2025, Vol. 55
2. 青岛市气象局, 山东 青岛 266003;
3. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100;
4. 青岛海洋科技中心海洋动力过程与气候功能实验室, 山东 青岛 266237;
5. 青岛海洋气象研究院, 山东 青岛 266000
温带气旋是中纬度地区每日“天气舞台”上最重要的“演员”[1]。在各式各样的温带气旋中，有一类能够在短时间内迅猛发展的气旋，被称为“爆发性气旋”(explosive cyclone)，或“气象炸弹”(meteorological bomb)，它们通常于秋冬季节发生在中高纬度海洋上空，并伴随狂风、强降水等灾害性天气，对海上船舶航行、沿岸人民的生命和财产安全带来巨大危害[2]。由于海洋上缺乏观测资料，“爆发性气旋”难以预报，因此被认为是中纬度地区最危险的天气系统之一。
Bjerknes[3]首次提出了温带气旋的概念模型，也就是人们所熟知的“挪威气旋模型”(Norway cyclone model)，该模型描述了锋面的三维结构，指出两个气团之间近乎不连续的分界，并对中纬度风暴中观测到的云和降水的分布给出了合理的解释。Shapiro等[4]发现对于某些海洋上空的气旋，特别是快速发展的气旋，其不同于经典的挪威气旋模型中冷锋追赶暖锋形成锢囚锋的结构和过程，而是表现为冷锋和暖锋锋面断裂，形成一个“T-型”(T-bone)结构，且暖锋锋区向气旋中心后部弯曲，形成“后弯锋”(bent-back)，该模型被称为Shapiro-Keyser气旋模型(Shapiro-Keyser cyclone model)，对Bjerknes[3]提出的挪威气旋模型结构予以修正。
1954年，Bergeron[5]在研究温带地区的夏季飓风时，就提到了气旋的中心气压加深率大于1 hPa/h的现象。Rice[6]对1979年8月发生在大西洋上的一个“爆发性发展”(explosive development)的风暴进行分析。Sanders and Gyakum[7]称这类短时间内快速加深发展的温带气旋为“气象炸弹”，并给出了明确的定义：气旋中心气压加深率大于1 hPa/h的温带气旋，并将1 hPa/h定义为1 Bergeron。
目前，对于爆发性气旋的研究主要集中在对个例的诊断分析和数值模拟研究方面[8-12]，以及对其发生地、路径、生命周期和强度等进行统计分析[13-18]。Böttger等[19]指出，利用卫星资料对大西洋上空天气系统的分析和预测变得越来越重要，尤其值得注意的是常发生在冷季的温带风暴系统。Fu等[18]利用ERA-Interim数据对1979—2016年北半球爆发性气旋进行了统计，并结合风场条件对北半球爆发性气旋的定义进行了修正，指出气旋中心气压加深率不仅要大于1 Bergeron，而且气旋中心气压下降过程中存在至少一个时刻的10 m高度上的最大风速不小于17.2 m/s。
近年来，随着科技水平的迅猛发展，气象卫星作为一种新的大气探测工具得到广泛应用，其观测数据类型越来越丰富多样，分辨率也不断提高。Durden等[20]发现，通过CloudSat卫星和其他卫星观测数据得到的飓风云系结构与早期飞机观测的结果基本一致。多位学者研究表明，CloudSat卫星对温带气旋云和降水分布的观测结果与经典的挪威气旋模型中的云和降水分布有显著的相似性，但CloudSat卫星可揭示云内部结构的更多细节[21-25]。
综合前人的研究，推测不同季节爆发性气旋的云和降水分布可能会有一定的差异，Houze[26]指出量化的云微物理特性，如冰水含量、液态水含量和粒子数浓度等对于遥感测量和降水量的估算至关重要。CloudSat卫星可提供云微物理特性的数据产品，因此可作为研究爆发性气旋云系特征的有效工具。本文拟利用CloudSat卫星数据和ERA5再分析数据对不同季节爆发性气旋云的微物理特性的垂直结构进行分析，重点关注气旋出现“眼”状结构的成熟阶段，宏观与微观相结合、水平与垂直相结合分析爆发性气旋“眼”区附近的云系特征及成因。
1 资料与方法 1.1 CloudSat卫星数据本文主要使用到的CloudSat卫星提供的标准数据产品如表 1所示，下载地址: http://www.cloudsat.cira.colostate.edu.
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表 1 本文使用的CloudSat卫星提供的数据产品列表 Table 1 Lists of data products using in this paper provided by satellite CloudSat |
本文使用到的云图有两种：第一种是来自于美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提供的搭载于Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectro-radiometer，MODIS)可见光卫星云图，其最大空间分辨率为0.25 km，时间分辨率为1~2 d，提供全球范围的观测数据，下载地址: https://worldview.earthdata.nasa.gov; 第二种是气象卫星研究合作研究所(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, CIMSS)提供的搭载于地球同步运行环境卫星(geostationary operational environment satellite, GOES)的红外卫星云图，空间分辨率为4 km，时间分辨率为3 h，下载地址：http://tropic.ssec.wisc.edu/archive.
