傅 剛， 張雪貝， 孫柏堂， 鄢 珅， 陳蒞佳

(1. 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院 海洋氣象學(xué)系， 山東 青島 266100； 2. 萊西市氣象局， 山東 青島 266622)

爆發(fā)性氣旋(Explosive Extratropical Cyclone,EEC)是指快速發(fā)展的溫帶氣旋。1979年 Rice[1]使用了“爆發(fā)性發(fā)展”(Explosive Development)一詞來描述1979年8月在大西洋上一個氣旋的快速發(fā)展。1980年, Sanders和Gyakum[2]首次給出了爆發(fā)性氣旋的定義，他們把在24 h內(nèi)氣旋中心氣壓下降24 hPa以上，即氣壓加深率達到1 hPa·h-1(定義為1 Bergeron)及其以上的溫帶氣旋稱為“爆發(fā)性氣旋”。從衛(wèi)星云圖上看，爆發(fā)性氣旋多伴有“螺旋”狀云系。由于爆發(fā)性氣旋多形成于中高緯度洋面上，發(fā)展速度快，常常會伴有狂風(fēng)、暴雨和降雪，嚴重威脅人類活動、交通運輸和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全[3]，因此被認為是最危險的天氣系統(tǒng)之一。由于海上觀測資料相對少，所以準確預(yù)報爆發(fā)性氣旋的難度很大[4]。北大西洋是船舶航行密集的區(qū)域，開展爆發(fā)性氣旋的研究具有重要價值。

溫帶氣旋具有“千姿百態(tài)”的形狀特征，有的呈“孤立”(Isolated)形態(tài)，成熟時衛(wèi)星云圖上有清晰的“眼”狀結(jié)構(gòu)[5]；有的呈“氣旋對”(Pair)形態(tài)[6]；有的以“氣旋族”(Family)形式存在[7]；有時，還存在著氣旋的吞并/合并現(xiàn)象。已有前人針對熱帶氣旋的吞并/合并現(xiàn)象開展了深入探究。

Kuo等[8]研究了兩個熱帶氣旋Zeb和Alex的合并過程。Leidner等[9]指出，熱帶氣旋Yates和Zane之間有明顯的相互作用。在它們向東移動的過程中，較強的熱帶氣旋Zane于1996年10月2日00 UTC追趕上較弱的熱帶氣旋Yates并將其吞并。

概括而言，前人對氣旋吞并/合并的判定方法主要有以下幾種：

(1)衛(wèi)星云圖上云系的合并。Kuo等[8]利用日本地球同步氣象衛(wèi)星(GMS)的紅外圖像顯示，合并前氣旋Zeb和Alex都呈現(xiàn)有組織的云團結(jié)構(gòu)。在合并過程中，氣旋Alex的云團結(jié)構(gòu)被Zeb擾動發(fā)生形變。隨著兩氣旋演變，Alex逐漸圍繞在Zeb周圍，兩氣旋合并后逐漸變形為螺旋帶。

(2)“渦旋柱”的合并。Kieu和Zhang[10]指出，由絕對渦度值大于4×10-5s-1的等值線圍成兩個不同的直立旋轉(zhuǎn)的“渦旋柱”，相互靠近，4×10-5s-1的等值線把兩“渦旋柱”連接起來，“渦旋柱”由兩個合并為一個，表示兩氣旋的合并。

(3)兩氣旋連線垂直剖面的法向風(fēng)速零線相連接[10]。氣旋未合并前風(fēng)速零線為兩條相互獨立的線，表示兩個氣旋的存在。之后隨著氣旋的合并，風(fēng)速零線連接為一條。

相對于熱帶氣旋合并現(xiàn)象的研究而言，研究爆發(fā)性氣旋的吞并/合并問題的論文較少。2003年3月5—10日北大西洋上發(fā)生了一個較強的爆發(fā)性氣旋(后文分析中簡稱為氣旋B)“吞并”另一個較弱的爆發(fā)性氣旋(后文分析中簡稱為氣旋A)后繼續(xù)爆發(fā)性發(fā)展的個例。氣旋B和氣旋A的移動路徑都較長，穿越了整個北大西洋。氣旋B的中心氣壓最大加深率達到3.27 hPa·h-1，有兩個時刻的中心氣壓加深率超過2.5 hPa·h-1，屬于超強(Super)爆發(fā)性氣旋[11]。本文擬利用歐洲中期天氣預(yù)報中心的ERA-Interim 再分析資料和WRF數(shù)值模擬結(jié)果等多種資料，對以上個例進行分析。

1 資料和方法

本文使用的資料如下：

(1) 歐洲中期天氣預(yù)報中心提供的ERA-Interim 再分析資料, 時間分辨率為6 h，空間分辨率為0.125(°)×0.125(°)，包括位勢高度、氣溫、風(fēng)度等物理量，主要用于分析天氣形勢和驅(qū)動WRF模式，數(shù)據(jù)下載地址為：http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=pl/。

(2) 美國國家航空航天局(NASA)提供的MODIS可見光云圖，主要用于分析氣旋的演變過程，下載地址為：https://worldview.earthdata.nasa.gov/。

(3)氣象衛(wèi)星合作研究所(CIMSS)提供的GOES-EAST (Geostationary Operational Environment Satellite-EAST)的紅外衛(wèi)星云圖，時間間隔為3 h，主要用于分析氣旋的吞并過程，下載地址為：http://tropic.ssec.wisc.edu/archive。

