高松影 趙婷婷 宋麗麗 孟 鑫 李瑞晗羅箭宇 張 旭 潘 曉

1)(遼寧省丹東氣象臺(tái)， 丹東 118000)2)(遼寧省遼陽氣象臺(tái)， 遼陽 111000)3)(中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所， 沈陽 110166)

引 言

2007年 3月3—5日和2016年5月2—3日有兩個(gè)發(fā)展很深的氣旋(簡稱C304和C502)在江淮流域生成后,北上到達(dá)東北地區(qū)，其中C304致使遼寧、吉林、黑龍江等地出現(xiàn)1951年有氣象記錄以來歷史同期最強(qiáng)的暴風(fēng)雪(雨)天氣[1-2]，渤海及山東半島北部沿岸地區(qū)遭受歷史上罕見強(qiáng)風(fēng)暴潮襲擊[3]；C502造成遼寧、吉林、黑龍江等地出現(xiàn)暴雨和7級以上瞬時(shí)大風(fēng)[4]。C304和C502兩個(gè)氣旋路徑相似，但發(fā)展強(qiáng)度不同：C304發(fā)展強(qiáng)烈，C502達(dá)到爆發(fā)性氣旋標(biāo)準(zhǔn)[5]。由于爆發(fā)性氣旋發(fā)展迅速，危害性大，不少學(xué)者對爆發(fā)性氣旋的發(fā)展機(jī)制進(jìn)行了研究。張永剛等[6]發(fā)現(xiàn)爆發(fā)性氣旋發(fā)展機(jī)制不同于普通氣旋，氣旋爆發(fā)性發(fā)展伴隨著對流層頂上空有強(qiáng)的渦度平流作用。丁治英等[7]指出強(qiáng)爆發(fā)性氣旋的形成與高空急流的非緯向性以及反氣旋性彎曲密切相關(guān)，當(dāng)氣旋西部位渦的大值區(qū)與北部位渦的大值區(qū)疊加下沉?xí)r，有利于氣旋爆發(fā)性發(fā)展。李長青等[8]研究表明:大氣層結(jié)的不穩(wěn)定、高空急流出口區(qū)的輻散、副熱帶高壓西側(cè)的強(qiáng)暖平流及中低層的強(qiáng)斜壓區(qū)等均是氣旋急劇發(fā)展的有利因素。呂筱英等[9]指出高空大值位渦空氣的下伸是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的一個(gè)重要條件。由于北半球爆發(fā)性氣旋發(fā)生的最大頻率區(qū)分別位于大西洋西海岸和日本以東洋面[10]，因此，以上研究多針對發(fā)生在130°E以東洋面的爆發(fā)性氣旋。我國地處東亞大陸，溫帶氣旋是影響我國的重要天氣系統(tǒng)之一， 130°E以西的東亞大陸鄰近海域爆發(fā)性氣旋平均每年只有1個(gè)[11]。對于強(qiáng)烈發(fā)展氣旋，文獻(xiàn)[12-14]揭示了大氣斜壓性對氣旋發(fā)展的重要作用。C304和C502均導(dǎo)致嚴(yán)重氣象災(zāi)害，二者發(fā)展路徑相似，但加深程度不同，目前已有研究關(guān)注這類氣旋[15-16]，本文對二者進(jìn)行對比，以期為災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警提供參考。

1 實(shí) 況

圖1是C304逐6 h和C502逐3 h氣旋中心移動(dòng)路徑(由于山東半島到朝鮮半島資料受海區(qū)所限，該時(shí)段氣旋中心定位不準(zhǔn)確)，圖2是C304和C502氣旋中心海平面氣壓變化，可以看到，兩個(gè)氣旋江淮地區(qū)生成后向東北方向移動(dòng)過程中，氣旋中心海平面氣壓持續(xù)下降。

爆發(fā)性氣旋是指氣旋中心海平面氣壓24 h下降達(dá)到或超過閾值24×(sinφ/sin60°) hPa的溫帶氣旋，φ為氣旋中心所在緯度，取24 h內(nèi)平均值，氣旋中心海平面氣壓取實(shí)測值；緯度不同，閾值不同，在標(biāo)準(zhǔn)緯度(60°N)上，該閾值為24 hPa[17]。C304中心平均緯度為38°N，在該緯度達(dá)到爆發(fā)性氣旋的閾值為17.1 hPa，2007年3月3日18：00(世界時(shí)，下同)—4日18：00 C304中心海平面氣壓24 h下降12.6 hPa，雖然發(fā)展強(qiáng)烈，但未達(dá)到閾值17.1 hPa，即未達(dá)到爆發(fā)性氣旋標(biāo)準(zhǔn)。C502中心平均緯度為39°N，在該緯度達(dá)到爆發(fā)性氣旋的閾值為17.4 hPa，2016年5月2日09：00—3日09：00 C502中心海平面氣壓24 h下降22.9 hPa，超過閾值17.4 hPa，達(dá)到爆發(fā)性氣旋標(biāo)準(zhǔn)。C304中心海平面最低氣壓為991.9 hPa，C502氣旋中心海平面最低氣壓為975.7 hPa。由圖2可以看到，兩個(gè)氣旋入海后中心海平面氣壓下降幅度大，且C502爆發(fā)性發(fā)展時(shí)段主要在海上，這與海上摩擦力影響比陸地小[18]有關(guān)。

