彭永茂，傅剛，鄢珅，陳蒞佳

(中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院海洋氣象系，山東 青島 266100)

引言

溫帶氣旋是中高緯度每日“天氣舞臺”上最重要的“演員”[1]。一些溫帶氣旋的中心氣壓能在短時間內(nèi)迅速降低、氣旋強度迅速增強，這類氣旋被稱為“爆發(fā)性氣旋”(explosive cyclone, EC)。爆發(fā)性氣旋可伴隨大風(fēng)、暴雨等惡劣天氣，由于其破壞力巨大，往往會給海上作業(yè)和遠(yuǎn)洋運輸?shù)然顒訋砭薮笪：?。SANDERS and GYAKUM[2]首次定義在24 h內(nèi)中心海平面氣壓值下降24 hPa以上，即中心氣壓變化率大于1 hPa·h-1(定義為1 Bergeron)的溫帶氣旋為爆發(fā)性氣旋。

傅剛等[1]系統(tǒng)回顧了溫帶氣旋的研究歷史，總結(jié)了爆發(fā)性氣旋的研究現(xiàn)狀，為了解爆發(fā)性氣旋的研究歷史提供了參考。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者對爆發(fā)性氣旋的分類[3-5]、氣候?qū)W特征[1,6-12]、環(huán)境背景場[2-3,8,13-14]和發(fā)展機制[8,13,15-24]等方面進行了廣泛而深入的研究。爆發(fā)性氣旋的分類大多以氣旋最大中心氣壓變化率為主要依據(jù)，分為“弱氣旋”“中等氣旋”和“強氣旋”三類[3]，或“弱氣旋”“中等氣旋”“強氣旋”和“超強氣旋”四類[4-5]。學(xué)者們通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)性氣旋多發(fā)生在西北太平洋和西北大西洋[2,6-7]，且主要發(fā)生在冷季[2,8-9]，在冷季爆發(fā)性氣旋的發(fā)生頻數(shù)有明顯的月變化特征[11]。

由于爆發(fā)性氣旋多發(fā)生在海上，可獲得的觀測資料稀少，僅用傳統(tǒng)的觀測資料很難滿足研究爆發(fā)性氣旋的迫切需要，而氣象衛(wèi)星為人們觀測海上爆發(fā)性氣旋提供了新的途徑和方法。CloudSat衛(wèi)星作為能夠探測云垂直剖面信息的氣象衛(wèi)星，為人們研究爆發(fā)性氣旋的垂直結(jié)構(gòu)提供了幫助。1999年CloudSat衛(wèi)星就被選為美國宇航局“地球系統(tǒng)科學(xué)探路者”衛(wèi)星任務(wù)，2006年4月28日與CALIPSO衛(wèi)星一起發(fā)射升空，其搭載的94 GHz云剖面雷達(Cloud Profiling Radar)能夠“剖開”云系探測到冰水中更小的粒子。CloudSat衛(wèi)星提供的產(chǎn)品中包括冰粒子有效半徑、冰水含量和液態(tài)水含量等云微物理量的信息，為更加精細(xì)地研究云系結(jié)構(gòu)提供了可能。

CloudSat衛(wèi)星投入使用初期就有不少學(xué)者利用其提供的產(chǎn)品研究各種天氣現(xiàn)象，目前較多的研究[25-27]是利用CloudSat衛(wèi)星資料分析熱帶氣旋。DURDEN et al.[28]使用CloudSat衛(wèi)星資料研究熱帶氣旋時指出，CloudSat衛(wèi)星提供的云結(jié)構(gòu)定性視圖和云特性的定量估計與之前現(xiàn)場測量的基本一致。DURDEN的研究結(jié)論與其之后開展的有關(guān)CloudSat衛(wèi)星資料的研究工作，提高了CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品的可信度。

不少學(xué)者[29-30]也利用CloudSat衛(wèi)星資料研究了溫帶鋒面氣旋，大多都得出了觀測結(jié)果與溫帶氣旋經(jīng)典模型相似的結(jié)論。GOVEKAR et al.[31]利用CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星資料，首次研究了南半球氣旋的三維結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明氣旋周圍云分布的三維結(jié)構(gòu)與溫帶氣旋概念模型一致。

CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品為研究云系的垂直剖面結(jié)構(gòu)提供了幫助，但由于極軌衛(wèi)星無法對氣旋個例進行連續(xù)的觀測，目前CloudSat用于爆發(fā)性氣旋的研究工作還較少。孫柏堂等[32]利用CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了一個爆發(fā)性氣旋個例云微物理特性的垂直結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)冰粒子有效半徑隨高度遞增而減小，冰粒子數(shù)濃度隨高度遞增而增多等特征。

本文選取發(fā)生在大西洋上的四個爆發(fā)性氣旋個例，按照發(fā)生季節(jié)分為冬季和春季兩組。分別為冬季W(wǎng)組：2011年2月11—15日(命名為冬季氣旋W1)和2013年2月16—19日(命名為冬季氣旋W2)；春季S組：2007年4月7—10日(命名為春季氣旋S1)和2014年4月19—25日(命名為春季氣旋S2)。利用CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品探究爆發(fā)性氣旋云微物理參量垂直分布的特征，并希望能夠從中找到冬春季爆發(fā)性氣旋的相同和不同特征。