本文使用Yoshida和Asuma[12]給出的爆發(fā)性氣旋的定義，即把Sanders和Gyakum[2]給出的爆發(fā)性氣旋的定義公式中的時間間隔由24 h調(diào)整為12 h。

2 氣旋的演變過程

2.1 氣旋A的演變過程

圖1為根據(jù)ERA-Interim 再分析資料確定的氣旋A、B和C的移動路徑。3月5日06 UTC，氣旋A生成于美國東部(82°W，35°N)附近，然后快速向東北方向移動。7日12 UTC，氣旋A在(40°W，51°N)附近的路徑發(fā)生回旋，持續(xù)了約18 h，氣旋A在8日06 UTC 在北大西洋中部(40°W，49°N)附近被氣旋B吞并后形成氣旋C。

圖1 2003年3月5日06 UTC至10日18 UTC氣旋A、B和C的移動路徑和海表面溫度梯度(填色，間隔0.8×10-4 K·m-1)

圖2為氣旋A、B和C的海平面中心氣壓和氣旋中心氣壓加深率隨時間變化曲線。3月5日06 UTC，氣旋A的中心氣壓為1 014 hPa，隨后其中心氣壓緩慢降低，6日18 UTC之前，氣旋A的中心氣壓加深率在1.3 hPa·h-1左右(見圖2(b))。6日18 UTC至7日12 UTC氣旋A的中心氣壓加深率逐漸減小且由正轉(zhuǎn)負，氣旋A中心氣壓于7日06 UTC上升(見圖2(a))，此時氣旋A減弱，加深率小于1 hPa·h-1，已達不到爆發(fā)性氣旋強度。7日12 UTC，氣旋A中心氣壓再次下降，其中心氣壓加深率開始增大，氣旋A開始第二次迅速發(fā)展階段，且于8日00 UTC其中心氣壓加深率達到最大值2.88 hPa·h-1。

圖2 氣旋A、B和C的 (a) 海平面中心氣壓(實線，hPa)及(b)中心氣壓變化率(實線，hPa·h-1)隨時間變化曲線

圖3為2003年3月5—10日10 m高度風(fēng)場與海平面氣壓場疊加Terra衛(wèi)星所提供的MODIS可見光云圖。從圖中可以看出，初始階段氣旋A所伴隨的云系邊界模糊 (見圖3(a))。隨著時間推移，云系逐漸拉長，變成細長的“帶狀”云系，邊界逐漸清晰分明(見圖3(b))，隨后氣旋B追上氣旋A，氣旋A云系被氣旋B干擾發(fā)生變化。7日12 UTC之后，氣旋A附近的環(huán)流進一步變形，并向氣旋B以北移動。氣旋A有被氣旋B“吞并”的趨勢(見圖3(c)～(d)，圖4(a)～(d))。Fujiwhara[13]曾指出，兩個具有相同旋轉(zhuǎn)方向的渦旋在一定的范圍內(nèi)有相互靠近的傾向，且大渦旋可以“吞并”多個具有相同旋轉(zhuǎn)方向的小渦旋，衛(wèi)星云圖上所呈現(xiàn)的云系變化與Fujiwhara[13]的理論相吻合。

((a)2003年3月5日12 UTC (Terra衛(wèi)星過氣旋A中心時間約為15:40 UTC)；(b)3月6日12 UTC (Terra衛(wèi)星過氣旋A中心時間約為14:43 UTC，過氣旋B中心時間約為16:22 UTC)；(c)3月7日12 UTC (Terra衛(wèi)星過氣旋A中心時間約為13:45 UTC，過氣旋B中心時間約為13:48 UTC)；(d)3月8日12 UTC (Terra衛(wèi)星過氣旋C中心時間約為14:28 UTC)；(e)3月9日12 UTC (Terra衛(wèi)星過氣旋C中心時間約為13:32 UTC)；(f)3月10日12 UTC (Terra衛(wèi)星過氣旋C中心時間約為12:35 UTC)。藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。(a)2003-03-05 12 UTC; (b)2003-03-06 12 UTC; (c)2003-03-07 12 UTC; (d)2003-03-08 12 UTC; (e)2003-03-09 12 UTC; (f)2003-03-10 12 UTC. Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

(藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

2.2 氣旋B和氣旋C的演變過程

氣旋C為氣旋B在其發(fā)展過程中吞并氣旋A后所形成，結(jié)合三者的移動路徑、中心氣壓以及中心氣壓加深率隨時間的變化和衛(wèi)星云圖特征，可將其演變過程大致劃分成四個階段：a.初始階段(6日00 UTC—17 UTC)；b.爆發(fā)性發(fā)展階段(6日18 UTC—7日17 UTC)；c.成熟階段(7日18 UTC—8日11 UTC)；d.衰亡階段(8日12 UTC—10日18 UTC)。其中7日18 UTC 為氣旋B中心氣壓加深率最大時刻，8日12 UTC 為氣旋C中心氣壓最低時刻。

a.初始階段(6日00 UTC—17 UTC)：氣旋B于3月6日00 UTC生成于美國東海岸(90°W, 35°N)附近，氣旋中心氣壓值為1 007.0 hPa，中心氣壓加深率為0.36 hPa·h-1。隨后氣旋B向東北方向移動，12 h后由東北方向轉(zhuǎn)向東移動，且移動速度比氣旋A更快。衛(wèi)星云圖顯示，氣旋B初始生成時為無組織的云系。