圖1 氣旋移動(dòng)路徑(加粗部分為C304強(qiáng)烈發(fā)展時(shí)段和C502爆發(fā)性發(fā)展時(shí)段)Fig.1 The diagram of cyclone movement path(tracks of C304 in the strong development period and C502 in the explosive development period are highlighted in bold)

圖2 2007年3月3—4日C304和2016年5月2—3日 C502氣旋中心海平面氣壓時(shí)序圖(粗線為氣旋在海上時(shí)段)Fig.2 Time series of cyclone center sea-level pressure of C304 from 3 Mar to 4 Mar in 2007 and C502 from 2 May to 3 May in 2016(the part in bold is the period of cyclone over sea)

2 資 料

本文所用資料包括2007年3月3日18:00—4日18:00和2016年5月2日09:00(06:00缺測)—3日09:00 MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System，氣象信息綜合分析處理系統(tǒng))海平面氣壓，美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(National Centersfor Environmental Prediction/National Centersfor Atmospheric Research,NCEP/NCAR)提供的每日4個(gè)時(shí)次(00:00，06:00，12:00，18:00)、水平分辨率為1°×1°的全球分析資料 (Final Operational Global Analysis,FNL)，該資料被廣泛用于數(shù)值模式及天氣、氣候的診斷分析研究[19]。

3 氣旋發(fā)展的動(dòng)力學(xué)診斷

3.1 渦度平流和溫度平流作用

制約氣旋發(fā)展的物理因子主要有渦度平流、溫度平流、凝結(jié)潛熱等[6]。渦度平流隨高度增加，高層正渦度平流區(qū)可為地面氣旋發(fā)展提供必需的高空輻散場；在對流層自由大氣中溫度平流隨高度減弱。根據(jù)公式[20]計(jì)算C304和C502不同時(shí)次、大氣不同層結(jié)渦度平流，發(fā)現(xiàn)與一般500 hPa槽前正渦度平流較強(qiáng)不同，C304渦度平流在200 hPa最強(qiáng)，C502在300 hPa最強(qiáng)；根據(jù)公式[20]計(jì)算C304和C502不同時(shí)次大氣低層溫度平流，發(fā)現(xiàn)低空975 hPa冷、暖平流與氣旋發(fā)展移動(dòng)對應(yīng)關(guān)系較好。圖3和圖4分別為C304強(qiáng)烈發(fā)展和C502爆發(fā)性發(fā)展過程中高空渦度平流、低空溫度平流發(fā)展演變情況。

2007年3月3日18:00(圖3a)C304強(qiáng)烈發(fā)展初期，200 hPa槽較淺，槽前南側(cè)和槽前脊后有正渦度平流發(fā)展，地面氣旋位于正渦度平流區(qū)下方；3月4日06:00(圖3b)高空槽繼續(xù)東移，槽前正渦度平流加強(qiáng)，為氣旋強(qiáng)烈發(fā)展提供高空輻散場，自此地面氣旋中心海平面氣壓開始持續(xù)下降；3月4日18:00(圖3c)地面氣旋進(jìn)入強(qiáng)烈發(fā)展后期，仍處在正渦度平流區(qū)下方，并與高空槽水平距離進(jìn)一步減小。

圖3 2007年3月3—4日C304 200 hPa正渦度平流(填色)、925 hPa溫度平流(紅色等值線為暖平流不小于10，綠色等值線為冷平流不大于-10，單位：10-5K·s-1)和200 hPa位勢高度(黑色等值線，單位：dagpm)(棕色實(shí)線為槽線，黑色圓點(diǎn)為地面氣旋中心)(a)3日18:00，(b)4日06:00，(c)4日18:00Fig.3 200 hPa positive vortic advection(the shaded),925 hPa temperature advection(the red contour is warm advection no less than 10,the green contour is cold advection no more than -10,unit:10-5 K·s-1) and 200 hPa potential height(the black contour,unit:dagpm) of C304 from 3 Mar to 4 Mar in 2007(the brown solid line is slot line,the black dot indicates the cyclone center location)(a)1800 UTC 3 Mar，(b)0600 UTC 4 Mar，(c)1800 UTC 4 Mar

