引言

爆发性气旋的概念最初由Sanders和Gyakum在20世纪80年代提出^[1]，他们对发生在130°—10°E的北太平洋和北大西洋上的爆发性气旋进行了统计研究，并定义了爆发性气旋的标准。董立清和李德辉^[2]对我国东部沿海的爆发性气旋进行了统计研究，指出爆发性气旋多发生在春冬两季，气旋的初始位置多集中在30°—40°N之间，春季多发生在30°—35°N，夏秋两季多发生在35°—40°N。渤海、黄海、东海平均每年有50个左右气旋出现，仅有一个爆发性气旋。仪清菊和丁一汇^[3]对东亚和西太平洋地区爆发性气旋的气候特征进行了分析，研究表明发生在西太平洋上的爆发性气旋远多于大陆和近海；在强度上亚洲大陆85%的气旋属于弱型，而近海和西太平洋地区多中等强度。国内很多学者对爆发性气旋的成因和形成机制进行了研究，取得了不少成果。李长青和丁一汇^[4]对26个西北太平洋爆发性气旋进行的研究表明，海洋上空大气层结的不稳定、高空急流出口区北侧的动力辐散、冬季副高位置偏北时其西侧的强暖平流以及中低层的强斜压区等都是气旋急剧发展的有利因素。仪清菊等^[5]对黄渤海地区的一个爆发性气旋个例进行了研究，结果表明温度平流和涡度平流、沿岸锋生以及高空急流的动力作用对气旋爆发性发展有重要贡献。徐祥德等^[6]则指出，海洋气旋上空与潜热释放相关的最大加热层次位置是诱发气旋爆发性发展的关键因子，而潜热释放总量居次要地位，海洋气旋最大加热层次偏低有利于气旋爆发性发展。孙淑清和高守亭^[7]分析了东亚寒潮过程与下游爆发性气旋之间的关系，结果表明大多数爆发性气旋过程均伴有上游的强冷高压活动。丁治英等^[8]对太平洋和大西洋的气旋进行合成分析，认为非纬向性高空急流为爆发性气旋提供了强辐散和斜压不稳定场。

2016年5月2—3日途径黄渤海的超强爆发性气旋历史上罕见，造成的风雨具有极端性。对其成因与影响因子进行分析，以期进一步提高此类预报的准确率。

1 资料和方法

Sanders和Gyakum^[1]定义:当气旋中心海平面气压24 h内下降24 hPa或12 h内下降12 hPa（sinφ/sin60）时为爆发性气旋, φ为气旋中心纬度。利用NCEP1°×1°再分析资料和常规气象高空、地面观测、辽宁省气象自动站资料，统计黄渤海地区爆发性气旋的基本特征，对比分析极端爆发性气旋及其风雨的成因及影响因子。

2 2016年5月2日江淮爆发性气旋及风雨影响的极端性特征

普查出2000年1月—2016年6月进入110°— 130°E、30°—50°N的范围内，爆发性气旋共出现4次(表 1)，其中3次是江淮爆发性气旋，1次为东北低压爆发性气旋。

3次爆发性江淮气旋，初始位置在江苏，东北方向移动。但2016年5月2—3日爆发性江淮气旋（简称“20160502”爆发性江淮气旋，下同）路径初始爆发位置最偏北、偏西，最强中心位置最偏南。“20160502”爆发性江淮气旋还表现出强度、发展速度、维持时间、风雨影响等极端性特征。

“20160502”爆发性江淮气旋中心在2日02时—4日08时期间自河南经安徽、江苏、山东移动到东北地区，由气压缓慢下降、快速下降到迅速升高历时54 h，为3次爆发性江淮气旋中历时最长。其中2日17时—3日14时气旋在胶东半岛南部入海经黄海北上到辽宁东部一直保持爆发性气旋标准。气旋中心气压由1 003.0 hPa下降到最低的975.7 hPa，气旋中心气压≤980 hPa维持时间9 h，期间24、12、3h气压最大降幅分别为27.3、17.4、6.5 hPa，最大气压梯度为5.6 hPa·(100 km)^-1，从初始气压达到爆发性气旋标准仅用时9 h, 气旋爆发阶段平均移动速度67 km·h^-1（2日23时—3日11时快速降压阶段移速39 km·h^-1）。3次爆发性江淮气旋中，“20160502”爆发性气旋维持时间最长，强度、变压、气压梯度最强，且形成时间最短、移速最慢；同时降水中心丹东日降水量达126 mm和北镇县最大瞬时风速达34.4 m·s^-1均突破1951年以来5月上旬历史同期极值（见表 1）。