b.發(fā)展階段(6日18 UTC—7日17 UTC)：6日18 UTC，氣旋B再次向東北方向移動，且移動方向逐漸向北方向偏移，氣旋B在該時刻爆發(fā)性發(fā)展，其中心氣壓加深率為1.25 hPa·h-1。6 h后，氣旋B的中心氣壓加深率由1.61 hPa·h-1下降到1.43 hPa·h-1，隨后繼續(xù)上升，于7日18 UTC達到最大值3.27 hPa·h-1(見圖2(b))。衛(wèi)星云圖上(見圖3(c))，3月7日氣旋B上空的云團呈現(xiàn)阿拉伯數(shù)字“7字”形狀，云系邊界逐漸清晰。從7日12 UTC開始，氣旋B西側(cè)的對流變?nèi)?見圖4(b))。在此階段氣旋A和氣旋B呈現(xiàn)“二元旋轉(zhuǎn)”態(tài)勢，距離從2 500 km減少到700 km。

c.成熟階段(7日18 UTC—8日11 UTC)：氣旋B中心氣壓值逐漸降低，8日00 UTC達到949 hPa。8日06 UTC于北大西洋中部地區(qū)(40°W，49°N)附近, 氣旋B把氣旋A“吞并”后中心氣壓繼續(xù)降低。8日12 UTC氣旋中心氣壓降至最小值938 hPa。氣旋B中心氣壓加深率從3.27 hPa·h-1降至1.0 hPa·h-1。衛(wèi)星云圖上(見圖4(d))，到8日00 UTC，氣旋B已變形為螺旋云帶，已不能根據(jù)清晰邊界來區(qū)分與氣旋A相伴隨的云系。在氣旋演變過程中云團邊界逐漸清晰，云系呈清晰的“T狀”結(jié)構(gòu)(見圖3(d))。結(jié)果表明，強度較弱的氣旋A幾乎被完全瓦解，最終形成的氣旋C的云系結(jié)構(gòu)以強度較強的氣旋B為主。

d.衰亡階段(8日12 UTC—10日18 UTC)：氣旋B“吞并”氣旋A后形成氣旋C繼續(xù)向東北方向移動，移動速度明顯變慢。8日12 UTC，氣旋C中心氣壓加深率由正轉(zhuǎn)負，中心氣壓緩慢增加。于10日18 UTC在大西洋東北部(16°W，58°N)附近衰亡。

本文重點關(guān)注氣旋B吞并氣旋A的過程，選取爆發(fā)性發(fā)展階段以及成熟階段7日06 UTC、7日18 UTC、8日06 UTC共3個時刻進行分析。

圖5為2003年3月7日06 UTC的高空和地面天氣圖。氣旋A位于上空300 hPa天氣圖(見圖5(a))的槽前，下游為一脊，且氣旋A位于東北—西南向高空急流(1)本文定義高空急流在對流層上層，急流中心最大風(fēng)速大于50 m·s-1。出口左側(cè)區(qū)域，散度約為3×10-5s-1。氣旋B的上空是高空急流軸，最大風(fēng)速約為100 m·s-1，所以氣旋B在該時刻移動速度快，逐漸追上氣旋A。氣旋A位于500 hPa(見圖5(b))天氣圖的槽上，地面低壓與高空槽相遇，正渦度平流非常弱。氣旋B上空的正渦度平流約為1×10-8s-2。此時溫度槽與位勢高度槽基本重合。氣旋A位于850 hPa(見圖5(c))等位勢高度線閉合曲線內(nèi)，冷平流非常弱。氣旋B上空附近的冷平流也同樣較弱，根據(jù)等溫線密集程度確定鋒面位置，氣旋B中心北側(cè)等位溫線相對更為密集，說明氣旋西側(cè)有較弱冷鋒，東側(cè)有相對較弱的暖鋒。海平面氣壓場(見圖5(d))上，氣旋A中心氣壓為967.7 hPa，氣旋B中心氣壓為986.3 hPa。氣旋B位于SST梯度大值區(qū)域附近，受氣旋式風(fēng)切變影響，海表面風(fēng)將來自北部暖洋面的暖空氣向氣旋中心輸運。綜上分析，在該時刻氣旋A和B附近的高層散度場、中層渦度平流場、低層溫度平流場、海表面溫度梯度都較弱，對應(yīng)該時刻氣旋A和B的中心氣壓加深率都有所下降 (見圖2(b))。

((a) 300 hPa 位勢高度場(實線，間隔 100 gpm)，散度場(虛線，間隔10-5 s-1)和風(fēng)速(箭頭，m·s-1，大于 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa 位勢高度場(實線，間隔 80 gpm) ，溫度場(虛線，間隔 3 ℃)和渦度平流場(填色，間隔0.6×10-8 s-2); (c) 850 hPa 位勢高度場 (實線，間隔 80 gpm) ，溫度場(虛線，間隔 3 ℃) 和溫度平流場(填色，間隔0.2×10-3 ℃·s-1); (d) 海平面氣壓場 (實線，間隔6 hPa)，海平面溫度梯度(填色，間隔0.8×10-4 K·m-1)和10 m高度風(fēng)場 (箭頭，m·s-1 )。藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。(a) 300 hPa geopotential height (solid, 100 gpm interval), divergence of horizontal wind (dashed, 10-5 s-1 interval) and wind vector (arrows, m·s-1 , greater than 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval) , air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of vorticity (shaded, 0.6×10-8 s-2 interval); (c) 850 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval), air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of temperature (shaded, 0.2×10-3 ℃·s-1 interval); (d) sea level pressure (solid, 6 hPa interval): gradient of sea surface temperature (shaded, 0.8×10-4 K·m-1 interval) and 10 m height wind (arrows, m·s-1 ). Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