在C502強(qiáng)烈發(fā)展初期(圖4a)，300 hPa槽區(qū)窄而深,并分為南、北兩支，槽前有很強(qiáng)的帶狀正渦度平流區(qū)，從33°N向東北方向延伸至50°N；隨著高空槽東移，正渦度平流帶減弱分離成南、北兩支，南支槽前正渦度平流仍較強(qiáng)(圖4b)，在局地渦度加強(qiáng)的情況下發(fā)展加深，從西風(fēng)帶中分離出來形成閉合性氣旋環(huán)流(圖4c)。C502在300 hPa高空槽迅速加深發(fā)展成閉合氣旋性環(huán)流過程中爆發(fā)性發(fā)展，且地面氣旋中心與高空低壓中心在垂直方向?qū)?yīng)。因此，C502高空正渦度平流主要促使高空氣旋性環(huán)流的發(fā)展，對地面氣旋發(fā)展提供輻散場的作用沒有C304顯著。

低空溫度平流在兩個(gè)氣旋發(fā)展過程中的強(qiáng)度不同。C304強(qiáng)烈發(fā)展初期(圖3a)，地面氣旋前部925 hPa 強(qiáng)暖平流，后部強(qiáng)冷平流，地面氣旋處于二者之間的鋒區(qū)內(nèi)，冷暖平流強(qiáng)迫出垂直上升運(yùn)動(dòng)有利于氣旋發(fā)展[8]，在之后的強(qiáng)烈發(fā)展過程中(圖3b～圖3c)，冷平流范圍加大，暖平流強(qiáng)度范圍有所減弱，但地面氣旋一直處于冷、暖平流之間。C502爆發(fā)性發(fā)展初期(圖4a)，地面氣旋前后無明顯的溫度平流，爆發(fā)性發(fā)展時(shí)(圖4b～圖4c)在氣旋后部和前部有冷、暖平流發(fā)展，其中冷平流強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。綜合看，在C304和C502發(fā)展過程中，暖平流位于地面氣旋東北側(cè)，其減壓作用使兩個(gè)氣旋向東北方向移動(dòng)，地面氣旋移動(dòng)方向與925 hPa暖平流中心移動(dòng)方向一致。

圖4 2016年5月2—3日C502 300 hPa正渦度平流(填色)、925 hPa溫度平流(紅色等值線為暖平流不小于10，綠色等值線為冷平流不大于-10，單位：10-5 K·s-1)和300 hPa位勢高度(黑色等值線，單位：dagpm)(棕色實(shí)線為槽線，黑色圓點(diǎn)為地面氣旋中心，D表示低壓中心)(a)2日06:00，(b)2日18:00，(c)3日06:00Fig.4 300 hPa positive vortic advection(the shaded),925 hPa temperature advection(the red contouris warm advection no less than 10,the green contour is cold advection no more than -10,unit:10-5 K·s-1) and 300 hPa potential height(the black contour,unit:dagpm) of C502 from 2 May to 3 May in 2016(the brown solid line is slot line,the black dot indicates the cyclone center location,D indicates low pressure center)(a)0600 UTC 2 May，(b)1800 UTC 2 May，(c)0600 UTC 3 May

3.2 斜壓性分析

氣旋的發(fā)展演變過程與鋒生過程關(guān)系密切，減弱消失與鋒消過程相聯(lián)系[21]。圖5為不同時(shí)次沿C304和C502氣旋中心鋒生函數(shù)[20]的緯向垂直剖面圖，在C304強(qiáng)烈發(fā)展前期3月3日18:00(圖5a)，地面氣旋中心西側(cè)上空925 hPa至700 hPa為鋒消區(qū)，鋒生不明顯；3月4日06:00(圖5b)地面氣旋上空925 hPa至600 hPa鋒生和鋒消均強(qiáng)烈發(fā)展，鋒生區(qū)位于地面氣旋上空，中心位于700 hPa附近，強(qiáng)度突增至1.5×10-8K·m-1·s-1；鋒消區(qū)位于地面氣旋西側(cè)上空，中心強(qiáng)度由-3×10-9K·m-1·s-1增至-9×10-9K·m-1·s-1，自此地面氣旋中心氣壓持續(xù)下降。3月4日18：00(圖5c)C304強(qiáng)烈發(fā)展后期，地面氣旋上空鋒生范圍明顯減弱，中心強(qiáng)度由1.5×10-8K·m-1·s-1降至9×10-9K·m-1·s-1，鋒生區(qū)在925 hPa至800 hPa之間，鋒消區(qū)范圍減少，但中心強(qiáng)度由-3×10-9K·m-1·s-1增至-1.2×10-8K·m-1·s-1。結(jié)合垂直速度場的垂直分布可以看到，伴隨C304強(qiáng)烈發(fā)展對流層下層的強(qiáng)烈鋒生，在鋒生區(qū)和鋒消區(qū)之間地面氣旋上空產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，斜壓強(qiáng)迫是C304啟動(dòng)發(fā)展的重要機(jī)制。在C502爆發(fā)性發(fā)展過程中(圖5d～圖5f)鋒生和鋒消不明顯，與氣旋上空的垂直上升運(yùn)動(dòng)無明顯對應(yīng)關(guān)系。