3 爆发性江淮气旋极端性成因

选取2016年5月2—3日、2015年5月11—12日两次强度较强爆发性江淮气旋进行对比研究，按照爆发性气旋标准，气旋演变分为三个阶段，气旋中心气压缓慢下降为气旋爆发前阶段、中心气压爆发性发展阶段为气旋爆发阶段、气旋中心气压维持或缓慢上升为气旋爆发后阶段。2016年5月2—3日爆发性江淮气旋爆发阶段为2日17时—3日14时，2015年5月11— 12日爆发性江淮气旋（简称“20150511”爆发性气旋，下同）爆发阶段时间11日5时—12日11时。

3.1 北上黄渤海的爆发性江淮气旋天气形势 3.1.1 “20160502”爆发性气旋天气形势

500 hPa上，2016年5月2日爆发性江淮气旋发生前，东亚地区极涡位于西西伯利亚地区，亚州东部为南北两槽，北槽从极涡底伸向贝加尔湖东部到蒙古地区，南槽为西南地区的横向短波槽。在亚洲东部沿海高脊加强形成阻塞形势和槽后冷平流大气较强斜压性的共同作用下，2日08时形成一槽一脊（图 1a, b），此时南北两槽“厂”字形相接，跨度达25个纬距。江淮气旋爆发阶段2日20时—3日08时，维持较强的斜压性低槽加深发展在渤海西北岸形成低涡，同时地面气旋中心前部300 km内500 hPa的槽前西南引导气流最大达44 m·s^-1。气旋爆发后3日20时位于东北南部的高空低涡快速减弱东北上经黑龙江东部移出中国。

850 hPa上，5月1日08时低层西北涡在甘南形成，2日08时西北涡东移北上到山东，西北涡中心西部5个经度范围内温度梯度最大、斜压性最强，中心及其以东气流同时具有风向和风速辐合，一支低空急流由南海延伸到胶东半岛，将南方的水汽源源不断地向西北涡前部输送和堆积。有利的温、湿和风场配置下，气旋爆发阶段西北涡迅速发展2日20时经渤海北上。

地面形势场上，2日08时江淮气旋在山东西部形成，冷锋由气旋中心延伸到安徽北部，暖锋延伸到胶东半岛。17时气旋进入爆发阶段，气旋中心位于850 hPa低涡正下方、500 hPa低槽前5个径距，在稳定的入海高压后部沿引导气流北上。2日20时至3日14时在高空槽、西北涡及斜压的共同作用下江淮气旋快速发展，14时位于辽宁东部的江淮气旋气压降到最低达到975 hPa，到3日20时之后高空低涡及斜压性减弱，地面气旋迅速减弱东移。

3.1.2 “20150511”爆发性江淮气旋天气形势

2015年5月11日爆发性江淮气旋发生前（2015年5月10日08—20时），东亚地区极涡位于鄂霍次克地区，亚州东部500 hPa东亚大槽稳定，贝加尔湖地区为高脊，以南地区为切断低涡。这种低涡后部稳定的阻塞形势，加之冷中心和冷槽滞后大气斜压性强，低涡低槽缓慢南下。气旋爆发阶段初期11日08—20时其与中国南部低槽同位相叠加，低涡低槽南北跨度达20个纬距。气旋爆发阶段后期12日08时(图 1c, d)低涡进入辽宁境内，东北东部高脊发展与贝加尔湖地区高脊过渡形成低涡前部阻塞形势，低涡维持强度转向东北移动，气旋爆发后12日20时—13日08时东北东部高脊断裂，同时大气斜压性减弱，低涡减弱迅速。其间11日08时至13日08时，500 hPa的槽前西南引导气流最大达到24 m·s^-1。

