灣流區和黑潮區兩個超強爆發性氣旋發展過程中熱力強迫作用的比較

陶咪咪，張韶晶，張樹欽，嚴 厲，薛宇峰，鄭燕珠，黃哲帆

（廣東海洋大學海洋與氣象學院//南海海洋氣象研究院，廣東 湛江 524088）

在中緯度地區，一些溫帶氣旋在短時間內中心氣壓迅速地降低、強度急劇增大，Sanders 等[1]把該類溫帶氣旋定義為爆發性氣旋，又稱“氣象炸彈（meteorological bomb）”[1]，其伴隨產生的大風或強降水等災害性天氣對海上的活動構成嚴重的威脅。統計分析發現，北大西洋的灣流區和北太平洋的黑潮區是爆發性氣旋的頻發區域[2-3]，且其爆發強度較大[4-5]。爆發性氣旋常發生于高空急流出口區左側、強大氣斜壓區和海洋暖流區[6]，灣流區和黑潮區位于副熱帶鋒區，較強的斜壓強迫、高空動力作用與海表面感熱、潛熱作用為爆發性氣旋的發展提供了有利的大氣與海洋環境場[5,7-12]。

爆發性氣旋發展機制復雜，高空急流[13-14]、斜壓不穩定[7-9]、正渦度平流[13]、非絕熱加熱[1-2]等因子均對爆發性氣旋的發生發展具有重要影響，且爆發性氣旋的發展可能是幾個因子共同作用的結果。灣流區和黑潮區海氣相互作用強烈、水汽條件充沛，海表面感熱和潛熱及中低層水汽凝結釋放潛熱等熱力過程導致的非絕熱加熱對該海域爆發性氣旋發展的作用顯著[15]。謝柳森等[16]研究發現，氣旋從黑潮海域獲取的熱能異常充沛，黑潮海域有氣旋活動時的感熱和潛熱輸送明顯大于無氣旋活動時。Gyakum[17]對發生于大西洋上爆發性氣旋研究發現，爆發性氣旋發展過程中積云對流釋放的大量潛熱促進其快速發展。有學者研究發現，凝結潛熱可以促使氣旋性環流增強，導致爆發性氣旋的快速發展[12,18-19]。

診斷分析是爆發性氣旋發展機制分析中常用的研究方法，Zwack-Okossi 方程是診斷分析中應用較廣泛的診斷方程[20-22]。Zwack 等[21]給出準地轉形式的Zwack-Okossi 方程，Lupo 等[22]推導出廣義形式的Zwack-Okossi 方程，并通過尺度分析對方程進行簡化，該方程可定量計算不同因子對爆發性氣旋發展的貢獻大小，并可解釋不同高度層的強迫過程對地面系統發展的貢獻[23-25]，廣泛應用于爆發性氣旋的診斷分析[14,20-22]，黃立文等[24]通過使用該方程發現熱力強迫是氣旋爆發性發展的主要因子，且非絕熱加熱中積云對流和湍流加熱起主要作用。

灣流區和黑潮區海氣相互作用強烈，但由于其海洋和大氣環境場不同，使得熱力強迫因子在兩區域爆發性氣旋發展中的作用也可能存在差異，但目前對其差異認識尚不清晰。為揭示熱力強迫因子在灣流區和黑潮區爆發性氣旋發展中的作用差異，本研究選取2000－2015 年灣流區和黑潮區中心氣壓加深率最大的爆發性氣旋開展研究，通過對其發生發展的大氣和海洋環境場進行對比分析，并結合Zwack-Okossi 診斷方程，揭示熱力強迫因子對兩區域爆發性氣旋發展的作用差異，提升熱力強迫因子對爆發性氣旋作用機制的認識，為灣流區和黑潮區爆發性氣旋預報水平的提升提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究使用的資料包括：1）歐洲中期天氣預報中心 ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ）提供的ERA-Interim 再分析數據，用于天氣形勢分析（圖1-6）。水平分辨率為0.5° × 0.5°，垂直分為37 層，時間分辨率為 6 h。下載地址：https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/。2）美國國家環境預報中心 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）的FNL（Final Analyses）再分析數據，用于診斷分析（圖7-10）。水平分辨率為1° × 1°，垂直分為26 層，時間分辨率為6 h。下載地址為：http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2c。