1 數(shù)據(jù)資料

本文所使用的數(shù)據(jù)資料如下：

1)CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心(CloudSat Data Processing Center, CloudSat DPC)提供了軌道寬度為1.4 km，沿軌道分辨率為2.5 km，垂直分辨率為500 m的云剖面數(shù)據(jù)。產(chǎn)品包括2B-CLDCLASS、2B-GEOPROF、2B-CWC-RO、ECMWF-AUX等，其中包含的冰粒子有效半徑、冰粒子數(shù)濃度、冰水含量和液態(tài)水含量等物理量即為本文主要分析的云微物理參量，下載地址為：ftp://ftp.cloudsat.cira.colostate.edu。

2)美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的Aqua衛(wèi)星的中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)可見光衛(wèi)星云圖，空間分辨率為500 m，下載地址為：https://worldview.earthdata.nasa.gov。

3)歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5再分析格點資料，所使用到的海平面氣壓數(shù)據(jù)時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，本文使用此數(shù)據(jù)計算氣旋中心氣壓變化率，下載地址為：https://cds.climate.copernicus.eu。

2 冬季氣旋個例概況及云微物理參量垂直分布特征

2.1 冬季氣旋個例概況

冬季氣旋W1于2011年2月11日12:00 (世界時，下同)在美國佛羅里達半島東部(79°W，30°N)附近生成，此后向東北方向移動，在12日13:00—13日05:00氣旋發(fā)展迅速，中心氣壓變化率大于2.00 Bergeron(圖1)。2011年2月13日01:00氣旋中心氣壓變化率達到最大值3.93 Bergeron(圖2)。氣旋經(jīng)過紐芬蘭島南部繼續(xù)向東北方向移動，于2011年2月13日21:00達到中心氣壓最小值952.8 hPa。隨后氣旋中心氣壓不斷升高，氣旋強度不斷減弱，在到達亞速爾群島北部后，受高空引導(dǎo)氣流影響移動路徑發(fā)生270°的轉(zhuǎn)向，最后于2011年2月15日23:00在亞速爾群島附近(27°W，49°N)消亡。2月12日17:00和2月14日04:00(圖2中綠色實線對應(yīng)時刻)為后文分析云微物理參量垂直分布特征的時刻，分別對應(yīng)氣旋中心氣壓變化率接近最大值和中心氣壓接近最小值。

圖1 2011年2月11日12:00—15日23:00冬季氣旋W1的移動路徑(由ERA5平均海平面氣壓場確定)

圖2 冬季氣旋W1的中心氣壓(藍線，單位：hPa)及中心氣壓變化率(紅線，單位：Bergeron)隨時間變化曲線(綠色實線為剖面分析時刻)

冬季氣旋W2于2013年2月16日18:00在美國東海岸附近(75°W，34°N)生成，此后向東北方向移動，在17日01:00—19:00氣旋發(fā)展迅速，中心氣壓變化率大于2.00 Bergeron(圖3)。2013年2月17日14:00氣旋中心氣壓變化率達到最大值3.58 Bergeron(圖4)。氣旋經(jīng)過新斯科舍半島后向東移動，于2013年2月18日07:00達到中心氣壓最小值954.9 hPa。隨后中心氣壓不斷升高后氣旋開始填塞，并于2013年2月19日17:00在紐芬蘭島東側(cè)(52°W，48°N)附近消亡。2月17日17:00(圖4中綠色實線對應(yīng)時刻)為后文分析云微物理參量垂直分布特征的時刻，此時氣旋中心氣壓較低，氣旋基本成熟。

圖3 2013年2月16日18:00—19日17:00冬季氣旋W2的移動路徑(由ERA5平均海平面氣壓場確定)

圖4 冬季氣旋W2的中心氣壓(藍線，單位： hPa)及中心氣壓變化率(紅線，單位：Bergeron)隨時間變化曲線(綠色實線為剖面分析時刻)

2.2 冬季氣旋W1云微物理參量垂直分布特征

根據(jù)CloudSat衛(wèi)星序號25525軌道中A1(29°W，60°N)B1(39°W，35°N)段數(shù)據(jù)，2011年2月14日03:21—03:28，CloudSat衛(wèi)星由東北向西南穿過冬季氣旋W1。圖5為2月14日04:00海平面氣壓場，背景云圖采用Aqua衛(wèi)星14日14:10獲得的圖像，此時中心氣壓為961.9 hPa，接近氣旋中心氣壓最小值，氣旋發(fā)展幾乎成熟。此時氣旋中心北側(cè)云的發(fā)展更為旺盛，云層向上伸展的高度在8 km附近，云區(qū)范圍大(圖6a)。雷達反射率大值區(qū)常出現(xiàn)在雨層云中下部。此時主要有五種云存在，分別為積云(Cu)、雨層云(Ns)、高層云(As)、層積云(Sc)和高積云(Ac)(圖6b)。在氣旋中心主要以積云為主，高度在7 km附近；氣旋中心北側(cè)有大范圍的雨層云分布，雨層云北側(cè)分布有積云和大范圍的高層云，高層云的高度同雨層云相當(dāng)，均在8 km附近。氣旋中心南側(cè)附近云的分布是積云、雨層云、層積云和高積云相間分布，除雨層云和高層云能發(fā)展到7 km，積云和高積云高度只達到3 km附近。在該氣旋南部的冷鋒云帶內(nèi)主要分布的是高積云和高層云，最大高度達到9 km左右。南側(cè)云帶與氣旋之間是開口細(xì)胞狀云系，由冷鋒后面的冷空氣從大陸進入海面受到暖海面的加熱形成，主要由層積云組成。