850 hPa上，5月10日08时低层低涡位于高空切断低涡南部的内蒙中部，气旋爆发阶段11日08时到12日08时低涡东移，低涡中心南部5个经度范围内温度梯度最大、斜压性最强，中心及其以东气流同时具有风向和风速的辐合，在位于华北东部低空急流输送的暖湿气流作用下，低涡迅速发展东移到辽宁上空。

地面形势场上11日08时相应500 hPa南槽前10个径距、850 hPa低涡南部10个纬距的低空锋区北部，江淮气旋在江苏北部生成，11日14时—12日17时江淮气旋沿槽前引导气流向东北方向移动并快速发展，低压经海上到辽宁境内，气旋获得爆发性增长，到12日08时气压缓慢下降，在吉林和黑龙江交界处达到最低（979.3 hPa），12日20时开始少动减弱，此后在黑龙江填塞。见图 1。

上述分析表明东亚地区高空阻塞形势，大气具有强的斜压性的形势下，南北低槽同位相接近叠加在中国东部沿岸地区形成南北跨度达20个纬距以上的低槽，是江淮气旋爆发性发展的高空基本环流形势。高空中低纬度低槽合并加深，引导低层低涡加强东移，在深厚斜压的高空低涡形成和发展过程中，加上海区的水汽、热力的效应，诱发地面江淮气旋爆发发展。当高空低涡斜压型破坏，地面气旋减弱。与一般气旋产生在低层锋区前不同，爆发性气旋发展开始偏北5~10个纬度，在500 hPa南槽前9~10个经距附近。

“20160502”爆发性气旋极端的特征在天气形势上体现为，其发展过程中500 hPa上中国东部沿海到日本的高压脊加强和持续稳定维持，极涡偏西，西部宽广槽南下的冷空气不断补充，在辽宁上空形成低涡且影响低槽跨度大；底层的初始扰动为中а尺度西北涡，与其相配合的干冷、暖湿急流更强，在高空动力、热力及海区效应共同作用下，生成在内陆的地面气旋爆发性发展，短时间快速降压、小时降压强度大，在辽宁东部沿海中心强度达到最强。在稳定的阻塞形势下，超强的爆发性气旋移动缓慢，在短距离内实现气压最低中心最偏南，且维持超低气压值持续时间长。

3.2 极端性爆发江淮气旋生成的主要影响因子 3.2.1 高低空急流及次级环流

与涡度平流密切相关的高、低空急流，以及导致的高、低空散度场和垂直运动构成的气旋所伴随的强大次级环流，是气旋爆发性发展的主要原因之一。

“20160502”爆发气旋发生前（2016年5月2日08时），200 hPa北支急流呈波动状、南支偏西高空急流接近合并，110°E以东两支急流分支；低空850 hPa偏南气流加强出现大风速核，与南下的西北气流在东部沿海岸地区形成辐合带。气旋出现在高空偏西急流出口区左侧、两支急流高空分支处，以及低空西南急流核的左前侧、两支低空急流辐合带上。气旋爆发期间（2日20时—3日08时）高空南北急流出口区合并加强为西南急流，流线仍呈明显疏散；低空南北急流辐合带的区域形成涡旋，西北和西南急流相接增强，尤其西南急流增强到32 m·s^-1，气旋出现在高空急流出口区前部或左侧，低空西南急流左前侧、加速发展的涡旋中心附近。爆发气旋发生后（3日20时）高空西南急流核右后侧减弱断裂，低空涡旋西北急流增强达到34 m·s^-1，西南急流减弱到22 m·s^-1，气旋逐渐减弱。