1.2 方法

本研究使用Zhang 等[6]修正的氣旋中心氣壓加深率ε（單位：Bergeron），其地轉調整緯度和降壓時間間隔分別為45°N 和12 h，即氣旋中心氣壓值（將其規范化到45°N）在12 h 內下降12 hPa 以上，計算公式（1）如下：

其中，P 為氣旋中心氣壓；φ 為氣旋中心緯度；下標t -6 和t+6 分別表示6 h 前和6 h 后變量。Zhang等[6]使用聚類分析法將爆發性氣旋分成了四類：超強（≥2.3 Bergeron）、強（1.70～ 2.29 Bergeron）、中（1.30～ 1.69 Bergeron）和弱（1.00～ 1.29 Bergeron）。

本研究使用 Lupo 等[22]推導出簡化形式的Zwack-Okossi 方程對爆發性氣旋進行診斷分析，計算公式（2）如下：

其中：ζg1表示近地面地轉渦度；ζa表示絕對渦度；p1表示近地面氣壓層；pt表示大氣頂層表示水平風矢量；ω 表示垂直速度；表示非絕熱加熱率；Cp表示干空氣的定壓比容；S 表示靜力穩定度參數（θ 是位溫）；其它為氣象學中常用的符號。Zwack-Okossi 方程中，渦度平流項反映了局部增加（減少）的渦度值，正渦度平流強迫產生垂直次級環流，對近地面地轉渦度傾向有正貢獻，負渦度平流相反。溫度平流項、非絕熱項、絕熱項代表了加熱（冷卻）過程。暖平流、非絕熱加熱使得局地增暖，造成對流層低層輻合、高層輻散，近地面地轉渦度增加。絕熱項與垂直速度和靜力穩定度有關，上升絕熱冷卻，下沉絕熱增暖，絕熱項與非絕熱加熱項的位相是相反的。

使用 FNL 資料與有限差分方法對Zwack-Okossi 方程中的各項進行計算，時間和空間采用二階中央差格式，垂直積分采用梯形積分方案，近地面氣壓層選擇在950 hPa，它是最接近地面并且能代表地面氣旋發展的等壓面；大氣頂層選擇在100 hPa，它包括整個對流層以及平流層的一部分[22]。利用熱力學第一定律計算得到非絕熱加熱率由于方程（2）中存在非線性項和拉普拉斯算子，數值計算時會產生虛假短波或“噪音”，造成計算誤差，為減小這種誤差，需要對計算結果進行平滑和濾波，本研究使用Shapiro[26]提出的二維二階濾波方法減小計算誤差。使用Rausch 等[27]給出的方法構建各強迫項的垂直序列，以研究垂直方向每一氣壓層對近地面地轉渦度傾向的影響。

2 天氣形勢分析

本研究選取的兩個爆發性氣旋個例為2000－2015 年灣流區和黑潮區爆發強度最大的超強爆發性氣旋，灣流區超強爆發性氣旋（SU-GS 爆發性氣旋）發生于2014 年3 月25－29 日，最大加深率達到2.62 Bergeron，中心最低氣壓降至958.2 hPa；黑潮區超強爆發性氣旋（SU-KS 爆發性氣旋）發生于2013 年1 月13－15 日，最大加深率達到3.23 Bergeron，中心最低氣壓降至934.4 hPa。

2.1 演變特征

2014 年3 月25 日06 UTC，SU-GS 爆發性氣旋在佛羅里達半島東部洋面上生成，沿美國東海岸向東北方向移動（圖1_a）。25 日12 UTC，中心氣壓加深率達到1.26 Bergeron，開始爆發性發展，氣旋中心氣壓急劇下降，加深率快速增大。至26 日06 UTC，其加深率達到2.61 Bergeron，爆發性發展最為劇烈。隨后氣旋中心氣壓加深率減小，氣旋中心氣壓緩慢下降，26 日18 UTC 氣旋中心氣壓加深率降至小于1 Bergeron，氣旋停止爆發性發展，且氣旋中心氣壓降至最低958.2 hPa。從25 日12 UTC 至26 日12 UTC 氣旋爆發性發展過程中，氣壓下降39.4 hPa，持續時間為24 h（圖1_b）。