1.3 再分析数据本文使用到的再分析数据是由欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5再分析格点资料，本文使用到的物理量包括：海平面气压、10 m高度上的风场以及不同气压层上的位势高度、气温、比湿、水平风、垂直速度、散度和相对涡度等物理量，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，下载地址: https://cds.climate.copernicus.eu.
2 三个季节不同爆发性气旋“眼”状结构的云系分析 2.1 冬季爆发性气旋“眼”状结构的云系分析 2.1.1 冬季东北太平洋上空爆发性气旋个例概况2006年12月23日发生在东北太平洋上空爆发性气旋(以下简称EC1)是一个具有“眼”状结构云系的个例。
气旋EC1于2006年12月23日06 UTC在东北太平洋上空(40°N, 158°W)附近生成(见图 1)，海平面中心气压995.0 hPa(见图 2)，随后向东北方向移动(见图 1)，中心气压快速降低。23日12 UTC，在6 h内EC1的中心气压加深率为2.25 Bergeron，中心气压降低至985.6 hPa。随后中心气压继续降低，到23日23 UTC，气压加深率一直保持在2.00 Bergeron以上。24日09 UTC开始，中心气压加深率小于1.00 Bergeron，中心气压仍继续降低。24日15 UTC，中心气压降至最小值944.3 hPa(见图 2)。
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( “▲”表示中心气压加深率最大时刻(23日17 UTC)，“×”表示中心气压最低时刻(24日15 UTC)，“●”分别表示CloudSat卫星三次观测到该气旋最接近整点时刻位置，即23日12 UTC，24日11 UTC和22 UTC；黑色等值线为24日22 UTC的海平面气压场(黑色实线，单位: hPa)；蓝色实线为CloudSat卫星的No. 03503轨道。Mark "▲" represents the time of maximum deepening rate (17 UTC 23). Mark "×" demonstrates the time of minimum central sea level pressure (15 UTC 24). Three marks "●" show the closest time observed by CloudSat, i.e., 12 UTC 23, 11 and 22 UTC 24. Black contours indicate the sea level pressure at 22 UTC 24 (unit: hPa) and the blue line represents the No.03503 trajectory of CloudSat. ) 图 1 2006年12月23日06 UTC至26日06 UTC爆发性气旋EC1的移动路径 Fig. 1 Moving track of explosive cyclone EC1 from 06 UTC 23 to 06 UTC 26 December, 2006 |
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图 2 2006年12月23日06 UTC至26日12 UTC爆发性气旋EC1的海平面中心气压值(蓝色实线，单位: hPa)和中心气压加深率(红色虚线，单位: Bergeron)随时间变化图 Fig. 2 Time series of central sea level pressure of explosive cyclone EC1 (blue solid line, Unit: hPa) and its deepening rate (red dotted line, unit: Bergeron) from 06 UTC 23 to 12 UTC 26 December, 2006 |
利用CIMSS提供的红外卫星云图可分析EC1云系结构的演变过程(见图 3)。23日06—21 UTC，EC1的中心气压加深率一直保持在约2.00 Bergeron, 气旋处于快速发展阶段，云系面积不断增大，呈现“逗点”状结构(见图 3(a)—3(f))。24日00—06 UTC，EC1的中心气压加深率依然保持在1.00 Bergeron以上，云系面积继续增大，发展为成熟的“逗点”状，呈现“眼”状结构(见图 3(g)—3(i))。24日09—15 UTC，EC1的中心气压降低至最低，云系逆时针旋转成紧凑的“旋转”状，出现清晰的“眼”状结构(见图 3(j)—3(l))。
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图 3 CIMSS观测的2006年12月23日06 UTC至24日15 UTC的GOES红外卫星云图 Fig. 3 GOES satellite infrared cloud imagery provided by CIMSS from 06 UTC 23 to 15 UTC 24 December, 2006 |
CloudSat卫星在运行过程中3次探测到EC1个例，其中12月24日22:25—22:35 UTC，CloudSat卫星由东南向西北方向行进，探测到EC1的“眼”区，气旋中心距离CloudSat卫星运行轨迹的垂直距离约8 km(见图 4(a))。此时EC1已发展成熟，中心气压为948.2 hPa。云系围绕EC1中心逆时针旋转约720°，外围云系云顶温度小于220 K，内部“钩”状云系的云顶温度小于外围云系的云顶温度，约在225~245 K之间(见图 4(b))。