“20150511”爆发江淮气旋发生前（2015年5月10日08时—20时），200 hPa上同样存在北支呈不同振幅的波动状、南支为偏西急流的两支高空急流，850 hPa上低空西北和偏东急流的辐合区加强为低涡，位置在43°N以北。气旋爆发阶段（11日08时—12日08时），高空涡形成南下，其底部两支高空急流合并加强；低空西北和偏南气流加强为急流，在东部沿海地区辐合带上形成涡旋，爆发气旋在南方高空西南急流核左侧和北方高空西南急流核右后侧快速发展移动到合并的高空急流核前方，位于最大风速28 m·s^-1的低空东南急流中心左前方。12日20时到13日08时高空西南急流核右后侧减弱断裂时，低空涡旋周围东南急流减弱明显，偏西急流维持22 m·s^-1，气旋逐渐减弱（图 2）。

当处于高空辐散和低空辐合的强垂直上升气流中，有利于气旋发展。爆发气旋少数发展在高空急流入口区右侧外，绝大多数发展在急流出口区左侧^[2]。急流的左侧是正涡度区，急流中心左侧气流由流入转为流出的地区正涡度值最大，其下游即为正涡度平流最大的区域。“20160502”、“20150511”爆发性气旋爆发阶段位于正涡度平流最大的高空急流出口区，对应低空位于低空急流左前方辐合，高空正涡度的下传、低空强烈的辐合有利于气旋强烈发展。“20160502”爆发性气旋更有利的条件是，高空配合长时间维持的强烈气流辐散，低空急流强度略胜一筹，可见提供气旋爆发性发展的动力条件更充足。

沿气旋中心径向的流场、θ_se、比湿剖面图上可以清楚地看到(图 3a、b)，“20160502”爆发气旋发生时段，2日20时—3日08时，地面气旋由38°N北推到41°N，其北侧300 hPa以下一大片θ_se≤30 ℃低值区即形成的冷堆低层随之北退、高层却向南推进，在冷堆前缘地面向上延伸到300 hPa的高空锋区由自地面38°—40°N以45°角转为38°—40°N以70°角向北倾斜，锋区上反映为θ_se随高度升高的层结不稳定区。2日20时气旋及南侧低层有一大片θ_se≥50 ℃及比湿大于等于8g·kg^-1高值区。到3日08时位于41°N附近的维持湿度的气旋上空，上升气流支500—300 hPa之间形成θ_se≥60 ℃高值中心，次级环流扩展为250 hPa以下气旋上空θ_se高值区上升，高空锋区北侧θ_se低值区下降。冷堆上空向南推动，气旋上空θ_se高值中心形成，高空锋区的坡度、温度水平梯度同时增大，加上层结不稳定作用，加强了一直堆积底层的暖湿空气爬升速度。锋区的加强及不稳定层结，是上升运动产生、加强的重要机制。

图 3中还可以看到，“20160502”爆发江淮气旋发生时段，对流层锋区底层始终维持，中层为2个锋区逐渐合并的过程。2日20时500 hPa极锋锋区位于40°—45°N、副热带锋区位于30°—35°N。700 hPa以下北侧为偏北气流、南侧为偏南气流整层辐合，上升气流分别在500 hPa、300 hPa对流层中高层折向偏北，并在47°N、55°N附近下沉再度卷入上升支，在对流层中高层锋区的北侧形成2个次级环流, 显然由于次级环流存在，进一步加强了中低层偏南气流向锋区的辐合通量。3日08时副热带锋区、极锋锋区合并，锋区南侧偏南气流分量加大，说明辐合强度明显加强，导致风场流线密集，上升、下沉运动强度加强，2个次级环流圈扩大到700—550 hPa、1 000—450 hPa。

“20150511”爆发江淮气旋发生时段，11日08时— 12日08时, 虽然也有上升气流和深厚锋区及锋区上的不稳定层结，11日08时只有700 hPa以下次级环流，12日08时上下锋区分裂、次级环流破坏(图 3c、d)。

由此可见，“20160502”爆发气旋的爆发出现极端，是锋区与次级环流相互作用下，锋区合并加强，次级环流范围扩大、强度加强。而逐渐陡立深厚的强锋区上的有效位能释放，垂直上升运动得以维持发展造成的。这与谢甲子等^[9]的研究结果高低空急流是通过对流层高低层质量调整耦合的结果是相同的。

