一次黃海入海氣旋爆發性發展的診斷分析

史得道，吳振玲

一次黃海入海氣旋爆發性發展的診斷分析

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性發展過程進行了診斷分析，結果顯示：此次氣旋入海發展過程中始終位于500 hPa高空槽前，槽前正渦度平流和強烈暖平流是氣旋爆發性發展的主要原因。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展，對氣旋爆發性發展有重要作用；氣旋發展過程中始終位于高空急流出口區左側，高空輻散、低空輻合以及強上升運動提供了氣旋發展的動力條件；除了低空急流輸送，海洋和大氣之間耦合作用為氣旋爆發性發展提供了必要的熱量輸送。

溫帶氣旋；爆發性發展；渦度平流；位渦；暖平流；上升運動

1 引言

溫帶氣旋是影響我國東部海域的重要天氣系統之一，具有生成突然、發展迅速、影響范圍廣等特點，黃渤海地處中緯度，易受東移發展的溫帶氣旋影響。其地面中心氣壓短時間內急劇下降，氣旋中心風力猛增，容易引發強烈大風天氣。從而對海上交通運輸、漁業養殖、石油平臺作業等帶來比較大的影響，造成嚴重經濟損失。尹盡勇等[1]針對2007年3月造成黃渤海地區嚴重海洋災害的一次入海氣旋發生與發展過程進行診斷研究，分析了低層鋒區和斜壓性、高低層渦度平流差異、南北西風槽合并對氣旋發展的影響。黃彬等[2]重點分析了干侵入在一次引發渤海強風暴潮的黃河氣旋發展過程中的特征和作用。朱營禮等[3]利用擴展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生、發展過程，認為氣旋的強烈發展與溫度平流、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。

2013年11月24—25日，受一次黃海入海氣旋強烈發展影響，渤海出現7級大風，渤海海峽和黃海出現8—9級大風。該氣旋由長江下游地區地面倒槽發展而來，在發展過程中向東北方向移動，從江蘇北部沿海地區進入黃海，在黃海上空爆發性發展，造成比較惡劣的大風天氣（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性發展的原因，為以后強烈發展的黃渤海入海氣旋的分析、預報提供一定參考依據。

2 資料

本文所用資料包括地面和高空常規觀測資料、FY-2E衛星水汽圖像資料、NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析資料，其中FY-2E衛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性發展過程中的表現形式以及對氣旋爆發性發展的作用。

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 實況

2013年11月24日02時（北京時，下同），長江下游地區存在一倒槽，倒槽西側受冷空氣影響，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。之后低壓進入黃海并發展，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展過程中，西側不斷受冷空氣侵襲，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性氣旋給出定義：24 h或12 h內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性氣旋。24 h內1貝吉龍=24 hPa/24h×（sinθ/ sin60°），12 h內1貝吉龍=24 hPa/24h×（sinθ/sin45°）（θ表示24 h或12 h內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性發展。

4 環流形勢

此次入海氣旋發展前期北半球極渦穩定存在，極渦后部不斷有冷空氣分裂南下經西伯利亞地區影響我國。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，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左側，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高空急流最大風速超過68 m/s，其出口區左側向南的非地轉風偏差分量使上空有較強的高空輻散[1]，對氣旋迅速發展極為有利。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性發展，850 hPa（見圖2b）黃海上空在地面氣旋中心附近形成低渦中心。低渦前部偏南風增大到28 m/s，后部西北風也加強到20 m/s。這種渦后較強冷空氣與渦前偏南氣流的相互作用，導致氣旋突發性發展，且低空急流建立的水汽通道也為氣旋爆發性發展輸送大量的水汽。地面氣壓場上（見圖2c）氣旋中心西部形成較強氣壓梯度，引起黃渤海大風。水汽圖像顯示（見圖2d）氣旋中心東側向上伸展較高的濕區與氣旋中心西側代表干冷空氣的干區相互卷入，干濕纏繞，形成“6、9”型結構，類似于熱帶氣旋高層的外流螺旋云帶結構，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發展（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（圖中黑色實心圓點代表氣旋中心位置）