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( 蓝线和白线分别表示后面垂直剖面分析的剖线位置，箭头表示卫星沿轨道前进方向。The blue and white lines represent the location of vertical-cross sections analyse later. The arrows indicate the satellite moving direction along its orbit. ) 图 4 2006年12月24日22:30 UTC(CloudSat探测时刻)(a)海平面气压场(单位：hPa)和MODIS可见光云图及(b)云顶温度(单位：K) Fig. 4 (a) Sea level pressure (unit: hPa) and MODIS satellite visible imagery and (b) cloud top temperature (unit: K) at 22:30 UTC 24 December, 2006(the time observed by CloudSat) |
EC1云系出现清晰的“眼”状结构时，CloudSat卫星由东南向西北方向前进，先探测到南侧最外围云带，后穿过“眼”区中心，最后穿过最外围云带北侧。沿轨道AB的垂直剖面存在7种与以前观测相同类型的云(见图 5(a))：深对流云(DC)、高层云(As)、雨层云(Ns)、卷云(Ci)、积云(Cu)、高积云(Ac)和层积云(Sc)，此时云系高度发展到约12.8 km附近(超过200 hPa)。
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( (a)云的类型; (b)雷达反射率(单位: dBZ); (c)冰粒子有效半径(单位: μm); (d)冰粒子数浓度(单位: 个/ L)。(a) Cloud scenario; (b) Radar reflectivity (unit: dBZ); (c) Ice particle effective radius (unit: μm); (d) Ice particle number concentration (unit: 个/L). ) 图 5 2006年12月24日22:30 UTC CloudSat卫星沿轨道AB的云微物理量垂直分布 Fig. 5 Vertical cross-section profiles of various cloud microphysical quantities along the line AB at 22:30 UTC 24 December, 2006 |
南侧最外围尾部云带主要为深对流云和雨层云，深对流云的最大高度可到12.8 km附近，云内2 km(约800 hPa)至7 km(约400 hPa)高度范围雷达反射率大于10 dBZ，最大值为16.8 dBZ，雨层云中在1 km(约900 hPa)至6 km(约500 hPa)的高度出现大面积雷达反射率大于10 dBZ的区域(见图 5(b))。深对流云和雨层云中层夹杂有少量高层云，顶部有卷云，底部出现零星层积云。深对流云中冰粒子最大值为154.8 μm(见图 5(c))，数浓度随高度升高而增大，在靠近云顶处最大值为399.9个/L(见图 5(d))。
在EC1中心“眼”区附近云系主要为间断出现的积云、雨层云、高层云、层积云和高积云, 其中积云和雨层云高度可达5 km(约600 hPa)以上，最大高度约为7.0 km(约400 hPa)，云内细条状雷达反射率最大值约为18.9 dBZ，甚至超过深对流云内雷达反射率最大值。雨层云中上层常伴随高层云，层积云常出现在4 km(约600 hPa)以下的高度，高积云则在5 km(约600 hPa)以下。雨层云和积云内冰粒子能上升到更大高度，在“眼”区的雨层云顶冰粒子数浓度最大值达508.2个/L。
北侧最外围云带主要为雨层云，其2 km(约800 hPa)高度以上的中上层有高层云，顶部有卷云。雨层云内6 km(约600 hPa)高度以下出现雷达反射率大于10 dBZ的大值区，最大值为16.3 dBZ。雨层云内冰粒子有效半径最大值为164.6 μm，有效半径大于100 μm的冰粒子可到约6 km(约600 hPa)的高度，冰粒子数浓度在4 km(约700 hPa)高度以上区域较为集中，内部区域整体数值大于150个/L，最大值为254.7个/L。
2.1.3 EC1云系结构的成因分析对EC1被CloudSat卫星观测到时的气象要素场水平分布及沿轨道AB的垂直剖面进行分析，此时EC1已成熟，“眼”状特征明显，EC1南部有一条西南-东北走向的水汽大值区(见图 6(a))，但其中心附近的比湿整体小于4 g/kg。700 hPa上空中心附近的位温约为288 K(见图 6(b))。700 hPa上空的视热源和垂直运动分布更加零散(见图 6(c))。300 hPa高空PV正异常区包围整个EC1中心(见图 6(d))，气旋南侧高空急流呈西南-东北走向，包裹着高空PV正异常区域。
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( (a)海平面气压(黑色实线，单位: hPa)，850 hPa比湿和水平风场(蓝色箭头，单位：m/s); (b)700 hPa位温(红色实线，单位: K)和温度平流; (c)700 hPa上空的位势高度(黑色实线，单位：gpm)，垂直速度(绿色实线，单位：hPa/s)和大气视热源Q1/Cp; (d)300 hPa上的位势高度(黑色实线，单位：gpm)，位涡和散度(绿色实线，单位：10-4 s-1)。蓝线表示垂直剖面分析的剖线位置。(a) Mean sea level pressure (black solid contour, unit: hPa), specific humidity and horizontal wind (unit: m/s) at 850 hPa; (b)Potential temperature (red solid contour, unit: K) and advection of temperature at 700 hPa; (c) Geopotential height (black solid contour, unit: gpm), apparent heat source Q1/Cp and vertical velocity (green solid contour, unit: hPa/s) at 700 hPa; (d) Geopotential height (black solid contour, unit: gpm), potential vorticity and divergence (green solid contour, unit: 10-4 s-1) at 300 hPa. The blue lines represent the location of vertical-cross sections analyse later. ) 图 6 EC1被CloudSat观测时段不同气象要素场的水平分布 Fig. 6 Horizontal distribution of different meteorological element fields during observation period of CloudSat of EC1 |
