气象学报  2013, Vol. Issue (2): 239-249   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2013.030
中国气象学会主办。
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熊秋芬, 牛宁, 章丽娜 . 2013.
XIONG Qiufen, NIU Ning, ZHANG Lina . 2013.
陆地上爆发性温带气旋的暖锋后弯结构分析
Analysis of the back-bent warm front structure associated with an explosive extratropical cyclone over land
气象学报, (2): 239-249
Acta Meteorologica Sinica, (2): 239-249.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2013.030

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收稿日期:2012-10-10
改回日期:2012-11-19
陆地上爆发性温带气旋的暖锋后弯结构分析
熊秋芬, 牛宁, 章丽娜    
中国气象局气象干部培训学院, 北京, 100081
摘要:温带气旋的暖锋后弯是20世纪80年代末从北大西洋爆发性气旋现场科学试验中发现的一个重要科学成果, 修正了 经典温带锋面气旋模式中锢囚锋的概念。在地球同步卫星云图上, 经常可以观测到欧亚大陆的气旋云系也存在与暖锋后弯 非常类似的演变过程。利用常规的高空、地面观测, NCEP的1°×1°再分析场和FY-2E 水汽图像等资料, 通过分析2012年5 月11-14日一次蒙古气旋强烈发展的结构特征, 揭示了在内陆地区温带气旋发展过程中若暖锋锋区增强而冷锋锋区减弱, 则 该类气旋也存在暖锋后弯和暖核被隔离的事实。分析结果还表明该类蒙古气旋中暖核强度虽不如海洋爆发性气旋, 但其厚 度可伸展到600hPa,在对流层低层850hPa低压中心附近不仅有暖核, 而且存在与暖核近乎重合的干中心, 但干暖中心与气 旋中心并不重合。另外, 单站探空及垂直剖面的分析显示, 在后弯的暖锋锋区附近存在强的湿上升运动, 干暖核内以干空气 和下沉运动为主, 在边界层内后弯暖锋锋区比冷锋锋区强;在冷锋后部的干输送带中对流层中高层锋区明显, 且总体上相对 湿度较小、上升运动微弱, 最显着的干区位于锋区上方下沉的暖空气中。
关键词暖锋后弯     暖核被隔离     爆发性温带气旋     陆地    
Analysis of the back-bent warm front structure associated with an explosive extratropical cyclone over land
XIONG Qiufen, NIU Ning, ZHANG Lina    
China Meteorological Administration Training Center, Beijing, 100081
Abstract:The back-hent warm front of extratropical cyclone was a significant achievement as done in the field experiment on rapidly intensifying cyclones over the Atlantic Occan(ERICA) in the late 1980s because it modified the occluded front concept in the classical Norwegian cyclone model. This evolution process was found in cyclonic cloud systems over the Eurasian continent as observed from geosynchronous satellite images. Therefore,the frontal structure and feature of the Mongolian cyclone that occurred on 11-14 May 2012 was analyzed using conventional ohservations,the NCEP 10 x 10 reanalysis data and water vapor images from FY-2E. It is shown that the back-hent warm front and warm seclusion existed in the extratropical cyclone over land,but its warm core,which extended up to the 600 hPa level, was weaker than that of the marine cyclone. In addition a dry center at the 850 hPa level was found near the warm core and it partly coincided with the low center. It is also found that the moist air ascended near the back-bent warm front zone while the dry air descended within the warm,dry center. And the potential temperature gradient in the back-bent warm front was stronger than that in the cold front in the boundary layer. In the dry conveyor belt,the front zone located evidently in the middle-upper troposphere with low relativity humidity and slowly up-ward vertical velocity in general. The driest air was situated above the front zone with the warm air descending.
Key words: Back-bent warm front     Warm seclusion     Explosive extratropical cyclone     Land    
1 引 言