3.2.2 斜压锋区和冷暖空气的作用

大气的强斜压性及其所伴随的冷、暖平流是气旋爆发性发展的另一主要原因。

图 4a可见，“20160502”爆发性江淮气旋爆发性发展前（2016年5月1日20时—2日08时），850 hPa和500 hPa锋区逐渐靠近并从河套以西南下到江淮地区，锋区两侧冷槽南伸、暖脊增强，锋区强度达到8 ℃/5个纬距。气旋爆发阶段2日20时—3日11时，维持在东部沿岸地区的低层锋区上空，500 hPa锋区强度增强到10 ℃/5个纬距，上下锋区重叠，高空锋区的坡度迅速加大；锋区前部上下一致的暖脊发展为暖中心，对冷空气的东移起阻挡作用，迫使锋区由东北西南向转为南北向。此时东移速度放缓的高空锋区不但加大了锋区前部暖空气抬升速度，也使锋区两侧冷暖空气激烈对峙。高空锋区的演变促使其前部山东半岛附近的江淮气旋快速减压、北上减速。3日20时850—500 hPa锋区远离，气旋上空850 hPa转为冷中心，冷暖空气对峙消失，气旋的爆发性发展停止。

对温度平流和假相当位温的诊断分析可进一步看到（图 4b），在气旋爆发性发展前5月1日20时，气旋中心上空位于850 hPa假相当位温50 ℃高能舌的前部，在500 hPa温度平流零线附近、850 hPa弱暖平流区内，上空处于弱不稳定层结。在快速发展阶段最强时（2日20时—3日08时），气旋中心仍处于假相当位温高能舌50 ℃的下方，500 hPa、850 hPa温度平流分别为-30×10^-6 K·s^-1和30×10^-6 K·s^-1，上空处于强烈不稳定层结，同时气旋西部850 hPa和500 hPa冷平流东南下过程中向中心靠近，前沿达到辽宁南部，暖平流北伸到辽宁中部，期间冷暖平流加强，850 hPa冷暖平流变化区间分别为(-92~-126)× 10^-6 K·s^-1和(43~69)×10^-6 K·s^-1，500 hPa冷暖平流变化区间分别为(-61~-65)×10^-6 K·s^-1和(29~48)×10^-6 K·s^-1，势力加强的冷暖空气在辽宁上空对峙。当地面气旋上空转为冷平流及假相当位温舌南收，气旋的爆发性发展结束。

“20150511”爆发性江淮气旋爆发性发展阶段，同样存在锋区强度加强、坡度加大的现象，锋区强度也达到8℃/5个纬距。但850 hPa冷暖平流加强变化区间分别为(-82~-96)×10^-6 K·s^-1, (57~69)×10^-6 K·s^-1、500 hPa冷暖平流变化区间分别为(-58~-60)×10^-6 K·s^-1, (48~60)×10^-6 K·s^-1，同时假相当位温高能舌北伸，40 ℃线在气旋上空（见图 4c、d)）。

综上所述，“20160502”、“20150511”爆发性气旋产生都需要锋区强度加强达到8℃/5个纬距、锋区坡度接近垂直的强锋区条件，高空锋区前部暖空气的抬升速度加大，锋区两侧冷暖空气激烈对峙加剧，促使其前部江淮气旋爆发。相对来说“20160502”爆发性气旋的极端特征在锋区和冷暖空气强度上表现为，有强烈的不稳定层结，底层假相当位温高10 ℃，500 hPa冷平流势力高(10~30)×10^-6 K·s^-1，另外起阻挡作用的锋区前部暖脊发展为暖中心。表明冷空气率先锲入暖空气底层后，中空冷空气更强更快形成陡立的高空强锋区，迫使其前方较高位温的暖空气加速上升释放不稳定能量，使地面急速减压形成爆发气旋，由于强暖空气的阻挡作用，冷空气东移速度缓慢，爆发气旋得以维持少动。

