孫柏堂, 李鵬遠(yuǎn), 傅 剛

(中國海洋大學(xué)海洋氣象學(xué)系，山東 青島 266100)

溫帶氣旋是中緯度重要的天氣系統(tǒng)之一。研究發(fā)現(xiàn)，部分氣旋可以在較短時間內(nèi)迅速發(fā)展，強(qiáng)度急劇增強(qiáng)，常伴有大風(fēng)和強(qiáng)降水等惡劣天氣。Sanders和Gyakum[1]綜合前人的研究，把這類氣旋定義為爆發(fā)性氣旋(Explosive Cyclones)，即:

其中：DR為氣旋中心氣壓降低率；P代表中心氣壓；φ代表氣旋中心所在緯度；t-12和t+12分別是12 h前和12 h后氣旋的中心氣壓值。如果計(jì)算DR>1 hPa·h-1(1 Bergeron)，則氣旋就被稱為爆發(fā)性氣旋。由于爆發(fā)性氣旋發(fā)生時常伴有極端惡劣天氣，給人們的生產(chǎn)生活帶來極大的不便，甚至造成生命財(cái)產(chǎn)損失，所以對爆發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展機(jī)理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的研究是十分必要的。

近年來，對爆發(fā)性氣旋的研究主要集中在三個方面：氣候?qū)W特征研究、診斷分析和數(shù)值模擬研究。Sanders和Gyakum[1]指出，爆發(fā)性氣旋多發(fā)生于北半球的冷季，空間對應(yīng)高空槽前、高空急流軸北側(cè)、海表溫度梯度的大值區(qū)。Yoshida和Asuma[2]認(rèn)為，西北太平洋的爆發(fā)性氣旋主要集中在20°N～60°N,120°E～180°E的海上。李長青和丁一匯[3]研究表明，爆發(fā)性氣旋發(fā)展需要一定的大尺度環(huán)境條件，如中低層位勢不穩(wěn)定層結(jié)、強(qiáng)水汽輸送、高空急流出口左側(cè)的動力輻散等。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，西北太平洋日本東部海域爆發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)增加，與日本以東地區(qū)中低空斜壓性增強(qiáng)以及水汽冬季多年平均相對增加有關(guān)[4]。很多研究表明，動力或斜壓不穩(wěn)定條件[5-6]、對流層頂折疊、高層位渦下傳的高空強(qiáng)迫[7-8]等條件是爆發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展的重要條件。對爆發(fā)性氣旋的數(shù)值模擬試驗(yàn)也取得了一定成果。郭大梅和丁治英[9]利用PSU/NCAR Mesoscale Model (MM5)對一次爆發(fā)性氣旋進(jìn)行研究，得出潛熱釋放和慣性不穩(wěn)定的正反饋機(jī)制對氣旋的發(fā)展有利。趙洪等[10]分別利用MM5和 Weather Research and Forecasting Modeling System (WRF) 模式對爆發(fā)性氣旋進(jìn)行模擬，指出WRF模式在爆發(fā)性氣旋引發(fā)的大風(fēng)過程以及氣旋的移動路徑等方面能更好地模擬出爆發(fā)性氣旋特點(diǎn)。Hirata等[11]使用Cloud-Resolving Storm Simulator (CReSS)模式，對一次爆發(fā)性氣旋過程進(jìn)行模擬，指出海表面感熱釋放對爆發(fā)性氣旋的發(fā)展影響很大。