圖5 沿C304和C502氣旋中心鋒生函數(shù)(黑線，單位：10-10 K·m-1·s-1)和垂直速度(填色)緯向垂直剖面圖(黑色三角為地面氣旋中心)(a)2007年3月3日18:00 C304，(b)2007年3月4日06:00 C304，(c)2007年3月4日18:00 C304，(d)2016年5月2日06:00 C502，(e)2016年5月2日18:00 C502，(f)2016年5月3日06:00 C502Fig.5 The zonal section of frontal function(the black line,unit:10-10 K·m-1·s-1)and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502(the black triangle indicates the cyclone center location) (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007，(b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007，(c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007，(d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016，(e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016，(f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

3.3 濕位勢渦度分析

濕位勢渦度(簡稱濕位渦)是一個(gè)綜合表征大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和熱力狀態(tài)的物理量，在爆發(fā)性氣旋研究中濕位渦理論得到廣泛應(yīng)用[7-9,22]。在p坐標(biāo)系中，等壓面上濕位勢渦度分為正壓項(xiàng)和斜壓項(xiàng)[20]，由于分析中正壓項(xiàng)比斜壓項(xiàng)大得多，因此，常忽略斜壓項(xiàng)[23]。

3.3.1 濕位渦緯向垂直分布特征

從不同時(shí)次沿氣旋中心濕位渦緯向垂直剖面圖(圖6)可以看到，兩個(gè)氣旋在發(fā)展過程中濕位渦垂直分布出現(xiàn)異常。在對流層中下層表現(xiàn)為在地面氣旋中心西側(cè)正濕位渦加強(qiáng)并向上延伸，C304強(qiáng)于C502；在對流層上層200～400 hPa表現(xiàn)為有高濕位渦區(qū)向下伸展，C502強(qiáng)于C304。

圖6 沿C304和C502氣旋中心的濕位渦(實(shí)線為正濕位渦，虛線為負(fù)濕位渦，單位：PVU)緯向垂直剖面圖(黑色三角為地面氣旋中心)(a)2007年3月3日18:00 C304，(b)2007年3月4日06:00 C304，(c)2007年3月4日18:00 C304，(d)2016年5月2日06:00 C502，(e)2016年5月2日18:00 C502，(f)2016年5月3日06:00 C502Fig.6 The zonal section of moist potential vorticity(the solid line for positive moist potential vorticity,the dotted line for negative moist potential vorticity,unit:PVU)) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)(a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007，(b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007，(c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007，(d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016，(e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016，(f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

在C304強(qiáng)烈發(fā)展前期2007年3月3日18:00(圖6a)，對流層中下層有明顯正濕位渦發(fā)展，中心數(shù)值大于2.5 PVU，1.5 PVU濕位渦線上邊界在600 hPa附近；3月4日06:00(圖6b)氣旋地面中心氣壓開始明顯下降，正濕位渦區(qū)1.5 PVU濕位渦線上邊界到達(dá)400 hPa附近，中心數(shù)值大于3.5 PVU，且與200～400 hPa正濕位渦區(qū)相連；3月4日18:00(圖6c)地面氣旋中心氣壓降到最低，正濕位渦區(qū)與對流層上層正濕位渦區(qū)斷離，1.5 PVU濕位渦線上邊界下降到700 hPa附近，正濕位渦中心數(shù)值達(dá)到5 PVU。對流層下層濕位渦異常加強(qiáng)的同時(shí)，對流層上層等濕位渦出現(xiàn)波動(dòng)但振幅較小，1.5 PVU線始終在300～400 hPa之間。C502爆發(fā)性發(fā)展過程中，在對流層上層有明顯正濕位渦加強(qiáng)，等濕位渦波動(dòng)振幅大，并在地面氣旋西側(cè)存在正濕位渦舌向下伸展，1.5 PVU濕位渦等值線下伸至500 hPa 附近，與此同時(shí)，對流層下層有正濕位渦區(qū)擾動(dòng)生成并加強(qiáng)， 2016年5月3日06:00地面氣旋中心氣壓降到最低(圖6f)，下伸的正濕位渦舌與對流層下層加強(qiáng)的正濕位渦柱相連，1.5 PVU濕位渦等值線幾乎貫通。