温带气旋是指发生在热带地区以外的一类具有天气尺度的低压系统。自20世纪初以来,科学家们对温带气旋从观测到理论进行了一系列的探索和研究。 Bjerknes等1922年利用其先前的研究(Bjerknes,1919)和中尺度观测网提出了经典温带气旋发展和演变的概念模型,即挪威气旋模型(Shapiro et al,1990),这种概念模型一直被广泛使用(李长青等,1989黄立文等,1999Martin,2006;Barry et al,2010;Willams,2009)。尽管挪威气旋模型有它的优点和实用性,但一些科学家(Palmén,1951; Kreitzberg,1964; Kuhn,1970; Houze et al,1976)相继发现其缺点以及理论和观测不相符等现象,因此,这种冷锋赶上暖锋而形成锢囚锋的模型受到了严重的挑战(Sanders et al,1980; Keyser,1986)。随着中尺度试验的开展和卫星云图的使用,科学家对气旋及锋面的概念模型有了新的认识,先后提出了“瞬时锢囚”(Anderson et al,1969;McGinnigle et al,1988)和分裂锋(Browning et al,1982)的概念; Shapiro等(1990)发现海洋爆发性气旋发展中具有T形(T-bone)的锋面结构和暖锋后弯的现象,而不存在冷锋赶上暖锋形成的锢囚锋。进一步,为了强调气旋和锋面的带状拉长以及T形锋面存在的连续性,Schultz等(19982011)将Shapiro等(1990)气旋模型中暖锋后弯改为锢囚锋后弯。

欧亚大陆是气旋多发区(McCabe et al,2001王新敏等,2007),尤其是东亚大陆经常有完整的气旋生成、发展和消亡过程(Wang et al,2009;Zhang et al,2012),如西西伯利亚平原、蒙古、中国东部沿海地区是气旋生成的主要区域,其中,春季气旋发生的频率最高,特别是蒙古气旋生成的平均频率超过30%。这些西西伯利亚气旋、蒙古气旋、东北气旋等在发展的过程中,虽然有时地面气压中心的强度24 h 内下降不到24 hPa,但其锋面云系也时常具有逗点状和螺旋状特征,类似于海洋爆发性气旋中暖锋后弯的结构。中国东北地区的气象工作者把这种具有后弯特征的锋面称为倒暖锋,其暖平流的输送是由气旋北部的偏东气流来完成的(王达文,1975周琳,1991)。

已有的关于暖锋后弯的研究主要集中在冬半年温带海洋爆发性气旋中,本文利用常规的高空、地面观测,NCEP的1°×1°再分析场、FY-2E水汽图像等资料,从温度场、风场和相对湿度等方面分析了一次陆地上的蒙古气旋演变过程及结构特征,旨在揭示东亚大陆的温带气旋在发展和演变过程中也具有暖锋后弯和暖核被隔离的事实。2 温带气旋发展的主要模型

尽管关于温带气旋发展和演变有不同的观点(Wallace et al,1977;Schultz et al,1993;Kuo et al,1992),但目前普遍被接受的两种模型(Schultz et al,1998)是:挪威气旋模型、Shapiro和Keyser气旋模型(Shapiro et al,1990)。2.1 经典陆地温带气旋

经典陆地温带气旋即锋面气旋是以Bjerknes等为代表的挪威学派在对地面观测资料分析的基础上提出了著名的极锋学说,形成了早期西欧经典的挪威锋面气旋模型。即当温带气旋沿着一条有较强温度对比和气旋式切变的锋面边界移动时,它将得到发展;最后形成锢囚锋并处于正压的冷性环境中。这个模型是假设锋面为两种不同气团间密度0阶不连续的物质面。但随着高空探测的出现,发现高空锋实际上是一种过渡带,锋面是温度和涡度1阶不连续(即温度和涡度梯度不连续)的倾斜面(Shapiro et al,1990)。因此,流体中不存在温度和涡度0阶不连续的物质面,锋面是温度和涡度1阶不连续的物质面,在此基础上才能用力管理论来解释锋面垂直环流。

挪威锋面气旋的生成和发展可分为4个阶段(图 1a):即伴随冷锋和暖锋的初始波动阶段(Ⅰ)、冷锋绕低压快速移动使暖区变窄、气旋发展阶段(Ⅱ和Ⅲ)、最后为形成锢囚锋的成熟阶段(Ⅳ)。锢囚过程开始时,冷锋赶上暖锋,此时气旋中心部位的温度梯度很小、甚至没有温度梯度。冷、暖锋相遇后暖空气被抬离地面,气旋在低层变为冷性涡旋,而气旋上空仍为冷暖空气的交汇(处)。挪威气旋模型的典型特征为具有近似南北向、狭长且强的冷锋和短而宽且弱的暖锋。