圖5 2011年2月14日04:00海平面氣壓場(黑色實線，間隔10 hPa)和2月14日MODIS衛(wèi)星云圖及CloudSat衛(wèi)星軌跡(綠色實線)(A1和B1分別表示擬分析路徑的起始和結(jié)束位置)

氣旋的中心為濕區(qū)，比濕在中心兩側(cè)呈對稱分布(圖6c)。這可能與氣旋中心的潛熱釋放有關(guān)，氣旋中心充足的水汽為其潛熱釋放提供了條件，并且產(chǎn)生了明顯的暖心結(jié)構(gòu)(圖6d)。氣旋中心南側(cè)附近42°N，3.8 km高度處溫度梯度較大，氣溫廓線出現(xiàn)明顯的彎曲并且一直隨高度向北傾斜直到9 km附近，該區(qū)域為鋒區(qū)。這一區(qū)域?qū)?yīng)衛(wèi)星云圖上的冷鋒云帶，在40°N南側(cè)為暖濕空氣，而40°N北側(cè)空氣較為干冷，暖濕氣流為云帶內(nèi)高積云的形成提供了條件。

圖6 冬季氣旋W1云系沿軌跡A1B1的垂直剖面圖(a.雷達反射率，單位：dBZ；b.云類型；c.比濕，單位：kg·kg-1；d.氣溫，單位：℃)

氣旋內(nèi)云中冰粒子有效半徑具有隨高度降低而增大的特征，冰粒子的有效半徑最大值約為160 μm，高度在2 km附近(圖7a)。冰粒子有效半徑的大值區(qū)主要集中在雨層云的中下部。氣旋中心南側(cè)的大值區(qū)向下延伸程度與氣旋中心北側(cè)相當(dāng)，均在1 km附近，而冷鋒云帶內(nèi)向下延伸程度僅能達到3 km。結(jié)合氣溫垂直分布圖(圖6d)中0 ℃等溫線高度南高北低，氣旋中心在1.5 km高度附近有明顯暖中心的特點，可以發(fā)現(xiàn)由于冰粒子在氣溫0 ℃以上時會融化為水滴、云滴，因此冰粒子出現(xiàn)的最低高度與0 ℃等溫線高度幾乎重合。

冰粒子數(shù)濃度的分布特征與冰粒子有效半徑相反，具有隨高度增加而增大的特點(圖7b)。冰粒子數(shù)濃度的大值區(qū)集中在氣旋中心南側(cè)雨層云的中上部6 km附近，最大數(shù)濃度達到350個·L-1以上。氣旋中心南側(cè)冰粒子數(shù)濃度大值區(qū)主要集中在4～7 km的高空，而氣旋中心北側(cè)無明顯的大值區(qū)。

云中冰水含量的分布應(yīng)是由冰粒子有效半徑和冰粒子數(shù)濃度共同決定，表現(xiàn)為隨高度變化向高低空均為減少的趨勢(圖7c)。冰水含量的最大值約為1 400 mg·m-3，高度在5 km附近。

冬季氣旋W1內(nèi)雨層云云頂溫度低于-20 ℃，而云底溫度高于0 ℃。對于此類層狀云，顧震潮[33]曾提出概念模型將其垂直結(jié)構(gòu)分為三層。第一層為冰晶層，對應(yīng)冬季氣旋W1在4～8 km的高度，在該層內(nèi)冰晶可以在冰面過飽和環(huán)境下發(fā)生凝華增長以及冰晶間的碰并增長過程，但由于其過飽和度很小增長較為緩慢，因此在該層內(nèi)冰粒子有效半徑往往較小，約為50 μm。同時，該層內(nèi)冰粒子雖增長較慢但冰粒子較多，因此冰粒子數(shù)濃度較大，約為275個·L-1。第二層為過冷水滴層，對應(yīng)冬季氣旋W1在1～4 km的高度，冰晶在落入第二層后進入生長的第二階段，主要發(fā)生凝華和碰并增長過程，這是冰粒子增長的主要階段。在該層冰晶通過貝吉龍過程凝華增長、凇附增長(冰晶與過冷水碰并)、聚并增長(冰晶之間、冰晶與雪晶之間，以及雪晶之間的碰并增長)而長成雪晶、雪團等大粒子。冰粒子有效半徑隨著冰晶的增長而增加，冰粒子數(shù)濃度隨著碰并過程的發(fā)生而減少，因此在過冷水滴層的底部冰粒子有效半徑達到最大值，冰粒子數(shù)濃度達到最小值。第三層為暖水層，對應(yīng)1 km以下氣溫大于0 ℃的區(qū)域，冰晶在高空增長后落入暖水層融化成水滴，在該層內(nèi)主要為云滴、雨滴，因此冰水含量、冰粒子有效半徑和冰粒子數(shù)濃度都幾乎為零。除了雨層云內(nèi)冰粒子有這樣的分布特點，其他云類也有類似的特征。