3.3.2 濕位渦經(jīng)向垂直分布特征

圖7為C304和C502發(fā)展過程中不同時(shí)刻沿氣旋中心濕位渦經(jīng)向剖面圖,可以看到，兩個(gè)氣旋發(fā)展過程中，氣旋上空對流層低層出現(xiàn)正濕位渦擾動(dòng)的同時(shí)，對流層中上層有正濕位渦舌下垂到地面氣旋中心上空，C502強(qiáng)于C304。

圖7 沿C304和C502氣旋中心的濕位渦(實(shí)線為正濕位渦，虛線為負(fù)濕位渦，單位：PVU)經(jīng)向垂直剖面圖(黑色三角為地面氣旋中心)(a)2007年3月3日18:00 C304，(b)2007年3月4日06:00 C304，(c)2007年3月4日18:00 C304，(d)2016年5月2日06:00 C502，(e)2016年5月2日18:00 C502，(f)2016年5月3日06:00 C502Fig.7 The meridional section of moist potential vorticity(the solid line for positive moist potential vorticity,the dotted line for negative moist potential vorticity,unit:PVU)) along centers of C304 and C502 (the black triangle indicates the cyclone center location)(a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007，(b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007，(c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007，(d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016，(e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016，(f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

在C304強(qiáng)烈發(fā)展初期2007年3月3日18:00(圖7a)，距地面氣旋中心北側(cè)50°～70°N對流層中上層500 hPa至200 hPa有高正濕位渦區(qū)向下伸展，1.5 PVU濕位渦線接近600 hPa，中心數(shù)值大于9.0 PVU；3月4日06:00(圖7b)地面氣旋中心氣壓開始持續(xù)下降，對流層中上層50°N附近有高正濕位渦舌下垂，1.5 PVU濕位渦線接近700 hPa；3月4日18:00(圖7c)地面氣旋中心氣壓降至最低，下伸的正濕位渦舌減弱。在C502爆發(fā)性發(fā)展初期2016年5月2日06:00(圖7d)，在距地面氣旋中心上方北側(cè)300 hPa附近有狹長高濕位渦舌下垂，1.5 PVU 濕位渦線下垂至600 hPa，中心數(shù)值大于9.0 PVU，與此同時(shí),在對流層下層地面氣旋中心北側(cè)出現(xiàn)正濕位渦擾動(dòng)柱，1.5 PVU濕位渦線上邊界在800 hPa附近；5月2日18:00(圖7e)氣旋中心海平面氣壓開始快速下降，對流層上層高濕位渦舌1.5 PVU 線下垂至700 hPa附近，與中低空高濕位渦柱1.5 PVU等值線在垂直方向貫通發(fā)生耦合，形成狹長高濕位渦柱；5月3日06:00(圖7f)對應(yīng)氣旋中心海平面氣壓降至最低值，上下貫通的狹長高濕位渦柱發(fā)生斷離。根據(jù)位渦守恒原理，當(dāng)正位渦異常區(qū)平流層空氣下降到對流層，空氣柱在垂直方向上被拉長，氣旋性渦度將增加[24]，因此，C502渦旋結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，閉合環(huán)流從地面發(fā)展到300 hPa，而C304雖然對流層上層也出現(xiàn)濕位渦正異常和高濕位渦舌侵入對流層中下層的特征，但高濕位渦舌寬而短，下垂高度在500 hPa附近，且始終與對流層下層正高濕位區(qū)有一定距離，由前面分析可知，C304發(fā)展主要來自對流層下層的斜壓強(qiáng)迫，氣旋性渦度增加主要在對流層下層，因此，C304渦旋性結(jié)構(gòu)沒有C502明顯。

3.4 風(fēng)場水平分布特征

3.4.1 高空200 hPa風(fēng)場

圖8為C304和C502不同時(shí)次高空200 hPa風(fēng)速、風(fēng)矢量與散度場配置，可以看到，在兩個(gè)氣旋發(fā)展過程中，200 hPa高空中高緯和副熱帶地區(qū)有兩支西風(fēng)急流[18]。C304強(qiáng)烈發(fā)展初期(圖8a)，西風(fēng)帶西風(fēng)急流和副熱帶西風(fēng)急流軸均呈東西向，分別位于47°N和30°N附近，東西跨度分別為45經(jīng)距和60經(jīng)距以上，急流中心最大風(fēng)速達(dá)到60 m·s-1，在氣旋強(qiáng)烈發(fā)展(圖8b～圖8c)過程中，西風(fēng)帶急流中心自西向東傳播，且出現(xiàn)反氣旋彎曲；副熱帶偏西風(fēng)急流形態(tài)雖未發(fā)生變化，但強(qiáng)度加強(qiáng)，急流中心最大風(fēng)速增至80 m·s-1。C304地面氣旋位于高空兩支急流之間，由副熱帶急流出口區(qū)左側(cè)輻散區(qū)向東北方向移動(dòng)，在進(jìn)入西風(fēng)帶急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)過程中強(qiáng)烈發(fā)展。