图 7为CloudSat卫星沿轨道AB的不同气象要素的垂直剖面图。在气旋中心(53°N—55°N)附近，比湿等值线有明显的下凹态势(见图 7(a))，表明“眼”区附近是干燥的。位温等值线有明显的上凸态势(见图 7(b))。“眼”区中心有下沉运动，但四周有明显上升运动(见图 7(c))，此时EC1已不再继续发展。在56.4°N以北的“眼”区附近，有明显的大气潜热释放大值区(见图 7(d))。而在50°N—54°N区域上空风速较小(见图 7(e))，与“眼”区特征吻合。从散度场(见图 7(f))来看，辐散或辐合的特征不太明显。但从涡度场(见图 7(g))来看，气旋中心附近的相对涡度可达2.0×10-3 s-1，“眼”区附近形成了从地面延伸至200 hPa的正涡度柱。另外，高空PV大值区下伸至约600 hPa的高度，与低层1 PVU的正PV异常区相连通(见图 7(h))。以上信息表明，EC1已发展成熟。
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( (a)比湿; (b) 温度和位温(黑色实线，单位：K); (c)垂直速度; (d)大气视热源Q1/Cp(单位: K/d); (e)水平风速; (f)散度; (g)相对涡度; (h)位涡。(a) Specific humidity; (b) Air temperature and potential temperature (contour, Unit: K); (c)Vertical p-velocity; (d) Apparent heat source Q1/Cp; (e) Total wind speed; (f) Divergence; (g) Relative vorticity; (h) Potential vorticity. ) 图 7 CloudSat卫星沿轨道AB的不同气象要素场的垂直剖面 Fig. 7 Vertical-cross section profiles of various meteorological elements along the line AB |
2013年3月31日至4月2日发生在西北太平洋上空爆发性气旋个例(以下简称EC2)同样具有“眼”状结构云系。EC2于2013年3月31日12 UTC在西北太平洋上空(39°N, 148°E)附近生成(见图 8)，海平面中心气压1 009.6 hPa(见图 9)，随后向东北方向移动(见图 8)，中心气压快速降低(见图 9)。在31日22 UTC前，EC2的中心气压加深率不断增大，但未超过1.00 Bergeron，中心气压降低至1 004.0 hPa。随后中心气压加深率继续增大，在4月1日09 UTC达到最大值2.74 Bergeron，中心气压迅速降低至986.0 hPa。在1日16 UTC前，EC2均处于爆发性发展阶段，中心气压加深率保持在1.00 Bergeron以上。直到2日03 UTC，EC2中心气压降至最小值965.5 hPa。
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( “▲”表示中心气压加深率最大时刻(1日08 UTC)，“×”表示中心气压最低时刻(2日03 UTC)；“●”分别表示该个例两次被CloudSat卫星观测到的最接近整点时刻位置，即1日03 UTC和2日02 UTC；黑色等值线为2日02 UTC的海平面气压场(黑色实线，单位: hPa)；蓝色实线为CloudSat卫星No.36858轨道。"×" represents the time of maximum deepening rate (08 UTC 1). "▲" demonstrates the time of the minimum central sea level pressure (03 UTC 2). Two marks "●" show the closest time observed by CloudSat, i.e., 03 UTC 1 and 02 UTC 2. Black contours indicate the sea level pressure at 02 UTC 2 (unit: hPa) and the blue line presents the No.36858 trajectory of CloudSat. ) 图 8 2013年3月31日12 UTC至4月2日23 UTC爆发性气旋EC2的移动路径 Fig. 8 Moving track of explosive cyclone EC2 from 12 UTC 31 March to 23 UTC 2 April, 2013 |
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图 9 2013年3月爆发性气旋EC2的海平面中心气压值(蓝色实线，单位: hPa)和中心气压加深率(红色虚线，单位: Bergeron)随时间变化图 Fig. 9 Time series of central sea level pressure of EC2 (blue solid line, unit: hPa) and its deepening rate (red dotted line, unit: Bergeron) in March, 2013 |
CloudSat卫星在运行过程中两次探测到EC2个例，其中4月2日01:34:30—01:41:30 UTC，CloudSat卫星由东南向西北方向行进，恰好探测到EC2的“眼”区，轨道到EC2中心最短距离约73 km(见图 10(a))。此时EC2接近中心气压最小值，2日02 UTC的中心气压为965.8 hPa。EC2云系呈“逗点”状，云系围绕EC2中心逆时针旋转约一周，其东南部分外围云系云顶温度在225~235 K之间，“螺旋”状云系中心附近云顶温度高于外围云系，在255~265 K之间(见图 10(b))。