相比于冰水含量，氣旋中液態(tài)水含量主要集中在2 km以下，隨高度增加而減少(圖7d)。氣旋南部云帶內(nèi)液態(tài)水分布最高達6 km，最大值分布在氣旋中心附近的云內(nèi)，達到1 800 mg·m-3以上。雨層云內(nèi)幾乎沒有液態(tài)水，結(jié)合冰粒子分布可推斷：雨層云為冰云，主要由冰晶構(gòu)成。

對于冬季氣旋W1，本文不僅分析了氣旋中心氣壓接近最小值的時刻，還簡要分析了氣旋中心氣壓變化率接近最大值的時刻，這將有利于掌握爆發(fā)性氣旋不同發(fā)展階段云微物理參量垂直分布的信息。根據(jù)CloudSat衛(wèi)星序號25504軌道中A2(62.5°W，29.9°N)B2(67.0°W，44.9°N)段的數(shù)據(jù)，2011年2月12日17:08—17:12，CloudSat衛(wèi)星由東南向西北穿過冬季氣旋W1。圖8a為2月12日17:00海平面氣壓場，此刻中心氣壓變化率為2.70 Bergeron，接近最大中心氣壓變化率，氣旋正處于爆發(fā)性發(fā)展階段。此時共有七種云存在，分別是對流云(Dc)、高層云(As)、積云(Cu)、卷云(Ci)、層積云(Sc)、高積云(Ac)和雨層云(Ns)(圖8b)。在氣旋中心分布的是高度較低的積云和層積云。北側(cè)變形場區(qū)則以雨層云和高層云為主，高度在8 km附近。南側(cè)冷鋒云帶主要以較高的高層云和卷云為主，高度在10 km附近。氣旋南部33°N附近為急流云系，以對流云和高層云為主，高度在8 km附近。氣旋內(nèi)冰粒子數(shù)濃度最大值在氣旋中心北側(cè)6 km附近，并且隨高度變化都呈減少趨勢(圖8c)，這一點與CloudSat衛(wèi)星序號25525軌道內(nèi)冰粒子數(shù)濃度分布不同。冰粒子有效半徑最大值集中在2.5 km附近，并且隨高度增加而減少。冰水含量主要集中在中心北側(cè)，最大值在4.5 km附近，并且隨高度變化呈減少趨勢。液態(tài)水含量主要集中在氣旋中心積云和層積云下部，以及氣旋南側(cè)云帶內(nèi)高層云下部，雨層云內(nèi)幾乎沒有液態(tài)水分布(圖略)。氣旋中心北側(cè)有明顯的鋒區(qū)，高度達到4 km附近(圖8d)，該區(qū)域?qū)?yīng)氣旋前部的暖鋒，暖鋒云系以雨層云和高層云為主，這與氣旋南側(cè)的冷鋒云系不同。

圖8 2011年2月12日17:00海平面氣壓場(黑色實線，間隔10 hPa)、2月12日MODIS衛(wèi)星云圖、CloudSat衛(wèi)星軌跡(綠色實線)(a；A2和B2分別表示擬分析路徑的起始和結(jié)束位置)和冬季氣旋W1云系沿軌跡A2B2的垂直剖面圖(b.云類型；c.冰粒子數(shù)濃度，單位：個·L-1；d.氣溫，單位：℃)

2.3 冬季氣旋W2云微物理參量垂直分布特征

根據(jù)CloudSat衛(wèi)星序號36227軌道中C(61°W，25°N)D(71°W，55°N)數(shù)據(jù)，2013年2月17日17:09—17:18，CloudSat衛(wèi)星由東南向西北穿過冬季氣旋W2。圖9為2月17日17:00海平面氣壓場，此時中心氣壓變化率為2.81 Bergeron，中心氣壓值為963.8 hPa，氣旋處于迅速發(fā)展的最后階段。衛(wèi)星云圖為2月17日MODIS可見光云圖。根據(jù)CloudSat衛(wèi)星提供的雷達反射率圖(圖10a)，氣旋中心北側(cè)的云發(fā)展旺盛，云層向上伸展的高度在9 km附近，云區(qū)范圍大。南側(cè)的云區(qū)范圍則相對較小，分布不集中，云層高度僅在4 km附近。雷達反射率大值區(qū)常出現(xiàn)在雨層云中下部。此時主要有六種云存在，分別為積云(Cu)、雨層云(Ns)、高層云(As)、卷云(Ci)、層積云(Sc)和高積云(Ac)(圖10b)。在氣旋中心主要分布的是層積云，高度在1～2 km范圍內(nèi)；氣旋中心北側(cè)為大范圍的雨層云，高度在9 km附近；而氣旋中心南側(cè)的雨層云范圍較小且高度也較低，高度僅在5 km附近。氣旋中心南北側(cè)的雨層云周圍都有高層云存在，且高層云高度均與雨層云高度相當(dāng)。氣旋南部云帶與氣旋中心之間從南至北分別是閉合細(xì)胞狀云系和開口細(xì)胞狀云系，主要由層積云和雨層云組成。

圖9 2013年2月17日17:00海平面氣壓場(黑色實線，間隔10 hPa)、2月17日MODIS衛(wèi)星云圖、CloudSat衛(wèi)星軌跡(綠色實線)(C和D分別表示擬分析路徑的起始和結(jié)束位置)