C502爆發(fā)性發(fā)展初、中期(圖8d～圖8e )，西風(fēng)帶急流出現(xiàn)大型擾動(dòng)，呈反氣旋式彎曲，急流東段發(fā)生分支，南支反氣旋彎曲指向東南方向，北支反氣旋彎曲指向偏東方向；C502爆發(fā)性發(fā)展后期(圖8f),氣旋地面中心氣壓降到最低時(shí)，西風(fēng)帶急流東段反氣旋彎曲進(jìn)一步加大，并出現(xiàn)風(fēng)速達(dá)到60 m·s-1的急流中心；副熱帶西風(fēng)急流軸呈東西向，位于30°N附近，東西跨度為40經(jīng)距，強(qiáng)度明顯弱于C304，急流中心最大風(fēng)速為40 m·s-1。地面氣旋位于兩支急流之間，由西風(fēng)帶急流東段南支急流中心入口右側(cè)輻散區(qū)向東北方向移動(dòng)，在進(jìn)入北支急流中心入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)過程中爆發(fā)性發(fā)展。對于兩個(gè)氣旋高空急流呈反氣旋彎曲特征，丁治英等[7]指出，強(qiáng)爆發(fā)性氣旋的形成與高空急流的非緯向性以及反氣旋性彎曲密切相關(guān)，非緯向高空急流為爆發(fā)性氣旋提供強(qiáng)輻散和斜壓不穩(wěn)定背景。另外，與絕大多數(shù)形成于高空西風(fēng)急流出口區(qū)左側(cè)的日本以東西北太平洋上的東亞爆發(fā)性氣旋不同[18]，C502形成發(fā)展于中高緯西風(fēng)帶急流入口區(qū)右側(cè)，且高空西風(fēng)急流中心位于115°E附近，因此，移動(dòng)發(fā)展路徑比氣候平均位置[25-27]明顯偏西。

3.4.2 低空850 hPa風(fēng)場

在C304和C502發(fā)展過程中，對流層低層均為氣旋式環(huán)流背景(圖略)。C304強(qiáng)烈發(fā)展過程中，背景環(huán)流場逐漸加強(qiáng)，偏南氣流和偏北氣流均衡發(fā)展，最大風(fēng)速達(dá)到32 m·s-1。C502爆發(fā)性發(fā)展過程中偏南氣流強(qiáng)于偏北氣流，偏南氣流最大風(fēng)速達(dá)到40 m·s-1，偏北氣流最大風(fēng)速為32 m·s-1。在兩個(gè)氣旋發(fā)展過程中，C304地面氣旋位于偏南氣流左前方，C502地面氣旋位于偏南、偏北氣流之間。結(jié)合850 hPa散度場(圖略)，在C304強(qiáng)烈發(fā)展過程中，偏南氣流前端有強(qiáng)輻合場，C304地面氣旋在進(jìn)入和穿越偏南氣流前端強(qiáng)輻合場過程中強(qiáng)烈發(fā)展；C502偏南氣流前端也有輻合場，但范圍和強(qiáng)度不及C304，由于地面氣旋由于處在兩支急流中間，C502爆發(fā)性發(fā)展中低層輻合不明顯。

圖8 200 hPa風(fēng)速(實(shí)線，單位：m·s-1)、風(fēng)矢量和正散度(填色)(實(shí)線箭頭線是200 hPa急流軸，黑色圓點(diǎn)為地面氣旋中心)(a)2007年3月3日18:00 C304，(b)2007年3月4日06:00 C304，(c)2007年3月4日18:00 C304，(d)2016年5月2日06:00 C502，(e)2016年5月2日18:00 C502，(f)2016年5月3日06:00 C502Fig.8 200 hPa wind speed(the solid line,unit:m·s-1),wind vector(unit:m·s-1)and positive divergence(the shaded)(the solid arrow line is jet stream at 200 hPa，the black dot indicates the cyclone center location) (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007，(b)C304 at 0600 UTC 4 Mar 2007，(c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007，(d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016，(e)C502 at 1800 UTC 2 May 2016，(f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