7日18 UTC，氣旋A和氣旋B均位于300 hPa的槽前(見圖6(a))，且位于東—西向高空急流出口左側(cè)，對應(yīng)的散度值分別為3×10-5s-1和2×10-5s-1。這一天氣形勢有利于溫帶氣旋的快速發(fā)展[14]。500 hPa上(見圖6(b))，氣旋B附近的正渦度平流加強，約為1.2×10-8s-2。后槽追上前槽且兩槽合并，槽進一步加深，溫度槽落后于位勢高度槽，大氣斜壓性強。850 hPa上(見圖6(c))，冷平流和氣旋B西南側(cè)的冷鋒均進一步加強，氣旋A的南側(cè)出現(xiàn)冷鋒，東北側(cè)出現(xiàn)向東延伸的暖鋒。海平面氣壓場(見圖6(d))上，氣旋A和氣旋B的中心氣壓分別為969.9和965.3 hPa。氣旋B開始有“吞并”氣旋A的趨勢, 從而導(dǎo)致隨后的氣旋快速發(fā)展。綜上分析，在該時刻氣旋A和氣旋B幾乎處于相同的環(huán)流背景下，高空槽追上地面氣旋中心，不僅中低層系統(tǒng)強盛，高層系統(tǒng)進一步發(fā)展，氣旋B在此時刻中心氣壓加深率達到最大值3.27 hPa·h-1，氣旋A的中心氣壓加深率也升至1 hPa·h-1。

((a) 300 hPa 位勢高度場(實線，間隔 100 gpm)，散度場(虛線，間隔10-5 s-1)和風(fēng)速(箭頭，m·s-1，大于 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa 位勢高度場(實線，間隔 80 gpm) ，溫度場(虛線，間隔 3 ℃)和渦度平流場(填色，間隔0.6×10-8 s-2); (c) 850 hPa 位勢高度場 (實線，間隔 80 gpm) ，溫度場(虛線，間隔 3 ℃) 和溫度平流場(填色，間隔0.2×10-3 ℃·s-1); (d) 海平面氣壓場 (實線，間隔6 hPa)，海平面溫度梯度(填色，間隔0.8×10-4 K·m-1)和10 m高度風(fēng)場 (箭頭，m·s-1 )。藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。(a) 300 hPa geopotential height (solid, 100 gpm interval), divergence of horizontal wind (dashed, 10-5 s-1 interval) and wind vector (arrows, m·s-1 , greater than 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval) , air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of vorticity (shaded, 0.6×10-8 s-2 interval); (c) 850 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval), air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of temperature (shaded, 0.2×10-3 ℃·s-1 interval); (d) sea level pressure (solid, 6 hPa interval): gradient of sea surface temperature (shaded, 0.8×10-4 K·m-1 interval) and 10 m height wind (arrows, m·s-1 ). Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

8日06 UTC，氣旋B在北大西洋中部地區(qū)(40°W，49°N)附近把氣旋A“吞并”后形成氣旋C。在300 hPa(見圖7(a))上，氣旋C遠離高空急流出口區(qū)，高空輻散減弱。500 hPa(見圖7(b))上槽減弱。850 hPa(見圖7(c))上，“T-型”的鋒面結(jié)構(gòu)進一步發(fā)展，冷鋒向東移動，此時鋒面形態(tài)與云團形態(tài)類似，呈明顯的“T-型”結(jié)構(gòu)。海平面氣壓場(見圖7(d))上，氣旋C中心氣壓降至939.0 hPa, 移動速度明顯變慢，進入成熟階段。

((a) 300 hPa 位勢高度場(實線，間隔 100 gpm)，散度場(虛線，間隔10-5 s-1)和風(fēng)速(箭頭，m·s-1，大于 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa 位勢高度場(實線，間隔 80 gpm) ，溫度場(虛線，間隔 3 ℃)和渦度平流場(填色，間隔0.6×10-8 s-2); (c) 850 hPa 位勢高度場 (實線，間隔 80 gpm) ，溫度場(虛線，間隔 3 ℃) 和溫度平流場(填色，間隔0.2×10-3 ℃·s-1); (d) 海平面氣壓場 (實線，間隔6 hPa)，海平面溫度梯度(填色，間隔0.8×10-4 K·m-1)和10 m高度風(fēng)場 (箭頭，m·s-1 )。藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。(a) 300 hPa geopotential height (solid, 100 gpm interval), divergence of horizontal wind (dashed, 10-5 s-1 interval) and wind vector (arrows, m·s-1 , greater than 50 m·s-1 ); (b) 500 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval) , air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of vorticity (shaded, 0.6×10-8 s-2 interval); (c) 850 hPa: geopotential height (solid, 80 gpm interval), air temperature (dashed, 3 ℃ interval) and advection of temperature (shaded, 0.2×10-3 ℃·s-1 interval); (d) sea level pressure (solid, 6 hPa interval): gradient of sea surface temperature (shaded, 0.8×10-4 K·m-1 interval) and 10 m height wind (arrows, m·s-1 ). Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