在比濕和氣溫的垂直分布(圖10c、d)中，氣旋中心南側(cè)附近約30°N，1.8 km高度處為冷鋒鋒區(qū)，對應(yīng)云圖中的冷鋒云帶，在30°N南側(cè)為暖濕空氣，而北側(cè)為干冷空氣，鋒區(qū)具有向北傾斜的特征。氣旋中心的濕區(qū)和暖心結(jié)構(gòu)明顯，暖中心具有隨高度向北傾斜的特征。對比2011年2月14日03:00冬季氣旋W1氣溫垂直剖面圖(圖6d)，冬季氣旋W2的暖心結(jié)構(gòu)向北傾斜的特征更為明顯。除了氣旋發(fā)展的差異外，推測這可能是由軌道方向不同導(dǎo)致的，冬季氣旋W1對應(yīng)的是下行軌道(由東北向西南移動)，而冬季氣旋W2對應(yīng)的是上行軌道(由東南向西北移動)。氣旋低壓中心往往是向西北方向傾斜，這也就導(dǎo)致下行軌道很難抓住氣旋的斜壓結(jié)構(gòu)特征。

圖10 冬季氣旋W2云系沿軌跡CD的剖面圖(a.雷達反射率，單位：dBZ；b.云類型；c.比濕，單位：kg·kg-1；d.氣溫，單位：℃)

與冬季氣旋W1類似，冬季氣旋W2云中冰粒子有效半徑也具有隨高度降低而增大的特點，其冰粒子有效半徑最大值在160 μm左右，高度在1.5 km附近(圖11a)。冰粒子有效半徑的大值區(qū)主要集中于冰云的下部，氣旋中心南側(cè)的大值區(qū)向下延伸程度小于氣旋中心北側(cè)，但都位于2 km以下。而冷鋒云帶內(nèi)向下延伸程度僅能達到4 km。云中冰粒子出現(xiàn)的最低高度同樣具有與0 ℃等溫線高度幾乎重合的特征。

氣旋中冰粒子數(shù)濃度也同樣具有與冬季氣旋W1類似的隨高度增加而增大的特點，其冰粒子數(shù)濃度的大值集中在冰云中上部6 km附近，最大冰粒子數(shù)濃度達到275個·L-1(圖11b)。但氣旋中心北側(cè)冰粒子分布范圍明顯大于南側(cè)，這與冬季氣旋W1有所不同。氣旋云系內(nèi)冰水含量較少，大部分區(qū)域均小于400 mg·m-3(圖11c)。冰水含量最大值約為1 100 mg·m-3，高度在4 km附近，分布隨高度變化均為減少的趨勢。氣旋中心冰水含量幾乎為0，北側(cè)冰水含量分布范圍遠(yuǎn)大于南側(cè)。冬季氣旋W2云中微物理量的分布同樣具有三層結(jié)構(gòu)[33]，5～8 km為冰晶層，1～5 km為過冷水滴層，1 km以下氣溫大于0 ℃的區(qū)域為暖水層。

氣旋中液態(tài)水分布主要集中在2 km以下，并隨高度的增加而減少(圖11d)。南部云帶高層云內(nèi)液態(tài)水分布能達到6 km附近，大值區(qū)主要分布在氣旋中心及其南側(cè)的層積云內(nèi)，最大值大于1 800 mg·m-3。同樣，雨層云內(nèi)幾乎沒有液態(tài)水。

圖11 冬季氣旋W2云系沿軌跡CD的剖面圖(a.冰粒子有效半徑，單位：μm；b.冰粒子數(shù)濃度，單位：個·L-1；c.冰水含量，單位：mg·m-3；d.液態(tài)水含量，單位：mg·m-3)

3 春季氣旋個例概況及云微物理參量垂直分布特征

3.1 春季氣旋個例概況

春季氣旋S1于2007年4月7日00:00在美國以東的百慕大群島(69°W，31°N)上空生成，此后向東北方向移動，在7日10:00前后經(jīng)歷一次轉(zhuǎn)向后繼續(xù)沿北美洲東部向東北方向移動(圖12)。在7日15:00—19:00以及8日00:00—09:00經(jīng)歷了兩次中心氣壓變化率大于2.00 Bergeron的時段。在跨過新斯科舍半島后于8日16:00達到中心氣壓最小值961.6 hPa(圖13)。隨后氣旋向紐芬蘭島北部移動，中心氣壓不斷升高后氣旋逐漸填塞，并于2007年4月10日11:00在紐芬蘭島北部(61°W，16°N)消亡。4月8日05:00和17:00(圖13中綠色實線對應(yīng)時刻)為后文分析云微物理參量垂直分布特征的時刻，分別對應(yīng)氣旋中心氣壓變化率接近最大值和中心氣壓接近最小值。

圖12 2007年4月7日00:00—10日11:00春季氣旋S1的移動路徑(由ERA5平均海平面氣壓場確定)

圖13 春季氣旋S1的中心氣壓(藍線，單位：hPa)及中心氣壓變化率(紅線，單位：Bergeron)隨時間變化曲線(綠色實線為剖面分析時刻)

