展过程中,暖平流位于地面气旋东北侧,其减压作用使两个气旋向东北方向移动,地面气旋移动方向与925 hPa暖平流中心移动方向一致。

    • 气旋的发展演变过程与锋生过程关系密切,减弱消失与锋消过程相联系[21]图 5为不同时次沿C304和C502气旋中心锋生函数[20]的纬向垂直剖面图,在C304强烈发展前期3月3日18:00(图 5a),地面气旋中心西侧上空925 hPa至700 hPa为锋消区,锋生不明显;3月4日06:00(图 5b)地面气旋上空925 hPa至600 hPa锋生和锋消均强烈发展,锋生区位于地面气旋上空,中心位于700 hPa附近,强度突增至1.5×10-8 K·m-1·s-1;锋消区位于地面气旋西侧上空,中心强度由-3×10-9 K·m-1·s-1增至-9×10-9 K·m-1·s-1,自此地面气旋中心气压持续下降。3月4日18:00(图 5c)C304强烈发展后期,地面气旋上空锋生范围明显减弱,中心强度由1.5×10-8 K·m-1·s-1降至9×10-9 K·m-1·s-1,锋生区在925 hPa至800 hPa之间,锋消区范围减少,但中心强度由-3×10-9 K·m-1·s-1增至-1.2×10-8 K·m-1·s-1。结合垂直速度场的垂直分布可以看到,伴随C304强烈发展对流层下层的强烈锋生,在锋生区和锋消区之间地面气旋上空产生强烈的垂直上升运动,斜压强迫是C304启动发展的重要机制。在C502爆发性发展过程中(图 5d~图 5f)锋生和锋消不明显,与气旋上空的垂直上升运动无明显对应关系。

      图  5  沿C304和C502气旋中心锋生函数(黑线,单位:10-10 K·m-1·s-1)和垂直速度(填色)纬向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

      Figure 5.  The zonal section of frontal function(the black line, unit:10-10 K·m-1·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

    • 湿位势涡度(简称湿位涡)是一个综合表征大气运动状态和热力状态的物理量,在爆发性气旋研究中湿位涡理论得到广泛应用[7-9, 22]。在p坐标系中,等压面上湿位势涡度分为正压项和斜压项[20],由于分析中正压项比斜压项大得多,因此,常忽略斜压项[23]

    • 从不同时次沿气旋中心湿位涡纬向垂直剖面图(图 6)可以看到,两个气旋在发展过程中湿位涡垂直分布出现异常。在对流层中下层表现为在地面气旋中心西侧正湿位涡加强并向上延伸,C304强于C502;在对流层上层200~400 hPa表现为有高湿位涡区向下伸展,C502强于C304。

      图  6  沿C304和C502气旋中心的湿位涡(实线为正湿位涡,虚线为负湿位涡,单位:PVU)纬向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

      Figure 6.  The zonal section of moist potential vorticity(the solid line for positive moist potential vorticity, the dotted line for negative moist potential vorticity, unit:PVU)) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

      在C304强烈发展前期2007年3月3日18:00(图 6a),对流层中下层有明显正湿位涡发展,中心数值大于2.5 PVU,1.5 PVU湿位涡线上边界在600 hPa附近;3月4日06:00(图 6b)气旋地面中心气压开始明显下降,正湿位涡区1.5 PVU湿位涡线上边界到达400 hPa附近,中心数值大于3.5 PVU,且与200~400 hPa正湿位涡区相连;3月4日18:00(图 6c)地面气旋中心气压降到最低,正湿位涡区与对流层上层正湿位涡区断离,1.5 PVU湿位涡线上边界下降到700 hPa附近,正湿位涡中心数值达到5 PVU。对流层下层湿位涡异常加强的同时,对流层上层等湿位涡出现波动但振幅较小,1.5 PVU线始终在300~400 hPa之间。C502爆发性发展过程中,在对流层上层有明显正湿位涡加强,等湿位涡波动振幅大,并在地面气旋西侧存在正湿位涡舌向下伸展,1.5 PVU湿位涡等值线下伸至500 hPa附近,与此同时,对流层下层有正湿位涡区扰动生成并加强,2016年5月3日06:00地面气旋中心气压降到最低(图 6f),下伸的正湿位涡舌与对流层下层加强的正湿位涡柱相连,1.5 PVU湿位涡等值线几乎贯通。