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( 蓝线和白线分别表示后面垂直剖面分析的剖线位置，箭头表示卫星沿轨道前进方向。The blue and white lines represent the location of vertical-cross sections analyse later. The arrows indicate the satellite moving direction along its orbit. ) 图 10 2013年4月2日01:38 UTC的(a)海平面气压场(单位：hPa)和MODIS可见光云图及(b)云顶温度(单位：K) Fig. 10 (a) Sea level pressure (unit: hPa) and MODIS satellite visible imagery and (b) cloud top temperature (unit: K) at 01:38 UTC 2 April, 2013 |
EC2被观测过程中，其中心气压接近最低时刻, 气旋中心出现清晰的“眼”状结构(见图 10(a)和10(b))。沿CloudSat卫星运行轨道CD的垂直剖面图上有五种类型云(图 11(a))，分别为：雨层云(Ns)、高层云(As)、层积云(Sc)、卷云(Ci)和高积云(Ac)，云系最高可到约12.5 km高度附近(约200 hPa)。云系3 km(约700 hPa)高度以下为雨层云，4 km(约600 hPa)高度以上为高层云和卷云，中间有少量的高积云。尾部云系整体未出现明显的对流运动，云内雷达反射率小于5 dBZ，冰粒子有效半径小于120 μm，数浓度小于160个/L。
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( (a)云的类型; (b)雷达反射率; (c)冰粒子有效半径; (d)冰粒子数浓度。(a) Cloud scenario; (b) Radar reflectivity; (c) Ice particle effective radius; (d) Ice particle number concentration. ) 图 11 CloudSat卫星沿轨道CD的云微物理量的垂直分布特征 Fig. 11 Vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line CD |
“眼”区附近有大量层积云，层积云保持在4 km(约600 hPa)以下高度，层积云内出现多个狭窄的雷达回波大值区，最大值为14.5 dBZ，出现在约1.2 km高度附近(见图 11(b))。在雷达回波大值区内，冰粒子可以上升到接近层积云顶部的位置，有效半径最大值约为149.4 μm(见图 11(c))，但“眼”区层积云内整体冰粒子数浓度小于200个/L(见图 11(d))。
沿轨道CD的最北端对应EC2云系北部外围云带主要为雨层云和高层云，雨层云最高可达8 km(约300 hPa)(见图 12(a))，云内4 km(约700 hPa)高度以下出现雷达反射率大于10 dBZ的大值区，最大值为14.8 dBZ，出现在1.2 km高度附近(见图 12(b))。云内冰粒子有效半径最大值约为150.9 μm，有效半径超过100 μm的冰粒子在雨层云内仅出现在3 km(约700 hPa)以下的高度(见图 12(c))，冰粒子数浓度在雨层云上部开始增大，但最大值为224.4个/L(见图 12(d))。
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( (a)海平面气压(黑色实线，单位: hPa)，850 hPa比湿和水平风场(绿色箭头，单位：m/s); (b)700 hPa位温(红色实线，单位: K)和温度平流; (c)700 hPa上的位势高度(黑色实线，单位：gpm)，垂直速度(绿色实线，单位：hPa/s)和大气视热源Q1/Cp; (d)300 hPa上的位势高度(黑色实线，单位：gpm)，位涡和散度(绿色实线，单位：10-4 s-1)。蓝实线表示垂直剖面分析的剖线位置，蓝色和红色虚线分别表示地面冷、暖锋线的位置。(a) Mean sea level pressure (black solid contour, unit: hPa), specific humidity and horizontal wind (full barb, unit: m/s) at 850 hPa; (b)Potential temperature (red solid contour, unit: K) and advection of temperature at 700 hPa; (c) Geopotential height (black solid contour, unit: gpm), apparent heat source Q1/Cp and vertical velocity (green solid contour, unit: hPa/s) at 700 hPa; (d) Geopotential height (black solid contour, unit: gpm), potential vorticity and divergence (green solid contour, unit: 10-4 s-1) at 300 hPa. The blue lines represent the location of vertical-cross sections analyse later. The blue and red dashed lines represent the positions of the cold and warm ground front lines, respectively. ) 图 12 EC2被CloudSat观测时段不同气象要素场的水平分布 Fig. 12 Horizontal distribution of different meteorological element fields during the observation period of CloudSat of EC2 |