雖然對爆發(fā)性氣旋的研究取得了很大的進(jìn)展，但是由于爆發(fā)性氣旋多在海上發(fā)展，可以獲得的觀測資料比較少，不利于分析氣旋的中小尺度結(jié)構(gòu)。隨著氣象衛(wèi)星和雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用于氣象觀測，氣象研究人員對爆發(fā)性氣旋有了更進(jìn)一步的認(rèn)識[12-13]，但大部分靜止衛(wèi)星對氣旋的云微物理屬性的解析能力比較弱，而云的微物理屬性可很好地反映天氣變化[14]。2006年發(fā)射的極軌衛(wèi)星CloudSat在云的垂直結(jié)構(gòu)觀測方面發(fā)揮了重要作用，其搭載的云剖面雷達(dá)(Cloud profiling radar, 以下簡稱CPR)能穿透云層，能探測全球范圍的云剖面及其變化，包括云系及降水結(jié)構(gòu)、云中液態(tài)水和冰水含量等[15]，對云中比較小的粒子進(jìn)行觀測。馬占山等[15]、周毓荃和趙姝慧[16]對CloudSat衛(wèi)星及其搭載的探測設(shè)備進(jìn)行了介紹，指出CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品很有價值。Durden等[17]使用CloudSat和其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn)，靠近熱帶氣旋中心的眼壁云系中冰粒子尺度和冰水含量隨高度增加而減少。趙姝慧和周毓荃[18]使用CloudSat 2B-CWC-RO數(shù)據(jù)對0603號臺風(fēng)“艾云尼”分析發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)云系的0 ℃等溫線層所在高度約為5 km，且冰粒子數(shù)濃度隨高度增加而增加。張蕾等[19]對0608號臺風(fēng)“桑美”的云系進(jìn)行垂直冰云微物理屬性分析，發(fā)現(xiàn)冰粒子有效半徑和冰粒子數(shù)濃度隨高度變化截然相反，冰水含量垂直分布呈單峰或雙峰特征。大量研究表明，CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)為研究云的微物理屬性提供了有力的幫助。但是使用CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)對天氣系統(tǒng)的研究大多集中在熱帶氣旋的云微物理屬性垂直結(jié)構(gòu)方面，對爆發(fā)性氣旋而言，由于其發(fā)生發(fā)展的位置多在中高緯度海洋上，CloudSat極軌衛(wèi)星能“觀測”到的氣旋個數(shù)比較少，故到目前為止對爆發(fā)性氣旋的云微物理屬性研究比較少。

2012年1月，CloudSat衛(wèi)星對西北太平洋上一個爆發(fā)性氣旋在發(fā)展階段的云系進(jìn)行了“觀測”，故本文可通過CloudSat衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)對該爆發(fā)性氣旋云系的微物理屬性的垂直分布特征進(jìn)行分析。本文擬從多角度分析爆發(fā)性氣旋的結(jié)構(gòu)特征，以加深對爆發(fā)性氣旋的認(rèn)識。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 FNL再分析數(shù)據(jù)

本文使用的Final Analysis(FNL)再分析數(shù)據(jù)是由美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Center for Environmental Prediction，簡稱NCEP)提供的1°×1°全球大氣數(shù)據(jù)[20]，每天00 UTC、06 UTC、12 UTC、18 UTC有資料，垂直方向從1 000～10 hPa分為26層，包括位勢高度、海表面氣壓、氣溫、經(jīng)向風(fēng)速和緯向風(fēng)速等物理量，下載地址為https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/。

1.2 MODIS可見光云圖

衛(wèi)星云圖是由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, 簡稱NASA)提供的搭載于Aqua衛(wèi)星上的 (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，簡稱MODIS)可見光云圖，下載地址為https://worldview.earthdata.nasa.gov/。

1.3 CloudSat數(shù)據(jù)產(chǎn)品

CloudSat數(shù)據(jù)是由CloudSat DPC(CloudSat Data Processing Laboratory) 提供的極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，CloudSat衛(wèi)星為近圓形軌道，軌道高度為705 km，每個像素點(diǎn)的星下點(diǎn)垂直軌道分辨率1.4 km，沿軌道分辨率為2.5 km，垂直分辨率0.5 km[21]。CPR使用94 GHz，3.2 mm波長的波段，對云具有較強(qiáng)穿透力。CPR數(shù)據(jù)垂直方向分為125層，每層為240 m，整層高度約為30 km。CloudSat數(shù)據(jù)可以較為精確的反映爆發(fā)性氣旋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，但是其探測時次和刈幅比較有限，對氣旋連續(xù)的大范圍觀測不利[21]，但是總體而言使用CloudSat數(shù)據(jù)對一次爆發(fā)性氣旋過程的云微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是合理的。本文主要使用的CloudSat數(shù)據(jù)包括2B-GEOPROF、2B-CWC-RO、2B-CLDCLASS以及ECMWF-AUX數(shù)據(jù)。其中2B-GEOPROF主要使用了雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)，2B-CWC-RO主要使用云中冰水含量、冰粒子數(shù)密度、冰粒子有效半徑數(shù)據(jù)。之所以僅選用冰相粒子數(shù)據(jù)，是因?yàn)槔走_(dá)使用波長為3.2 mm波段，該波段對云中液滴等液相粒子的觀測能力比較差，所以該產(chǎn)品中液態(tài)粒子數(shù)據(jù)缺省較多[22]。2B-CLDCLASS使用了云種類數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)ECMWF-AUX則使用了氣溫以及比濕數(shù)據(jù)，下載地址為http://www.cloudsat.cira.colostate.edu/。