    • 图 7为C304和C502发展过程中不同时刻沿气旋中心湿位涡经向剖面图, 可以看到,两个气旋发展过程中,气旋上空对流层低层出现正湿位涡扰动的同时,对流层中上层有正湿位涡舌下垂到地面气旋中心上空,C502强于C304。

      图  7  沿C304和C502气旋中心的湿位涡(实线为正湿位涡,虚线为负湿位涡,单位:PVU)经向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

      Figure 7.  The meridional section of moist potential vorticity(the solid line for positive moist potential vorticity, the dotted line for negative moist potential vorticity, unit:PVU)) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

      在C304强烈发展初期2007年3月3日18:00(图 7a),距地面气旋中心北侧50°~70°N对流层中上层500 hPa至200 hPa有高正湿位涡区向下伸展,1.5 PVU湿位涡线接近600 hPa,中心数值大于9.0 PVU;3月4日06:00(图 7b)地面气旋中心气压开始持续下降,对流层中上层50°N附近有高正湿位涡舌下垂,1.5 PVU湿位涡线接近700 hPa;3月4日18:00(图 7c)地面气旋中心气压降至最低,下伸的正湿位涡舌减弱。在C502爆发性发展初期2016年5月2日06:00(图 7d),在距地面气旋中心上方北侧300 hPa附近有狭长高湿位涡舌下垂,1.5 PVU湿位涡线下垂至600 hPa,中心数值大于9.0 PVU,与此同时, 在对流层下层地面气旋中心北侧出现正湿位涡扰动柱,1.5 PVU湿位涡线上边界在800 hPa附近;5月2日18:00(图 7e)气旋中心海平面气压开始快速下降,对流层上层高湿位涡舌1.5 PVU线下垂至700 hPa附近,与中低空高湿位涡柱1.5 PVU等值线在垂直方向贯通发生耦合,形成狭长高湿位涡柱;5月3日06:00(图 7f)对应气旋中心海平面气压降至最低值,上下贯通的狭长高湿位涡柱发生断离。根据位涡守恒原理,当正位涡异常区平流层空气下降到对流层,空气柱在垂直方向上被拉长,气旋性涡度将增加[24],因此,C502涡旋结构更强,闭合环流从地面发展到300 hPa,而C304虽然对流层上层也出现湿位涡正异常和高湿位涡舌侵入对流层中下层的特征,但高湿位涡舌宽而短,下垂高度在500 hPa附近,且始终与对流层下层正高湿位区有一定距离,由前面分析可知,C304发展主要来自对流层下层的斜压强迫,气旋性涡度增加主要在对流层下层,因此,C304涡旋性结构没有C502明显。

    • 图 8为C304和C502不同时次高空200 hPa风速、风矢量与散度场配置,可以看到,在两个气旋发展过程中,200 hPa高空中高纬和副热带地区有两支西风急流[18]。C304强烈发展初期(图 8a),西风带西风急流和副热带西风急流轴均呈东西向,分别位于47°N和30°N附近,东西跨度分别为45经距和60经距以上,急流中心最大风速达到60 m·s-1,在气旋强烈发展(图 8b~图 8c)过程中,西风带急流中心自西向东传播,且出现反气旋弯曲;副热带偏西风急流形态虽未发生变化,但强度加强,急流中心最大风速增至80 m·s-1。C304地面气旋位于高空两支急流之间,由副热带急流出口区左侧辐散区向东北方向移动,在进入西风带急流入口区右侧辐散区过程中强烈发展。

      图  8  200 hPa风速(实线,单位:m·s-1)、风矢量和正散度(填色) (实线箭头线是200 hPa急流轴,黑色圆点为地面气旋中心)

      Figure 8.  200 hPa wind speed(the solid line, unit:m·s-1), wind vector(unit:m·s-1)and positive divergence(the shaded) (the solid arrow line is jet stream at 200 hPa, the black dot indicates the cyclone center location)