图 1 锋面气旋概念模型(引自Schultz等,1998)
(a. 挪威气旋模型:(Ⅰ)初始锋面波动,(Ⅱ和Ⅲ)暖区变窄,(Ⅳ)锢囚阶段,b. Shapiro和Keyser气旋模型:(Ⅰ)初始锋面波动,(Ⅱ)锋面断裂,(Ⅲ)暖锋后弯,(Ⅳ)暖核被隔离;上图为对流层低层位势高度和锋面,下图为对流层低层位温)
Fig. 1 Conceptual models of cyclone evolution showing lower-tropospheric geopotential height and fronts(top),and lower-tropospheric potential temperature(bottom).(a)Norwegian cyclone model:(Ⅰ)incipient frontal cyclone,(Ⅱ)-(Ⅲ)narrowing warm sector,and (Ⅳ)occlusion;(b)Shapiro-Keyser cyclone model:(Ⅰ)incipient frontal cyclone,(Ⅱ)frontal fracture,(Ⅲ)frontal T-bone and bent-back front,and (Ⅳ)frontal T-bone and warm seclusion(adapted from Schultz,et al,1998)

这个理论至今仍有其实用性,它较好地描述了大陆上的多数温带气旋的发展过程。这种锋面气旋具有下述特点:冷空气取代了暖空气,暖空气沿冷空气垫机械强迫爬升或抬升;冷锋过后气温下降,并伴随风向变化;冷锋向后倾斜;沿着锋面有云和降水产生,如索状云、窄的冷锋雨带等。但所谓“暖空气沿冷空气垫机械强迫爬升或抬升”是把锋面看作温度和涡度0阶不连续物质面,这种观点违背了大气是连续可压缩流体的基本事实。2.2 现代海洋温带气旋

卫星云图显示太平洋和大西洋上均有逗点云系和旋转的“锢囚锋”云带(Reed,1979Locatelli et al,1982Bader et al,1995),与经典的挪威气旋模型不符。

20世纪80年代,为了进一步研究海洋气旋快速发展的过程及其中尺度结构,先后进行了多个外场观测试验(Dirks et al,1988; Hadlock et al,1988; Shapiro et al,1990),如大西洋低压生成试验、东太平洋气旋生成的阿拉斯加风暴计划试验、大西洋气旋快速增强的科学试验等。在这些外场观测资料和数值模拟的基础上,Shapiro 等(1990)提出了温带气旋(海洋爆发性气旋)发生、发展的另一种概念模型(图 1b)。该类锋面气旋演变也分为4个阶段:(1)初始锋面气旋(Ⅰ);(2)冷锋的移动与暖锋近乎垂直,形成锋面T形结构,且气旋中心附近、向极地一侧的冷锋(即冷锋北端)减弱,出现冷锋和暖锋锋面断裂的现象(Ⅱ);(3)暖锋向气旋中心后部弯曲(Ⅲ);(4)气旋中心附近的冷空气包围暖空气使得暖核被隔离(Ⅳ)。即在海洋温带气旋的发展过程中,并不存在冷锋赶上暖锋的现象,而是具有T形的锋面结构,暖锋向气旋中心的后方(西、西南)弯曲,暖空气和冷空气同时向气旋中心卷入,使气旋中心形成暖核和狭窄的干冷缝。在该类气旋中心附近与环形锋面相伴的温度梯度非常大,东西向拉长的暖锋是这种气旋模型的典型特征。

随后的许多研究发现,冬半年温带海洋上经常会出现爆发性气旋,这些气旋一般具有T形结构(Schultz et al,2011);中国东部的黄海也有类似暖锋后弯的爆发性气旋生成(王洪庆等,2000张伟等,2006)。3 陆地温带气旋观测实例

在欧亚大陆上时常可以观测到具有逗点云系和螺旋云系的气旋,如2003年8月14—16日蒙古气旋、2009年4月19—21日江淮气旋、2009年7月21—23日西伯利亚气旋和2012年5月11—14日蒙古气旋等,都具有与暖锋后弯特征的气旋相似的结构。

这里选取2012年5月11—14日蒙古气旋为例,分析陆地上温带气旋发生发展过程中温压场的配置、流场演变和相对湿度场的变化等特征。所用资料来自常规的高空探测、地面观测以及NCEP的1°×1°再分析场、星下点分辨率为5 km的 FY-2E水汽图像等。3.1 天气学特征