1.4 研究方法

本文主要利用FNL再分析資料對2012年1月發(fā)生在西北太平洋上的一次爆發(fā)性氣旋過程進(jìn)行天氣學(xué)分析，利用CloudSat資料對氣旋的云類型、云微物理屬性以及氣溫比濕等熱力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提高對爆發(fā)性氣旋的云微物理垂直分布特征的認(rèn)識水平。

2 氣旋概況

本文研究的爆發(fā)性氣旋是發(fā)生于西北太平洋上的一次爆發(fā)性氣旋過程，從氣旋生成到結(jié)束發(fā)展對應(yīng)時間為2012年1月10—13日。該氣旋1月10日18 UTC在日本以東洋面形成閉合等壓線，11日00 UTC氣旋中心氣壓降低率大于1 Bergeron，開始爆發(fā)性發(fā)展，并快速向東北方向移動，12日00 UTC中心氣壓降低率達(dá)到最大，之后氣旋移動明顯減慢并轉(zhuǎn)向向西北方向移動，于12日18 UTC在勘察加半島南側(cè)中心氣壓降低率小于1 Bergeron，爆發(fā)性發(fā)展結(jié)束(見圖1)。氣旋在發(fā)展過程中經(jīng)歷2次轉(zhuǎn)向，因?yàn)闅庑趯α鲗痈邔邮艿讲矍耙龑?dǎo)氣流影響，在低層受到北側(cè)較弱低壓影響使兩個低壓系統(tǒng)互旋而轉(zhuǎn)向。圖2是氣旋中心氣壓及中心氣壓降低率隨時間的變化曲線，其中最大氣旋中心氣壓降低率為2.7 Bergeron，根據(jù)Zhang等[23]提出的爆發(fā)性氣旋的分類方法，此次爆發(fā)性氣旋達(dá)到了超強(qiáng)爆發(fā)性氣旋級。最低中心氣壓達(dá)到了944.9 hPa，與臺風(fēng)強(qiáng)度不遑多讓。

(實(shí)心圓代表爆發(fā)過程；空心圓為未爆發(fā)過程；紅色實(shí)線代表CloudSat衛(wèi)星軌跡；A和B分別代表截取時段的起始和結(jié)束位置。等值線代表12日00 UTC海表面氣壓場，背景為1月12日MODIS可見光衛(wèi)星云圖。Solid dots represent the outbreak phase and the dashed dots represent the non break out phase， Red solid line represents the trajectory of CloudSat satellite;Capital letter A and B represent the initial position and end position of the selected period, respectively. Black contours represent the sea level pressure at 00 UTC 12. Shaded shows the visible satellite imagery on 12 January 2012.)

3 云的微物理屬性垂直結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)CloudSat數(shù)據(jù)集給出的序號30361(granule 30361)的部分軌跡數(shù)據(jù)，CloudSat衛(wèi)星于1月12日02：01：39 UTC—02：09：59 UTC由東南向西北穿過氣旋(見圖1)，起始和結(jié)束的位置分別對應(yīng)A(28.98°N,171.39°E)和B(58.71°N,160.19°E)，軌跡AB的位置就是對該氣旋的云物理屬性和熱力結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直剖面分析的位置。圖1中海表面氣壓場為比較接近此時段的1月12日00 UTC，而00 UTC為中心氣壓降低率最大時刻，也就是氣旋發(fā)展最迅速的時刻，十分有助于分析氣旋的云屬性垂直結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星云圖為1月12日MODIS可見光云圖，綜合海表面氣壓場和衛(wèi)星云圖可以得到，在02：04：09 UTC,也就是(45.15°N,166.52°E)為最靠近氣旋中心的位置。根據(jù)選取的時段爆發(fā)性氣旋的云分類圖(見圖3)可以看出，在氣旋中心附近為明顯的深對流云區(qū)(Deep)，深厚且寬廣，說明云中對流活動十分劇烈。氣旋中心南側(cè)和北側(cè)的云種類為明顯的不對稱分布，氣旋中心北側(cè)的高層云(As)明顯比南側(cè)更寬廣，雨層云(Ns)也比南側(cè)分布的更廣，但是發(fā)展的高度比南側(cè)低2 000 m左右。氣旋中心南側(cè)有部分高云(High)存在，且云發(fā)展的高度普遍比北側(cè)更高。南北側(cè)云種類和分布的差異可能與氣旋中心西北側(cè)為冷空氣、氣旋中心東南側(cè)為暖空氣的配置以及氣旋中心東南側(cè)冷鋒前抬升凝結(jié)潛熱釋放更強(qiáng)，云系發(fā)展更旺盛有關(guān)。此次過程中云的發(fā)展十分旺盛，雷達(dá)反射率圖(見圖4)中云層高度向上伸展到9 000 m左右，說明氣旋發(fā)展階段發(fā)展十分迅速，云層向上伸展的高度可能與Zhang等[23]提出的弱(1.00～1.29 Bergeron)、中等(1.30～1.69 Bergeron)、強(qiáng)(1.70～2.29 Bergeron)和超強(qiáng)(≥2.30 Bergeron)這四類爆發(fā)性氣旋等級有關(guān)，且爆發(fā)性氣旋強(qiáng)度越強(qiáng)，云系向上發(fā)展的高度可能越高。