      C502爆发性发展初、中期(图 8d~图 8e),西风带急流出现大型扰动,呈反气旋式弯曲,急流东段发生分支,南支反气旋弯曲指向东南方向,北支反气旋弯曲指向偏东方向;C502爆发性发展后期(图 8f), 气旋地面中心气压降到最低时,西风带急流东段反气旋弯曲进一步加大,并出现风速达到60 m·s-1的急流中心;副热带西风急流轴呈东西向,位于30°N附近,东西跨度为40经距,强度明显弱于C304,急流中心最大风速为40 m·s-1。地面气旋位于两支急流之间,由西风带急流东段南支急流中心入口右侧辐散区向东北方向移动,在进入北支急流中心入口区右侧辐散区过程中爆发性发展。对于两个气旋高空急流呈反气旋弯曲特征,丁治英等[7]指出,强爆发性气旋的形成与高空急流的非纬向性以及反气旋性弯曲密切相关,非纬向高空急流为爆发性气旋提供强辐散和斜压不稳定背景。另外,与绝大多数形成于高空西风急流出口区左侧的日本以东西北太平洋上的东亚爆发性气旋不同[18],C502形成发展于中高纬西风带急流入口区右侧,且高空西风急流中心位于115°E附近,因此,移动发展路径比气候平均位置[25-27]明显偏西。

    • 在C304和C502发展过程中,对流层低层均为气旋式环流背景(图略)。C304强烈发展过程中,背景环流场逐渐加强,偏南气流和偏北气流均衡发展,最大风速达到32 m·s-1。C502爆发性发展过程中偏南气流强于偏北气流,偏南气流最大风速达到40 m·s-1,偏北气流最大风速为32 m·s-1。在两个气旋发展过程中,C304地面气旋位于偏南气流左前方,C502地面气旋位于偏南、偏北气流之间。结合850 hPa散度场(图略),在C304强烈发展过程中,偏南气流前端有强辐合场,C304地面气旋在进入和穿越偏南气流前端强辐合场过程中强烈发展;C502偏南气流前端也有辐合场,但范围和强度不及C304,由于地面气旋由于处在两支急流中间,C502爆发性发展中低层辐合不明显。

    • 为更好表征两个气旋垂直运动的典型特征,与前面分析的时次不同,中间时次选择为气旋垂直上升运动最强时次,C304为2007年3月4日00:00,C502为2016年5月3日00:00。

    • 由不同时次沿气旋中心纬向风和垂直速度剖面图(图 9)可以看到,C304强烈发展过程中,地面气旋上空200 hPa至100 hPa存在西风急流,其上有急流核向东传播,急流中心最大风速超过50 m·s-1;在低层800 hPa以下为偏东风,中心最大风速达20 m·s-1。C304强烈发展过程中,垂直运动首先在地面气旋上空发展,垂直速度为-1×10-2 hPa·s-1的区域由初期500 hPa(图 9a)上升到最强时次的300 hPa(图 9b),中心数值绝对值由1×10-2 hPa·s-1增至2×10-2 hPa·s-1,在C304强烈发展后期(图 9c)垂直运动减弱,上升运动区随高度向东倾斜。C502在爆发性发展初期(图 9d),300 hPa以上存在西风急流,急流中心最大风速达50 m·s-1并向东传播。与C304不同,伴随西风急流的移出,C502地面上空300 hPa附近出现较强的东风气流(图 9e~图 9f),最强时中心最大风速达25 m·s-1

      图  9  C304和C502气旋中心纬向风(实线表示西风,虚线表示东风,单位:m·s-1)和垂直速度(填色)纬向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

      Figure 9.  The zonal section of zonal wind(the solid line for west wind, the dotted line for east wind, unit:m·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502(the black triangle indicates the cyclone center location)

      由于C502气旋性涡度的增加主要在对流层上层,因此,气旋上空垂直上升运动区分布与C304不同,C502上升运动区主要分布在地面气旋中心两侧,为旋转性上升运动,在气旋爆发性发展后期,垂直上升运动减弱,中心下沉。这种现象同样出现在高力等[28]对西北太平洋超强爆发性气旋的个例分析中。