2013 年1 月13 日00 UTC，SU-KS 爆發性氣旋在呂宋島東北部的洋面上生成，沿黑潮及其延伸體向東北方向移動（圖 1_c）。13 日18 UTC 中心氣壓加深率達到1.97 Bergeron，開始爆發性發展，氣旋中心氣壓急劇下降，中心氣壓加深率迅速增大。至14 日06 UTC，其加深率達到3.23 Bergeron，爆發性發展最為劇烈。隨后氣旋中心氣壓加深率開始減小，氣旋中心氣壓緩慢下降，15 日12 UTC氣旋中心氣壓加深率降至1 Bergeron 以下，氣旋停止爆發性發展，且氣旋中心氣壓降低至最低值934.4 hPa。從13 日18 UTC 至15 日00 UTC 氣旋爆發性發展過程中，氣壓下降了58.7 hPa，持續時間為30 h（圖1_d）。

圖1 爆發性氣旋的移動路徑與強度變化Fig.1 The moving track and intensity change of ECs

2014 年3 月25 日06 UTC，SU-GS 爆發性氣旋中心生成于佛羅里達半島東部，氣旋中心西南部6 h 總降水量超過25 mm，北部存在北美冷高壓（圖2_a）。25 日12 UTC，氣旋中心東北部出現北大西洋暖高壓，氣旋中心附近降水強度和范圍增大（圖2_b）。26 日06 UTC，北美冷高壓和北大西洋暖高壓持續增強，氣旋中心出現大風，東西兩側降水面積持續增大，6 h 總降水中心強度達35 mm（圖2_c）。26 日18 UTC，氣旋中心氣壓降至最低，氣旋中心附近大風增強，6 h 總降水區域面積增加，但強度減弱（圖2_d）。

2013 年1 月13 日00 UTC，SU-KS 爆發性氣旋生成于呂宋島東北部，氣旋中心附近降水較強，東部6 h 總降水量中心強度可達40 mm，東北部存在北太平洋暖高壓系統（圖2_e）。13 日18 UTC，氣旋北部存在蒙古冷高壓，氣旋中心附近出現大風區，降水中心移動至氣旋中心北部與西南部，強度維持不變，面積迅速增大（圖2_f）。14 日06 UTC，蒙古冷高壓增強，中心位于氣旋中心西北部，北太平洋暖高壓強度和位置維持，氣旋中心附近大風區范圍增大，降水區域繼續增大，但6 h 總降水中心強度減弱至30 mm（圖2_g）。15 日12 UTC，氣旋中心氣壓降至最低，大風繼續增強，6 h 總降水中心強度減弱至25 mm（圖2_h）。

圖2 爆發性氣旋的海平面天氣形勢變化Fig.2 Weather changes in sea level of ECs

由上述分析可知，兩爆發性氣旋均在暖流區生成，在暖流區爆發性發展，且移動速度較快；在移出暖流區后，氣旋停止爆發性發展，移動速度減慢。不同于Sanders 等[1]指出灣流區爆發性氣旋的平均爆發強度大于黑潮區爆發性氣旋，在極端個例中，初始爆發時刻和最大加深率時刻的SU-KS 爆發性氣旋的中心氣壓加深率均大于SU-GS 爆發性氣旋，且SU-KS 爆發性氣旋的中心氣壓更低，SU-KS爆發性氣旋的爆發時長（30 h）也長于SU-GS 爆發性氣旋（24 h）。在兩氣旋爆發性發展的過程中，氣旋中心西部或者西北部存在冷高壓，并向氣旋中心西南部或者西部入侵，有利于氣旋斜壓性的增強，SU-KS 爆發性氣旋西北部的冷高壓較強；氣旋中心東部存在暖高壓，可增強氣旋中心西南部水汽輸送，為爆發性氣旋的發展提供豐富水汽，SU-KS 爆發性的降水強于SU-GS 爆發性氣旋。