春季氣旋S2于2014年4月19日06:00在紐芬蘭島南側(cè)附近(57°W，43°N)生成，此后向東北方向移動，在20日02:00—08:00氣旋發(fā)展迅速，中心氣壓變化率大于2.00 Bergeron(圖14)。氣旋繼續(xù)向東北方向移動一段時間后于2014年4月21日06:00達到中心氣壓最小值967.8 hPa(圖15)。隨后氣旋中心氣壓不斷升高，氣旋強度逐漸減弱，在受到高空引導(dǎo)氣流影響發(fā)生270°轉(zhuǎn)向后向東南方向移動，并于2014年4月25日05:00在西歐羅巴海盆西部(23°W，50°N)附近消亡。4月20日15:00(圖15中綠色實線對應(yīng)時刻)為后文分析云微物理參量垂直分布特征的時刻，此時氣旋中心氣壓接近最小值。

圖14 2014年4月19日06:00—25日05:00春季氣旋S2的移動路徑(由ERA5平均海平面氣壓場確定)

圖15 春季氣旋S2的中心氣壓(藍線，單位：hPa)及中心氣壓變化率(紅線，單位：Bergeron)隨時間變化曲線(綠色實線為剖面分析時刻)

3.2 春季氣旋S1云微物理參量垂直分布特征

根據(jù)CloudSat衛(wèi)星序號5029軌道中E1(59°W，30°N)F1(71°W，60°N)段數(shù)據(jù)，2007年4月8日16:56—17:04，CloudSat衛(wèi)星由東南向西北穿過春季氣旋S1。圖16為4月8日17:00海平面氣壓場，此時中心氣壓為961.9 hPa接近氣旋中心氣壓最小值，氣旋發(fā)展幾乎成熟。衛(wèi)星云圖為4月8日MODIS可見光云圖。根據(jù)CloudSat衛(wèi)星提供的雷達反射率圖(圖17a)，氣旋中心附近云區(qū)范圍大，云發(fā)展旺盛，北側(cè)云層向上伸展可達10 km的高度，南側(cè)較低約8 km。此時主要有四種云存在，分別是雨層云(Ns)、高層云(As)、層積云(Sc)和高積云(Ac)(圖17b)。在氣旋中心南北兩側(cè)云類型幾乎呈對稱分布，氣旋中心附近為大范圍的雨層云，中心北側(cè)雨層云的高度可達10 km附近，高于南側(cè)的8 km。雨層云外部(南部雨層云的南側(cè)，北部雨層云的北側(cè))，高層云的高度與雨層云相當(dāng)。在該氣旋南部的冷鋒云帶內(nèi)主要分布的是雨層云、層積云和高積云，高度均在4 km附近。云帶與氣旋中心之間是從氣旋后部進入的干冷空氣，對應(yīng)無云的晴空區(qū)。

氣旋中心為明顯的濕區(qū)(圖17c)和暖心結(jié)構(gòu)(圖17d)，并且暖中心具有向北傾斜的特征。鋒區(qū)從氣旋南側(cè)附近35°N，3 km高度處一直隨高度向北傾斜，直到8 km高度。E1F1軌道與冬季氣旋W2的CD軌道均為上行軌道，因此很好地描繪出了暖心結(jié)構(gòu)和鋒區(qū)向北傾斜的特征。

圖17 春季氣旋S1云系沿軌跡E1F1的剖面圖(a.雷達反射率，單位：dBZ；b.云類型；c.比濕，單位：kg·kg-1；d.氣溫，單位：℃)

氣旋內(nèi)冰粒子有效半徑隨高度降低而增大，最大值約為140 μm，高度在1.5 km附近(圖18a)。冰粒子有效半徑的大值區(qū)主要集中于冰云的下部，氣旋中心南側(cè)的大值區(qū)向下延伸程度與氣旋中心北側(cè)相當(dāng)，均在1 km附近。云中冰粒子出現(xiàn)的最低高度同樣具有與0 ℃等溫線高度幾乎重合的特征。

圖18 春季氣旋S1云系沿軌跡E1F1的剖面圖(a.冰粒子有效半徑，單位：μm；b.冰粒子數(shù)濃度，單位：個·L-1；c.冰水含量，單位：mg·m-3；d.液態(tài)水含量，單位：mg·m-3)

冰粒子數(shù)濃度隨高度增加而增大，大值區(qū)集中在冰云中上部6 km附近，最大值大于275個·L-1(圖18b)。氣旋中心北側(cè)冰粒子數(shù)濃度明顯大于南側(cè)，這是由氣旋北側(cè)云的高度更高、溫度更低導(dǎo)致的。

氣旋云系整體冰水含量較少，大部分區(qū)域均小于600 mg·m-3(圖18c)。氣旋中心北側(cè)冰水含量的分布范圍比南側(cè)更寬廣。春季氣旋S1云中微物理量的分布同樣具有三層結(jié)構(gòu)[33]，5～9 km為冰晶層，1～5 km為過冷水滴層，1 km以下氣溫大于0 ℃的區(qū)域為暖水層。

氣旋內(nèi)液態(tài)水主要集中在2 km以下，并且隨高度的增加而減少(圖18d)。大值區(qū)主要分布在氣旋南側(cè)高積云和層積云下部，雨層云內(nèi)幾乎不存在液態(tài)水。