3.5 風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)特征

為更好表征兩個(gè)氣旋垂直運(yùn)動(dòng)的典型特征，與前面分析的時(shí)次不同，中間時(shí)次選擇為氣旋垂直上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)時(shí)次，C304為2007年3月4日00:00，C502為2016年5月3日00:00。

3.5.1 緯向垂直結(jié)構(gòu)特征

由不同時(shí)次沿氣旋中心緯向風(fēng)和垂直速度剖面圖(圖9)可以看到，C304強(qiáng)烈發(fā)展過程中，地面氣旋上空200 hPa至100 hPa存在西風(fēng)急流，其上有急流核向東傳播，急流中心最大風(fēng)速超過50 m·s-1；在低層800 hPa以下為偏東風(fēng)，中心最大風(fēng)速達(dá)20 m·s-1。C304強(qiáng)烈發(fā)展過程中，垂直運(yùn)動(dòng)首先在地面氣旋上空發(fā)展，垂直速度為-1×10-2hPa·s-1的區(qū)域由初期500 hPa(圖9a)上升到最強(qiáng)時(shí)次的300 hPa(圖9b)，中心數(shù)值絕對值由1×10-2hPa·s-1增至2×10-2hPa·s-1，在C304強(qiáng)烈發(fā)展后期(圖9c)垂直運(yùn)動(dòng)減弱，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)隨高度向東傾斜。C502在爆發(fā)性發(fā)展初期(圖9d)，300 hPa以上存在西風(fēng)急流，急流中心最大風(fēng)速達(dá)50 m·s-1并向東傳播。與C304不同，伴隨西風(fēng)急流的移出，C502地面上空300 hPa附近出現(xiàn)較強(qiáng)的東風(fēng)氣流(圖9e～圖9f)，最強(qiáng)時(shí)中心最大風(fēng)速達(dá)25 m·s-1。

圖9 C304和C502氣旋中心緯向風(fēng)(實(shí)線表示西風(fēng)，虛線表示東風(fēng)，單位：m·s-1)和垂直速度(填色)緯向垂直剖面圖(黑色三角為地面氣旋中心)(a)2007年3月3日18:00 C304，(b)2007年3月4日00:00 C304，(c)2007年3月4日18:00 C304，(d)2016年5月2日06:00 C502，(e)2016年5月3日00:00 C502，(f)2016年5月3日06:00 C502Fig.9 The zonal section of zonal wind(the solid line for west wind,the dotted line for east wind,unit:m·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502(the black triangle indicates the cyclone center location) (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007，(b)C304 at 0000 UTC 4 Mar 2007，(c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007，(d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016，(e)C502 at 0000 UTC 3 May 2016，(f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

由于C502氣旋性渦度的增加主要在對流層上層，因此，氣旋上空垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)分布與C304不同，C502上升運(yùn)動(dòng)區(qū)主要分布在地面氣旋中心兩側(cè)，為旋轉(zhuǎn)性上升運(yùn)動(dòng)，在氣旋爆發(fā)性發(fā)展后期，垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱，中心下沉。這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在高力等[28]對西北太平洋超強(qiáng)爆發(fā)性氣旋的個(gè)例分析中。

3.5.2 經(jīng)向垂直結(jié)構(gòu)特征

由沿氣旋中心緯向風(fēng)和垂直速度的經(jīng)向垂直剖面(圖10)可以看到，在C304和C502發(fā)展過程中，50°N和30°N西風(fēng)帶和副熱帶對流層中高層有兩支急流(J1和J2)，其中C304西風(fēng)帶急流軸在300 hPa至200 hPa之間，副熱帶西風(fēng)急流軸在200 hPa附近，急流軸最大風(fēng)速達(dá)到70 m·s-1。C304發(fā)展過程中，兩支急流高度變化不大，而西風(fēng)帶急流強(qiáng)度逐漸減弱，副熱帶急流強(qiáng)度維持不變。處于兩支急流之間的地面氣旋上空出現(xiàn)較強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，2007年3月4日00:00(圖10b)達(dá)到最強(qiáng)。

圖10 C304和C502氣旋中心緯向風(fēng)(實(shí)線表示西風(fēng)，虛線表示東風(fēng)，單位：m·s-1)和垂直速度(填色)經(jīng)向垂直剖面圖(黑色三角為地面氣旋中心)(a)2007年3月3日18:00 C304，(b)2007年3月4日00:00 C304，(c)2007年3月4日18:00 C304，(d)2016年5月2日06:00 C502，(e)2016年5月3日00:00 C502，(f)2016年5月3日06:00 C502Fig.10 The meridional section of zonal wind(the solid line for west wind,the dotted line for east wind,unit:m·s-1) and vertical velocity(the shaded) along centers of C304 and C502(the black triangle indicates the cyclone center location) (a)C304 at 1800 UTC 3 Mar 2007，(b)C304 at 0000 UTC 4 Mar 2007，(c)C304 at 1800 UTC 4 Mar 2007，(d)C502 at 0600 UTC 2 May 2016，(e)C502 at 0000 UTC 3 May 2016，(f)C502 at 0600 UTC 3 May 2016