8日12 UTC(圖略)，300 hPa天氣圖上高空槽下游的等高線相對稀疏，急流減弱。500 hPa天氣圖上的正渦度平流減弱，850 hPa圖上“T-型”鋒面結(jié)構(gòu)開始瓦解，冷鋒進一步向東移動。海平面氣壓場上，氣旋C中心氣壓降至最低值938.3 hPa后開始逐漸回升。

圖8為氣旋A和氣旋B從2003年3月6日18 UTC—8日00 UTC的相互氣旋式旋轉(zhuǎn)軌跡。在此階段，氣旋A和B的距離從2 500 km減少到650 km。氣旋A比氣旋B的強度更弱。作者使用相對于對稱中心的軌跡(見圖8(a))和相對于氣旋B的軌跡(見圖8(b))來表示兩個氣旋的二元旋轉(zhuǎn)。很明顯，氣旋A是繞著氣旋B旋轉(zhuǎn)的，在7日12 UTC之后，隨著氣旋A移動到離氣旋B約1 500 km范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)速度變得更快。雖然存在兩個強度不同的渦旋系統(tǒng)，但最終的吞并距離與Wang和Holland[15]的斜壓模式計算結(jié)果一致。

( (a)相對于對稱中心的軌跡，(b)相對于氣旋B的軌跡。(a) The trajectory relative to centroid, (b) The trajectory relative to cyclone B.)

2.3 氣旋B吞并氣旋A的過程

下面在水平方向上分析氣旋B吞并氣旋A的過程。圖9為900 hPa的相對渦度、10 m高度風(fēng)場和海平面氣壓場分布圖。氣旋A和氣旋B相對渦度場形態(tài)演變過程與衛(wèi)星云圖上的云系形態(tài)演變過程相當吻合。7日06 UTC(見圖9(a))，氣旋A上空的云團和相對渦度場均呈現(xiàn)阿拉伯數(shù)字“7”字形狀，6 h后，氣旋A的相對渦度場因氣旋B的干擾演變?yōu)殚L條狀(見圖9(b))。7日18 UTC(見圖9(c))，長條狀相對渦度場進一步延伸。到8日00 UTC(見圖9(d))，氣旋A和氣旋B渦度場均呈氣旋式彎曲。氣旋B吞并氣旋A后形成氣旋C的渦度場呈現(xiàn)清晰的“T”狀結(jié)構(gòu)(見圖9(e)、圖9(f))，與“T-型”的鋒面結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。

(線AiBi(i=1,…,6)用于分析垂直剖面，藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Lines AiBi(i=1,…,6) are used for the vertical cross section analyses later. Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

圖10為相對渦度和法向風(fēng)速的垂直剖面圖。7日06 UTC，氣旋A和B對應(yīng)的相對渦度大值中心均位于950 hPa附近，氣旋A的相對渦度約為5.5×10-4s-1，氣旋B的相對渦度約為4.2×10-4s-1，對應(yīng)氣旋A和氣旋B的法向風(fēng)速零線分別位于900和800 hPa以下。7日12 UTC，氣旋B的“渦旋柱”大值中心位于950 hPa附近，其值為6.5×10-4s-1，氣旋A的渦度中心值為2.3×10-4s-1，但環(huán)流逐漸抬升至對流層中層，7日06 UTC至12 UTC(見圖10(a)，(b))，氣旋A和氣旋B呈現(xiàn)為兩個“渦旋柱”，它們的相對渦度具有相當?shù)牧考?，但氣旋B的尺度較大。7日18 UTC(見圖10(c))，氣旋B相對渦度大值中心抬升至850 hPa附近，氣旋A和氣旋B相互靠近，氣旋A和氣旋B渦度均減小，但兩“渦旋柱”尚未連接。8日00 UTC(見圖10(d))，氣旋A和B的風(fēng)速零線相接，0.7×10-4s-1渦度等值線把兩“渦旋柱”連接起來，氣旋B開始吞并氣旋A，氣旋B相對渦度中心值約為8×10-4s-1，氣旋B的低層環(huán)流在吞并過程中向上發(fā)展。8日06 UTC(見圖10(e))，此時在海平面氣壓場上氣旋A的中心已無法被追蹤，氣旋C中心移動至高空急流出口區(qū)左側(cè)，風(fēng)速零線抬升并直立。以原氣旋B為主體形成的氣旋C有一個深厚的“渦旋柱”，氣旋A有部分環(huán)流殘留，8日12 UTC(見圖10(f))，氣旋A殘留的環(huán)流被進一步吞并進氣旋C內(nèi)，吞并過程結(jié)束。

(圖中正相對渦度值用填色表示，綠色等值線為相對渦度值為0.7×10-4 s-1 線，紅色等值線為垂直于剖面的風(fēng)速0線，藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Relative vorticity greater than zero are shaded. Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone A center, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

氣旋B吞并氣旋A的過程大致可分為以下三個階段：

A.前期階段 (6日12 UTC—7日23 UTC) 氣旋A和氣旋B呈現(xiàn)為兩個獨立的“渦旋柱”，它們的高度和相對渦度有大體相當?shù)牧考?，氣旋A和氣旋B相互靠近，各自的渦度值均減小。