圖2 氣旋中心氣壓 (黑色實(shí)線，hPa) 及中心氣壓降低率 (紅色實(shí)線，hPa·h-1) 隨時間變化Fig.2 Time series of central sea level pressure (black solid line, hPa) and its deepening rate (red solid line, hPa·h-1)

(箭頭和黑色實(shí)心圓的位置表示最接近氣旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

(箭頭和黑色實(shí)心圓的位置表示最接近氣旋中心位置。Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

針對爆發(fā)性氣旋的云微物理學(xué)屬性，本文主要研究冰粒子有效半徑、冰粒子數(shù)濃度和冰水含量這三個物理量。冰粒子的有效半徑分布圖(見圖5)中，云中冰粒子有效半徑隨高度增加而遞減，大值區(qū)集中于冰云的下部，最大有效半徑達(dá)160 μm以上。氣旋北側(cè)的冰粒子半徑大值區(qū)向下延伸到1 km附近，而氣旋中心南側(cè)的大值區(qū)向下延伸的程度較弱，并且有效半徑極大值更大，說明南側(cè)的云相對較暖，后面分析表明，可能原因一是南側(cè)位于暖氣團(tuán)區(qū)，云系氣溫比北側(cè)更高(見圖6)，二是南側(cè)對應(yīng)于冷鋒前，抬升更強(qiáng)潛熱釋放更明顯，對云系的加熱作用更顯著。

(箭頭和黑色實(shí)心圓的位置表示最接近氣旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

(箭頭和黑色實(shí)心圓的位置表示最接近氣旋中心位置。Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center. )

冰粒子數(shù)濃度分布圖(見圖7)中，冰粒子數(shù)濃度與冰粒子有效半徑(見圖5)相反，大致隨高度遞增而遞增，大值集中于冰云上部9 km附近，最大數(shù)濃度達(dá)400個·L-1以上。在冰云云系中, 小顆粒冰粒子通過冰晶水汽擴(kuò)散增長或者冰晶凝華增長下降, 到達(dá)更低更溫暖的高度會得到第二次增長, 這樣就會使得顆粒物濃度降低, 同時顆粒物粒徑增大，同時如果有上升運(yùn)動，大顆粒物不容易被帶到高處，所以形成冰粒子有效半徑和數(shù)濃度大值分布相反的結(jié)果[17]。氣旋中心南側(cè)冰粒子數(shù)濃度大值區(qū)(大于175個·L-1)主要分布于5～10 km的高空，而氣旋中心北側(cè)大值區(qū)主要分布在3～9 km的高空，南側(cè)云相對更暖使得低層冰粒子融化較多，碰并更強(qiáng)，粒子數(shù)有明顯減少。

(箭頭和黑色實(shí)心圓的位置表示最接近氣旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

冰水含量分布圖(見圖8)中，相比于冰粒子數(shù)濃度和有效半徑，冰水含量隨高度變化不明顯，大值區(qū)(大于400 mg·m-3)主要集中在云中部，最大冰水含量達(dá)1 400 mg·m-3以上。氣旋中心附近有明顯的冰水含量低值區(qū)，南側(cè)冰水含量范圍更寬廣，北側(cè)冰水含量大值區(qū)更明顯，有利于冰晶的增長，冷云的發(fā)展。