續(xù)圖10

C502急流軸高度亦在300 hPa至200 hPa之間，但急流強(qiáng)度較C304明顯偏弱，急流軸最大風(fēng)速為50 m·s-1。C502發(fā)展過程中，西風(fēng)帶急流高度變化不大，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，副熱帶急流強(qiáng)度變化不大，但高度逐漸下降。處于兩支急流之間的地面氣旋上空垂直上升運(yùn)動(dòng)在2016年5月3日00:00(圖10e)最強(qiáng)，但強(qiáng)度和范圍較C304顯示偏弱。

4 結(jié)論和討論

研究表明：

1) C304和C502在江淮流域生成后，以相似路徑移動(dòng)到東北地區(qū)，但發(fā)展強(qiáng)度不同，其中C502路徑偏西、偏北，較罕見。

2) C304高空正渦度平流區(qū)位于地面氣旋上空，為氣旋發(fā)展提供高空輻散場；C502高空正渦度平流位于高空槽前，局地渦度增加促使高空氣旋性環(huán)流生成發(fā)展。C304強(qiáng)烈發(fā)展過程中，低空有很強(qiáng)的冷、暖溫度平流，氣旋在鋒區(qū)上發(fā)展，斜壓性強(qiáng)；C502爆發(fā)性發(fā)展過程中，冷、暖平流不顯著，發(fā)展過程中沒有明顯鋒生，斜壓性不明顯。

3) 在濕位渦緯向垂直分布中，對流層中下層正濕位渦異常發(fā)展，C304強(qiáng)于C502，對流層上層異常發(fā)展C502強(qiáng)于C304；在濕位渦經(jīng)向垂直分布中，對流層中上層有正濕位渦舌發(fā)展下垂，C304正濕位渦舌寬而短，下垂高度低，C502正濕位渦舌窄而細(xì)長，下垂高度高；在氣旋強(qiáng)烈發(fā)展和爆發(fā)性發(fā)展最強(qiáng)時(shí)刻，C304正濕位渦舌與對流層下層正濕位渦區(qū)有一定距離，C502正濕位渦舌與對流層下層正濕位渦柱耦合貫通。

4) C304和C502發(fā)展在高空200 hPa西風(fēng)帶西風(fēng)急流和副熱帶西風(fēng)急流兩支急流共存、西風(fēng)帶西風(fēng)急流發(fā)生反氣旋彎曲環(huán)流形勢下。C304由副熱帶西風(fēng)急流出口區(qū)左側(cè)輻散區(qū)東移北上，進(jìn)入西風(fēng)帶急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)，在低層進(jìn)入和穿越偏南氣流前端強(qiáng)輻合場過程中強(qiáng)烈發(fā)展；C502由西風(fēng)帶急流東段南支西風(fēng)急流中心入口右側(cè)輻散區(qū)東移北上，在進(jìn)入北支西風(fēng)急流中心入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)過程中爆發(fā)性發(fā)展。

5) 在低空強(qiáng)輻合、高空強(qiáng)輻散作用下，C304地面中心上空，對流層下層到中上層出現(xiàn)深厚的垂直上升運(yùn)動(dòng)；C502高空輻散作用強(qiáng)、低空輻合弱，垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)主要分布在地面氣旋中心兩側(cè)，上升運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)性上升運(yùn)動(dòng)。低空輻合在C304發(fā)展中發(fā)揮主要作用，高空輻散在C502爆發(fā)性發(fā)展中發(fā)揮主要作用。

C304和C502發(fā)展動(dòng)力機(jī)制對比表明：C304強(qiáng)烈發(fā)展的主要機(jī)制是低空斜壓強(qiáng)迫，C502爆發(fā)性發(fā)展的主要機(jī)制是高空位渦異常發(fā)展和位渦下傳。根據(jù)丁一匯[6]對溫帶氣旋的論述，C304發(fā)展從低層開始符合第一類經(jīng)典鋒面波動(dòng)發(fā)展氣旋，C502啟動(dòng)機(jī)制在高空符合第二類氣旋。研究[6-8,21-24]證實(shí)，高層位渦異常下傳是爆發(fā)性氣旋重要?jiǎng)恿μ卣?，大氣斜壓性對氣旋?qiáng)烈發(fā)展有重要作用[12,13-14]。