EC2被CloudSat卫星观测时刻，其中心气压达到最低，东南侧有一条西南-东北走向的水汽大值区(见图 12(a))。700 hPa上空冷、暖锋分别位于EC2的东南处和东北处等位温线密集处，冷、暖锋呈T型结构(见图 12(b))。在EC2东部沿后弯暖锋处有潜热释放，几乎将EC2中心包裹(见图 12(c))。300 hPa的PV呈“钩”状结构(见图 12(d))。
图 13为CloudSat卫星沿轨道CD的不同气象要素的垂直剖面图。在气旋中心(44.8°N—51°N)附近，比湿等值线有明显的下凹态势(见图 13(a))，表明“眼”区附近是干燥的。位温等值线有明显的上凸态势(见图 13(b))。“眼”区中心附近有三支下沉的气流，中心两侧有明显上升运动(见图 13(c))。在51°N以南的“眼”区附近，有明显的大气潜热释放大值区(见图 13(d))。而在45°N—49°N区域上空风速较小(见图 13(e))，与“眼”区特征吻合。从散度场(见图 13(f))来看，在800~600 hPa之间有明显的辐合区。从涡度场(见图 13(g))来看，气旋中心附近的相对涡度可达2.4×10-3 s-1，“眼”区附近形成了从地面延伸至700 hPa的正涡度柱。另外，高空PV大值区下伸至约700 hPa的高度，与1 PVU等值线的低层正PV异常区相连通(见图 13(h))。以上信息表明，EC2已发展成熟。
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( (a)比湿; (b) 温度和位温(黑色实线，单位：K); (c)垂直速度; (d)大气视热源Q1/Cp; (e)水平风速; (f)散度; (g)相对涡度; (h)位涡。(a) Specific humidity; (b) Air temperature and potential temperature (contour, unit: K); (c)Vertical p-velocity; (d) Apparent heat source Q1/Cp; (e) Total wind speed; (f) Divergence; (g) Relative vorticity; (h) Potential vorticity. ) 图 13 沿轨道CD不同气象要素场的垂直剖面 Fig. 13 Vertical-cross section profiles of various meteorological elements along the line CD |
2015年10月24—26日发生在东北太平洋上空爆发性气旋个例(以下简称EC3)是一个具有“眼”状结构云系的秋季个例。
EC3于2015年10月24日12 UTC在东北太平洋(43°N, 171°W)附近生成(见图 14)，海平面中心气压995.7 hPa(见图 15)。随后EC3中心气压快速降低，向东北方向移动(见图 14)。24日23 UTC，EC3的中心气压加深率达到2.00 Bergeron(见图 15)。25日06 UTC，EC3中心气压降至966.6 hPa，其中心气压加深率达到最大值2.84 Bergeron，随后EC3开始向东移动。在25日13 UTC前，EC3中心气压加深率一直在1.00 Bergeron以上。25日17 UTC，EC3中心气压降至最小值949.4 hPa(见图 15)。
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( “▲”表示中心气压加深率最大时刻(25日06 UTC)，“×”表示中心气压最低时刻(25日17 UTC)；“●”分别表示该个例被CloudSat卫星观测到的最接近整点时刻位置，即26日00 UTC；黑色等值线为26日00 UTC的海平面气压场(黑色实线，单位: hPa)；蓝色实线为CloudSat卫星No.50502轨道。"▲" demonstrates the time of maximum deepening rate (06 UTC 25). "×"represents the time of the minimum central sea level pressure (17 UTC 25). "●" show the closest time observed by CloudSat, i.e., 00 UTC 26. Black contours indicate the sea level pressure at 00 UTC 26 (unit: hPa) and the blue line presents the No.50502 trajectory of CloudSat. ) 图 14 2015年10月24日12 UTC至26日23 UTC爆发性气旋EC3的移动路径 Fig. 14 Moving track of explosive cyclone EC3 from 12 UTC 24 to 23 UTC 26 October, 2015 |
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图 15 2015年10月爆发性气旋EC3的海平面中心气压值(蓝色实线，单位: hPa)和中心气压加深率(红色虚线，单位: Bergeron)随时间变化图 Fig. 15 Time series of central sea level pressure of explosive cyclone EC3 (blue solid line, unit: hPa) and its deepening rate (red dotted line, unit: Bergeron) in Oct., 2015 |
根据CIMSS提供的红外云图可初步分析EC3云系结构的演变过程(见图 16)。EC3发展初期，中心气压加深率大于1.00 Bergeron，24日18 UTC至25日03 UTC，云系呈“逗点”状分布(见图 16(a)—16(d))，25日06—12 UTC，EC3中心气压加深率达到最大值时刻(25日06 UTC)后开始下降，但依然保持在1.50 Bergeron以上。“逗点”状云系尾部开始迅速东移，头部则开始逆时针缠绕EC3中心，在中心附近呈“钩”状(见图 16(e)—16(g))。25日15—18 UTC，EC3中心