5 氣旋發展分析

5.1 渦度平流

溫帶氣旋發生、發展是多種動力學、熱力學因子共同作用的結果[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，在地轉偏向力作用下，在氣旋性流場中有氣流向外輻散，輻散的結果，使得地面減壓[6-7]，誘發地面氣旋生成（見圖3a）。同時在接近高空槽底部的區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，超過2.5×10-8/s2，有利于地面氣旋爆發性發展[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性發展過程中，其上方及前方對應500 hPa渦度平流大值區，正渦度平流有利于造成局地渦度增大，強迫產生垂直次級環流，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以下則為負渦度平流，這種渦度平流差異對氣旋快速發展也有重要作用[9]。

5.2 溫度平流

溫度平流是斜壓擾動強力發展的最基本的動力條件，能造成高空槽脊的發展，而高空槽脊發展伴隨的強渦度平流可引起地面氣旋或反氣旋發展[10]。黃彬等[4]指出，暖平流的存在有利于地面氣旋發展。此次氣旋爆發性發展過程中，從氣旋中心所在緯度進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構，使氣旋中心地轉渦度加強，促使氣旋發展[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，最強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到80× 10-5K/s，氣旋后部出現由高空下傳下來的冷平流，冷平流強度比暖平流強度弱一些。24日20時（見圖4b），氣旋前部暖平流繼續加強到110×10-5K/s，氣旋后部冷平流也加強，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展區域的斜壓性，致使該區域層結的斜壓不穩定增長[8]，這種斜壓不穩定引起的上升運動對氣旋發展有利。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穩定度的組合量，能綜合反映大氣運動狀態和熱力狀態特征[11]。Uccellini等[12]在對爆發性氣旋的研究中指出，當平流層的高值位渦下傳到對流層，且上下層位渦高值區連通時，最有利于氣旋的爆發性發展。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展。在等壓坐標系下，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，與大氣穩定度有關；PV2為斜壓項，包含風速垂直切變與位溫的水平梯度；?為絕對渦度；f為柯氏參數；θ為位溫；g為重力加速度9.8；u為緯向風，v為經向風；p為氣壓。

位渦理論已多次應用在氣旋發展研究中[1-2，14-15]。2013年11月24日08時，地面氣旋西側對流層上層有大范圍的正位渦區并向下伸展（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的位渦區已向下伸展至800 hPa附近。24日14時對流層中高層正位渦區下傳至對流層低層，地面氣旋上空出現明顯正位渦柱與高空正位渦區聯成一片，中心位渦值最大為1.5 PUV。24日20時（見圖5b），高層正位渦繼續下傳，氣旋上空位渦強度繼續加強，最大位渦值為1.8 PVU。25日08時（見圖5c）氣旋上空位渦強度減弱，但大于0.9 PUV位渦區范圍擴大。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，對流穩定度減小，導致地面氣旋性渦度加強[2]，氣旋爆發性發展。

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500 hPa附近有渦度大值區向低層輸送正渦度，使得氣旋附近上空渦度在24日14時加強到15×10-5以上，24日20時加強到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，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，有利于氣旋內部上升運動的發展。從橫穿氣旋中心的垂直運動剖面圖（見圖7）可以看出，氣旋附近上升運動可從地面一直向上延伸至200 hPa，24日08時上升運動中心在氣旋上空850 hPa附近為1.5 pa/s，之后不斷加強，到24日20時最強上升運動區抬升至500 hPa附近，上升運動中心為2.5 pa/s，上升運動的加強加劇了地面輻合，促使地面氣旋爆發性發展。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動作用下冷卻凝結釋放潛熱，釋放的潛熱可使得對流層中、上層不斷增暖，高層氣壓升高，產生輻散[6]。高層輻散又促使低層產生輻合，進一步加強上升運動，從而使氣旋發展加強。