與冬季氣旋W1相同，本文不僅分析了春季氣旋S1中心氣壓接近最小值的時刻，還簡要分析了中心氣壓變化率接近最大值的時刻。根據(jù)CloudSat衛(wèi)星序號5022軌道中E2(56.3°W，55.0°N)F2(66.4°W，25.0°N)段數(shù)據(jù)，2007年4月8日05:02—05:10，CloudSat衛(wèi)星由東北向西南穿過春季氣旋S1。圖19a為4月8日05:00海平面氣壓場，背景云圖采用Aqua衛(wèi)星8日17:20獲得的圖像，此刻中心氣壓變化率為2.70 Bergeron，接近最大中心氣壓變化率，氣旋正處于爆發(fā)性發(fā)展階段。根據(jù)CloudSat衛(wèi)星提供的云分類圖(圖19b)，此時主要有五種云，分別是高層云(As)、高積云(Ac)、卷云(Ci)、層積云(Sc)和雨層云(Ns)。在氣旋中心分布的是高度較低的雨層云和高積云；北側(cè)變形場區(qū)則以較高的雨層云和高層云為主，高度在10 km附近；南側(cè)冷鋒云帶主要以較低的層積云為主，高度在2.5 km附近。氣旋內(nèi)冰粒子數(shù)濃度最大值在氣旋中心北側(cè)6.2 km附近，并且隨高度變化呈減少趨勢，而隨高度降低冰粒子數(shù)濃度減少更為明顯(圖19c)。冰粒子有效半徑最大值集中在2.5 km附近，并且隨高度增加而減少。冰水含量主要集中在中心北側(cè)，最大值在6 km附近，并且隨高度變化呈減少趨勢。液態(tài)水含量主要集中在氣旋中心高積云、積云和層積云下部，雨層云內(nèi)幾乎沒有液態(tài)水分布(圖略)。氣旋暖心結(jié)構(gòu)明顯，中心南側(cè)有鋒區(qū)存在，高度達到6 km附近，該區(qū)域?qū)?yīng)氣旋后部的冷鋒(圖19d)。值得注意的是，由于下行軌道與鋒區(qū)夾角遠(yuǎn)小于90°，可能會導(dǎo)致圖中冷鋒坡度偏低、強度偏小，不利于準(zhǔn)確掌握氣旋的真實狀態(tài)。

圖19 2007年4月8日05:00海平面氣壓場(黑色實線，間隔5 hPa)、4月8日MODIS衛(wèi)星云圖、CloudSat衛(wèi)星軌跡(綠色實線)(a；E2和F2分別表示擬分析路徑的起始和結(jié)束位置)和春季氣旋S1云系沿軌跡E2F2的剖面圖(b.云類型；c.冰粒子數(shù)濃度，單位：個·L-1；d.氣溫，單位：℃)

3.3 春季氣旋S2云微物理參量垂直分布特征

根據(jù)CloudSat衛(wèi)星序號42444軌道中G(35°W，35°N)H(45°W，60°N)段數(shù)據(jù)，2014年4月20日15:15—15:22，CloudSat衛(wèi)星由東南向西北穿過氣旋。圖20為4月20日15:00海平面氣壓場，此時中心氣壓變化率為1.09 Bergeron，中心氣壓值為975.5 hPa，氣旋處于迅速發(fā)展的最后階段。衛(wèi)星云圖為4月21日MODIS可見光云圖。氣旋中心南北兩側(cè)云的發(fā)展都很旺盛，南側(cè)云層向上伸展到11 km附近的高度，云區(qū)范圍大，北側(cè)云層則向上發(fā)展到約10 km的高度(圖21a)。雷達反射率大值區(qū)常出現(xiàn)在雨層云中下部。此時主要有五種云存在，分別為積云(Cu)、雨層云(Ns)、高層云(As)、卷云(Ci)和層積云(Sc)(圖21b)。在氣旋中心主要是高度較低的積云；氣旋中心南側(cè)和北側(cè)的云種類為近似的對稱分布，由中心向外分別為高層云、雨層云、高層云。中心南側(cè)高層云分布于雨層云兩側(cè)，且范圍廣、高度高。

圖20 2014年4月20日15:00海平面氣壓場(黑色實線，間隔5 hPa)、4月21日MODIS衛(wèi)星云圖和CloudSat衛(wèi)星軌跡(綠色實線)(G和H分別表示擬分析路徑的起始和結(jié)束位置)

與上文所有的分析時刻不同，衛(wèi)星掃描軌道兩次經(jīng)過鋒面，氣旋中心表現(xiàn)為干區(qū)(圖21c)，這是由于衛(wèi)星掃描軌道兩次經(jīng)過鋒面氣旋從南至北“濕—干—濕”的分布，分別對應(yīng)冷鋒前的暖濕空氣、冷鋒后的干冷空氣以及冷鋒前的暖濕空氣。在溫度圖(圖21d)中也能看到兩處明顯的鋒區(qū)，即在47°N，1.8 km高度附近以及在53°N，1.7 km高度附近氣溫廓線出現(xiàn)明顯的彎曲，并且一直隨高度向北傾斜。

圖21 春季氣旋S2云系沿軌跡GH的剖面圖(a.雷達反射率，單位：dBZ；b.云類型；c.比濕，單位：kg·kg-1；d.氣溫，單位：℃)