2012年5月11—14日在蒙古国东部出现了一次气旋强烈发展的过程。11日08时(北京时,下同)先在中国内蒙古中部出现了闭合的低压,中心海平面气压为1004 hPa(图 2);此后该低压向北移动并发展,11日20时到达蒙古国东南部并形成锋面气旋(图 3a),中心气压降为1000 hPa;12日08时气旋继续发展且向北缓慢移动(图 3b),中心气压下降到989 hPa;至12日14时锋面气旋已向北移到蒙古国东北部(图 3c),中心气压快速下降为984 hPa,为气旋发展过程中的最低值;12日20时气旋中心位置变化不大(图 3d),但气压开始缓慢上升;至14日08时,气旋中心气压回升到1000 hPa。即从11日20时—12日14时的18 h中,气旋中心气压下降了16 hPa;其中,12日02—14时的12 h内,气旋中心气压下降达12 hPa,达到了爆发性气旋的强度。

图 2 2012年5月11—14日蒙古气旋中心海平面气压变化曲线 Fig. 2 Temporal evolution of sea level pressure at the Mongolian cyclone center during 11-14 May 2012
图 3 2012年5月11日20时(a)、 12日08时(b)、12日14时(c)和12日20时(d)海平面气压(hPa)、地面气旋中心L和冷、暖锋分布(线段EF图 9中的剖面基线) Fig. 3 Distribution of sea-level pressure,surface cyclone center(L) and cold/warm front at 20:00 BT 11 May 2012(a),08:00 BT(b),14:00 BT(c) and 20:00 BT(d)12 May 2012(the cross sections in Fig. 9 are made along line EF in(d); the same below)

FY-2E水汽图像(图 4)显示这次蒙古气旋发展过程中云系的变化特征,即由11日20时的斜压叶状云系(图 4a)转化为12日08时的逗点云系(图 4b),再由12日20时逗点云系(图 4c)演变为13日08时的螺旋云带(图 4d)过程。即从12日08时起,气旋北部的云系逐渐向气旋中心的西部、西南及南部弯曲。

图 4 2012年5月11日20时(a)、12日08时(b)、12日20时(c)和13日08时(d)FY-2E水汽图像及地面气旋中心L和冷、暖锋(图c中标出了8个探空站名称和位置,见3.3节) Fig. 4 Water vapor images from the FY-2E at 20:00 BT 11 May 2012(a),08:00 BT(b),20:00 BT 12 May 2012(c) and (d)08:00 BT 13 May 2012(surface cyclone center(L) and the fronts are marked with the 8 sounding sites are shown in Fig. 4c; see section 3.3 for further details)
3.2 水平结构分析3.2.1 温度场

该气旋在对流层低层850 hPa上的位温、风场和位势高度的结构特点见图 5。11日08时850 hPa上(图略)沿东北—西南向、连续锋区(宽约500 km)的右侧有气旋式环流出现,对应地面有闭合的低压生成,中心气压为1004 hPa(图 2)。至11日20时850 hPa低压中心附近有明显的冷锋和暖锋锋区(图 5a),对应地面气旋中心伴有冷锋和暖锋(图 3a)。12日08时850 hPa低压中心已向北移动,且气旋式环流加强(图 5b);而在低压中心附近冷锋锋区的温度梯度减弱,原来连续的锋区此时已经断裂,暖锋锋区则从低压中心向低压的东北部伸展但锋区收缩变窄。可见,在气旋强烈发展过程中并不存在地面冷锋赶上暖锋形成锢囚锋的现象,而是冷锋和暖锋分离(图 3b、4b);锋面气旋的这种演变阶段称为锋面的T形结构,因为向东移动的冷锋已与后弯的暖锋垂直。

图 5 2012年5月11日20时(a),12日08时(b),12日14时(c)和12日20时(d)850 hPa风场、位势高度(dagpm,实线)、位温(K,虚线)、暖核(W)和低压中心(L)分布 Fig. 5 Distributions of 850 hPa winds,geopotential height(dagpm,solid line),potential temperatures(K,dash line),warm core(W) and low center(L)at 20:00 BT 11 May 2012(a),08:00 BT(b),14:00 BT(c) and 20:00 BT(d)12 May 2012