3.2.3 沿海地区非绝热加热的作用

非绝热加热由视热源、水汽汇组成，它包括感热加热、辐射加热、潜热释放、水汽凝结加热，大小由局地变化项、水平平流项、垂直输送项决定。暴雨期间地面感热、蒸发较小。

“20160502”从江淮气旋爆发前到爆发期间气旋上空850 hPa比湿都大于8 g·kg^-1，850、925 hPa水汽通量散度图上爆发气旋上空低层水汽强烈辐合区集中在沿海地区，低层水汽辐合程度高于上层，925、850 hPa分别达到-44、-36×10^-5g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，水汽含量及水汽辐合条件非常充沛。2日08时到3日08时爆发性气旋发展阶段经东海、渤海、再到黄海，气旋经历了从白天的陆地到夜晚的海面，24 h气旋地面气温由24 ℃下降到14 ℃，其顶部云系同样实现了云顶亮温由240 K下降到220 K，气旋暖湿空气降温水汽凝结得到了感热、辐射加热；气旋爆发前2日08时—2日20时500 hPa以下θ_se随高度减小，层结对流不稳定，气旋爆发阶段500 hPa以下θ_se随高度变化较小，层结基本为中性，气旋爆发后3日14时之后θ_se随高度增大，1 000—300 hPa之间θ_se差值高达100 K以上（见图 5），也就是说，气旋上空的层结由对流不稳定释放到绝对稳定，动力的抬升将气旋爆发前强烈的不稳定能量释放，促使暖湿空气加速上升，将气旋上空的不断辐合的充沛水汽凝结潜热释放，这与徐祥德等^[6]所揭示的海洋气旋爆发阶段潜热释放是气旋发展的一个重要因素的这一结论是一致的。上述三项的非绝热加热，加上气旋上空强降水的潜热反馈，同时海面上摩擦小，减少了气旋移动所需要的能量消耗。

“20150511”爆发性江淮气旋的爆发阶段，爆发气旋上空低层850 hPa水汽强烈辐合区集中在朝鲜半岛，比湿达6 g·kg^-1，11日20时到12日08时爆发性气旋发展阶段在东北地区东部穿行，24 h气旋地面气温由20 ℃下降到12 ℃，从云中水汽凝结中得到了凝结潜热加热。这期间θ_se随高度增大，大气层结一直基本处于对流稳定状态（见图 6）。

可见，“20160502”爆发性江淮气旋的爆发阶段，气旋上空绝对水汽含量及其辐合都强于“20150511”爆发性气旋，“20160502”爆发性气旋的爆发阶段在合适的时间途经了能量消耗小的海面，额外得到了促使气旋爆发的感热、辐射、潜热能量。更重要的是不稳定能量的释放使上升运动加强，气旋上空水汽凝结加热加剧，非绝热加热使得暖湿空气上升，有利于地面快速减压。

4 结论

（1）东亚地区高空阻塞形势，大气具有强的斜压性的形势下中国东部沿岸地区形成南北跨度达20个以上纬距的低槽，是江淮气旋爆发性发展的高空基本环流形势。在深厚斜压的高空低涡形成和发展过程中，与产生在低层锋区前的一般气旋不同，爆发性气旋开始发展紧邻锋区，比一般气旋偏北5~10个纬度，在500 hPa槽前9~10个经距附近。爆发性气旋爆发阶段位于正涡度平流最大的高低急流出口区，对应低空位于低空急流左前方辐合。

（2）“20160502”爆发性江淮气旋体现了极端的特征，主要因为是锋区与次级环流相互作用下，次级环流范围扩大、强度加强，陡立深厚的强锋区上的有效位能释放，垂直上升运动得以维持发展，引导底层ɑ中尺度西北涡发展北上，在海区效应的共同作用下，促发内陆的江淮气旋爆发性发展，短时间快速降压。在稳定的阻塞形势下，最偏南最强的气旋中心，超低气压值长时间持续。

（3）“20160502”爆发性气旋的爆发阶段，在合适的时间途经了能量消耗小的海面，额外得到了促使气旋爆发的感热、辐射、潜热能量，在江淮爆发性气旋中是独一无二的。