盡管衛(wèi)星掃描軌道相對位置有所不同，但云中冰粒子有效半徑仍具有隨高度降低而增加的特點，其最大值約為160 μm，在1～4 km之間均有分布(圖22a)。冰粒子有效半徑的大值區(qū)主要集中于冰云的下部，氣旋中心及其南側(cè)的大值區(qū)向下延伸至2 km附近，而北側(cè)能向下延伸到1 km附近。云中冰粒子出現(xiàn)的最低高度同樣具有與0 ℃等溫線高度幾乎重合的特征。冰粒子數(shù)濃度隨高度增加而增大，大值區(qū)集中在氣旋中心北側(cè)冰云中上部7～9 km的范圍內(nèi)，最大值大于350個·L-1，氣旋中心北側(cè)冰粒子數(shù)濃度明顯高于南側(cè)(圖22b)。氣旋內(nèi)冰水含量的大值區(qū)主要集中在4～6 km附近，最大值約為1 400 mg·m-3，高度在5 km附近(圖22c)，冰水含量隨高度變化均為減少的趨勢。氣旋中心以及南側(cè)冰水含量遠(yuǎn)小于北側(cè)，北側(cè)冰水含量范圍寬廣。

四個氣旋不論季節(jié)和衛(wèi)星軌道位置差異，冰粒子有效半徑、冰粒子數(shù)濃度和冰水含量分別具有類似的分布特征，這主要是因為氣旋內(nèi)云中微物理量的分布具有上文提及的三層結(jié)構(gòu)[33]。但是四個個例每層所處高度有所不同，在春季氣旋S2個例中7～11 km為冰晶層，1～7 km為過冷水滴層，1 km以下氣溫大于0 ℃的區(qū)域為暖水層。這與氣旋個例的發(fā)展情況和氣溫分布有關(guān)，而與季節(jié)關(guān)系不大。

與前三個個例相同，春季氣旋S2內(nèi)液態(tài)水仍然具有隨高度增加而減少的特點，但在高度的分布上氣旋南北有所差異(圖22d)。氣旋中心北側(cè)液態(tài)水集中在2 km以下，而氣旋南部高層云內(nèi)液態(tài)水高度達到4 km以上。液態(tài)水含量的大值區(qū)主要集中在高層云和層積云底部，雨層云內(nèi)幾乎沒有液態(tài)水分布。

圖22 春季氣旋S2云系沿軌跡GH的剖面圖(a.冰粒子有效半徑，單位：μm；b.冰粒子數(shù)濃度，單位：個·L-1；c.冰水含量，單位：mg·m-3；d.液態(tài)水含量，單位：mg·m-3)

4 結(jié)語

本文利用ERA5再分析數(shù)據(jù)和CloudSat衛(wèi)星產(chǎn)品等資料, 對發(fā)生在大西洋上冬季和夏季各兩個爆發(fā)性氣旋個例的云微物理參量的垂直分布特征進行分析，得到的主要結(jié)論如下：

1)爆發(fā)性氣旋中心云系多為層積云或積云，中心外圍云系以雨層云為主，高度都能達到8 km以上，雨層云外部往往伴隨著同等云頂高度的高層云。氣旋冷鋒云帶內(nèi)以雨層云、高層云和高積云為主，云的高度較高。在氣旋成熟時，冬季兩個氣旋云類型分布表現(xiàn)出南北分布不對稱的特點，而春季兩個氣旋在云種類上南北呈相似分布。這可能與衛(wèi)星軌道是否經(jīng)過氣旋中心有關(guān)。在春季兩個爆發(fā)性氣旋個例中，衛(wèi)星軌道離氣旋中心距離約為425 km，而冬季個例中距離僅為85 km。春季氣旋中衛(wèi)星主要掃描到的是中心外圍的云系，這些云系中心都以雨層云為主，外圍往往伴隨著高層云的出現(xiàn)，并且高層云的高度與雨層云相當(dāng)。

2)冰粒子出現(xiàn)的最低高度與0 ℃等溫線高度幾乎重合，冰粒子有效半徑隨高度的增加而減小。冰粒子數(shù)濃度分布特征與冰粒子有效半徑相反，具有隨高度增加而增大的特點。冰水含量大值區(qū)集中分布在雨層云中上部，隨高度變化向高低空均為減少的趨勢。冰粒子數(shù)濃度、冰粒子有效半徑和冰水含量的分布特征與顧震潮[33]在1980年提出的三層概念模型相吻合。

3)液態(tài)水含量主要集中在2 km以下，分布隨高度增加而減少，大值區(qū)主要分布在高層云和層積云底部。氣旋南部冷鋒云帶內(nèi)液態(tài)水分布高度能達到4～6 km。冬季爆發(fā)性氣旋內(nèi)的液態(tài)水含量大于春季。

4)冰粒子主要集中在雨層云內(nèi)，并且雨層云中無液態(tài)水分布。雨層云內(nèi)大氣對流運動較強，雷達反射率大值區(qū)常出現(xiàn)在雨層云中下部。

5)CloudSat上行軌道(由東南向西北)能更好地刻畫出溫帶氣旋斜壓性的特征。

本文的研究工作主要基于CloudSat衛(wèi)星資料展開，但由于極軌衛(wèi)星 “捕捉”到爆發(fā)性氣旋的時間和位置有一定偶然性，選取的四個爆發(fā)性氣旋個例中，衛(wèi)星掃描軌道相對氣旋中心的位置都有所不同，得到的結(jié)論也存在一定差異，因此要了解更多冬春季爆發(fā)性氣旋的共同和不同特征，需要尋找更多衛(wèi)星軌道相對氣旋中心位置接近或一致的個例進行分析。