B.吞并階段 (8日00 UTC—8日05 UTC) 當氣旋A與氣旋B之間的距離縮至650 km以內(nèi)時，8日00 UTC，從中低層開始，氣旋B逐漸吞并A，氣旋A和氣旋B的風(fēng)速零線相接，兩“渦旋柱”開始連接。

C.完成階段 (8日06 UTC—8日12 UTC) 氣旋A的海平面氣壓中心于8日07 UTC后就無法被追蹤。風(fēng)速零線直立，以原氣旋B的環(huán)流為主體形成的氣旋C有一個深厚的“渦旋柱”，氣旋A殘留的環(huán)流被進一步吞并進氣旋C內(nèi)。

3 WRF模擬結(jié)果分析

本文使用的大氣數(shù)值模式WRF-3.5的主要參數(shù)設(shè)置見表1, 模式積分區(qū)域中心位置為(40°W, 50°N)，網(wǎng)格水平分辨率為20 km×20 km，垂直方向為不等間距的28 層。大氣邊界層方案為YSU方案[16]，積云參數(shù)化方案為Kain-Fritsch方案[17]，大氣長波輻射方案為RRTM方案[18]，短波輻射方案為Dudhia方案[19]，微物理方案為Lin方案[20]。WRF模式積分的側(cè)邊界條件和初始場由ERA-Interim資料提供，積分的初始時刻為2003年3月6日06 UTC, 共積分了60 h。

表1 WRF 模式的主要參數(shù)設(shè)置表

圖11為ERA-Interim資料分析結(jié)果與WRF模式模擬結(jié)果的對比分析圖，可以發(fā)現(xiàn)氣旋移動路徑基本一致(見圖11(a))，氣旋中心氣壓隨時間變化趨勢也相似(見圖11(b))，過氣旋A和氣旋B中心連線的相對渦度和法向風(fēng)速的垂直剖面圖(見圖12)來看，氣旋B吞并氣旋A的過程也基本相似。綜上所述，WRF模式模擬結(jié)果與ERA-Interim資料分析結(jié)果在以上三方面分析中吻合得較好，雖然WRF模式模擬結(jié)果分析得到的氣旋B吞并A的時間比ERA-Interim資料分析得到的結(jié)果提前4 h，但能夠較準確地描繪北大西洋上氣旋B吞并A后的爆發(fā)性發(fā)展過程。下面我們將利用WRF模式模擬結(jié)果對氣旋的發(fā)展機制進行分析。

圖11 (a) WRF模式模擬結(jié)果(虛線)和ERA-Interim 資料(實線)的氣旋中心移動路徑(每兩個相鄰點的時間間隔為6 h)及(b) 海平面中心氣壓隨時間變化對比圖(實線為 ERA-Interim 資料分析結(jié)果，虛線為 WRF 模式模擬結(jié)果

((a)、(b)、(c)為WRF 模式模擬結(jié)果；(d)、(e)、(f)為ERA-Interim 資料。正相對渦度值用填色表示，綠色等值線為相對渦度值為0.7×10-4 s-1線，紅色等值線為垂直于剖面的風(fēng)速0線，藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。WRF modeling result: (a), (b), (c). ERA-Interim data: (d), (e), (f). Relative vorticity values greater than 0 are shaded. Blue dots indicate the positions of cyclone A center, purple rectangle symbols indicate the positions of cyclone B center. Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

3.1 水汽輸送通道

(1)

氣旋A與氣旋B之間的水汽輸送通道的建立過程可以通過分析整層水汽通量散度的變化進行研究[7]。本文選取7日18 UTC、7日20 UTC、7日22 UTC、8日00 UTC四個時刻進行分析。

(圖中帶箭頭的實線為水汽通道，藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Solid lines with arrows are water vapor channel. Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

3.2 潛熱釋放

氣旋B吞并氣旋A的過程發(fā)生在水汽充足的北大西洋海域，潛熱釋放的作用重要。Yanai等[21]通過研究計算視水汽匯(Apparent moisture sink)，用物理量Q表征潛熱[3]，公式如下：

(2)

圖14為900 hPa的視水汽匯Q、風(fēng)場和位勢高度場分布圖。7日12 UTC(見圖14(a))，氣旋B附近的視水汽匯Q呈西南-東北向帶狀分布，且氣旋B中心附近Q值約為2.6 J·kg-1·s-1，而氣旋A附近的視水汽匯Q幾乎為0，潛熱釋放作用很弱。氣旋A和氣旋B的南側(cè)均有低空急流存在，最大風(fēng)速約為40 m·s-1。7日18 UTC至—20 UTC(見圖14(b)，(c))，氣旋B南側(cè)附近的視水汽匯Q帶狀分布逐漸“轉(zhuǎn)豎”，氣旋B附近的視水汽匯Q減弱至1.6 J·kg-1·s-1。

(線GiHi(i=1,…,8)用于分析垂直剖面，藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Lines GiHi(i=1,…,8) are used for vertical cross section analyses later. Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

之后的4 h內(nèi)(見圖14(d)，(e))，氣旋A中心附近的視水汽匯Q很小，潛熱釋放作用很弱，而氣旋B南側(cè)視水汽匯Q逐漸加強至2.2 J·kg-1·s-1，潛熱釋放作用加強，帶狀分布進一步拉長，為氣旋發(fā)展提供充足的水汽條件。氣旋A和氣旋B進一步互旋，低空急流位于氣旋對的南部，強度變大。8日02 UTC(見圖14(f))，氣旋B吞并氣旋A，Q的分布與“T狀”衛(wèi)星云圖分布相呼應(yīng)，表明該氣旋的爆發(fā)性發(fā)展與潛熱釋放作用有密切聯(lián)系。8日06 UTC至12 UTC(見圖14(g)，(h))，隨著爆發(fā)性氣旋演變至成熟階段，視水汽匯Q場逐漸減弱至0.6 J·kg-1·s-1。