随着气旋式环流的继续加强,12日14时850 hPa冷锋锋区继续东移进入暖区,而在低压北部的暖锋锋区则向西发展,因此,主要的锋生区出现在气旋西(后)部与极地冷空气相伴的北风气流里(图 5c);而此时地面气旋中心也进一步加强,暖锋向气旋中心的西侧弯曲,冷锋减弱东移(图 3c)。12日20时,850 hPa冷锋锋区进一步东移,后弯的暖锋和极地冷空气气旋式旋转包围了低压中心(图 5d),在低压中心附近形成了相对暖的中心,其位温值为290 K,该值虽然比暖中心外围位温高,但比气旋南部暖区中的位温低。因此,这种暖核被“隔离”的过程发生在斜压的极地气团中,并不是挪威气旋模型中所描述的来自气旋初始发生时暖区的气团,而是气旋东北部相对冷、湿的气团(Kuo et al,1992)。在850 hPa暖核形成的同时,对应地面气旋中心被暖锋包围,冷锋进一步减弱东移(图 3d、4c),中心气压为986 hPa,相比之前已有上升,表明此时在地面气旋强度已开始减弱。

以上分析表明蒙古气旋在发展过程中存在与海洋爆发性气旋模型类似的4个阶段:即锋面波动、锋面断裂、T形结构和暖锋后弯、暖核被隔离。

此外,分析地面和850 hPa以上层次的温度场(图略)可知暖核的厚度可伸展到600 hPa。3.2.2 相对湿度场

从对流层低层850 hPa相对湿度和垂直速度分布(图 6)可见,在低压中心有相对湿度等值线的密集带,其南侧是冷平流下沉造成的干区(此处温度也很低,所以,是绝对湿度的干区),其相对湿度小于40%,它与卫星水汽图像上的“斧头”状暗区相对应(图 4c);而其东侧是暖湿空气上升形成的湿区,其相对湿度大于90%。对比图 5c、d可以发现,在850 hPa 暖锋后弯和暖核被隔离的过程中,低压中心附近也有干中心出现,其相对湿度为50%(图 6b)。干中心的形成是源于低压中心西—西南侧下沉的干冷空气东移(图 6a),然后在低压中心东南侧上升再转向北上的干空气被来自低压中心西北侧的冷湿空气切断所致(图 6b)。即在低压中心附近的干暖核形成时,低压西北部的冷湿气团逐渐包围了相对干暖的空气。

图 6 2012年5月12日14时(a)和12日20时(b)850 hPa风场、相对湿度(等值线,间隔10%)、上升速度(彩色,空白区为下沉运动区)、干中心(D)和低压中心(L)分布(线段EF图 9中的剖面基线) Fig. 6 Distributions of 850 hPa winds,relative humidity(black line,interval 10%),upward vertical velocity(shaded,blank denotes downward vertical velocity),dry center(D) and low center(L)at 14:00 BT(a) and 20:00 BT(b)12 May 2012,in which the line EF shows the same meaning as that in Fig. 3d

图 7是对流层中层500 hPa相对湿度和垂直速度分布,可以清楚地展示气旋发展过程中水汽图像上“斧头”状暗区的演变过程。

图 7图 6,但为500 hPa Fig. 7 As in Fig. 6 but for 500 hPa

11日08时起西伯利亚至新疆的干空气在500 hPa等压面上形成一条近于东西向的干冷舌(图略),这条干冷舌不断加强并向东移动。在气旋发展阶段,干冷舌向东推进时与西南暖湿气流汇合,形成强的水平变形场,干区头部逐渐出现向左和向右的气流,使干冷空气形成一个“斧头”状干区(图 4b)。在12日14时的图 7a中可以看到“斧头”状干区头部向极地一侧的空气下沉进入气旋中心区上空,而钩状云区和冷锋云带上分别有强的上升运动中心。至12日20时(图 7b),位于气旋中心附近的“斧头”状干区头部出现上升速度区,表明气旋发展结束后干空气由下沉转为上升,并气旋式旋转(干区头部向气旋中心的西北方向移动)卷入气旋中心。同时气旋北部的湿空气向西、向南扩散,并以下沉的方式进入气旋中心的南部,对应云图上该处没有高云而只有中低云区。此时虽然与后弯暖锋锋区对应钩状云区和冷锋云带上的上升运动中心均有所减弱,但钩状云区的上升运动仍继续存在。3.3 气旋内部不同部位的大气垂直层结分析

为了进一步分析逗点云系及气旋中心附近不同部位温湿层结的垂直结构,选取5月12日20时海拉尔(50527)、红奇科伊(30935)、乌兰巴托(44292)、乌斯季巴尔古津(30635)、莫戈恰(30673)、长春(54161)、锦州(54337)、赤峰(54218)等8站的单站探空进行了分析,其位置分布见图 4c图 8给出了其中6站的T-lgp图。