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

在氣旋入海發展過程中，海洋的作用也不可忽視。海上水汽供應充足，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時氣旋爆發性發展過程中海洋向大氣的潛熱輸送加強，山東半島南部氣旋中心經過海域潛熱通量由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，由24日08時10 W/m2增大到20時的40 W/m2以上，氣旋入海發展過程基本是在熱通量大值區進行的。海洋向大氣的熱輸送加大了低層大氣不穩定性[16-17]，對氣旋入海初期階段能有效促進氣旋發展[17-18]。氣旋本身從海洋獲得熱供應，海洋熱輸送又因氣旋存在而加強，這種情況不斷往復循環加劇了海氣之間耦合作用，從而加強海洋對氣旋發展的影響[18]。另外氣旋爆發性發展伴隨大量凝結潛熱釋放，海-氣之間的潛熱輸送與低空急流輸送共同給氣旋發展提供了足夠的水汽。

6 小結

通過對2013年11月24日一次爆發性發展的入海氣旋進行天氣學動力診斷分析，得出以下結論：

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

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

（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展。另外氣旋發展過程中始終位于高空急流出口區左側，伴隨明顯高空輻散，高空抽吸作用引起的強烈上升運動也有利于地面輻合減壓，氣旋發展；

（4）海洋與大氣之間的耦合作用為氣旋發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性氣旋進行預報，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，上升運動強烈；氣旋上空存在較強正渦度平流；氣旋上空有較強正位渦下傳至對流層低層或地面。這些都是氣旋爆發性發展的有利因子，在進行預報時要著重考慮。

[1]尹盡勇,曹越男,趙偉,等.一次黃渤海入海氣旋強烈發展的診斷分析[J].氣象,2011,37(12):1526-1533.

[2]黃彬,錢傳海,聶高臻,等.干侵入在黃河氣旋爆發性發展中的作用[J].氣象,2011,37(12):1534-1543.

[3]朱營禮,周淑玲,林曲鳳,等.一次入海氣旋快速發展的動力和熱力學特征分析[J].高原氣象,2012,31(3):788-797.

[4]黃彬,代刊,錢奇峰,等.引發黃渤海大風的黃河氣旋診斷研究[J].氣象,2013,39(3):302-312.

[5]Sanders F,Gyakum J R.Synoptic-Dynamic Climatology of the“Bomb”[J].Monthly Weather Review,1980,108(10):1589-1606.

[6]朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理和方法[M].4版.北京:氣象出版社,2007:320-323.

[7]項素清.“2008.4.9”江淮氣旋后部大風過程診斷分析[J].海洋預報,2009,26(4):37-43.

[9]尹盡勇,曹越男,趙偉.2010年4月27日萊州灣大風過程診斷分析[J].氣象,2011,37(7):897-905.

[10]蔡麗娜,隋迎玖,劉大慶,等.一次爆發性氣旋引發的罕見暴風雪過程分析[J].北京大學學報(自然科學版),2009,45(4):693-700.

[11]張永剛,孫成志,呂美仲,等.冬季海上爆發性氣旋成因的動力學研究[J].海洋預報,2000,17(3):28-36.

[12]Uccellini L W,Keyser D,Brill K F,et al.The Presidents’Day Cyclone of 18-19 February 1979:Influence of Upstream Trough Amplification and Associated Tropopause Folding on Rapid Cyclogenesis[J].MonthlyWeatherReview,1985,113(6): 962-988.

[13]Hoskins B J,Mcintyre M E,Robertson A W.On the Use and Significanc potential Vorticity Maps[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1985,111(470):877-946.

[14]呂莜英,孫淑清.氣旋爆發性發展過程的動力特征及能量學研究[J].大氣科學,1996,20(1):90-100.

[15]牛寶山,丁治英,王勁松.一次爆發性氣旋的發展與濕位渦關系的研究[J].南京氣象學院學報,2003,26(1):8-16.

[16]袁耀初,周明煜,秦曾灝.黃海、東海入海氣旋爆發性發展過程的海氣相互作用研究[J].海洋學報,2002,24(S1):1-19.

[17]馬雷鳴,秦增灝,端義宏,等.海洋熱通量對東海氣旋發展影響的數值試驗[J].海洋學報,2002,24(S1):112-122.

[18]謝柳森,王彬華,左中道.黑潮加熱場對氣旋發展影響的動力分析[J].海洋學報,1985,7(2):154-164.

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

天津市科技興海項目（KJXH2014-20）；天津市科技計劃項目（15ZCZDSF00210）。

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