2.2 熱力強迫因子的形勢特征

灣流區和黑潮區海表面感熱和潛熱通量強烈，豐沛的水汽伴隨上升運動有利于潛熱釋放，熱力強迫因子為爆發性氣旋的快速發提供有利條件。選取兩爆發性氣旋快速發展中的代表性時刻：初始爆發時刻（SU-GS 爆發性氣旋：2014 年3 月25 日12 UTC；SU-KS 爆發性氣旋：2013 年1 月13 日18 UTC）和最大加深率時刻（SU-GS 爆發性氣旋：2014 年3 月26 日06 UTC；SU-KS 爆發性氣旋：2013 年1 月14 日06 UTC），探究海表面通量、水汽條件和潛熱釋放等熱力強迫因子在其爆發性發展過程中的空間結構特征及其演變特征差異。

2.2.1初始爆發時刻 在初始爆發時刻（圖3），SU-GS 爆發性氣旋中心位于美國東南部，海表面凈熱通量大值區緊鄰氣旋中心東北部（圖 3_a），強度約為800 W/m2；SU-KS 爆發性氣旋位于日本島南部，其海表面凈熱通量大值區位于氣旋中心西部的東海黑潮區（圖3_d），強度約為500 W/m2，弱于SU-GS 爆發性氣旋。在850 hPa（圖3_b 和3_e），SU-GS 爆發性氣旋中心南部出現弱的西風急流，比濕中心位于氣旋中心東南部，中心強度為10 g/kg，氣旋中心位于濕舌中，水汽輻合區緊鄰氣旋中心東部，其中心強度為8×10-4g/(kg·s)；SU-KS 爆發性氣旋的急流、比濕和水汽輻合均強于SU-GS 爆發性氣旋，特別是氣旋中心東部和東南部存在強南向低空急流，且該區域比濕較大（中心強度為12 g/kg），較強的水汽輸送使得氣旋中心附近水汽輻合區較強，中心強度達到12 × 10-4g/(kg·s)。圖3_c 和3f 為500 hPa 位勢高度、氣溫和垂直積分顯熱[12,28]（圖3_c 和3_f），SU-GS 爆發性氣旋中心上游存在低壓槽，低壓槽振幅較小，溫度槽落后于高度槽，為發展的斜壓波；氣旋中心東北部與東部垂直積分顯熱比較強，中心強度均為6 000 W/m2；SU-KS 爆發性氣旋中心上游的低壓槽和溫度槽強于SU-GS 爆發性氣旋，氣旋中心附近呈現一條東北-西南的強垂直積分顯熱區，中心強度達到10 000 W/m2。

圖4為圖3中黑色實線處各物理量的垂直剖面圖，選取的剖面位置為經過氣旋中心和水汽輻合及垂直積分顯熱的大值區域，分析SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋的比濕、水汽輻合和垂直速度的垂直剖面圖（圖4_a 和4_c）可知，SU-GS爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋中心附近區域均存在較大的比濕區，主要分布于600 hPa 以下，水汽輻合區集中分布于700 hPa 以下。SU-GS 爆發性氣旋的上升運動存在兩個中心，位于氣旋中心上部的700 hPa 附近（-2.0 Pa/s）和氣旋中心下游的600 hPa 附近（-1.5 Pa/s），水汽輻合中心與氣旋中心重合，強度為16×10-4g/(kg·s)；SU-KS 爆發性氣旋上升運動中心位于氣旋中心上游700 hPa 附近（-1.5 Pa/s）與下游800 hPa 附近（-2.0 Pa/s），其水汽輻合中心強度為16 × 10-4g/(kg·s)。圖4_b 和4_d 分別為SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋的顯熱和位渦的垂直分布圖，SU-GS 爆發性氣旋顯熱主要分布于氣旋中心上空的650 hPa 以下，兩中心位于氣旋中心上部800 hPa 附近和下游600 hPa 附近，中心強度均為0.8 W/m2；位渦（PV）主要位于300 hPa 以上，在200 hPa 附近存在強PV 中心，其中心強度為4 PVU。SU-KS 爆發性氣旋的顯熱中心分別位于氣旋中心上游700 hPa（1.2 W/m）和下游700 hPa（0.8 W/m）及900 hPa（1.2 W/m），強于SU-GS 爆發性氣旋；PV 主要位于150 hPa 以上，高層PV 弱于SU-GS 爆發性氣旋。