图 8 2012年5月12日20时探空T-lgp图(各站位置见图 4c) Fig. 8 Sounding diagrams at 20:00 BT 12 May 2012 for each stations(a)-(f)whose locations are shown in Fig. 4c

海拉尔(图 8a)位于气旋中心东侧的暗缝中(图 4),850—700 hPa风随高度顺转和700 hPa以上的逆转显示出在气旋中心附近不同的高度上存在不同的温度平流,下面为暖平流,上面为冷平流。从露点廓线和温度廓线的配置来看,630 hPa以下温度廓线和露点廓线接近重合,表明由于暖平流区的上升运动使下层空气接近饱和,630 hPa以上则相反,露点廓线和温度廓线显著分离,表明冷平流区绝热下沉增温导致上层湿度很小,从而使下层有较高的水汽亮温,在水汽图像(图 4c)上呈现出灰暗的色调。610 hPa上下的逆温层也是上层存在下沉绝热增温的证据。

红奇科伊(图 8b)位于钩状云区,风随高度顺转,伴有暖平流的上升运动,因此,整层温度露点差很小接近饱和,高空较低的水汽亮温,使水汽图像呈现灰白的色调。而乌兰巴托(图 8c)则处于钩状云区边缘,露点廓线和温度廓线分离比较明显,整层大气比较干,所以,水汽亮温高,图像色调比较暗;其500 hPa以下均为一致的偏北风,风向没有明显的旋转,处于冷气团的内部,垂直运动不明显,与水汽

图像中的干缝对应。气旋北部的乌斯季巴尔古津(图略)、莫戈恰(图 8d)位于逗点云系头部自东向西的冷湿输送带上,风向随高度略有顺转,伴有弱的暖平流和上升运动,探空曲线上表现为深厚的饱和层。

长春位于气旋中心东南方暖湿输送带色调非常浅的斜压叶上,整层为强的西南风控制和深厚的湿层(图略),说明在暖湿输送带伴有较强的上升运动。锦州(图 8e)和赤峰(图 8f)都位于冷锋云带附近并都有明显的干层,与西西北转西西南的风向逆转和冷平流相配合,但由于锦州在对流层顶部有一饱和层,与高空极锋急流的卷云带的相伴(图 4c),水汽亮温很低,色调很浅;而赤峰风向逆转更加显著,伴有下沉运动,高层相对湿度也很小,所以与图 4c的暗区对应。

从以上分析可知,在气旋中心东侧,中低层湿空气上升而中上层干空气下沉;在气旋头部的钩状云区、冷湿输送带及气旋东部的暖湿输送带上大气整层潮湿且伴有上升运动;而在冷锋云带的后部有干空气的下沉运动。3.4 垂直结构分析

图 9通过垂直剖面揭示12日20时气旋演变过程中对流层低层的干暖核被隔离阶段(阶段Ⅳ)的气旋区域内部和冷锋锋区的相对湿度和垂直速度的垂直结构。在850 hPa图上干中心和暖中心位置基本一致,显示出绝热下沉的增温效应;但干暖中心并不与低压中心重合(图 9a)。为了突出新的气旋模式中干暖中心的特点,气旋中心附近的东西向和南北向剖面的基线都通过干暖中心,即图 9a中的线段AB和CD。干输送带上垂直剖面的基线EF取在冷锋后部暗区中,与西北—东南向的冷干输送带走向一致。

图 9(a)2012年5月12日20时850 hPa位温(红色,K)、相对湿度(绿色,%)和等高线(黑色,dagpm);(b—d)分别对应图 9a中沿线段AB(干中心)、CD(暖心)、EF(干缝)的垂直剖面,位温(黑色,K)、温度(红色,℃)、相对湿度(绿色,%)和垂直速度(彩色),红色实线为锋区上、下界,红色箭头为下沉运动,黑色箭头为上升运动,图 9b,c中的L为地面气旋中心 Fig. 9(a)Distributions of 850 hPa potential temperature(K,red line),relative humidity(%,green line) and geopotential height(dagpm,black line)at 20:00 BT 12 May 2012.(b),(c),and (d)Corss sections of potential temperature(K,black line),temperature(℃,red dash line),relative humidity(%,green line),vertical velocity(shaded)along line AB,CD, and EF in Fig. 9(a),respectively.(Front boundary(red solid line),downward vertical velocity(red arrow) and upward vertical velocity(black arrow)are marked. Surface low center is marked with L in Fig. 9b,c)