3.3 ω方程診斷分析

下面利用ω方程，分析渦度平流、溫度平流、非絕熱加熱等各項因子對氣旋發(fā)展的貢獻。

p坐標系下的ω方程為：

(3)

圖15給出了渦度平流和垂直速度的垂直剖面圖，可以看出，7日12 UTC(見圖15(a))，氣旋B附近的上升運動速度最大值超過6×10-1m·s-1，其中心附近下沉氣流很弱。地面氣旋B上空的負渦度平流位于西南側(cè)，正渦度平流位于東北側(cè)，渦度平流的垂直分布與垂直運動速度相對應(yīng)，上升運動速度中心對應(yīng)的渦度平流約為7×10-8s-2。結(jié)合高空環(huán)流形勢，此時氣旋B 受到高空急流出口區(qū)左側(cè)強輻散的影響。地面氣旋A中心上方的垂直運動很弱，由于氣旋A在高空遠離高空急流出口區(qū)左側(cè)的強輻散區(qū)域，因此渦度平流的作用并不明顯，對應(yīng)此時氣旋A中心氣壓明顯下降，加深率小于1 hPa·h-1。7日18 UTC(見圖15(b))，氣旋B附近上升運動速度超過8×10-1m·s-1，上升氣流基本延伸至整個對流層，上升運動速度中心位于800 hPa附近，但渦度平流作用很弱，猜想該時刻氣旋 B 的爆發(fā)性發(fā)展來源于其它因素。氣旋A的上升運動速度也增大至2×10-1m·s-1，渦度平流作用增強。對應(yīng)氣旋A的第二次爆發(fā)，中心氣壓加深率達到2.88 hPa·h-1。7日20 UTC(見圖15(c))，雖然氣旋B的上升運動減弱至2.5×10-1m·s-1，但是上升運動速度中心抬升至600 hPa附近，氣旋A的上升運動增大至2.5×10-1m·s-1，此時氣旋A和B的垂直速度相近。氣旋B的渦度平流作用略有增強，渦度平流的作用突顯出來，而氣旋A的渦度平流作用減弱。之后的4 h內(nèi)(見圖15(d)，(e))，氣旋B的上升運動速度中心演變?yōu)?個，分別位于 750和550 hPa 附近。在500 hPa上出現(xiàn)等位勢高度線閉合中心，此時渦度平流的作用仍然存在，但強度明顯減弱，氣旋A的上升運動和渦度平流作用均減弱。氣旋B吞并A后(見圖15(f))，上升運動速度減小，氣旋C的渦度平流作用明顯減弱。

(藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Blue dot indicates the position of cyclone B. Purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A. Black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

溫度平流的垂直分布圖見圖16。7日12 UTC(見圖16(a))，在對流層低層，氣旋B中心西南側(cè)為冷平流，氣旋B的上方為暖平流，氣旋B上升運動大值中心對應(yīng)暖平流作用。7日18 UTC(見圖16(b))，氣旋B中心西北側(cè)為冷平流，可能與來自西南方向的冷輸送帶有關(guān)。此時氣旋 B 對應(yīng)的上升運動速度超過8×10-1m·s-1。而從溫度平流的垂直分布圖上可以看出，這一時刻對流層內(nèi)氣旋 B 的上空對應(yīng)暖平流，暖平流中心位于 700 hPa附近，與上升運動速度的中心有較好的對應(yīng)關(guān)系，因而可以推斷出，此時上升運動速度的增強與暖平流作用密切相關(guān)。之后的8 h內(nèi)(見圖16(c)～(f))，氣旋B以及氣旋B吞并A后形成的氣旋C的上升運動速度的中心都與暖平流中心有較好的對應(yīng)關(guān)系。

潛熱釋放的垂直分布圖見圖17。分析發(fā)現(xiàn)，7日12 UTC(見圖17(a))，氣旋B的的潛熱釋放大值區(qū)位于800 hPa 附近，而氣旋A的潛熱釋放大值區(qū)位于700 hPa 附近，7日18 UTC(見圖17(b))，氣旋B的上升運動速度增強至8×10-1m·s-1，氣旋B上空至 600 hPa，均為潛熱釋放的正值區(qū)，且潛熱釋放大值區(qū)對應(yīng)上升運動的大值中心基本位于 800 hPa附近。此時氣旋B比氣旋A的上升運動速度更大。之后的8 h內(nèi)(見圖16(c)～(f))，氣旋B以及氣旋B吞并A后形成的氣旋C的上升運動速度的中心均有潛熱釋放，但潛熱釋放作用很弱。當氣旋的垂直運動減弱，潛熱釋放作用也隨之減弱，表明氣旋的爆發(fā)性發(fā)展與潛熱釋放密不可分。

(藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

(藍色圓點表示氣旋B的中心位置，紫色矩形點表示氣旋A的中心位置，黑色圓點表示氣旋C的中心位置。Blue dot indicates the position of cyclone B, purple rectangle symbol indicates the position of cyclone A, and black dot indicates the position of cyclone C, respectively.)