圖3 初始爆發時刻爆發性氣旋的天氣形勢Fig.3 Weather maps at the initial-explosive-developing moment for ECs

圖4 初始爆發時刻爆發性氣旋各物理量的垂直剖面Fig.4 Cross section of physical quantities at the initial-explosive-developing moment for ECs

2.2.2最大加深率時刻 從初始爆發時刻到最大加深率時刻（圖5），SU-GS 爆發性氣旋移至灣流區的東北部，氣旋中心西南部灣流區海表面凈熱通量迅速增強（圖5_a），其中心強度達到1 100 W/m2；SU-KS 爆發性氣旋移動到日本島東部海域，其海表面凈熱通量大值區位于氣旋中心西南部的黑潮區（圖5_d），中心強度維持在500 W/m2，依然弱于SU-GS 爆發性氣旋。在850 hPa（圖5_b 和5_e），SU-GS 爆發性氣旋比濕中心位于氣旋中心東南部，中心強度維持在10 g/kg，而氣旋中心東南部的西南向低空急流迅速增強，使得氣旋中心東南部水汽輻合區中心強度增強至12 × 10-4g/(kg·s)，且范圍增大；SU-KS 爆發性氣旋的西南向低空急流增強，且強于SU-GS 爆發性氣旋，比濕中心強度略增強至14 g/kg，水汽輻合中心緊鄰氣旋中心東部，中心強度增強至16 × 10-4g/(kg·s)。在500 hPa（圖5_c 和5_f），SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋的低壓槽均加深，且SU-GS 爆發性氣旋的低壓槽加深更為劇烈，氣旋中心位于槽前，溫度槽與高度槽近似重合；SU-GS 爆發性氣旋中心左側存在較強的垂直積分顯熱，中心強度增強至10 000 W/m2；SU-KS爆發性氣旋中心上游的低壓槽弱于SU-GS 爆發性氣旋，氣旋中心左右兩側存在垂直積分顯熱中心，強度維持在10 000 W/m2。

分析SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋的比濕、水汽輻合和垂直速度的垂直剖面圖（圖6_a和6_c，剖面位置為圖5 黑色斜線）可知，比濕和水汽輻合的空間分布同初始爆發時刻相似，在最大加深率兩爆發性氣旋的比濕大值區主要分布于600 hPa 以下，水汽輻合區集中分布于700 hPa 以下，水汽輻合中心強度較初始爆發時刻均增強，且SU-KS 爆發性氣旋增強更為劇烈（中心增強至32 ×10-4g/(kg·s)）。SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋上升運動中心均分布于氣旋中心下游的700 hPa 附近，強度均增強至-3.0 Pa/s，而SU-KS 爆發性氣旋上升運動范圍更廣。圖6_b 和6_d 分別為SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋的顯熱和位渦的垂直分布圖，SU-GS 爆發性氣旋的顯熱主要分布于氣旋中心上空的400 hPa 以下，其中心分別位于氣旋中心上游950 hPa 與下游600 hPa 附近；PV 向下延伸至500 hPa，700～ 900 hPa 附近出現與顯熱重合的弱PV 區。SU-KS 爆發性氣旋的顯熱中心主要位于氣旋中心上游800 hPa處與下游700 hPa處，強度分別為1.2 W/m2與0.8 W/m2；高層的PV顯著增強，并延伸至500 hPa 附近，氣旋中心上方800 hPa 附近存在強度為2 PVU 的高值位渦區，與顯熱分布相近。SU-GS 爆發性氣旋的顯熱較初始爆發時刻增強，而SU-KS 爆發性氣旋的顯熱強度維持；兩氣旋的PV 迅速向下層延伸增強，SU-GS 爆發性氣旋強于SU-KS 爆發性氣旋。

圖5 最大加深率時刻爆發性氣旋的天氣形勢Fig.5 Weather maps at the maximum-deepening-rate moment for ECs

圖6 最大加深率時刻爆發性氣旋各物理量的垂直剖面Fig.6 Cross section of physical quantities at the maximum-deepening-rate moment for ECs