(箭頭和黑色實(shí)心圓的位置表示最接近氣旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

關(guān)于爆發(fā)性氣旋云的熱力性質(zhì)分析，由于氣溫場可以比較準(zhǔn)確地反映出氣旋云系的熱力性質(zhì)南北側(cè)的差異，比濕場可以較準(zhǔn)確地反映出抬升凝結(jié)潛熱釋放的能力，故主要分析了云中氣溫和比濕的剖面(見圖6和9)。氣旋中心南側(cè)有明顯的暖中心，0 ℃等溫線從氣旋中心南側(cè)的3 km向北向下延伸到氣旋北側(cè)的200 m左右。氣旋中心南側(cè)氣溫比北側(cè)高，云系發(fā)展受到不同氣溫條件的制約，且氣旋中心東南側(cè)存在較強(qiáng)冷鋒，這些可能是云微物理屬性分布非對稱的重要原因。比濕剖面和氣溫剖面相似，比濕大值區(qū)主要分布在氣旋中心南側(cè)的中低層，說明氣旋中心南側(cè)凝結(jié)潛熱更明顯。

綜合以上分析，氣旋云系在微物理屬性和熱力性質(zhì)方面南北差異十分明顯，其中氣旋北側(cè)冰粒子有效半徑極大值較小，冰粒子數(shù)濃度大值區(qū)主要集中位置較低，且冰水含量較大，云系更冷，所以北側(cè)云系發(fā)展可能更符合貝吉隆過程的結(jié)果；而氣旋南側(cè)云系發(fā)展更高，冰粒子有效半徑、冰粒子數(shù)濃度、冰水含量主要集中位置更高，云系更暖，所以南側(cè)云系發(fā)展發(fā)展可能更傾向于抬升凝結(jié)成云。

(箭頭和黑色實(shí)心圓的位置表示最接近氣旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

4 總結(jié)與討論

本文利用CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)和FNL再分析數(shù)據(jù)對2012年1月西北太平洋上一個爆發(fā)性氣旋的云系及云微物理屬性的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1) CloudSat衛(wèi)星于2012年1月12日02：01：39 UTC至02：09：59 UTC穿過氣旋，02：06：59 UTC離氣旋中心最近，與此時段最接近的12日00 UTC是氣旋中心氣壓降低率最大時刻，氣旋發(fā)展最迅速，對研究氣旋的垂直結(jié)構(gòu)十分有利。

(2) 氣旋中心附近有發(fā)展旺盛的深對流云，中心南北兩側(cè)的云系稍有不同，云系向上發(fā)展到9 km以上，發(fā)展高度可能與氣旋強(qiáng)度有關(guān)。

(3) 氣旋云系中冰粒子有效半徑大小隨高度遞減，而冰粒子數(shù)濃度隨高度遞增，這與冰晶在高層生成增長下沉到中低層氣溫較高相互碰并增長加強(qiáng)，使粒子數(shù)濃度降低而有效半徑增大有關(guān)，且在有上升氣流條件下，大直徑的冰粒子不易被帶往高空。冰粒子有效半徑、數(shù)濃度和冰水含量大值區(qū)的位置在氣旋中心南側(cè)更高，這與南暖北冷的氣團(tuán)性質(zhì)以及抬升凝結(jié)潛熱釋放有一定關(guān)聯(lián)。

(4) 氣溫和比濕剖面中氣溫高值區(qū)和比濕大值區(qū)集中于氣旋中心南側(cè)，氣旋南側(cè)的云系可能更傾向于抬升凝結(jié)的暖云發(fā)展，而北側(cè)更傾向于貝吉隆過程的發(fā)展。

本文首次對西北太平洋上的一個爆發(fā)性氣旋的云微物理屬性的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，由于CloudSat衛(wèi)星途經(jīng)爆發(fā)性氣旋上空有一定的偶然性，獲取云微物理屬性的垂直剖面的觀測資料有困難。今后需要對多個爆發(fā)性氣旋的云微物理屬性的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。

致謝:本文所用的CloudSat數(shù)據(jù)由CloudSat DPC提供，所使用的FNL再分析數(shù)據(jù)由美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP提供，衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)由美國國家航空航天局NASA提供，在此謹(jǐn)表感謝！