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图 16 CIMSS观测的2015年10月24日18 UTC至26日06 UTC的GOES红外卫星云图 Fig. 16 Infrared cloud imagery from GOES satellite provided by CIMSS from 18 UTC 24 to 03 UTC 26 October, 2015 |
气压加深率降低至1.00 Bergeron以下，EC3中心气压接近最小值，云系继续围绕中心逆时针旋转约720°，出现清晰的“眼”状结构(见图 16(h)和16(i))。25日21 UTC至26日03 UTC，EC3中心气压虽已开始回升，中心气压加深率变为负值，但云系仍不断围绕中心逆时针旋转(见图 16(h)和16(i))。与EC1和EC2相比，EC3发展初期云系便呈现“逗点”状，在爆发性发展阶段尾部云系迅速东移，在成熟阶段，尾部云系已完全移动至EC3中心以东，中心气压回升阶段，“眼”区云系仍继续围绕中心附近旋转，相比于EC1和EC2，云系的旋转的程度更高。
10月25日23:47—23:57 UTC，CloudSat卫星由东南向西北方向行进，恰好探测到EC3的“眼”区，轨道到EC3中心的最短距离约为18 km(见图 17(a))。此时EC3已经过了中心气压最小值时刻(25日17 UTC)，中心气压加深率变为-0.65 Bergeron，但云系整体依然保持逆时针旋转态势。中心以东和以北的外围云带云顶温度在220~240 K之间，东侧云带云顶温度小于220 K。“眼”区附近云顶温度高于外围云带的云顶温度，一般在265~270 K之间(见图 17(b))。
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( 蓝线和白线分别表示后面垂直剖面分析的剖线位置，箭头表示卫星沿轨道前进方向。The blue and white lines represent the location of vertical-cross sections analyse later. The arrows indicate the satellite moving direction along its orbit. ) 图 17 2015年10月25日23:52 UTC的(a)海平面气压场(单位：hPa)和MODIS可见光云图及(b)云顶温度(单位：K) Fig. 17 (a) Sea level pressure (unit: hPa) and MODIS satellite visible imagery and (b) cloud top temperature (unit: K) at 23:52 UTC 25 October, 2015 |
在观测过程中，EC3已发展完全成熟，云系呈现清晰的“眼”状结构(见图 16)。在CloudSat卫星沿轨道EF的垂直剖面图上，共有六种类型的云(见图 18(a))，分别为：雨层云(Ns)、积云(Cu)、层积云(Sc)、高层云(As)、高积云(Ac)和卷云(Ci)。云系最高到约10.8 km高度附近(约200 hPa)。
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( (a)云的类型; (b)雷达反射率; (c)冰粒子有效半径; (d)冰粒子数浓度。(a) Cloud scenario; (b) Radar reflectivity; (c) Ice particle effective radius; (d) Ice particle number concentration. ) 图 18 CloudSat卫星沿轨道EF段提供的云微物理量的垂直分布特征 Fig. 18 The vertical-cross section profiles of various cloud microphysical quantities along the line EF |
分析表明，EC3“眼”区以南(35°N—44°N)的细胞状云系区域，在5 km(约600 hPa)高度以下出现多个积云，对应可见光云图(见图 17(a))中该区域有独立亮白的云单体，同时该区域还有少量高积云和层积云，积云内对流活动旺盛(见图 18(a))。云内出现细长狭窄的雷达回波大值区，雷达反射率因子最大值为20.3 dBZ，出现在对流单体中约2.3 km高度附近(见图 18(b))。积云内尺度较大的冰粒子相较于其他云类明显可以上升到更高的高度，冰粒子有效半径最大值为154.7 μm(见图 18(c))。冰粒子在积云顶部密集，数浓度最大值为345.9个/L(见图 18(d))。
气旋中心的“眼”区附近(44°N—50°N)云系主要为雨层云，伴有少量积云、层积云和高积云(见图 18(a))。雨层云内中低层出现雷达反射率大值区，其云内对流运动要弱于“眼”区以南的对流单体，云内雷达反射率因子最大值约为18.5 dBZ(见图 18(b))。冰粒子有效半径最大值约为165.6 μm(见图 18(c))，数浓度最大值约为252.5个/L(见图 18(d))。
气旋中心以北的外围云带(52°N—61°N)出现大面积的雨层云，雨层云最高可达10.8 km(约250 hPa)的高度，雨层云高层伴有高层云，中低层伴有少量积云，顶部有少量卷云(见图 18(a))。雨层云内出现两个雷达回波大值区，偏南侧的大值区可达6 km(约400 hPa)的高度，其最大值为26.8 dBZ，偏北侧的大值区稍弱于南侧大值区，可达5 km(约500 hPa)的高度，最大值约为15.0 dBZ(见图 18(b))。在雷达反射率大值区范围，冰粒子可以上升到6 km(约400 hPa)以上的高度，有效半径最大值为161.4 μm(见图 18(c))。冰粒子在4 km高度以上至雨层云顶部十分密集，出现大范围数浓度大于200个/L的区域，最大值为343.6个/L(见图 18(d))。
2.3.3 EC3云系结构的成因分析在被CloudSat探测到的时刻，EC3虽已过中心气压最低时刻，但其“眼”状结构云系依然清晰。此时在850 hPa上，比湿大值区位于气旋的东南侧，低空急流围绕EC3中心逆时针旋转(见图 19(a))，在700 hPa上, 位温等值线显示在“眼”区附近有一个“暖核”结构(见图 19(b))。在气旋中心的东南侧，有非常明显的潜热释放加热了大气(见图 19(c))。在300 hPa层上，PV大值区呈“高音谱号”(Treble Clef)状，PV大值区(超过8 PVU)将气旋中心逆时针缠绕(见图 19(d))。