由上分析可知，雖然SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋均發生于海洋暖流區，但由于局地大氣和海洋環境場的不同，導致兩爆發性氣旋熱力強迫因子的空間結構特征和演變特征存在顯著差異。在初始爆發時刻，SU-GS 爆發性氣旋的濕度小、低空急流弱，而SU-KS 爆發性氣旋的濕度大、低空急流強，使得SU-GS 爆發性氣旋的水汽輻合弱于SU-KS 爆發性氣旋，并進而導致SU-GS 爆發性氣旋的垂直積分顯熱弱于SU-KS 爆發性氣旋。從初始爆發時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋的水汽輻合、垂直速度和垂直積分顯熱均呈現增強的趨勢，而SU-GS 爆發性氣旋的各因子增強更為顯著，并導致從初始爆發時刻到最大加深率時刻SU-GS 爆發性氣旋的中心氣壓加深率增長幅度大于SU-KS 爆發性氣旋，但SU-GS爆發性氣旋水汽輻合和垂直積分顯熱等因子依然弱于SU-KS 爆發性氣旋。SU-GS 爆發性氣旋的熱力強迫因子弱于SU-KS 爆發性氣旋是SU-GS 爆發性氣旋中心氣壓加深率小于SU-KS 爆發性氣旋的主要原因。

3 Zwack-Okossi 方程診斷分析

熱力強迫因子的不同是SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋中心氣壓加深率呈現差異的主要原因，本節將利用Zwack-Okossi 方程定量計算氣旋發展過程中的非絕熱加熱，進一步探究兩爆發性氣旋熱力強迫因子的特征及其差異。

3.1 非絕熱加熱的整層積分特征

初始爆發時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值區主要分布于氣旋中心的東部（圖7_a），存在兩個中心，分別位于氣旋的東部和東南部，中心強度最高均為10 × 10-9s-2；SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值區分布于氣旋中心的東北部（圖7_c），其中心強度最大值達到28 × 10-9s-2；SU-KS爆發性氣旋非絕熱加熱正值的強度和范圍均強于SU-GS 爆發性氣旋。最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值區主體移至氣旋中心北部（圖7_b），其中心分布于氣旋中心的東北部和西北部，強度最高分別為12 × 10-9s-2與8 × 10-9s-2，范圍與強度較初始爆發時刻均增大；SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值區主要分布于氣旋中心的北部和東部，中心強度最高均為16 × 10-9s-2，較初始爆發時刻其中心強度有所減弱，而范圍增大。在最大加深率時刻，SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱依然強于SU-GS 爆發性氣旋。

圖7 爆發性氣旋非絕熱加熱項及950 hPa 地轉渦度傾向項演變Fig.7 The Evolution of diabatic heating and the 950 hPa geostrophic vorticity tendencies for ECs

分析圍繞爆發性氣旋中心區域平均的非絕熱加熱（圖8）可知，在初始爆發時刻，SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱的區域平均值為3.122 × 10-9s-2，遠強于SU-GS 爆發性氣旋（1.008 × 10-9s-2）。從初始爆發時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋區域平均的非絕熱加熱增強至2.258×10-9s-2（增幅：1.250 × 10-9s-2），而SU-GS 爆發性氣旋區域平均的非絕熱加熱減弱至2.253 × 10-9s-2。同時對Zwack-Okossi 方程中的渦度平流項和溫度平流項進行計算，發現在初始爆發時刻，非絕熱加熱均是對兩爆發性氣旋貢獻最大的強迫因子，特別是對于SU-KS 爆發性氣旋其相對貢獻較大；在最大加深率時刻，對于SU-GS 爆發性氣旋非絕熱加熱依然是貢獻最大的強迫因子，而對于SU-KS 爆發性氣旋，雖然非絕熱加熱貢獻小于溫度平流，但兩者大小相近，非絕熱加熱的貢獻依然較大。因此，非絕熱加熱是影響兩爆發性氣旋的關鍵因子，在初始爆發時刻，其對SU-KS 爆發性氣旋發展的相對貢獻強于SU-GS 爆發性氣旋；而在最大加深率時刻，雖然兩爆發性氣旋的非絕熱加熱強度相近，但其對于SU-GS 爆發性氣旋發展的相對貢獻強于SU-KS 爆發性氣旋。