图 9b为自西向东穿过后弯暖锋、干暖核和冷锋的AB剖面。它显示干暖核(115°E)内都以干空气和下沉运动为主,但在800—600 hPa有一相对湿度大于70%的区域,它造成了水汽图像逗点云系头部灰白的色调。结合水平流场和温度场(图略)可知,其下方明显的上升运动中心与低空向西的冷湿输送带相联系,它导致了云图上的暖锋后弯现象。最强上升运动在气旋中心西侧约600 km处、后弯的暖锋锋区附近,与图 8b红奇科伊深厚的湿上升运动分布一致。另外,700 hPa以下边界层内有东、西两个锋区,西面为后弯的暖锋锋区,其锋区的坡度和强度都比东面的冷锋锋区强。

南北剖面图 9c(沿基线CD)上气旋中心北侧(52°N以北)的上升运动和高相对湿度区,突出地显示出暖锋后弯现象和气旋北侧冷湿输送带之间的密切关系。而在气旋中心南侧(46°N以南)则以干空气的下沉为主。

图 9d为沿基线EF的西北—东南向剖面。对照地面图(图 3d)可知,整个剖面基线都在冷锋后的冷气团中。地面的冷锋虽然不在剖面的范围内,但中高层的锋区非常明显。与图 9b、c显著不同的是,该剖面中相对湿度总体上较小,且上升运动总体上很微弱。图中也显示冷气团中700 hPa以下的相对湿度很小,但700—400 hPa相对湿度并不小,与水汽图像上较浅的色调相对应。图中最显著的干区位于40°N附近并从上到下几乎占据整个对流层,与水汽图像上冷锋云带后方的暗缝相对应。需要强调指出的是,在图 9d中,这个最显著的干区位于锋区上方的暖气团中,并主要为下沉运动所控制(图中虽然没有具体给出其数值大小)。上述现象可能表明气旋后方的冷干输送带基本位于对流层下部。4 结 论

通过以上的分析可知,陆地上发展完整的温带气旋,即使有时其强度未达到海洋爆发性气旋的强度,也同样可能存在暖锋后弯和暖核隔离的现象,这是中国东北地区倒暖锋的本质。因此,暖锋后弯和暖核隔离并不是海洋爆发性气旋独有的特征。这类气旋的结构特征如下:

(1)锋面气旋在东北—西南向的锋区上开始发展,暖锋锋区增强而冷锋锋区减弱,从而形成暖锋后弯的结构。对应卫星云图上由斜压叶状云系向逗点云系演变,最后变为涡旋云系。

(2)陆地温带气旋中暖核的强度虽不如海洋爆发性气旋,但其暖核可从地面向上伸展到600 hPa;同时在850 hPa上低压西北部的冷湿气团逐渐包围了相对干暖的空气,形成了近乎重合的干中心和暖核,但干暖中心与低压中心可以不重合。

(3)分析单站探空资料及沿干暖中心东西向和南北向的剖面表明,在后弯的暖锋锋区附近存在强的湿上升运动,与气旋北侧的冷湿输送带对应;干暖核内则以干空气和下沉运动为主;边界层内后弯暖锋锋区比冷锋锋区强。

(4)沿干输送带的垂直剖面分析发现,干输送带中对流层中高层锋区明显;相对湿度总体上较小,上升运动微弱;最显著的干区位于锋区上方下沉的暖空气中。

本文的分析表明,在温带陆地上并不是所有气旋发展都遵循挪威气旋学派的冷锋赶上暖锋而形成锢囚锋的模型,而是也可能存在类似海洋爆发性气旋中暖锋后弯的现象。今后有必要通过轨迹分析及动力学诊断来进一步研究暖锋后弯的机理。