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( (a)海平面气压(黑色实线，单位: hPa)，850 hPa比湿和水平风场(绿色箭头，单位：m/s); (b)700 hPa位温(红色实线，单位: K)和温度平流; (c)700 hPa上的位势高度(黑色实线，单位：gpm)，垂直速度(绿色实线，单位：hPa/s)和大气视热源Q1/Cp; (d)300 hPa上的位势高度(黑色实线，单位：gpm)，位涡和散度(绿色实线，单位：10-4 s-1)。蓝线表示垂直剖面分析的剖线位置。(a) Mean sea level pressure(black solid contour, unit: hPa), specific humidity and horizontal wind (full barb, unit: m/s) at 850 hPa; (b)Potential temperature (red solid contour, unit: K) and advection of temperature at 700 hPa; (c) Geopotential height (black solid contour, unit: gpm), apparent heat source Q1/Cp and vertical velocity (green solid contour, unit: hPa/s) at 700 hPa; (d) Geopotential height (black solid contour, unit: gpm), potential vorticity and divergence (green solid contour, unit: 10-4 s-1) at 300 hPa. The blue lines represent the location of vertical-cross sections analyse later. ) 图 19 EC3被CloudSat卫星观测时段不同气象要素场的水平分布 Fig. 19 Horizontal distribution of different meteorological element fields during the observation period of CloudSat of EC3 |
图 20为CloudSat卫星沿轨道EF的不同气象要素的垂直剖面图。在气旋中心(48.3°N)附近，比湿较高(见图 20(a))，位温偏低，冷空气迅速南下，在低空30.0°N附近位温等值线非常密集，冷锋锋线由低空向高空不断向北倾斜(见图 20(b))。“眼”区中心附近有两支明显的下沉气流，中心以北的“眼”区附近有明显的大气潜热释放大值区(见图 20(d))。“眼”区上空风速较小，中心以南的风速明显大于中心以北的风速，且南部风速大值区一直下伸到600 hPa高度(见图 20(e))。若从散度场(见图 20(f))来看，辐合或辐散的特征不太明显。但从涡度场(见图 20(g))来看，气旋存在大面积区域的相对涡度, 可达2.4×10-3 s-1，“眼”区附近形成了从地面延伸至700 hPa的正涡度柱。另外，高空PV大值区下伸至约900 hPa的高度与1 PVU等值线的低层正PV异常区相连通(见图 20(h))。以上信息表明，EC3已发展成一个深厚的气旋系统。
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( (a)比湿; (b) 温度和位温(黑色实线，单位：K); (c)垂直速度; (d)大气视热源Q1/Cp; (e)水平风速; (f)散度; (g)相对涡度; (h)位涡。(a) Specific humidity; (b) Air temperature and potential temperature (contour, unit: K); (c)Vertical p-velocity; (d) Apparent heat source Q1/Cp; (e) Total wind speed; (f) Divergence; (g) Relative vorticity; (h) Potential vorticity. ) 图 20 沿轨道EF不同气象要素场的垂直剖面 Fig. 20 The vertical-cross section profiles of various meteorological elements along the line EF |
本文利用CloudSat卫星资料、MODIS可见光云图、GOES红外卫星云图以及ERA5再分析资料，对2006年12月23—26日发生在东北太平洋上空的爆发性气旋个例EC1(冬季个例)、2013年3月31—4月2日发生在西北太平洋上空的爆发性气旋个例EC2(春季个例)、2015年10月24—26日发生在东北太平洋上空的爆发性气旋个例EC3(秋季个例)云的宏观及微物理特性进行了对比分析，得到的主要结论如下：
(1) 在气旋发展成熟阶段，不同季节下三个爆发性气旋的云系均呈逆时针旋转成紧凑的“螺旋”状，气旋中心出现清晰的“眼”状结构。气旋中心的“眼”区附近云系高度要小于其外围云带，EC1和EC3“眼”区云系的云顶温度在230~240 K，EC2则在240~260 K，外围云带的云顶温度则大面积小于230 K。
(2)“眼”区云系主要为雨层云、积云和层积云，云内出现狭窄的雷达反射率大值区，说明“眼”区云系内存在对流。3个个例相比，冬季个例EC1“眼”区云系的冰相水凝物含量相对较大。外围云带主要为大面积的雨层云，雨层云内同样存在雷达反射率大值区，冰粒子数浓度在云系内部出现大值区，但春季个例EC2雨层云内雷达反射率明显小于冬季个例EC1和秋季个例EC3的雷达反射率，冬季个例EC1和秋季个例EC3雨层云高层的冰水含量大于春季个例EC2的冰水含量。
(3) 通过对3个个例出现“眼”状结构进行成因分析发现，3个个例均已发展成一个深厚的气旋系统，“眼”区中心干燥，存在下沉运动，附近有大量的潜热释放。低层的PV正异常区域对云内对流过程具有较好的指示作用，高层PV大值区的下伸预示着来自平流层的干冷空气不断侵入气旋内部, 是云系出现清晰“眼”状结构的重要原因之一。
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