    • 由沿气旋中心纬向风和垂直速度的经向垂直剖面(图 10)可以看到,在C304和C502发展过程中,50°N和30°N西风带和副热带对流层中高层有两支急流(J1和J2),其中C304西风带急流轴在300 hPa至200 hPa之间,副热带西风急流轴在200 hPa附近,急流轴最大风速达到70 m·s-1。C304发展过程中,两支急流高度变化不大,而西风带急流强度逐渐减弱,副热带急流强度维持不变。处于两支急流之间的地面气旋上空出现较强垂直上升运动区,2007年3月4日00:00(图 10b)达到最强。

      图  10  C304和C502气旋中心纬向风(实线表示西风,虚线表示东风,单位:m·s-1)和垂直速度(填色)经向垂直剖面图(黑色三角为地面气旋中心)

      Figure 10.  The meridional section of zonal wind(the solid line for west wind, the dotted line for east wind, unit:m·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)

      C502急流轴高度亦在300 hPa至200 hPa之间,但急流强度较C304明显偏弱,急流轴最大风速为50 m·s-1。C502发展过程中,西风带急流高度变化不大,强度不断增强,副热带急流强度变化不大,但高度逐渐下降。处于两支急流之间的地面气旋上空垂直上升运动在2016年5月3日00:00(图 10e)最强,但强度和范围较C304显示偏弱。

    • 研究表明:

      1) C304和C502在江淮流域生成后,以相似路径移动到东北地区,但发展强度不同,其中C502路径偏西、偏北,较罕见。

      2) C304高空正涡度平流区位于地面气旋上空,为气旋发展提供高空辐散场;C502高空正涡度平流位于高空槽前,局地涡度增加促使高空气旋性环流生成发展。C304强烈发展过程中,低空有很强的冷、暖温度平流,气旋在锋区上发展,斜压性强;C502爆发性发展过程中,冷、暖平流不显著,发展过程中没有明显锋生,斜压性不明显。

      3) 在湿位涡纬向垂直分布中,对流层中下层正湿位涡异常发展,C304强于C502,对流层上层异常发展C502强于C304;在湿位涡经向垂直分布中,对流层中上层有正湿位涡舌发展下垂,C304正湿位涡舌宽而短,下垂高度低,C502正湿位涡舌窄而细长,下垂高度高;在气旋强烈发展和爆发性发展最强时刻,C304正湿位涡舌与对流层下层正湿位涡区有一定距离,C502正湿位涡舌与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通。

      4) C304和C502发展在高空200 hPa西风带西风急流和副热带西风急流两支急流共存、西风带西风急流发生反气旋弯曲环流形势下。C304由副热带西风急流出口区左侧辐散区东移北上,进入西风带急流入口区右侧辐散区,在低层进入和穿越偏南气流前端强辐合场过程中强烈发展;C502由西风带急流东段南支西风急流中心入口右侧辐散区东移北上,在进入北支西风急流中心入口区右侧辐散区过程中爆发性发展。

      5) 在低空强辐合、高空强辐散作用下,C304地面中心上空,对流层下层到中上层出现深厚的垂直上升运动;C502高空辐散作用强、低空辐合弱,垂直上升运动区主要分布在地面气旋中心两侧,上升运动为旋转性上升运动。低空辐合在C304发展中发挥主要作用,高空辐散在C502爆发性发展中发挥主要作用。

      C304和C502发展动力机制对比表明:C304强烈发展的主要机制是低空斜压强迫,C502爆发性发展的主要机制是高空位涡异常发展和位涡下传。根据丁一汇[6]对温带气旋的论述,C304发展从低层开始符合第一类经典锋面波动发展气旋,C502启动机制在高空符合第二类气旋。研究[6-8, 21-24]证实,高层位涡异常下传是爆发性气旋重要动力特征,大气斜压性对气旋强烈发展有重要作用[12, 13-14]

参考文献 (28)

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