圖8 圍繞爆發性氣旋中心區域平均的各項變化Fig.8 Contributions of three terms within an area-mean regarding to EC center

3.2 非絕熱加熱的垂直剖面特征

結合圖7 剖面位置，分析SU-GS 爆發性氣旋與SU-KS 爆發性氣旋經過氣旋中心和非絕熱加熱中心的垂直剖面特征（圖9）可知，在初始爆發時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正中心位于氣旋中心東部700 hPa 處（圖9_a），中心強度最高為1.5 ×10-9s-2；SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值中心位于氣旋中心東北部600 hPa 處（圖9_c），其中心強度最大值為2.5 × 10-9s-2，其范圍和強度遠強于SU-GS 爆發性氣旋。在最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值區位于氣旋中心兩側（圖9_b），中心依然位于700 hPa 左右，西北部正值區強度較強，其中心強度最高為1.5 × 10-9s-2；SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值主要位于氣旋中心東北部（圖9_d），中心位于700 hPa 附近（1.5 ×10-9s-2）。由上分析可知，對于兩爆發性氣旋，非絕熱加熱正值均分布于中低層，在初始爆發時刻，SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值遠強于SU-GS爆發性氣旋；從初始爆發時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值強度略有增強，而SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值減弱，使該時刻兩爆發性氣旋非絕熱加熱正值近似相等。

圖9 非絕熱加熱項的垂直剖面Fig.9 Cross section of diabatic heating for ECs

分析非絕熱加熱圍繞爆發性氣旋中心區域平均的垂直廓線（圖10）可知，在初始爆發時刻和最大加深率時刻，兩氣旋的非絕熱加熱正值區均位于400 hPa 以下的中低層，且最大值位于650 hPa 附近。在初始爆發時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱在中低層弱于SU-KS 爆發性氣旋（圖10_a）；從初始爆發時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋中低層的非絕熱加熱增強（圖10_a），最大值位于500 hPa 附近（0.33 × 10-9s-2）；雖然SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱正值在600 hPa 附近，其強度與初始爆發時刻相當，但在650～ 900 hPa 和550～ 400 hPa 均有所減弱；在最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱強度相似。

圖10 圍繞爆發性氣旋中心區域平均非絕熱加熱項的垂直廓線Fig.10 Vertical profiles of area-mean diabatic heating for ECs

通過Zwack-Okossi 方程診斷分析發現，在SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋快速發展的過程中，非絕熱加熱的演變特征及其貢獻呈現顯著差異。在初始爆發時刻，非絕熱加熱均是兩氣旋爆發性發展的主要強迫因子，且主要分布于中低層；SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱顯著強于SU-GS 爆發性氣旋，是該時刻SU-KS 爆發性氣旋中心氣壓加深率強于SU-GS 爆發性氣旋的主要原因。從初始爆發時刻至最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱顯著增強，且增強主要發生在中低層（900～ 500 hPa）；而SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱呈現減弱趨勢，使得在最大加深率時刻兩爆發性氣旋的非絕熱加熱值相近，但非絕熱加熱對SU-GS 爆發性氣旋快速發展的相對貢獻最大，是其加深率達到最大的主導強迫因子；而對于SU-KS 爆發性氣旋，非絕熱加熱的貢獻略小于溫度平流的貢獻，雖然非絕熱加熱依然是SU-KS 爆發性氣旋重要強迫因子，但其相對重要性弱于初始爆發時刻。

4 結論與討論

本研究利用歐洲中期天氣預報中心ECMWF提供的ERA-Interim 再分析數據和美國國家環境預報中心NCEP 提供的FNL 再分析數據，對2000－2015年發生于灣流區和黑潮區的氣旋中心加深率最大兩例超強爆發性氣旋進行形勢分析和診斷分析，揭示熱力強迫因子在兩爆發性氣旋快速發展過程中的結構特征和演變特征差異，得到如下主要結論。