参考文献
黄立文, 仪清菊, 秦曾灏等. 1999. 西北太平洋温带气旋爆发性发展的热力-动力学分析. 气象学报, 57(5): 581-292
李长青, 丁一汇. 1989. 西北太平洋爆发性气旋的诊断分析. 气象学报, 47(2): 180-190
王达文. 1975. 东亚大陆东岸的倒暖锋. 气象, 1(10): 4-7
王洪庆, 张焱, 陶祖钰等. 2000. 黄海气旋数值模拟的可视化. 应用气象学报, 11(3): 282-286
王新敏, 邹旭恺, 翟盘茂. 2007. 北半球温带气旋的变化. 气候变化研究进展, 3(3): 154-157
张伟, 陶祖钰, 胡永云等. 2006. 气旋发展中平流层空气干侵入现象分析. 北京大学学报(自然科学版), 42(1): 61-67
周琳. 1991. 东北气候. 北京: 气象出版社, 139-140
Anderson R K, Ashman J P, Bittner F, et al. 1969. Application of Meteorological Satellite Data in Analysis and Forecasting. ESSA Tech Rep. NESC 51, 330pp
Bader M J, Forbes G S, Grant J R, et al. 1995. Images in Weather Forecasting: A Practical Guide for Interpreting Satellite and Radar Imagery. Cambridge: Cambridge University Press, 120-137
Barry R G, Chorley R J. 2010. Atmosphere, Weather, and Climate. London: Routledge, 516 pp
Bjerknes J. 1919. On the structure of moving cyclones. Mon Wea Rev, 47(2): 95-99
Browning K A, Monk G A. 1982. A simple model for the synoptic analysis of cold fronts. Quart J Roy Meteor Soc, 108(456): 435-452
Dirks R A, Kuettner J P, Moore J A. 1988. Genesis of Atlantic Lows Experiment (GALE): An overview. Bull Amer Meteor Soc, 69(2): 148-160
Hadlock R, Kreitzberg C W. 1988. The experiment on rapidly intensifying cyclones over the Atlantic (ERICA) field study: Objectives and plans. Bull Amer Meteor Soc, 69(11): 1309-1320
Houze R A, Hobbs P V, Biawas K R, et al. 1976. Mesoscale rainbands in extratropical cyclones. Mon Wea Rev, 104(7): 868-878
Keyser D. 1986. Atmospheric fronts: An observational perspective//Ray P S. Mesoscale Meteor Forecasting. Amer Meteor Soc, 216-258
Kreitzberg C W. 1964. The structure of occlusions as determined from serial ascents and vertically-directed radar. Air Force Cambridge Research Laboratory Rep, AFCRL-64-26, 121pp
Kuhn T S. 1970. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago: University of Chicago Press, 210 pp
Kuo Y H, Reed R J, Low-Nam S. 1992. Thermal structure and airflow in a model simulation of an occluded marine cyclone. Mon Wea Rev, 120(10): 2280-2297
Locatelli J D, Hobbs P V, Werth J A. 1982. Mesoscale structures of vortices in polar air streams. Mon Wea Rev, 110(10): 1417-1433
Martin J E. 2006. Mid-Latitude Atmospheric Dynamics: A First Course. New York: John Wiley & Sons, 324 pp
McCabe G J, Clark M P, Serreze M C. 2001. Trends in Northern Hemisphere surface cyclone frequency and intensity. J Climate, 14(12): 2763-2768
McGinnigle J B, Young M V, Bader M J. 1988. The development of instant occlusions in the North Atlantic. Meteor Mag, 117: 325-341
Palmén E. 1951. The aerology of extratropical disturbances//Malone T F. Compendium of Meteorology. Amer Meteor Soc, 599-620
Reed R J. 1979. Cyclogenesis in polar air streams. Mon Wea Rev, 107(1): 38-52
Sanders F, Gyakum J R. 1980. Synoptic-dynamic climatology of the “bomb”. Mon Wea Rev, 108(10): 1589-1606
Schultz D M, Mass C F. 1993. The occlusion process in a midlatitude cyclone over land. Mon Wea Rev, 121(4): 918-940
Schultz D M, Keyser D, Bosart L F. 1998. The effect of large-scale flow on low-level frontal structure and evolution in midlatitude cyclones. Mon Wea Rev, 126(7): 1767-1791
Schultz D M, Vaughan G. 2011. Occluded fronts and the occlusion process: A fresh look at conventional wisdom. Bull Amer Meteor Soc, 92(4): 443-466
Shapiro M A, Keyser D. 1990. Fronts, jet streams and the tropopause//Newton C W, Holopainen E O. Extratropical Cyclones: The Erik Palmén Memorial Volume. Amer Meteor Soc, 167-191
Wallace J M, Hobbs P V. 1977. Atmospheric Science: An Introductory Survey. New York: Academic Press, 467pp
Wang X M, Zhai P M, Wang C C. 2009. Variations in extratropical cyclone activity in northern East Asia. Adv Atmos Sci, 26(3): 471-479
Zhang Y X, Ding Y H, Li Q P. 2012. A climatology of extratropical cyclones over East Asia during 1958-2001. Acta Meteor Sinica, 26(3): 261-277, doi:10.1007/s13351-012-0301-2