對氣旋的快速發(fā)展起促進作用的因子包括渦度平流、溫度平流和潛熱釋放項。本文對ω方程(公式3)右端三項進行了定量計算發(fā)現(xiàn)，右端第二項(溫度平流)的量級為10-13，而第一項(渦度平流項)和第三項(潛熱釋放項)的量級均為10-14, 即溫度平流項比渦度平流項和潛熱釋放項均大1個量級，表明在氣旋B吞并氣旋A后形成的氣旋C的快速發(fā)展主要是由于暖平流作用。

3.4 概念模型

通過對氣旋A和氣旋B演變過程的分析，我們建立了氣旋B吞并氣旋A形成氣旋C后快速發(fā)展的概念模型如下(見圖18)。

((a)前期階段，(b)吞并階段，(c)完成階段，(d)吞并全過程。(a) Pre-swallowing stage, (b) Swallowing stage, (c) Final-swallowing stage, (d) The whole process of cyclone B swallowing cyclone A.)

在吞并前階段，氣旋B位于氣旋A的西南方向，氣旋A和氣旋B有各自的鋒面系統(tǒng)，氣旋A與氣旋B之間的水汽輸送通道尚未建立。300 hPa圖上，氣旋B位于高空急流軸處，氣旋A位于高空急流出口區(qū)左側(cè)。垂直方向上，氣旋 B 的潛熱釋放大值區(qū)位于 800 hPa 附近，對應(yīng)上升運動的大值中心，而氣旋A的潛熱釋放大值區(qū)位于700 hPa 附近。在吞并初始階段，氣旋B位于氣旋A的東南方向，氣旋A和氣旋B的鋒面合并，東移的冷鋒與增強的暖鋒呈垂直“T-型”狀態(tài)。低空急流在氣旋B和氣旋A之間建立水汽輸送通道，水汽從氣旋A向氣旋B輸送(見圖13(a))。300 hPa上，氣旋A遠離高空急流出口區(qū)左側(cè)，氣旋B位于槽前，且位于東—西向高空急流出口左側(cè)區(qū)域，溫度槽落后于位勢高度槽。垂直方向上，氣旋B上空至 600 hPa 均為潛熱釋放的大值區(qū)，且對應(yīng)上升運動的大值中心，此階段氣旋B潛熱釋放作用仍然明顯。在吞并完成階段，海平面氣壓場上只能追蹤到氣旋C，“T-型”鋒面結(jié)構(gòu)依然存在。300 hPa上，氣旋C遠離高空急流出口區(qū)左側(cè)。

綜合以上分析，可以總結(jié)出氣旋B吞并A后形成氣旋C快速發(fā)展的機制。在氣旋B吞并氣旋A的過程中，氣旋A是繞著氣旋B旋轉(zhuǎn)的，隨著氣旋A移動到離氣旋B 越近，旋轉(zhuǎn)速度變得更快。低空東移的冷鋒與增強的暖鋒呈垂直“T-型”形態(tài)。高空氣旋A和氣旋B均位于槽前，且位于東—西向高空急流出口左側(cè)區(qū)域，溫度槽落后于位勢高度槽。在氣旋A和氣旋B之間建立水汽輸運通道，水汽從氣旋A向氣旋B輸送。在吞并后氣旋C的發(fā)展過程中，溫度平流的貢獻起主要作用。

4 結(jié)論

本文利用紅外衛(wèi)星云圖、天氣圖資料、WRF模式模擬結(jié)果對2003年3月北大西洋上氣旋B吞并A的過程及發(fā)展機制進行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 氣旋A生成于美國東海岸，向東北方向移動，路徑發(fā)生回旋。氣旋B生成于美國東部，比氣旋A向東北方向移動得更快，達到最大加深率3.27 hPa·h-1。氣旋A云系被氣旋B干擾后發(fā)生形變，氣旋A有被卷入氣旋B的趨勢，云系呈現(xiàn)為“T”狀結(jié)構(gòu)。氣旋B在北大西洋中部地區(qū)將氣旋A吞并后繼續(xù)向東北方向移動，吞并后的氣旋C在6 h后氣旋中心氣壓降至最低值。

(2) 氣旋A和氣旋B均位于高空槽前，且位于東—西向高空急流出口左側(cè)區(qū)域。在低層，低空急流從氣旋A向氣旋B中心輸送暖濕氣流，為氣旋B的快速發(fā)展提供充足水汽條件。垂直方向上，氣旋A和氣旋B的水汽聚集在對流層中低層。低空急流在氣旋B和氣旋A之間建立的水汽輸送通道有利于氣旋B的發(fā)展。

(3) 氣旋A繞著氣旋B旋轉(zhuǎn)，隨著氣旋A移動到氣旋B的距離在1 500 km以內(nèi)，旋轉(zhuǎn)速度變得更快。氣旋B吞并A過程經(jīng)歷三個階段：前期階段、吞并階段、完成階段。吞并后形成的氣旋C以原氣旋B為主體形成一個深厚的“渦旋柱”。

(4) 通過對方程的定量分析可知溫度平流是氣旋C快速發(fā)展的主要因子。低層暖平流為氣旋C的發(fā)展提供了充足的水汽條件，且易形成對稱不穩(wěn)定，中高層冷平流則造成了斜壓不穩(wěn)定，二者促進了氣旋C的爆發(fā)性發(fā)展。