1）兩爆發性氣旋均在暖流區生成后爆發性發展，在初始爆發時刻與最大加深率時刻，SU-KS 爆發性氣旋的中心氣壓加深率更大、中心氣壓更低、爆發時長更長。在兩氣旋爆發性發展的過程中，氣旋中心西部或西北部存在冷高壓，并向氣旋中心西南部或西部入侵，有利于氣旋斜壓性的增強；氣旋中心東部存在暖高壓，可增強氣旋中心西南部水汽輸送，為爆發性氣旋的發展提供豐富水汽，導致產生較強降水，而冷高壓和暖高壓的強度存在一些差異，SU-KS 爆發性氣旋西北部的冷高壓較強。

2）雖然SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋均發生于海洋暖流區，但由于局地大氣和海洋環境場的不同，導致兩爆發性氣旋熱力強迫因子的空間結構特征和演變特征存在顯著差異。在初始爆發時刻，SU-GS 爆發性氣旋的濕度、水汽輻合和顯熱均弱于SU-KS 爆發性氣旋。從初始爆發時刻至最大加深率時刻，兩氣旋各因子均呈現增強的趨勢，SU-GS 爆發性氣旋的各因子增強更為顯著，但依然弱于SU-KS 爆發性氣旋。SU-GS 爆發性氣旋的熱力強迫因子弱于SU-KS 爆發性氣旋是SU-GS 爆發性氣旋中心氣壓加深率小于SU-KS 爆發性氣旋的主要原因。

3）Zwack-Okossi 方程診斷分析表明，雖然非絕熱加熱均是SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋爆發性發展的主要強迫因子，且主要分布于中低層，但初始爆發時刻SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱顯著強于SU-GS 爆發性氣旋，且對其快速發展的相對貢獻較大；至最大加深率時刻，SU-GS 爆發性氣旋的非絕熱加熱顯著增強，是其快速發展的主導強迫因子，而SU-KS 爆發性氣旋的非絕熱加熱呈現減弱趨勢，相對重要性減弱。非絕熱加熱在SU-GS 爆發性氣旋和SU-KS 爆發性氣旋快速發展過程中的特征及其貢獻呈現顯著差異。

雖然灣流區爆發性氣旋平均的中心氣壓加深率大于黑潮區爆發性氣旋[1]，但統計發現，在極端的個例中，黑潮區超強爆發性氣旋的中心氣壓加深率的最大值大于灣流區爆發性氣旋。前人對灣流區爆發性氣旋的研究多集中于西北大西洋，關注較多的4 個個例分別為：“Queen Elizabeth II storm”[17,29]、“President Day’s Cyclone”[30-32]、“ERICA IOP-4 Cyclone”[27,33-34]和“ERICA IOP-5 Cyclone”[35-36]，Sanders[37]、Wang 等[3]使用合成分析方法指出斜壓強迫是西北大西洋爆發性氣旋發展的主要因子，與Bosart[7]、Anthes 等[38]、Gyakum[17,29]和Manobianco[39]等對上述4 個爆發性氣旋研究的結論相似，其與本文中熱力因子是灣流區爆發性發展的主導因子存在差異，是由于灣流區強烈的海氣相互作用所致。前人也對黑潮區的爆發性氣旋開展了較豐富的研究，發現由于黑潮區較強的海表面熱通量和水汽通量[40-42]，使得潛熱釋放是其爆發性發展的主要影響因子[12,43-44]，與本研究結論相似。但本研究發現，在不同發展階段熱力強迫因子的作用貢獻存在顯著的差別。在黑潮區超強爆發性氣旋的最大加深率時刻，非絕熱加熱的貢獻減弱，而溫度平流的貢獻顯著增強，和初始爆發時刻存在顯著差異，表明不同的發展階段，各因子的貢獻發生變化，是需要進一步探究的科學問題。

由于本研究只選取了兩個超強爆發性氣旋個例進行分析，其結論具有一定的局限性，多個例綜合分析是需要進一步研究的工作。目前數值模擬也是研究爆發性氣旋發展機制的重要方式，WRF（Weather Research and Forecasting Model）是爆發性氣旋數值模擬中應用較廣泛的模式[6,45-49]，未來我們將利用WRF 模式，對灣流區和黑潮區爆發性氣旋的發展機制做進一步的探究。